普通遗传学：第十三章 基因组学

第十三章第十三章 基因组学基因组学 第一节第一节 基因组学概述基因组学概述 基因组学基因组学(Genomics)(Genomics)是遗传学研究进入分子是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组体全基因组(genome)(genome)的分子特征。的分子特征。基因组学基因组学强调的是以基因组为单位，而不是以单个基强调的是以基因组为单位，而不是以单个基因为单位作为研究对象因为单位作为研究对象。v基因组学：基因组学：对生物体所有基因进行基因组作对生物体所有基因进行基因组作图图(包括包括遗传图谱遗传图谱、物理图谱物理图谱、转录图谱转录图谱)、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门科学。门科学。v基因组学的研究目标基因组学的研究目标: :获得生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列注解基因组所含的全部基因注解基因组所含的全部基因鉴定所有基因的功能及基因间相互作用关系鉴定所有基因的功能及基因间相互作用关系阐明基因组的复制及进化规律阐明基因组的复制及进化规律 不同生物基因组大小不同生物基因组大小生物生物基因组大小（基因组大小（bp）T4噬菌体噬菌体 T4 phage2.0105大肠杆菌大肠杆菌 Escherichia coli4.2106酵母酵母 Sccharomyces cereviside1.5107拟南芥拟南芥 Arabidopsis thaliana1.0108线虫线虫 Caenorhbditis elegans1.0108果蝇果蝇 Drosophila melanogaster1.65108水稻水稻 Oryza sativa4.3108小鼠小鼠 Mus musculus3.0109人类人类Homo sapiens3.3109玉米玉米 Zea mays5.4109小麦小麦Triticum aestivum1.61010v 19861986年年首次提出基因组学首次提出基因组学(Genomics)(Genomics)的概念。的概念。v 基因组计划研究开始于基因组计划研究开始于19901990年年，美国卫生部美国卫生部( (NIH)NIH)和能源部和能源部( (DOE)DOE)联合启动了被誉为联合启动了被誉为“人体阿人体阿波罗计划波罗计划” 的的 “人类基因组计划人类基因组计划”( (human human genome projectgenome project，HGP)HGP)。基因组学发展简介基因组学发展简介:“曼哈顿曼哈顿”原子原子 计划计划 “阿波罗阿波罗”登月计划登月计划“人体阿波罗人体阿波罗”计划计划v 美国提出人类基因组计划后，英、法、日美国提出人类基因组计划后，英、法、日、前苏联、中国等，也相继启动了类似项目、前苏联、中国等，也相继启动了类似项目v 20002000年年6 6月月2626日，各国科学家公布了人类基日，各国科学家公布了人类基因组工作草图因组工作草图。v 20032003年年，6 6国科学家宣布人类基因组序列图国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，绘制成功，HGPHGP的所有目标全部实现的所有目标全部实现, , 覆盖人覆盖人类基因组所含基因区域的类基因组所含基因区域的99%99%，精确率达到，精确率达到99.99%99.99%，比原计划提前两年多，耗资，比原计划提前两年多，耗资2727亿美亿美元。元。（一）人类基因组学（一）人类基因组学v1. 1. 原核生物基因组原核生物基因组v2. 2. 真核生物基因组真核生物基因组（二）其他生物基因组（二）其他生物基因组 19921992年年8 8月，中国根据国情正式宣布实施自己月，中国根据国情正式宣布实施自己的的“水稻基因组研究计划水稻基因组研究计划”，已完成水稻基因组，已完成水稻基因组物理图谱的构建物理图谱的构建 20022002年年4 4月月5 5日，日，ScienceScience以以1414页的篇幅刊页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组草图序列草图序列水稻全基因组物理图水稻全基因组物理图中国中国“水稻基因组研究计划水稻基因组研究计划”:（三）（三）C C值值 和和C C值悖理值悖理C C值值 (C value)(C value)：一个单倍体基因组中一个单倍体基因组中DNADNA的总的总量。一个特定的种属具有特定的量。一个特定的种属具有特定的C C值值 C C值悖理（值悖理（C value C value paradoxparadox）：）：物种的物种的C C值和值和它的它的进化复杂性进化复杂性之间无之间无严格对应关系的现象。严格对应关系的现象。 N N值：值：生物体所含有的基因数目。生物体所含有的基因数目。 N N值悖理：值悖理：复杂性不同的生物种属所具有的基复杂性不同的生物种属所具有的基因数目与其因数目与其生物结构的复杂性生物结构的复杂性不成比例的现象。不成比例的现象。 例如例如: : 水稻基因数约水稻基因数约4 4万个万个, , 人类基因总数约人类基因总数约3 3万个万个。 二、基因组学的研究内容二、基因组学的研究内容: :v 结构基因组学结构基因组学(structural genomics)(structural genomics) ：通过基通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、进行基因因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、进行基因定位的科学。定位的科学。v 功能基因组学功能基因组学(functional genomics)(functional genomics)：利用结利用结构基因组所提供的信息和产物，研究构基因组所提供的信息和产物，研究基因组功能表基因组功能表达达的一门分支学科。的一门分支学科。基因的识别、鉴定和克隆，基基因的识别、鉴定和克隆，基因结构与功能及其相互关系，基因表达调控因结构与功能及其相互关系，基因表达调控。v 蛋白质组学蛋白质组学(proteomics)(proteomics) ：研究细胞内蛋白质研究细胞内蛋白质组成及其活动规律的新兴学科。组成及其活动规律的新兴学科。鉴定蛋白质表达、鉴定蛋白质表达、存在方式、结构、功能和相互作用方式等存在方式、结构、功能和相互作用方式等。 基因组学的重要组成部分是基因组学的重要组成部分是“基因组计划基因组计划”，如人类、水稻基因组计划，其如人类、水稻基因组计划，其大体可大体可分为分为：1 1、构建基因组的遗传图谱构建基因组的遗传图谱2 2、构建基因组的物理图谱、构建基因组的物理图谱3 3、测定基因组、测定基因组DNADNA的全部序列的全部序列4 4、构建基因组的转录本图谱、构建基因组的转录本图谱5 5、分析基因组的功能、分析基因组的功能第二节 基因组图谱的构建 在进行大规模序列测定之前，在进行大规模序列测定之前，构建基因组构建基因组图谱图谱是测定基因组全部核苷酸序列的重要一环是测定基因组全部核苷酸序列的重要一环。基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案。基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案的依据，以便先重后轻地分析基因，锚定测知的依据，以便先重后轻地分析基因，锚定测知的核酸序列在染色体上的位置的核酸序列在染色体上的位置 在在“人类基因组计划人类基因组计划”实施过程中，首先实施过程中，首先用了用了6 6年年时间构建高密度的基因组图谱，然后才时间构建高密度的基因组图谱，然后才进入测序工作。进入测序工作。 一、遗传图谱遗传图谱( (Genetic mapGenetic map) )构建构建 遗传作图遗传作图: :采用遗传学分析方法将基因或其他采用遗传学分析方法将基因或其他DNADNA顺序标定在染色体上构建连锁图顺序标定在染色体上构建连锁图。 ( (一）图谱标记一）图谱标记 形态标记：形态标记：主要指可以观察到的一些性状主要指可以观察到的一些性状, ,如种如种皮颜色、眼色、株高等皮颜色、眼色、株高等。 细胞学标记：细胞学标记：能明确显示遗传多态性的细胞学能明确显示遗传多态性的细胞学特征。特征。染色体的结构特征染色体的结构特征和和数量特征数量特征是常见的细是常见的细胞学标记胞学标记。 生化标记：生化标记：主要是同工酶及种子贮藏蛋白主要是同工酶及种子贮藏蛋白, ,有时有时又称又称蛋白质标记蛋白质标记。分子标记：分子标记：主要指主要指DNADNA水平上的标记。水平上的标记。RFLP, RFLP, RAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNPRAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNP 。（二）遗传图谱的构建（二）遗传图谱的构建 1.1.植物基因组遗传图谱的构建植物基因组遗传图谱的构建: :选选择亲本择亲本 产生构图群体产生构图群体 遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位标记间的连锁分析标记间的连锁分析 19941994年绘制的第一张水稻年绘制的第一张水稻高密度遗传图谱仅有高密度遗传图谱仅有927927个位点，含有个位点，含有13831383个标个标记；记；19981998年将年将22752275标记定位到标记定位到11571157个位点上；个位点上；20002000年最终的水稻高密度遗传图标记为年最终的水稻高密度遗传图标记为32673267个，个，用于指导水稻基因组测序用于指导水稻基因组测序。 P1 P2P3 F1回交群体回交群体单倍体单倍体DH三交群体三交群体F2RIL连续回交连续回交连续自交连续自交染色体加倍染色体加倍组织培养组织培养2. 2. 人类基因组遗传图谱的构建人类基因组遗传图谱的构建: : 人类的遗传图谱是利用人类的遗传图谱是利用家系分析家系分析法，在对法，在对8 8个个家系的家系的134134个成员的分析中，主要根据个成员的分析中，主要根据52645264个个STRSTR标记绘制而成的。利用这些家系的资料绘标记绘制而成的。利用这些家系的资料绘制第制第1 1至至2222号染色体图谱。对于号染色体图谱。对于X X染色体图谱，染色体图谱，还利用了来自另外还利用了来自另外1212个家系，个家系，170170个成员的资个成员的资料绘制而成。料绘制而成。 将将52645264个标记定位在个标记定位在23352335个位点，据此构建个位点，据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记599 599 kbkb。二、物理图谱二、物理图谱 由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不高，所以还要构建物理图谱高，所以还要构建物理图谱 基因组物理图谱的构建基因组物理图谱的构建: :主要有主要有4 4种途径：种途径：限制酶作图：限制酶作图：比较不同比较不同限制酶产生的限制酶产生的DNADNA片段的大小片段的大小酵母第酵母第3染色体遗传图（染色体遗传图（A）与物理图（与物理图（B） 基于克隆的基因组作图：基于克隆的基因组作图：根据克隆的根据克隆的DNADNA片段片段之间的重叠顺序构建重叠群之间的重叠顺序构建重叠群 ( (contigous DNA contigous DNA clones, contigsclones, contigs ), ), 绘制物理连锁图。绘制物理连锁图。重叠群重叠群（contigscontigs） ：相互重叠的相互重叠的DNADNA片段组成的片段组成的物理图。克隆重叠群的组建采用染色体步移法物理图。克隆重叠群的组建采用染色体步移法( (chromosome walkingchromosome walking) )。区域作图区域作图 Regional mapping区域作图区域作图 Regional mappingMinimal tiling path selected for sequencing.区域作图区域作图 Regional mapping荧光原位杂交（荧光原位杂交（fluorescent in situ fluorescent in situ hybridization, FISHhybridization, FISH）基因组原位杂交（基因组原位杂交（genome in situ genome in situ hybridization, GISHhybridization, GISH ）荧光标记原位杂交荧光标记原位杂交(FISH)(FISH)：Banana chromosomes coloured by fluorescent in situ hybridization (FISH). 将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在位置标记所在位置序列标签位点序列标签位点(STS)(STS)：如表达的序列标签如表达的序列标签(EST)(EST)，来自，来自cDNA cDNA 要将一组要将一组STSSTS作图定位，必需收集来自作图定位，必需收集来自同一染色体或整个基因组随机断裂的同一染色体或整个基因组随机断裂的DNADNA片片段。不同段。不同DNADNA片段之间有各种可能的重叠，片段之间有各种可能的重叠，可以覆盖整个作图区段。依次采用单个可以覆盖整个作图区段。依次采用单个STSSTS挑出它们所在的挑出它们所在的DNADNA片段，根据它们彼此的片段，根据它们彼此的重叠关系可以逐段绘重叠关系可以逐段绘DNADNA物理图。物理图。三、基因组测序策略三、基因组测序策略 鸟枪法测序：鸟枪法测序：利用限制酶或超声波处理待利用限制酶或超声波处理待测序基因组，构建适合大规模测序的基因组测序基因组，构建适合大规模测序的基因组文库，并对克文库，并对克隆进行隆进行随机序随机序列测定列测定，然后，然后根据序列间的根据序列间的重叠构建重叠重叠构建重叠群，不同重叠群，不同重叠群进行染色体群进行染色体组装组装。 克隆重叠群法：克隆重叠群法： 将基因组切割成长度为将基因组切割成长度为0.1-1Mb0.1-1Mb的大片段，构建的大片段，构建BACBAC文库文库，利用，利用STS-PCRSTS-PCR反应池方案筛选反应池方案筛选种子克隆种子克隆，利用，利用指纹图谱法或末端序列步行法对指纹图谱法或末端序列步行法对种子克隆进种子克隆进行延伸行延伸，根据相互的位置关系及，根据相互的位置关系及STSSTS路标的路标的顺序关系有序地将种子克隆及延伸克隆绘制顺序关系有序地将种子克隆及延伸克隆绘制到基因组的相应区域上，形成高覆盖度的、到基因组的相应区域上，形成高覆盖度的、较为连续的大的重叠克隆群，最后应用鸟枪较为连续的大的重叠克隆群，最后应用鸟枪法分别将每个克隆测序，并组装到染色体上法分别将每个克隆测序，并组装到染色体上 。四、基因组图谱的应用四、基因组图谱的应用1 1、基因组序列测定、基因组序列测定2 2、基因定位、基因定位 3 3、基因的克隆与分离、基因的克隆与分离4 4、分子标记辅助选择、分子标记辅助选择5 5、比较基因组研究、比较基因组研究Derivation of genome trees from comparative analyses of complete genomes 第三节第三节 生物信息学生物信息学 1 1、生物信息学、生物信息学 (Bioinformatics)(Bioinformatics)采用计算机技术和信息论方法对采用计算机技术和信息论方法对蛋蛋白质白质及其及其核酸序列核酸序列等多种生物信息等多种生物信息采集、加工、储存、传递、检索、采集、加工、储存、传递、检索、分析和解读，旨在掌握复杂生命现分析和解读，旨在掌握复杂生命现象的形成模式和演化规律的科学象的形成模式和演化规律的科学。2 2、基因芯片、基因芯片(gene chip), (gene chip), 又称又称DNADNA微阵列微阵列(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针密集排列所形成针密集排列所形成的探针阵列的探针阵列, , 其基本其基本原理是通过杂交检原理是通过杂交检测信息。利用基因测信息。利用基因芯片芯片, , 可以实现基因可以实现基因信息的大规模检测信息的大规模检测。 3 3、生物信息学的应用、生物信息学的应用(1)(1)、发现新基因和新的单核苷酸多态性、发现新基因和新的单核苷酸多态性 (2)(2)、分析基因组中非编码蛋白质区域功能、分析基因组中非编码蛋白质区域功能 (3)(3)、在基因组水平上研究生物进化、在基因组水平上研究生物进化 (4)(4)、完整基因组比较研究、完整基因组比较研究 第十三章第十三章 基因组学基因组学 第一节第一节 基因组学概述基因组学概述第二节 基因组图谱的构建 第三节第三节 生物信息学生物信息学 1 1、遗传图谱、遗传图谱2 2、物理图谱、物理图谱3 3、基因组测序策略、基因组测序策略4 4、基因组图谱的应用、基因组图谱的应用第四节第四节 蛋白质组学蛋白质组学 (proteomics)(proteomics) 1 1、蛋白质组学的概念及研究内容、蛋白质组学的概念及研究内容: : 所谓所谓蛋白质组蛋白质组就是就是细胞细胞、器官器官或或组织组织的蛋白质的蛋白质成分的总称成分的总称, ,而而蛋白质组学蛋白质组学是研究这些成分在指是研究这些成分在指定的时间或特定的环境条件下的表达定的时间或特定的环境条件下的表达。2 2、蛋白质的分离、蛋白质的分离蛋白质组学研究的第一步就是蛋白质的分蛋白质组学研究的第一步就是蛋白质的分离离。双相凝胶电泳双相凝胶电泳是蛋白质组研是蛋白质组研究中的首选分究中的首选分离技术离技术。3 3、蛋白质的鉴定、蛋白质的鉴定鉴定蛋白质组份的鉴定蛋白质组份的性质性质、结构结构和和功能功能及其各蛋及其各蛋白质间的相互作用关系白质间的相互作用关系, , 从而最终实现蛋白质组从而最终实现蛋白质组表达模式和功能模式的研究表达模式和功能模式的研究。 目前，蛋白质表达模式的鉴定技术主要有目前，蛋白质表达模式的鉴定技术主要有以以质谱为核心的技术质谱为核心的技术、蛋白质微测序蛋白质微测序、氨基酸组氨基酸组成分析成分析以及以及蛋白质芯片分析蛋白质芯片分析等等。4 4、蛋白质间的相互作用、蛋白质间的相互作用 目前的研究方法主要有目前的研究方法主要有酵母双杂交系统酵母双杂交系统、表面表面等离子共振技术等离子共振技术等等 。 自从自从19961996年酵母菌基因组全序列测定以来，在年酵母菌基因组全序列测定以来，在4 4年多时间里，全世界已有年多时间里，全世界已有10001000多个实验室，多个实验室，50005000多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究，共发表论文，共发表论文70007000多篇，鉴定多篇，鉴定10601060个新基因的个新基因的功能，但仍然还有约功能，但仍然还有约16001600个阅读框架的功能不个阅读框架的功能不清楚。这些结果充分说明后基因组学研究的复清楚。这些结果充分说明后基因组学研究的复杂性。杂性。 Long way to go Post-Genomics!Long way to go Post-Genomics!PubMedEntrezBLASTOMIMBooksTaxBrowserStructureSite MapGuide to NCBI resourcesAbout NCBIAn introduction 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 NCBIPeople, 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/本章重点本章重点基本概念基本概念基因组图谱绘制基因组图谱绘制基因组测序原理和序列组装策略基因组测序原理和序列组装策略作业作业复习题复习题1. 真核生物与原核生物基因组的特点有何真核生物与原核生物基因组的特点有何差异？无差异？无2. 常用的分子标记有哪几种常用的分子标记有哪几种? 各有什么特各有什么特点点?无无3. 什么是基因组物理图什么是基因组物理图? 有；物理图与遗有；物理图与遗传图有何不同传图有何不同?无无4. 基因组学的主要研究内容有哪些？基因组学的主要研究内容有哪些？5. 基因组图谱有哪些作用？基因组图谱有哪些作用？