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1、第十三章第十三章 基因組學基因組學 第一節第一節 基因組學概述基因組學概述 基因組學基因組學(Genomics)(Genomics)是遺傳學研究進入分子是遺傳學研究進入分子水平后發展起來的一個分支，主要研究生物水平后發展起來的一個分支，主要研究生物體全基因組體全基因組(genome)(genome)的分子特征。的分子特征。基因組學基因組學強調的是以基因組為單位，而不是以單個基強調的是以基因組為單位，而不是以單個基因為單位作為研究對象因為單位作為研究對象。v基因組學：基因組學：對生物體所有基因進行基因組作對生物體所有基因進行基因組作圖圖(包括包括遺傳圖譜遺傳圖譜、物理圖譜物理圖譜、轉錄圖譜轉錄圖
2、譜)、核、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門科學。門科學。v基因組學的研究目標基因組學的研究目標:獲得生物體全部基因組序列獲得生物體全部基因組序列注解基因組所含的全部基因注解基因組所含的全部基因鑒定所有基因的功能及基因間相互作用關系鑒定所有基因的功能及基因間相互作用關系闡明基因組的復制及進化規律闡明基因組的復制及進化規律 不同生物基因不同生物基因組組大小大小生物生物基因基因組組大?。ù笮。╞p）T4噬菌體噬菌體 T4 phage2.0105大大腸腸桿菌桿菌 Escherichia coli4.2106酵母酵母 Sccharomyces cere
3、viside1.5107擬擬南芥南芥 Arabidopsis thaliana1.0108線線蟲蟲 Caenorhbditis elegans1.0108果果蠅蠅 Drosophila melanogaster1.65108水稻水稻 Oryza sativa4.3108小鼠小鼠 Mus musculus3.0109人人類類Homo sapiens3.3109玉米玉米 Zea mays5.4109小麥小麥Triticum aestivum1.61010v 19861986年年首次提出基因組學首次提出基因組學(Genomics)(Genomics)的概念。的概念。v 基因組計劃研究開始于基因組計劃
4、研究開始于19901990年年，美國衛生部美國衛生部(NIH)NIH)和能源部和能源部(DOE)DOE)聯合啟動了被譽為聯合啟動了被譽為“人體阿人體阿波羅計劃波羅計劃”的的 “人類基因組計劃人類基因組計劃”(human human genome projectgenome project，HGP)HGP)?；蚪M學發展簡介基因組學發展簡介:“曼哈頓曼哈頓”原子原子 計劃計劃“阿波羅阿波羅”登月計劃登月計劃“人體阿波羅人體阿波羅”計劃計劃v 美國提出人類基因組計劃后，英、法、日、美國提出人類基因組計劃后，英、法、日、前蘇聯、中國等，也相繼啟動了類似項目前蘇聯、中國等，也相繼啟動了類似項目v 20
5、002000年年6 6月月2626日，各國科學家公布了人類基日，各國科學家公布了人類基因組工作草圖因組工作草圖。v 20032003年年，6 6國科學家宣布人類基因組序列圖國科學家宣布人類基因組序列圖繪制成功，繪制成功，HGPHGP的所有目標全部實現的所有目標全部實現,覆蓋人覆蓋人類基因組所含基因區域的類基因組所含基因區域的99%99%，精確率達到，精確率達到99.99%99.99%，比原計劃提前兩年多，耗資，比原計劃提前兩年多，耗資2727億美元。億美元。（一）人類基因組學（一）人類基因組學v1.1.原核生物基因組原核生物基因組v2.2.真核生物基因組真核生物基因組（二）其他生物基因組（二）
6、其他生物基因組 19921992年年8 8月，中國根據國情正式宣布實施自己月，中國根據國情正式宣布實施自己的的“水稻基因組研究計劃水稻基因組研究計劃”，已完成水稻基因組，已完成水稻基因組物理圖譜的構建物理圖譜的構建 20022002年年4 4月月5 5日，日，ScienceScience以以1414頁的篇幅刊頁的篇幅刊登和宣布中國科學家獨立繪制完成的水稻基因組登和宣布中國科學家獨立繪制完成的水稻基因組草圖序列草圖序列水稻全基因組物理圖水稻全基因組物理圖中國中國“水稻基因組研究計劃水稻基因組研究計劃”:（三）（三）C C值值 和和C C值悖理值悖理C C值值 (C value)(C value)
7、：一個單倍體基因組中一個單倍體基因組中DNADNA的總的總量。一個特定的種屬具有特定的量。一個特定的種屬具有特定的C C值值 C C值悖理值悖理（C value C value paradoxparadox）：物種的物種的C C值和值和它的它的進化復雜性進化復雜性之間無之間無嚴格對應關系的現象。嚴格對應關系的現象。N N值：值：生物體所含有的基因數目。生物體所含有的基因數目。N N值悖理：值悖理：復雜性不同的生物種屬所具有的基復雜性不同的生物種屬所具有的基因數目與其因數目與其生物結構的復雜性生物結構的復雜性不成比例的現象。不成比例的現象。例如例如:水稻基因數約水稻基因數約4 4萬個萬個,人類基
8、因總數約人類基因總數約3 3萬個萬個。二、基因組學的研究內容二、基因組學的研究內容:v 結結構構基基因因組組學學(structural(structural genomics)genomics)：通通過過基基因因作作圖圖、核核苷苷酸酸序序列列分分析析確確定定基基因因組組成成、進進行行基基因因定位的科學。定位的科學。v 功功能能基基因因組組學學(functional(functional genomics)genomics)：利利用用結結構構基基因因組組所所提提供供的的信信息息和和產產物物，研研究究基基因因組組功功能能表表達達的的一一門門分分支支學學科科?；蛞虻牡淖R識別別、鑒鑒定定和和克克隆
9、隆，基基因因結構與功能及其相互關系，基因表達調控結構與功能及其相互關系，基因表達調控。v 蛋蛋白白質質組組學學(proteomics)(proteomics)：研研究究細細胞胞內內蛋蛋白白質質組組成成及及其其活活動動規規律律的的新新興興學學科科。鑒鑒定定蛋蛋白白質質表表達達、存存在方式、結構、功能和相互作用方式等在方式、結構、功能和相互作用方式等。基基因因組組學學的的重重要要組組成成部部分分是是“基基因因組組計計劃劃”，如如人人類類、水水稻稻基基因因組組計計劃劃，其其大大體體可可分為分為：1 1、構建基因組的遺傳圖譜構建基因組的遺傳圖譜2 2、構建基因組的物理圖譜、構建基因組的物理圖譜3 3、
10、測定基因組、測定基因組DNADNA的全部序列的全部序列4 4、構建基因組的轉錄本圖譜、構建基因組的轉錄本圖譜5 5、分析基因組的功能、分析基因組的功能第二節 基因組圖譜的構建 在進行大規模序列測定之前，在進行大規模序列測定之前，構建基因組構建基因組圖譜圖譜是測定基因組全部核苷酸序列的重要一環。是測定基因組全部核苷酸序列的重要一環。基因組圖譜可作為序列測定中制定測序方案的基因組圖譜可作為序列測定中制定測序方案的依據，以便先重后輕地分析基因，錨定測知的依據，以便先重后輕地分析基因，錨定測知的核酸序列在染色體上的位置核酸序列在染色體上的位置 在在“人類基因組計劃人類基因組計劃”實施過程中，首先實施過
11、程中，首先用了用了6 6年年時間構建高密度的基因組圖譜，然后才時間構建高密度的基因組圖譜，然后才進入測序工作。進入測序工作。一、遺傳圖譜遺傳圖譜(Genetic mapGenetic map)構建構建 遺傳作圖遺傳作圖:采用遺傳學分析方法將基因或其他采用遺傳學分析方法將基因或其他DNADNA順序標定在染色體上構建連鎖圖順序標定在染色體上構建連鎖圖。(一）圖譜標記一）圖譜標記 形態標記：形態標記：主要指可以觀察到的一些性狀主要指可以觀察到的一些性狀,如種如種皮顏色、眼色、株高等皮顏色、眼色、株高等。細胞學標記：細胞學標記：能明確顯示遺傳多態性的細胞學能明確顯示遺傳多態性的細胞學特征。特征。染色體
12、的結構特征染色體的結構特征和和數量特征數量特征是常見的細是常見的細胞學標記胞學標記。生化標記：生化標記：主要是同工酶及種子貯藏蛋白主要是同工酶及種子貯藏蛋白,有時有時又稱又稱蛋白質標記蛋白質標記。分子標記：分子標記：主要指主要指DNADNA水平上的標記。水平上的標記。RFLP,RFLP,RAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNPRAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNP。（二）遺傳圖譜的構建（二）遺傳圖譜的構建 1.1.植物基因組遺傳圖譜的構建植物基因組遺傳圖譜的構建:選選擇親本擇親本 產生構圖群體產生構圖群體 遺傳標記的染色體定位遺傳標記的染色體定位標記間的連鎖分析標記間
13、的連鎖分析 19941994年繪制的第一張水稻年繪制的第一張水稻高高密密度度遺遺傳傳圖圖譜譜僅僅有有927927個個位位點點，含含有有13831383個個標標記記；19981998年年將將22752275標標記記定定位位到到11571157個個位位點點上上；20002000年年最最終終的的水水稻稻高高密密度度遺遺傳傳圖圖標標記記為為32673267個個，用于指導水稻基因組測序用于指導水稻基因組測序。2.2.人類基因組遺傳圖譜的構建人類基因組遺傳圖譜的構建:人人類類的的遺遺傳傳圖圖譜譜是是利利用用家家系系分分析析法法，在在對對8 8個個家家系系的的134134個個成成員員的的分分析析中中，主主要
14、要根根據據52645264個個STRSTR標標記記繪繪制制而而成成的的。利利用用這這些些家家系系的的資資料料繪繪制制第第1 1至至2222號號染染色色體體圖圖譜譜。對對于于X X染染色色體體圖圖譜譜，還還利利用用了了來來自自另另外外1212個個家家系系，170170個個成成員員的的資資料料繪制而成。繪制而成。將將52645264個標記定位在個標記定位在23352335個位點，據此構建個位點，據此構建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個標記的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個標記599 599 kbkb。二、物理圖譜二、物理圖譜 由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不高，所
15、以還要構建物理圖譜高，所以還要構建物理圖譜 基因組物理圖譜的構建基因組物理圖譜的構建:主要有主要有4 4種途徑：種途徑：限制酶作圖：限制酶作圖：比較不同比較不同限制酶產生的限制酶產生的DNADNA片段的大小片段的大小酵母第酵母第3染色體遺傳圖（染色體遺傳圖（A）與物理圖（與物理圖（B）基于克隆的基因組作圖：基于克隆的基因組作圖：根據克隆的根據克隆的DNADNA片段片段之間的重疊順序構建重疊群之間的重疊順序構建重疊群 (contigous DNA contigous DNA clones,contigsclones,contigs),),繪制物理連鎖圖。繪制物理連鎖圖。重疊群重疊群（contig
16、scontigs）：相互重疊的相互重疊的DNADNA片段組成的片段組成的物理圖?？寺≈丿B群的組建采用染色體步移法物理圖?？寺≈丿B群的組建采用染色體步移法(chromosome walkingchromosome walking)。區域作圖區域作圖 Regional mapping區域作圖區域作圖 Regional mappingMinimal tiling path selected for sequencing.區域作圖區域作圖 Regional mapping熒光原位雜交（熒光原位雜交（fluorescent in situ fluorescent in situ hybridizatio
17、n,FISHhybridization,FISH）基因組原位雜交（基因組原位雜交（genome in situ genome in situ hybridization,GISHhybridization,GISH ）熒光標記原位雜交熒光標記原位雜交(FISH)(FISH)：Banana chromosomes coloured by fluorescent in situ hybridization(FISH).將熒光標記的探針與染色體雜交確定分子標將熒光標記的探針與染色體雜交確定分子標記所在位置記所在位置序列標簽位點序列標簽位點(STS)(STS)：如表達的序列標簽如表達的序列標簽(EST
18、)(EST)，來自，來自cDNA cDNA 要將一組要將一組STSSTS作圖定位，必需收集來自作圖定位，必需收集來自同一染色體或整個基因組隨機斷裂的同一染色體或整個基因組隨機斷裂的DNADNA片片段。不同段。不同DNADNA片段之間有各種可能的重疊，片段之間有各種可能的重疊，可以覆蓋整個作圖區段。依次采用單個可以覆蓋整個作圖區段。依次采用單個STSSTS挑出它們所在的挑出它們所在的DNADNA片段，根據它們彼此的片段，根據它們彼此的重疊關系可以逐段繪重疊關系可以逐段繪DNADNA物理圖。物理圖。三、基因組測序策略三、基因組測序策略 鳥槍法測序：鳥槍法測序：利用限制酶或超聲波處理待利用限制酶或超
19、聲波處理待測序基因組，構建適合大規模測序的基因組測序基因組，構建適合大規模測序的基因組文庫，并對克文庫，并對克隆進行隆進行隨機序隨機序列測定列測定，然后，然后根據序列間的根據序列間的重疊構建重疊重疊構建重疊群，不同重疊群，不同重疊群進行染色體群進行染色體組裝組裝?？寺≈丿B群法：克隆重疊群法：將基因組切割成長度為將基因組切割成長度為0.1-1Mb0.1-1Mb的大片段，構建的大片段，構建BACBAC文庫文庫，利用，利用STS-PCRSTS-PCR反應池方案篩選反應池方案篩選種子克隆種子克隆，利用，利用指紋圖譜法或末端序列步行法對指紋圖譜法或末端序列步行法對種子克隆進種子克隆進行延伸行延伸，根據相
20、互的位置關系及，根據相互的位置關系及STSSTS路標的路標的順序關系有序地將種子克隆及延伸克隆繪制順序關系有序地將種子克隆及延伸克隆繪制到基因組的相應區域上，形成高覆蓋度的、到基因組的相應區域上，形成高覆蓋度的、較為連續的大的重疊克隆群，最后應用鳥槍較為連續的大的重疊克隆群，最后應用鳥槍法分別將每個克隆測序，并組裝到染色體上法分別將每個克隆測序，并組裝到染色體上。四、基因組圖譜的應用四、基因組圖譜的應用1 1、基因組序列測定、基因組序列測定2 2、基因定位、基因定位 3 3、基因的克隆與分離、基因的克隆與分離4 4、分子標記輔助選擇、分子標記輔助選擇5 5、比較基因組研究、比較基因組研究Der
21、ivation of genome trees from comparative analyses of complete genomes 第三節第三節 生物信息學生物信息學 1 1、生物信息學、生物信息學 (Bioinformatics)(Bioinformatics)采用計算機技術和信息論方法對采用計算機技術和信息論方法對蛋蛋白質白質及其及其核酸序列核酸序列等多種生物信息等多種生物信息采集、加工、儲存、傳遞、檢索、采集、加工、儲存、傳遞、檢索、分析和解讀，旨在掌握復雜生命現分析和解讀，旨在掌握復雜生命現象的形成模式和演化規律的科學象的形成模式和演化規律的科學。2 2、基因芯片、基因芯片(g
22、ene chip),(gene chip),又稱又稱DNADNA微陣列微陣列(microarray)(microarray)基因芯片基因芯片是由大量是由大量DNADNA或寡核苷酸探或寡核苷酸探針密集排列所形成針密集排列所形成的探針陣列的探針陣列,其基本其基本原理是通過雜交檢原理是通過雜交檢測信息。利用基因測信息。利用基因芯片芯片,可以實現基因可以實現基因信息的大規模檢測。信息的大規模檢測。3 3、生物信息學的應用、生物信息學的應用(1)(1)、發現新基因和新的單核苷酸多態性、發現新基因和新的單核苷酸多態性 (2)(2)、分析基因組中非編碼蛋白質區域功能、分析基因組中非編碼蛋白質區域功能 (3)
23、(3)、在基因組水平上研究生物進化、在基因組水平上研究生物進化 (4)(4)、完整基因組比較研究、完整基因組比較研究 第十三章第十三章 基因組學基因組學 第一節第一節 基因組學概述基因組學概述第二節 基因組圖譜的構建 第三節第三節 生物信息學生物信息學 1 1、遺傳圖譜、遺傳圖譜2 2、物理圖譜、物理圖譜3 3、基因組測序策略、基因組測序策略4 4、基因組圖譜的應用、基因組圖譜的應用第四節第四節 蛋白質組學蛋白質組學 (proteomics)(proteomics)1 1、蛋白質組學的概念及研究內容、蛋白質組學的概念及研究內容:所謂所謂蛋白質組蛋白質組就是就是細胞細胞、器官器官或或組織組織的蛋
24、白質的蛋白質成分的總稱成分的總稱,而而蛋白質組學蛋白質組學是研究這些成分在指是研究這些成分在指定的時間或特定的環境條件下的表達定的時間或特定的環境條件下的表達。2 2、蛋白質的分離、蛋白質的分離蛋蛋白白質質組組學學研研究究的的第第一一步步就就是是蛋蛋白白質質的的分分離離。雙相凝膠電泳雙相凝膠電泳是蛋白質組研是蛋白質組研究中的首選分究中的首選分離技術離技術。3 3、蛋白質的鑒定、蛋白質的鑒定鑒鑒定定蛋蛋白白質質組組份份的的性性質質、結結構構和和功功能能及及其其各各蛋蛋白白質質間間的的相相互互作作用用關關系系,從從而而最最終終實實現現蛋蛋白白質質組組表達模式和功能模式的研究表達模式和功能模式的研究
25、。目目前前，蛋蛋白白質質表表達達模模式式的的鑒鑒定定技技術術主主要要有有以以質質譜譜為為核核心心的的技技術術、蛋蛋白白質質微微測測序序、氨氨基基酸酸組組成分析成分析以及以及蛋白質芯片分析蛋白質芯片分析等等。4 4、蛋白質間的相互作用、蛋白質間的相互作用 目目前前的的研研究究方方法法主主要要有有酵酵母母雙雙雜雜交交系系統統、表表面面等離子共振技術等離子共振技術等等。自自從從19961996年年酵酵母母菌菌基基因因組組全全序序列列測測定定以以來來，在在4 4年年多多時時間間里里，全全世世界界已已有有10001000多多個個實實驗驗室室，50005000多多名名科科學學家家從從事事酵酵母母菌菌后后基
26、基因因組組學學的的研研究究，共共發發表表論論文文70007000多多篇篇，鑒鑒定定10601060個個新新基基因因的的功功能能，但但仍仍然然還還有有約約16001600個個閱閱讀讀框框架架的的功功能能不不清清楚楚。這這些些結結果果充充分分說說明明后后基基因因組組學學研研究究的的復復雜雜性。性。Long way to go Post-Genomics!Long way to go Post-Genomics!PubMedEntrezBLASTOMIMBooksTaxBrowserStructureSite MapGuide to NCBI resourcesAbout NCBIAn introd
27、uction for researchers,educators and the publicGenBankSequence submission support and softwareLiterature databasesPubMed,OMIM,Books,and PubMed Central Molecular databasesSequences,structures,and taxonomy Genomic biologyThe human genome,whole genomes,and related resourcesToolsData miningResearch at N
28、CBIPeople,projects,and seminarsSoftware engineeringTools,R&D,and databasesEducationTeaching resources and on-line tutorialsFTP siteDownload data and softwareContact informationHow to reach ushttp:/www.ncbi.nlm.nih.gov/本章重點本章重點基本概念基本概念基因組圖譜繪制基因組圖譜繪制基因組測序原理和序列組裝策略基因組測序原理和序列組裝策略作業作業復習題復習題1.真核生物與原核生物基因組的特點有何真核生物與原核生物基因組的特點有何差異？無差異？無2.常用的分子標記有哪幾種常用的分子標記有哪幾種?各有什么特各有什么特點點?無無3.什么是基因組物理圖什么是基因組物理圖?有；物理圖與遺有；物理圖與遺傳圖有何不同傳圖有何不同?無無4.基因組學的主要研究內容有哪些？基因組學的主要研究內容有哪些？5.基因組圖譜有哪些作用？基因組圖譜有哪些作用？
普通遺傳學：第十三章 基因組學
