功能基因组学课件

基因组学与蛋白质组学基因组学与蛋白质组学Genomics and Proteomics基因组学与蛋白质组学1基因组学基因组学Genomics第第 一一 节节基因组学Genomics第 一 节2基因组基因组(genome)是是指指一一个个有有生生命命体体、病病毒毒或或细细胞胞器器的的全全部部遗遗传传物物质质；在在真真核核生生物物，基基因因组组是是指指一一套套染染色色体（单倍体）体（单倍体）DNADNA。一、基因组学的概念一、基因组学的概念基因组学基因组学(genomics)就是发展和应用就是发展和应用DNADNA制图、测序新技术以及制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。组结构及功能。基因组(genome)一、基因组学的概念基因组学(genom3基因组学包括基因组学包括3 3个不同的亚领域个不同的亚领域 结构基因组学结构基因组学(structural genomics)功能基因组功能基因组学学(functional genomics)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics)基因组学概念基因组学概念亚领域亚领域内容内容结构基因组学结构基因组学 整个基因组的遗传制图、物理制图及整个基因组的遗传制图、物理制图及DNADNA测序。测序。功能基因组学功能基因组学 认识、分析整个基因组所包含的基因、非基因序列及其功能。认识、分析整个基因组所包含的基因、非基因序列及其功能。比较基因组学比较基因组学 比较不同物种的整个基因组，增强对各个基因组功能及发育相关比较不同物种的整个基因组，增强对各个基因组功能及发育相关 性的认识。性的认识。基因组学包括3个不同的亚领域基因组学概念亚领域内容结构基因组4二、结构基因组学二、结构基因组学结结构构基基因因组组学学(structural genomics)是是通通过过HGPHGP的的实施来完成的。实施来完成的。HGP的的内内容容就就是是制制作作高高分分辨辨率率的的人人类类遗遗传传图图和和物物理理图图，最最终终完完成成人人类类和和其其它它重重要要模模式式生生物物全全部部基基因因组组DNA序列测定及在染色体上的准确定位。序列测定及在染色体上的准确定位。二、结构基因组学结构基因组学(structural geno5（一）物理制图（一）物理制图（二）遗传制图（二）遗传制图（三）基因组（三）基因组DNA序列测定序列测定（四）创建计算机分析管理系统（四）创建计算机分析管理系统 HGP包括以下研究内容包括以下研究内容（一）物理制图 HGP包括以下研究内容6结构基因组学研究工作程序结构基因组学研究工作程序 结构基因组学研究工作程序 7HGP主要任务及内容主要任务及内容主要任务主要任务内内 容容物理制图物理制图(physical mapping)确定染色体确定染色体DNADNA上诸如限制性内切核酸酶识别位点，或序上诸如限制性内切核酸酶识别位点，或序 列标志位点列标志位点(STSs)等的位置图。等的位置图。遗传制图遗传制图(genetic mapping)确定标志位点在染色体确定标志位点在染色体DNADNA上的线性排列顺序。标志位点上的线性排列顺序。标志位点 间的图距以遗传学（重组）距离表示，单位为分摩尔根间的图距以遗传学（重组）距离表示，单位为分摩尔根 (cM)。基因组基因组DNADNA序列测定序列测定 测定人类测定人类2323条染色体的、有条染色体的、有3103109 9个核苷酸组成的全部个核苷酸组成的全部 DNA DNA序列，绘制人类基因组图谱。序列，绘制人类基因组图谱。HGP主要任务及内容主要任务内 容物理制图 确定染色体DN8通过通过HGPHGP获得的广泛基因组信息组成了结构基获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗传究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供病提供“平台平台”，并将成为复杂的多基因遗传，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端。病研究的发端。通过HGP获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，9结构基因组学研究常用方法结构基因组学研究常用方法脉冲场琼脂糖凝胶电泳脉冲场琼脂糖凝胶电泳 毛细管电泳（毛细管电泳（capillary electrophoresis,CE）基因芯片（基因芯片（gene microarray）技术）技术全基因组随机测序全基因组随机测序结构基因组学研究常用方法脉冲场琼脂糖凝胶电泳 10几种脉冲场凝胶电泳示意图几种脉冲场凝胶电泳示意图 几种脉冲场凝胶电泳示意图 11毛细管电泳模式图毛细管电泳模式图 毛细管电泳模式图 12 基因芯片检测原理示意图基因芯片检测原理示意图 基因芯片检测原理示意图 13基因组鸟枪策略基因组鸟枪策略基因组鸟枪策略14三、功能基因组学三、功能基因组学 完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段因组测序阶段详尽分析序列，描述基因组所有详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学这就是功能基因组学(functional genomics)。三、功能基因组学 完成一个生物体全部基因组测序后即进15鉴定鉴定DNADNA序列中的基因序列中的基因同源搜索设计基因功能同源搜索设计基因功能 实验性设计基因功能实验性设计基因功能 描述基因表达模式描述基因表达模式 主要具体内容包括以下方面主要具体内容包括以下方面 鉴定DNA序列中的基因主要具体内容包括以下方面 16功能基因组学研究策略及主要内容功能基因组学研究策略及主要内容内内 容容主要研究策略主要研究策略鉴定（注释）基因鉴定（注释）基因 通过通过“ORF“ORF搜索搜索”，发现理论性蛋白质编码序列。，发现理论性蛋白质编码序列。分析基因功能分析基因功能 利用计算机进行利用计算机进行“同源搜索同源搜索”，根据已知序列、进化相关，根据已知序列、进化相关 性，发现重要的蛋白质功能域。也可对性，发现重要的蛋白质功能域。也可对DNADNA序列进行突变或序列进行突变或 剔除后，结合功能就、表达变化的实验鉴定基因功能。剔除后，结合功能就、表达变化的实验鉴定基因功能。描述基因表达模式描述基因表达模式 采用采用DNADNA微点阵进行整体基因表达谱微点阵进行整体基因表达谱-转录组分析；采用蛋转录组分析；采用蛋 白质或多肽微点阵、改进的双向电泳结合飞行质谱技术分析白质或多肽微点阵、改进的双向电泳结合飞行质谱技术分析 蛋白表达谱蛋白表达谱-蛋白质组分析。蛋白质组分析。功能基因组学研究策略及主要内容内 容主要研究策略鉴定（注释）17功能基因组学研究的主要方法功能基因组学研究的主要方法基因组表达谱研究基因组表达谱研究 基因表达的系列分析基因表达的系列分析 cDNA微阵列技术微阵列技术 差异显示反转录差异显示反转录PCRPCR技术技术 功能基因组学研究的主要方法基因组表达谱研究18基因组功能研究基因组功能研究 基因转导基因转导（gene transfer）RNAi技术和反义技术和反义RNA 反向遗传学反向遗传学（reverse genetics）基因敲除基因敲除（gene knock-out）转基因技术转基因技术（transgenic technology）蛋白质组学分析蛋白质组学分析生物信息学应用生物信息学应用 基因组功能研究19四、比较基因组学四、比较基因组学比较基因组学比较基因组学 (comparative genomics)涉及涉及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个比较不同物种的整个基因组，以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。基因组的功能和进化关系。四、比较基因组学比较基因组学(comparative ge20第第 二二 节节 基因组学与医学关系基因组学与医学关系Relation between Genomics and Medicine第 二 节 基因组学与医学关系Relation be21一、基因病的概念一、基因病的概念以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大多直接或间接地与基因相关，故有人类疾病大多直接或间接地与基因相关，故有“基因基因病病”概念产生。根据这一概念，人类疾病大致分为三概念产生。根据这一概念，人类疾病大致分为三类：类：（一）单基因病（一）单基因病 （二）多基因病（二）多基因病 （三）获得性基因病（三）获得性基因病 一、基因病的概念以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人22二、疾病相关基因的鉴定二、疾病相关基因的鉴定（一）检测人类基因变异或突变（一）检测人类基因变异或突变 （二）疾病时基因组差异表达分析（二）疾病时基因组差异表达分析 （三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆二、疾病相关基因的鉴定（一）检测人类基因变异或突变 23寡核苷酸杂交分析寡核苷酸杂交分析SNP和等位基因特和等位基因特异寡核苷酸杂交异寡核苷酸杂交 寡核苷酸杂交分析SNP和等位基因特异寡核苷酸杂交 24DNA芯片检测的差异表达谱芯片检测的差异表达谱DNA芯片检测的差异表达谱25三、基因组学与肿瘤病因学三、基因组学与肿瘤病因学四、基因组学与流行病病因学四、基因组学与流行病病因学五、基因组学与医学伦理、法律和社会问题五、基因组学与医学伦理、法律和社会问题三、基因组学与肿瘤病因学26第第 三三 节节 蛋白质组学蛋白质组学proteomics第 三 节 27一、蛋白质组学概念一、蛋白质组学概念蛋白质组蛋白质组（proteome）：是指基因组、细胞或生物的组织器官所表达的全 部蛋白质。蛋白质组学蛋白质组学（proteomics）：是以蛋白质组为研究对象、研究细胞内各种蛋白质的 组成、表达及其规律的学科，包括蛋白质的翻译后修饰、转运、定位、构象形成及蛋白质间的相互作用等。一、蛋白质组学概念蛋白质组（proteome）：蛋白质组学28二、蛋白质组学的研究方法二、蛋白质组学的研究方法双向电泳双向电泳（two dimension electrophoresis，2-DE）生物质谱技术生物质谱技术（bio-mass spectrometry）酵母双杂交（酵母双杂交（yeast two-hybrid system）蛋白质芯片蛋白质芯片蛋白质组生物信息学蛋白质组生物信息学 二、蛋白质组学的研究方法双向电泳（two dimension29酵母双杂交系统分析蛋白质相互作用原理示意图酵母双杂交系统分析蛋白质相互作用原理示意图 酵母双杂交系统分析蛋白质相互作用原理示意图 30问题和答案问题和答案问题和答案31单选题：单选题：1.建立具有高分辨的生物遗传图谱、物理图谱、转录 图谱和序列图谱是以下哪项研究的主要内容：A.功能基因组学 B.结构基因组学 C.比较基因组学 D.蛋白质组学 E.肿瘤基因组学2.基因组泛指：A.指人的24条染色体的遗传物质总合 B.线粒体内遗传物质的总和 C.指一套染色体（单倍体）DNA D.一个生物体、细胞器或病毒的全部遗传物质 E.E.细菌内所有遗传物质单选题：323.根据不同时期的理论知识和相关技术手段的发展 和应用，绘制遗传图谱可分为三个阶段，第三代遗 传标志为：A.限制性片段长度多态性（RFLP）B.短串联重复序列（STR）C.微卫星序列（MS)D.单（链）核苷酸多态性（SNP）E.序列标签位点（STS）3.根据不同时期的理论知识和相关技术手段的发展 334.物理图谱是基因组全序列组装的基础，物理图谱的 绘制是以遗传图谱为基础，它以哪项作为标记：A.序列标签位点（STS）B.表达序列标签（EST）C.转录体序列 D.转录调节序列 E.微卫星序列（MS)5.以下那种方法分离较大的DNA分子效果最好：A.聚丙烯酰胺凝胶电泳 B.脉冲场琼脂糖凝胶电泳 C.毛细管电泳 D.液相色谱技术 E.双向电泳6.当前全基因组测序最主要的方法是哪种：A.全基因组鸟枪策略 B.Sanger双脱氧链终止法 C.亚克隆法 D.鸟枪法 E.cDNA芯片技术4.物理图谱是基因组全序列组装的基础，物理图谱的34多选题多选题1.根据其研究重点，基因组学研究内容主要包括：A.结构基因组学 B.肿瘤基因组学 C.功能基因组学 D.比较基因组学 E.药物基因组学2.结构基因学研究常用的方法:A.毛细管电泳 B.全基因组随机测序 C.基因芯片技术D.脉冲场琼脂糖凝胶电泳 E.酵母双杂交技术多选题353.功能基因组研究主要包括：A.cDNA克隆与测序 B.DNA芯片等基因转录图谱 C.突变体库的构建 D.高通量的遗传转化鉴定系统 E.生物信息技术平台与相应数据库的构建 4.模式生物应具有的特点包括：A.其生物学特征可代表生物界的某一大类群 B.一定要是哺乳动物 C.较容易获得且易于在实验室内饲养繁殖 D.生物的基因组较大 E.容易进行实验操作，包括遗传学分析3.功能基因组研究主要包括：365.以下哪些可以作为蛋白质组学研究的方法：A.双向电泳 B.生物质谱技术 C.酵母双杂交技术 D.蛋白质芯片技术 E.RT-PCR技术5.以下哪些可以作为蛋白质组学研究的方法：37单选题答案1.B 结构基因组学研究的主要内容是通过基因作图、序列分析及基因鉴定，建立具有高分辨的生物遗 传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱 2.D 基因组是指一个生物体、细胞器或病毒的全部遗 传物质。在真核生物，基因是指一套染色体（单 倍体）DNA，在人类基因组是指人的24条染色体 的遗传物质总和。3.D 单个碱基变异作为第三代遗传标志，即单（链）核苷酸多态性（SNP）。单选题答案1.B 结构基因组学研究的主要内容是通过基因作图384.A 物理图谱是基因组全序列组装的基础，物理图谱的 绘制是以遗传图谱为基础，以序列标签位点（STS）作为标记，采用分子生物学技术直接将DNA分子标 记或基因定位在基因组的实际位置。5.B 一般的琼脂糖凝胶电泳不能区分大于60kb的DNA 分子，分离大分子DNA应采用脉冲场琼脂糖凝胶电 泳技术。6.A 全基因组鸟枪策略为当前全基因组测序最主要的方 法，该方法最早由Craig Venter和他的同事提出，是一种能提高从大基因组如人类基因组和其它真核 生物获得重叠序列资料的方法。4.A 物理图谱是基因组全序列组装的基础，物理图谱的39多选题答案1.ACD 基因组学研究内容主要包括：结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学。2.ABCD毛细管电泳、全基因组随机测序、基因芯片 技术和脉冲场琼脂糖凝胶电泳等3.ABCDE 功能基因组研究主要包括：cDNA克隆与测序、DNA芯片等基因转录图谱、突变体库的构建、高 通量的遗传转化鉴定系统和生物信息技术平台与相应 数据库的构建等。多选题答案1.ACD 基因组学研究内容主要包括：结构基因组学404.ACE 模式生物应具有如下特点:1、其生物学特征可代表生物界的某一大类群；2、较容易获得且易于在实验室内饲养繁殖；3、容易进行实验操作，包括遗传学分析。5.ABCD 蛋白质组学研究的方法包括双向电泳、生物质谱技术、酵母双杂交技术、蛋白质芯片技术等。4.ACE 模式生物应具有如下特点:1、其生物学特征可代表41科学家的故事科学家的故事-11986年，美国著名人类遗传学家和内科学教授McKusick首先提出了基因组学（genomics）一词，最初是泛指致力于揭示细胞和生物体基因组的科学。在2004年1月世界卫生组织第六次会议通过基因组学的定义：基因组学是关于基因、它们的功能以及相关技术的研究。科学家的故事-11986年，美国著名人类遗传学家和内科学教授42科学家的故事科学家的故事-2 查尔斯.达尔文（Charles Darwin）在他的物种起源（On the Origin of Species）一书的末尾推测，所有的动物都来自于一个共同的祖先：大约在6亿年前，一种扁形动物生长在大洋深处的洞穴里，然后经过漫长的进化过程，这种生物孕育出了我们目前世界上的丰富多彩的动物世界。科学家的故事-2 查尔斯.达尔文（Charles Darw431994年在意大利Siena召开二维电泳会议上由Mare Wilkins首先提出蛋白质组学的概念，同年Macguarie大学的Keith Williams向澳大利亚政府提议应对某一种生物的所有蛋白质进行质谱筛选和序列分析。1995年，几个实验室合作对最小的自然界的支原体蛋白进行了大规模的分离、鉴定，并首先使用“proteome”一词，并指出该研究所采用的技术对基因产物的分析、新蛋白质的发现等的重大意义。科学家的故事科学家的故事-31994年在意大利Siena召开二维电泳会议上由Mare 科442001年2月，在Nature杂志公布人基因组框架图的同一版面上发布了人类蛋白质组学组织（human proteome organization，HUPO）成立。Science杂志也在当年将蛋白质组学列为6大研究热点之一。2001年2月，在Nature杂志公布人基因组框架图的45