基因组学1课件

第二章基因组学大纲基因、基因组与基因组学123人类基因组计划HGP的概况基因组学及其分支HGP的作图HGP的测序HGP的信息处理基因、基因组与基因组学

基因（gene）

遗传的基本单位，编码RNA或多肽链的核酸片段。基因组的特点：不同的生物体，其基因组大小和复杂程度各不相同进化程度越高的生物其基因组越复杂基因、基因组与基因组学6

什么是C值？

通常是指一种生物单倍体基因组DNA的总量.C值一般随着生物的进化而增加，高等生物C值一般大于低等生物。基因组的大小（C值）基因、基因组与基因组学7C值矛盾

在结构和功能相似的物种中,甚至在亲缘关系相近的物种中,C值差异大；

在不同进化阶元中，某些低等生物的C值比高等生物的C值还大。基因、基因组与基因组学病毒基因组基因组较小

不到大肠杆菌基因组的1/10可以是DNA，也可以是RNA可以是单链结构，也可以是双链结构可以是闭环分子，也可以是线性分子基因、基因组与基因组学原核生物基因组基因组相对较小，呈双链环状DNA分子，无染色体结构，具有单个复制起始点。

基因、基因组与基因组学2.具有操纵子（operon）结构：

几个功能相关的基因串连在一起，由一个启动子控制，构成一个转录单位，转录产生一个多顺反子（基因）mRNA。基因、基因组与基因组学13大肠杆菌细胞结构nucleoid质粒plasmid基因、基因组与基因组学真核生物基因组真核生物基因组的化学本质为DNA，多与蛋白质结合形成染色质。基因组远大于原核生物，结构复杂。基因不存在操纵子结构，功能相关基因分散在不同的染色体上。14基因、基因组与基因组学基因组中有大量低度（重复频率<103）、中度（重复频率<105）和高度重复序列。基因是不连续的（断裂基因），由外显子和内含子镶嵌排列而成。基因转录的初级产物需经一定的加工，切除内含子使外显子拼接，才能形成成熟的mRNA。非编码区（占90%以上）远大于编码区。15基因、基因组与基因组学17重复序列1.高度重复序列：重复频率>105，通常这些序列的长度为6-200bp，如卫星DNA；2.中度重复序列：重复频率101-105,重复单位平均长度约300bp占基因总量的35%。（rRNAgene,tRNAgene,组蛋白gene)；3.单拷贝基因：单拷贝序列（uniquesequence）亦称非重复序列（nonrepetitivesequence）在一个基因组中只有一个拷贝或2-3个拷贝。多数编码蛋白质的基因。基因、基因组与基因组学基因组学（genomics）1986年提出，至今20多年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。

定义为研究基因组的结构组成、时序表达模式和功能，并提供有关生物物种及其细胞功能的进化信息。21基因、基因组与基因组学22基因组学是以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。基因组学的特点强调进行细胞中全部基因及非编码区的整体性考查和系统性研究，从而全面提示基因与基因间的相互关系、基因与非编码序列的关系、基因与基因组的相互关系基因、基因组与基因组学基因组学研究的最终目标获得生物体全部基因组序列鉴定所有基因的功能明确基因之间的相互作用关系阐明基因组的进化规律

23基因、基因组与基因组学大纲基因、基因组与基因组学123人类基因组计划HGP的概况基因组学及其分支HGP的作图HGP的测序HGP的信息处理人类基因组计划-概述当我们陶醉于以前的科学成就时，却突然发现了人类对自身的认识太少了。人的生老病死究竟是由什么决定的？我们基本上没办法解答这个问题。更重要的是，人类面对一些疾病，有时显得束手无策，这迫切需要人类去认识了解自身。人类基因组计划的由来2920世纪人类科技发展史上的三大创举

人类基因组计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划人类基因组计划-概述人类基因组计划的研究目标绘制人类基因组的高分辨遗传图谱绘制人类及某些模式基因组的各种物理图谱确定人类及某些模式生物的DNA全序列收集、储存、传播和分析所得资料发展用于此研究的一系列新技术人类基因组计划-概述人类基因组计划的背景-----基因组计划最早始于美国初衷1945年原子弹事件的广岛之争:突变率调查1984年12月犹他大学魏特受美国能源部的委托，美国能源部资助召开的环境诱变物和致癌物的防护的会议上，讨论DNA重组技术的发展及测定人类整个基因组DNA序列的意义，第一次提出测定人体基因和全部DNA序列，并检测所有的突变，计算真实的突变率。1985年6月，美国加州的会议上，美国能源部正式提出了展开人类基因组测序工作，形成了能源部的“人类基因组计划”初步草案。1986年6月，新墨西哥州冷泉港吉尔伯特及伯格主持的讨论会上，进行了可行性讨论。美能源部宣布实施草案。意裔美肿瘤分子生物学家杜伯克在《科学》发表文章使人们认识到包括癌症在内的人类疾病的发病原因,在其“标书”里阐述了“人类基因组计划”的必要性与艰巨性，并使该计划成为国家级与国际性的计划.1987年，美国国家医学研究院和能源部联合提出了这一宏伟计划，即HGP,先期投资550万启动这一计划沃森任实验室主任1988年成立了国际人类基因组组织(HUGO)和联合国科教文组织（UNESCO）1989年美国成立了“国家人类基因组研究中心"。1989年2月英国开始了HGP的研究。1990年10月1日正式启动实施目标：完成对人的基因组的30亿个核苷酸对的全部序列测定工作，阐明人体中全部基因的位置、功能、结构、表达调控方式及致病突变的全部信息。耗资30亿，由美、英、法、德、日、中六国科学家的共同努力下，2000年6月26日，国际人类基因组计划与塞莱拉公司联合发布“人类基因组工作草图”。2001年2月12日两大科研小组联合发布人类基因组图谱及“基本信息”。宣告人类基因组计划初步完成。

人类基因组计划是一个合作计划

6个国家的16个中心上千名科学家参加。其中美国占54％的份额,英国占33％,日本占7％,法国约占3％，德国约占２％，中国占１％。每个国家所占的份额同该国的生物产业水平成正比。32人类基因组计划-概述在HGP中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。HGP的最初目标：15年内（1990-2005）投入30亿美元，完成人类24条染色体的30亿个核苷酸序列分析HGP的终极目标是解码生命、了解生命、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。33人类基因组计划竞争与合作人类基因组计划的进展并不是一帆风顺的。以全球合作、数据共享为主旨的国际人类基因组计划面临着来自私营公司

Celera强有力的挑战。34人类基因组计划-概述35Celera公司简介Celera公司建立于1998年5月，位于美国马里兰州的Rockville，由PE公司和J.CraigVenter博士共同创建。CraigVenter博士曾是基因组研究所（TheInstituteforGenomicResearch，TIGR）的创建者和领导人.Celera的本意来自拉丁语的“快速”，因此Celera公司一直致力于开发基因组信息并使之商业化，以加速生物技术的发展和应用。目前Celera公司已针对已有的功能基因组和蛋白质组信息开发出一套新的数据库及服务系统，为相关研究工作提供有力的工具和服务。36人类基因组计划-概述37*

CraigVenter博士采用散弹法于Science上发表结果。人类基因组计划-概述人类基因组计划大事记38人类基因组计划-概述1990年，人类基因组计划在美国正式启动。1991年，美国建立第一批基因组研究中心。1993年，桑格研究中心在英国剑桥附近成立。1997年，法国国家基因组测序中心成立。1998年，中国在北京和上海设立国家基因组中心。1999年，中国获准加入人类基因组计划，承担1%的测序任务，成为参与这一计划的惟一发展中国家。2000年6月26日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布首次绘成人类基因组“工作框架图”。39人类基因组计划-概述2001年2月12日，六国科学家联合在学术期刊上发表人类基因组“工作框架图”及初步分析结果。2001年8月26日，人类基因组“中国卷”的绘制工作宣告完成。2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因区域的99%，精确率达到99.99%。2004年10月,人类基因组完成图公布2000年6月26日

值得载入人类自然科学史册的一个日子

国际“人类基因组计划”协作组6国16中心于当日18：00（北京时间）同时宣布：

40人类基因组计划“工作框架图”胜利完成人类基因组计划-概述二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成41人类基因组计划-概述美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯在介绍情况。42人类基因组计划-概述43442000年6月公共领域测序计划工作框架图人类基因组计划-概述45

2000年12月美、英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。人类基因组计划-概述46Initialsequencingandanalysisof

thehumangenomeInternationalHumanGenomeSequencingConsortiumNATUREVOL409

15FEBRUARY2001860-921人类基因组计划-概述47TheSequenceoftheHumanGenome16FEBRUARY2001

SCIENCE

VOL291

1304-1351CeleraGenomics人类基因组计划-概述人类基因组草图基本信息由31.65亿bp组成含3～3.5万基因与蛋白质合成有关的基因占2%48人类基因组人类蛋白质61%与果蝇同源43%与线虫同源46%与酵母同源人类基因组计划-概述基因数量少得惊人人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”三分之一为“垃圾”DNA种族歧视毫无根据男性基因突变比例更高人类基因组研究成果表明人类基因组计划-概述HGP的技术成果:

主要体现在对人类基因组整体结构的认识，即人类基因组遗传图、物理图、转录图、序列图的完成，从而奠定了人类结构基因组学基础。而人类基因图的完成，仍有大量工作要做。

50人类基因组计划-概述大纲基因、基因组与基因组学123人类基因组计划HGP的概况基因组学及其分支HGP的作图HGP的测序HGP的信息处理人类基因组计划—作图基因组计划四张图谱定义：采用遗传学分析方法将基因或其他DNA顺序标定在染色体上构建连锁图。

遗传图谱(geneticmap)又称连锁图谱(linkagemap)或遗传连锁图谱(geneticlinkagemap)：指基因组内基因和专一的多态性DNA标记(marker)相对位置的图谱。人类基因组计划—作图一、遗传作图遗传图距的单位：厘摩（cM）。早期绘制的经典遗传图谱的单位是重组率，1%的重组率为1个遗传单位。现代遗传图谱的单位为厘摩(centiMorgan，cM)，1cM相当于1%的重组率，约为1,000,000个碱基对(basepairs，bp)

交换率或交换值或重组频率=减数分裂的重组产物\减数分裂的总产物人类基因组计划—作图构建遗传图谱的基本原理

真核生物遗传过程中会发生减数分裂，此过程中染色体要进行重组和交换，这种重组和交换的概率会随着染色体上任意两点间相对距离的远近而发生相应的变化。

根据概率大小，人们就可以推断出同一条染色体上两点间的相对距离和位置关系。

我们得到的这张图谱也就只能显示标记之间的相对距离。我们称这一距离(概率)为遗传距离(cM)，由此构建的图谱也称为遗传图谱。人类基因组计划—作图遗传图谱的意义通过遗传图谱，我们可以大致了解各个基因或DNA片断之间的相对距离与方向，如哪个基因更靠近着丝粒，那个更靠近端粒等遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，使用的DNA厘摩标志越多，越密集，所得到的遗传连锁图的分辨率就越高遗传图谱不仅是现阶段定位基因的重要手段，即使在人类基因组全物理图谱建立起来之后，它依然是研究人类基因组遗传与变异的重要手段人类基因组计划—作图遗传作图的DNA（分子）标记第一代：限制性片段长度多态性

（restrictionfragmentlengthpolymorphisms,RFLP）第二代：简单序列长度多态性

（simplesequenecelengthpolymorphisrns,SSLPs)小卫星序列：（MinisatelliteDNA）微卫星序列：（MicrosatelliteDNA,MS）第三代：单核苷酸多态性标记

（singlenucleotidepolymorphisms,SNP）人类基因组计划—作图现代遗传图谱的概念由BotsteinD等(1980)首先提出，在此基础上，限制性片段长度多态性（RFLP）作为遗传图谱的第一代崭新标记得以问世。第一代：限制性片段长度多态性人类基因组计划—作图同源染色体同一区段DNA序列的差异，限制酶识别的碱基顺序有专一性人类基因组计划—作图第二代：简单序列长度多态性SSLPs发现：小卫星序列minisatellite,微卫星序列microsatellite微卫星多态性遗传标记，又称简单序列重复标记（shortsequencerepeat，SSR），最重要的优点是高度多态性，提供的信息量相对很大；另外可用PCR技术使操作实现自动化，遗传图与物理图研究中非常有用的工具20世纪80年代后期,人们开始应用微卫星序列(microsatellite,MS)绘制图谱。1994年底，美、法完成了以RFLP及微卫星ＤＮＡ为标志的遗传图谱.图谱包含了5826位点，覆盖4000cM，分辨率高达0.7cM．1996年法国报道了完全以微卫星DNA标志构建的遗传连锁图，包含2335位点，分辩率为1.6cM人类基因组计划—作图人类基因组计划—作图第三代：单核苷酸多态性标记（singlenucleotidepolymorphism，SNP）点突变，位于密码子的摇摆位置，表现为沉默突变而被大量保留下来。大多数不能被限制酶识别，必须采取测序或寡聚核苷酸杂交检测在人类基因组中可达到300万个，平均每1000个碱基对就有一个数目多，覆盖密度大，它的开发和应用摒弃了遗传标记分析技术的"瓶颈"凝胶电泳，为DNA芯片技术应用于遗传作图提供了基础人类基因组计划—作图人类基因组计划—作图为什么要进行物理作图？

遗传学图谱分辨率有限遗传学图的分辨率依赖于得到的交换的数目。对于人类与大多数真核生物来说，巨大数量的后代不易获得。

遗传学图谱精确度有限酿酒酵母chr3遗传图与物理图的比较二、物理作图人类基因组计划—作图定义：以一段已知核苷酸序列的DNA片段（限制性酶切位点、序列标签位点等）为标记,以Mb或Kb作为图距绘制的基因组图。

基本要素：路标、单位、顺序、可复制的DNA片段物理图谱人类基因组计划—作图物理作图的基本原理人类基因组计划—作图物理图谱的本质是路标和克隆的测序单一克隆或重叠克隆都不是图谱，重叠克隆的延续可以制成图谱，克隆末端的数量决定了可排DNA片段的数量定义：将限制性酶切位点标定在DNA分子的相对位置。局限性：只能应用于相对较小的DNA分子。对于DNA分子长度<50Kb的片段，一般没有什么困难。而对于>50Kb的DNA分子，可选用稀有切点内切酶酶切DNA。1.限制酶作图人类基因组计划—作图物理作图的方法

2.序列标记位点作图—大基因组物理图主流构建技术人类基因组计划—作图序列标记位点（Sequencetaggedsite,STS）:指一段短的DNA序列,通常长度在100-500bp,易于识别,在待研究的染色体或基因组中仅存有1个拷贝。因此当2个片段含有同一STS顺序时，可以确认这两个片段彼此重叠。序列标记位点作图：通过PCR或分子杂交将特定DNA顺序定位在基因组染色体区段中。构建图谱的载体与方法人类基因组计划—作图利用不同水平的克隆方法，将染色体分解成可测定顺序的形式。克隆方法可克隆DNA片段大小放射杂交株大片段酵母人工染色体100~2000kb细菌人工染色体80~350kb黏粒31~45kb噬菌体和质粒20kb以下放射杂交株（radiationhybrid,RH）X射线处理中国仓鼠体细胞株筛选扩增含小于一条人染色体的细胞株人类基因组计划—作图克隆人染色体的特异片段YAC载体:

即酵母人工染色体，具有酵母染色体的特性，以酵母细胞为宿主，能在酵母细胞中复制。以YAC为载体，可以乘载2Mb的大片段DNA，是物理作图中最早利用的大片段DNA载体。优点:

容量大,插入片段可达1400kb.缺点:

转化效率低；插入子稳定性差；嵌合克隆比例高,达48%；插入DNA的制备相当困难。人类基因组计划—作图YAC(Yeastartificialchromosome)酵

母

人

工

染

色

体

(YAC)BAC载体BAC(Bacterialartificialchromosome)即细菌人工染色体，具有细菌染色体的特