生物信息学与基因组学生物

生物信息学与基因组学生物第一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组计划研究的背景、目标意义后基因组时代第二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日DNA分子中含有特定遗传信息的核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。合成有功能的蛋白质多肽链或RNA所必需的全部核酸序列（通常是DNA序列）。故一个基因应包含不仅是编码蛋白质肽链或RNA的核酸序列，还包括为保证转录所必需的调控序列、5′非翻译序列、内含子以及3′非翻译序列等所有的核酸序列（蛋白质基因和RNA基因）。基因第三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日基因组：携带生物体全部遗传信息的核酸量。用来描述组成一种生物每个细胞内DNA的全部序列。人类基因组是目前已知基因组中最大、最复杂的基因组。20世纪80年代后期生命科学领域出现了一个新的研究领域——基因组学(genomics)。第四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日基因组学产生背景及概念

1.背景：1985年提出HGP，随着HGP的提出和实施，产生的基因组学。

2.概念：从整体上研究一个物种的所有基因结构和功能的新科学。第五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组计划（HGP）

第六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

人类基因组计划的主要目标是测定人类基因组全序列。人类基因组DNA由四种核苷酸（A、T、C、G）按一定的顺序排列而成，基因组所含核苷酸总数为30亿对。第七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

４月末我国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了１％人类基因组的工作框架图。５月国际人类基因组计划完成时间再度提前，预计从原定的２００３年６月提前至２００１年６月。５月８日由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布，他们已经基本完成了人体第２１对染色体的测序工作。６月２６日各国科学家公布了人类基因组工作草图。２００1年

2月15日公布了人类基因组全序列及其分析结果，宣告人类有30,000-40,000条编码蛋白质的基因,仅占人类基因组序列的1％～5％，成人各种组织中又只有约10％的基因表达为蛋白质。。第八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日一、相关的背景知识第九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类了解自己的过程器官水平整体水平细胞水平基因水平解剖图组织细胞图基因图第十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日二、人类基因组计划（HGP）的提出第十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日迫切性：对人类健康和疾病与基因间紧密联系认识的需求。单基因遗传病，多基因病等。

可行性：

现代科技的快速发展分子生物学，信息学，材料学，计算机科学，微电子科学等。第十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组计划的提出和背景

theformationandbackgroundofHGP人类基因组计划的提出生存与健康是人类的头等大事。人类许多疾病都与基因有关。旧的顽症挥之末去，新的疾病此起彼伏，已近绝迹的传染病又卷土重来，医疗费用大幅度增加，凡此种种，都使人类面临着生老病死以及环境、资源的严峻挑战。这一切呼唤着科技创新时代的到来。第十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

人类基因组计划是与曼哈顿原子计划、阿波罗等月计划并称的人类科学史上的重大工程。该计划于1990年首先在美国启动，后有英（1989年）、日（1990年）、法（1990年）、中（1993年）、德（1995年）等国的科学家先后正式加入。第十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划人类基因组计划第十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组计划的背景早期的基础研究两件大事核辐射对人类基因的突变作用肿瘤十年计划第十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日尽管很多国家的人类基因组的研究在70年代开始，80年代初具一定规模，然而，列入国家级项目的大规模研究是在美国率先启动的。1984年在美国Utah州的Alta专家小组会议上讨论了人类全基因组DNA测序前景和意义；1985年在美国能源部的加州会议上指出了测定人类基因组全序列的动议，并形成了计划草案；1986年3月，DulbeccoR在《Science》杂志上发表的短文对启动人类基因组计划起到了关键性作用，他指出“要从整体上研究和分析整个人类基因组”，“这一计划的意义，可以与征服宇宙的计划相媲美。”第十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

人类基因组计划发展历程1990年

10月国际人类基因组计划正式起动。1998年

5月一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉基因公司，目标是投入３0亿美元，到2001年绘制出完整的人体基因图谱，与国际人类基因组计划展开竞争。

10月23日美国国家人类基因组研究所在美国《科学》杂志上发表声明说，人类基因组计划的全部测序工作将比原计划提前两年，即在2003年完成。

1999年

3月15日英国韦尔科姆基金会宣布，由于科学家加快工作步伐，人类基因组工作草图将提前至2000年完成。

第十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

９月中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的１％，也就是３号染色体上的3000万个碱基对，使中国成为继美、英、日、德、法之后第六个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一发展中国家。１２月１日国际人类基因组计划联合研究小组宣布，他们完整地译出人体第２２对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定。

２０００年３月１４日美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国的科学家都能自由地使用这些成果。４月６日塞莱拉公司宣布已破译出一名实验者的完整遗传密码。第十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日美国当地东部时间2000年6月26日上午10时，是人类科学史上值得纪念的日子。由6国(美、英、法、德、日、中)合作、公众支持的国际人类基因组计划协作组在全球同一时间联合宣布：人类生命蓝图——人类基因组“工作框架图”已经完成。这是人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）取得的重大成果，也是自然科学史上最重要的里程碑。它的问世标志着人类在研究自身规律的过程中迈出了至关重要的一步，也预示着人类在探索生命奥秘的历史进程中翻开了新的篇章。这项全人类共同协作的伟大工程将永载人类发展的史册。第二十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日三、人类基因组计划研究的目标1990年美国国立卫生研究院NIH和美国能源部DOE两家机构制定了人类基因组第一个五年计划（1991—1995），包括人类基因组的遗传图谱、物理图谱和几种模式生物的DNA序列。经过大量细致的工作，第一个五年计划提前完成。1993年，为了扩展和修改第一个计划项目，又制定了1994—1998年的目标策略。主要内容包括：第二十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日1.人类基因组的遗传图谱、物理图谱、序列图谱和基因图谱绘制。

基因鉴定、鉴定人类基因组和模式生物基因组的所有基因。

基因组研究技术的建立、创新与改进、长期的目标是在现有技术的基础上建立基础实验室能方便操作的技术方法，并适用于其他生物基因组的测序。第二十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日2、模式生物基因组的作图和测序完成和继续进行大肠杆菌（E.coli）、酵母（S.cesevisiae）、美丽线虫（C.elegans）、果蝇（Drosoohila）基因组测序；1998年底结束对有应用价值的人类与小鼠相似的基因序列的研究。3、建立生物信息数据系统开发信息储存、处理及相应的软件，建立数据交流的有效的工具标准。研究基因组比较和转译的手段。4、解决人类基因组所涉及的伦理、法律和社会问题（ELSI）继续制定与HGP相关的政策法规，制定、宣传与基因实验有关以及有应用价值的基因的政策。

5、技术转让鼓励和加强基因组研究中的技术转让。

第二十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日基因组计划的外延目标1998年底，根据第一个五年计划的目标完成情况，又出台了1998—2003年第二个五年计划的具体目标。1、人类基因组测序目标⑴2003年底完成人类基因组的全序列测定包括特殊区域的测定。基因库要扩大2—3倍。⑵2001年前完成1/3的人类DNA核苷酸序列测定任务。增加互补DNA(cDNA)和细菌人工染色体(BAC)克隆文库，完成高精确性、跨度大的序列的测定，分析人类和非人类基因组的序列差异，确定“空洞”（gap）序列的位置和大小。第二十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日2、测序技术的发展目标

⑴继续提高测序反应效率，通过技术创新降低成本，通过自动化、微型化、技术配套等手段每年测序达到500Mb，每个碱基降到25美分。⑵支持新技术研究，利用微电子结构系统快速、大规模检测DNA并进行蛋白质测序。⑶探索简便快捷的方法使新技术得到大规模应用。第二十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日四、国际合作美国54%2、3、4、5、7、8、9、10-、11、12、15、16、17、18、19X和Y染色体测序分析英国33%1、6、9、10、11、13、20、22和X染色体测序分析日本7%2、6、8、11、18、21、22号染色体测序分析法国2.8%14号染色体测序分析第二十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日“协作”精神“高度负责”精神第二十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日HGP研究进展前半段时间，进展缓慢1997年，5%的任务1998年，加速了进程1999年，22号染色体2000年4月，美国5、16、192000年5月，德、日21号染色体2000年6月，公布草图第二十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类遗传基因数量比原先估计的少很多基因分布不均匀99.9%的基因密码是相同的带动了大肠杆菌（E.coli）、酵母（S.cesevisiae）、美丽线虫（C.elegans）、果蝇（Drosoohila）、小鼠等模式生物的全基因组破译。河豚鱼与人类基因数大致相当且内含子少果蝇无脊椎动物中在进化保守序列上与人类最为接近的第二十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日我国的人类基因组计划研究进展我国是1999年提出参加HGP国际合作计划的，经中科院遗传所杨焕明教授等人的积极努力，在同年9月举行的第五届国际人类基因组战略会议上，中国得以承担3号染色体短臂的1%测序任务，约3千万个碱基对的全序列测定。经过中科院遗传所人类基因组中心、国家人类基因组南方、北方中心科技人员的共同努力，于2000年6月如期完成了承担的任务。第三十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日1993年，我国就开始启动人类基因组的项目研究，1993年和1997年分别开展了“中华民族基因组中若干基因结构位点的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”。第三十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日科学家首次发现位于1号染色体上的神经性耳聋的致病基因；给鼻咽癌基因在染色体上定位（3和7号）；克隆出若干白血病基因并针对其结构和功能进行了深入研究；对原发性高血压、精神病等多基因病患者及家系进行全基因组扫描；定位了X染色体上视网膜色素变性的相关区域；克隆了数百条来自造血、内分泌、神经、心血管、生殖系统等有关的新基因的全长基因；第三十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日血友病B致病基因的基因治疗取得突破性进展；对血友病A（FVⅢ）和马凡式综合症（Marfan）等致病基因与疾病的关系进行了有价值的探索；建立了我国西南地区、东北地区12个少数民族（傣、景颇、德昂、藏、壮、黎、彝、布朗、基诺、鄂伦春、达斡尔、鄂温克)及南、北方两个汉族人群的733个永生细胞株库。第三十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

HGP的意义第三十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日诞生了新学科、新领域生物信息学比较基因组学(comparativegenomics)以跨物种、跨群体的DNA序列比较为基础，利用模式生物与人类基因组之间便码顺序和组成、结构上的同源性，研究物种起源、进化、基因功能演化、差异表达和定位、克隆人类疾病基因第三十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日蛋白质组学(proteomics)以蛋白质整体水平表达和空间构象与功能的相关性为主要目标，以研究基因组DNA序列与蛋白质之间错综复杂关系为主要内容的医学基因组学(medicalgenomics)以基因组学与临床医学、医药产业的密切结合为基本特征、以基因治疗为突破口，研究不同个体疾病、药物反应与DNA多态关系的第三十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组研究方向基因组学（genomics）作为一门专门学科。它涵盖以下几个方面：

结构基因组学，主要研究核酸或蛋白质的结构、定位、功能及其相互作用；与蛋白质组学内容密切相关。

功能基因组学，主要研究基因的表达、调控、功能及基因间的相互作用；

比较基因组学,

包括对不同进化阶段生物基因组的比较研究，也包括不同人种、族群和群体基因组的比较研究。

药物基因组学、疾病基因组学等分支学科也不断发展起来。第三十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日结构基因组学（一）概念和目的以全基因组测序为目标的基因结构研究，弄清基因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的研究奠定基础。其目的是建立高分辨的遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱。遗传图谱（连锁图谱）：指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离。通过该图谱可分清各基因或DNA片段之间的相对距离与方向，如靠近着丝粒或端粒。2.物理图谱：指DNA序列上两点间的实际距离(bp)。3.序列图谱（分子水平的物理图谱）：以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。4.基因图谱：在人类基因组中鉴别出占据2%-5%长度的全部基因的位置、结构与功能。第三十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日比较基因组学通过比较人类基因组与其他模式生物基因组的异同，以便更好地了解人类基因组的结构和便于蛋白组学研究。大肠杆菌（E.coli）、酵母（S.cesevisiae）、美丽线虫（C.elegans）、果蝇（Drosoohila）、小鼠等模式生物。第三十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组“工作框架图”诞生的意义一、鉴定人类基因，揭开人类生命奥秘二、DNA序列的诠释将把人类带入基因医学的新时代。三、人类DNA序列图谱的建立带动了对小鼠的大肠杆菌、酵母、美丽线虫以及近30多种微生物全基因组破译和一些其他生物DNA图谱绘制。第四十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日四、

人类基因组计划会使以DNA序列为基础的生物制药产业发生空前的变革。五、随着人类基因组计划研究的进一步深入，有关伦理、法律等社会问题将受到不同程度的影响，人类固有的传统观念将发生变化。六、基因组工程的开展将推动生物进化、物种多样性、环境对生物作用等方面理论研究的逐步深入。

第四十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

七、基因组学是从整体上研究一个物种的所有基因结构和功能的新科学，它将从整体上揭示生物各组织器官生长、发育、衰老、死亡的奥秘。八、基因组学作为应用科学将对生命科学、生物技术产业及社会、经济各方面的发展产生重大的推动作用。九、人类基因组计划的发展诞生了许多新学科、新产业。第四十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日基因组医学及相关的社会、伦理、法律问题预测医学的发展趋势相关基因的检测作为症状前诊断依据是今后预测医学的重要内容第四十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日应用基因组学的发展疾病的基因诊断与产前诊断药物个体反应性评价DNA身份鉴定与亲子鉴定植入前遗传学诊断与胎儿选择基因治疗基因制药与基因疫苗转基因动物遗传咨询与遗传伦理学的新范畴第四十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日科学技术方面经济发展方面社会发展方面第四十五页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

在科学上，基因组科学将成为领头科学。基因组结构和功能的阐明已经和正在给信息科学等学科的发展带来无限机遇，为解释生命现象和疾病发生机理提供了新的可能性，这将彻底改变现存的医疗模式。第四十六页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

在经济发展上，基因组科学是基础理论研究与应用相结合的典范。由于遗传结构语言的破译和基因功能的阐明可直接指导基因产业和医疗卫生工作，其社会效益和经济效益将不可估量。基因组产业将成为21世纪朝阳产业，它的巨额经济效益吸引着投资商和企业向这一领域汇聚。目前国际的一些著名公司正在进行着一场重组和改造，把主要目标放在与基因相关的产业开发上。第四十七页，共六十五页，编辑于2023年，星期日

在社会发展方面，人类将面临一场新的挑战。必须解决人基因组研究带来的社会、伦理和法律问题，必须改变传统观念，以适应科学的发展。第四十八页，共六十五页，编辑于2023年，星期日后基因组计划解读、破译这些基因的结构与功能，以及基因之间的相互关系与调控作用。一个以基因组功能研究为主要内容的“后基因组时代”即功能基因组学（functionalgenomics)时代已经到来。以人基因组结构为主要研究内容的称为基因组学以结构研究之后的基因组功能为主要研究内的称为后基因组学第四十九页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类后基因组研究是在基因组序列的研究基础上开展起来的实质性的核心研究。后基因组时代生物学的中心任务是揭示基因组及其所包含的全部基因功能，并在此基础上阐明遗传、发育、进化、功能调控等基本生物学问题，以及与人类健康和疾病相关的生物医学问题。第五十页，共六十五页，编辑于2023年，星期日主要阐明由基因组内基因编码产生的真正执行生命活动的全部蛋白质的表达规律和生物功能，揭示基因组内核苷酸序列所蕴藏的生物学功能和意义。第五十一页，共六十五页，编辑于2023年，星期日后基因组时代——功能基因组学的研究内容人类基因的识别和鉴定采用生物信息学、计算机生物技术和生物学实验手段以及两者结合的方法进行比较基因组的研究。第五十二页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组多样性计划人类基因组多样性计划主要研究人类群体的分子多态性和表型多样性的变化规律及其不同群体和个体之间疾病易感性和抗性上的差异原因。通过对人类的起源、进化、迁移与分子多态的变化事件相互关系研究，探索生物起源、进化的规律性的遗传证据。第五十三页，共六十五页，编辑于2023年，星期日人类基因组单体图（Hapmap)目的是在通过测序了解遗传基本信息的基础上，进一步确立世界上主要族群基因组的遗传变异图谱。主要内容是对亚、非、欧裔全基因组中DNA序列上的多态位点进行测定和分析，由此构建出整合了人类遗传多态信息的每条染色体的“单体型图”第五十四页，共六十五页，编辑于2023年，星期日研究全基因组SNPs的最大局限是其巨大的经费投入。Hapm