第十章 细菌基因组学课件

意外的发现
• 另外，此前科学界一致认为鸡没有嗅觉 ，但是分析结果表明鸡具有大量的嗅觉 基因，味觉基因却很缺乏。
• 分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生 乳汁、唾液和牙齿的基因。
鸡基因组研究的意义
• 鸡是研究低等脊椎动物和人类等哺乳动物 的一种比较理想的中介。
• 将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进 行比较，有助于更深入理解人类基因的结 构和功能，进而开发治疗疾病的新手段， 对于培育优质鸡种、改善食品安全、控制 禽流感病毒的蔓延也有重要意义。
微生物基因组计划（MGP）
•1994年: 美国DOE (Department of energy)启动MGP; •MGP是对人类基因计划的延续，该计划主要是对环境或能
源相关，系统发生学相关，或具有潜在商业应用性的微生 物基因组进行完全测序，目的是为了更好的了解地球上的 微生物资源。截至2003年4月，MGP已完成约100株微生物 基因组的测序。 •它的研究计划还包括和应用微生物学相关的生物技术，如 纤维素降解，碳吸收等等。
测出人类全套基因组的 DNA 碱基序列（ 3 X 109 bp）； ➢ 1988，美国国家研究委员会（National Research Council）开始
支持人类基因组计划，并每年投资2亿美元 ； ➢ 1988，美国国立卫生院（National Institute of Health, NIH）从
我国科学家在鸡基因组学研究上的重大突破
中国科学院北京基因组 研究所在国际合作的框 架下参与和主持完成的 原鸡基因组和家鸡基因 组多态性研究并于2004 年12月9日发表在《自然》 杂志上以主题科学论文 的形式发表。
《Science》发表论文 我国家蚕 基因组研究获国际认可
•丝腺是合成茧丝蛋白质的生物器官，是蚕丝产 业的生物学基础。
• 2004年３月１日 • 多国科学家组成的两个研究小组宣布绘制出鸡
的基因序列草图和遗传差异图谱。
科学家选取了家鸡 的远祖——红原鸡为 测绘对象，绘制出了 草图中约10亿个碱基 对，相当于人类的三 分之一。
科学家在９日出版的《Nature》杂志上载文说， 分析发现，红原鸡约有２万到2.3万个遗传基因， 与人类数量基本持平，其中有60％与人类相同。
• 2003年 人类基因组计划宣布，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
• 人类遗传变异图谱研究以及黑猩猩基因 组测序计划开始
• 2003年11月，世界上首个复杂生物体的 蛋白图谱－－果蝇蛋白图谱公布，从而 实现了只显示遗传密码的基因图谱到揭 示遗传密码功能的蛋白图谱的飞跃。
• 2002年4月，水稻基因组图谱公布。
• 2002年 小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成
•鼠基因组共有约27亿个碱基对，比人类 少15％，但其包含的基因数目约在3万 个左右，与对人类基因数的最新估计非 常接近。
人类基因组计划（HGP）的实施
➢ 1986年3月，美国能源部健康与环境研究办公室（Office of Health and Environmental Research）的Charles DeLisi和 David Smith在新墨西哥州圣菲市主持召开了一次会议，与 会的30多名科学家讨论了测定人类基因组的可行性，并讨 论了各种策略，包括酵母人工染色体、噬菌体和粘粒图谱
能源部手中抢走了领导权，开始领导负责人类基因组计划， 由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所 (NHGIR)”； ➢ 1990，美国政府决定正式启动HGP，预计用 15 年时间，投入 30 亿美元，完成 HGP ➢ 逐渐地，HGP 扩展为多国协作计划。参与者包括：欧共体、 日本、加拿大、俄罗斯、巴西、印度和中国等国的科学家。
测序微生物的类别
• 几乎所有类别的病毒 • 模式微生物 • 极端环境微生物 • 病原原核生物 • 环境降解微生物 • 其他
Viruses
微生物基因组的特点
类别
特征
染色体结构 基因组大小 编码序列
多为一条环状闭合双链DNA 从0.16-13Mb 占基因组总长度的90%，平均为1Kb左 右
GC含量
•而随着家蚕丝腺特异基因研究的深入， 中国将很快在改造丝蛋白质结构，克服 丝绸天然加工弱点等重要产业技术的研 发方面取得突破。
微生物基因组相对较小，易于操作，它的研究比人类基因 组计划先行一步，起到了“开路先锋”的作用
微生物基因组学所取得的理论和技术进展，为人类基因组
两者的发展相互 计划提供了及有益的借鉴
• 1998 年12 月完成了基因组测序。基因组大小 100 Mb ,分布于6 条染色体,预测有19，099 个 基因。
• 果蝇
• Celera公司2000 年3 月宣布了基因组全序列为 180 Mb。有13 601 个基因,其中一半的基因功 能还没有搞清楚,有1 600 个碱基跨度区仍未能 完全测序。
DNA链组成的非 对称分布
16.6%-74.9%
GCskew、ATskew、基因方向性偏好、 密 码子使用偏好
1.P原rok核ary生ocy物t来自百度文库 基因组的大小--基G因en组om较e小(k的b) 原核O生R物F
Mycoplasma genitalium
G-37B0
580
468
Buchnera sp
•科学家通过分析家蚕基因组和基因表达谱，发 现了1874个家蚕丝腺特异基因，其中97％为新发 现；发现了丝腺中激素活动的证据；
•科学家甚至比较了家蚕与被称为“生物钢”的蜘 蛛丝的生产者——蜘蛛的基因构成，发现了它们 共同拥有的１０７个基因。
•这些功能基因的获得和功能分析的深入 开展，将彻底突破茧丝蛋白质合成相关 基因克隆和研究的瓶颈。
640
583
Buchnera aphidicola SG
641
545
Glossina brevipalpis
679
621
Ureaplasma urealyticum serovar
3B0
751
613
Mycoplasma pneumoniae M129B0
Mycoplasma pulmonis
Borrelia burgdorferi B31B1
细菌的基因组学
吴震州 naturepower@nankai.edu.cn
“了解一个有机体的全部生物学的先决条件是 确定它的完整的基因组序列。”
——J.Craig Venter
(Founder and Chairman of TIGR)
一、产生背景及概念
• 1. 背景：
1985年提出人类基因组计划（HGP），随 着HGP的提出和实施，产生的基因组学。
Rickettsia conorii Malish 7
Rickettsia prowazekii Madrid EB1
816 963 910 1,138 1,042 1,069 1,228 1,229 1,230 1,268 1,111
677 782 853 1,041 894 924 1,070 1,052 1,052 1,374 834
• 这个果蝇（Drosophila melanogaster）蛋 白图谱发表在《科学》杂志的网络版上
• 这篇研究发布的这个含有7,000多个果蝇 蛋白的图谱含盖了这些蛋白之间超过 20,000种不同的互作。
• 这些果蝇蛋白有许多与人类蛋白类似， 适于作为研制小分子药物如用于治疗癌 症、心脏病和糖尿病的口服药片等的靶 点
鸡和所有的 哺乳动物多 起源于恐龙
鸟类的祖先——始祖鸟
“分道扬镳”
•在鸟类和哺乳动物分离的时 候，鸡获得了生成羽毛和喙 的蛋白质的基因，而哺乳动 物获得了毛皮蛋白质的基因， 丧失了与蛋清和蛋黄有关的 基因。
•鸡的基因组比哺乳动物的紧凑的多，它拥有20万到 23万个基因，但仅有十亿个DNA碱基，而同样多的 基因人类需要三十亿个碱基。鸡的基因数量与哺乳 动物的相当，但它的基因组含有重复的“垃圾”DNA 的数量很少。
• 2000 年12 月,第一个植物基因组——拟南 芥基因组被全部测序,遗传图谱、物理图 谱建立,序列大小为125 Mb。基因组测序 区段覆盖了全基因组的115.4 Mb ,分析共 含有25 498 个基因, 编码蛋白来自11 000 个家族。
• 2001年2月中旬，《Nature》与《Science 》分别发表了人类基因组工作框架图,报 告人类基因组共有30 亿个碱基对, 预测编 码基因31 000个,比最初预测的10 万个编 码基因数大大减少。
鸡的进化研究
• 鸡是种常见的家禽，长期受到进化生物学家的 青睐。它的基因序列也有助于科学家了解农业 和进化学上重要特性的遗传学基础。
转基因小鸡
• 对鸡和人类的基因组进行比较后发现约 七千万个碱基对是共有的。
• 这暗示着在大约三亿一千万年前二个物 种从共同祖先分化出来的时候，遗传物 质具有守恒性。
（cosmid map），随机鸟枪测序（random shotgun sequencing 和cDNA等。大多数人主张用图谱，用大量酵母人工染色 体和粘粒克隆来交叠覆盖人类基因组，然后再对单个克隆 测序，依此估计，每完成一个碱基要花费1美元，整个项目 需要30亿美元。
➢ 1986 年诺贝尔奖获得者R. Dulbecco提出人类基因组计划——
意外的发现
• 鸡基因组的分析还仅仅是开始，不过已 经得出了一些出人意料的结果。
• 科学家们发现，控制鸡生成角蛋白的基因与预 想的不同。
• 角蛋白构成人类的头发、指甲，以及鸟类的喙 和羽毛，科学家一直认为哺乳动物和鸟类的角 蛋白来源相同。但图谱显示，鸡的角蛋白基因 与哺乳动物的区别很大。
• 科学家由此推测，角蛋白可能独立进化出了两 次。
微生物基因组计划的发展，可以为研究人类未知基因的功
交融，密不可分。 能提供宝贵的线索
一些模式生物，如大肠杆菌和酿酒酵母菌，本身就是人类 基因组计划的研究内容
人类基因组计划的强大资金投入和在人类基因组计划中发 展和完善起来的生物信息学技术又极大地促进了微生物计 划的飞速发展
由于微生物种类的多样性，可以估计，人类在微生物基因 组的总测序量将会超过人类基因组计划
• 人们常说，每个分子生物学家都对两种生物感 兴趣，一种是所研究的物种，另一种就是E. coli。研究人员可以利用实验室中的E. coli菌株 克隆DNA、表达蛋白质、分离目的基因等，如 果没有E. coli，实验室将无法工作。
• 啤酒酵母，1997年，第一个真核生物基 因组图谱公布。
• 秀丽线虫( caenorhabditis elegans)
Treponema pallidumNichols B1
Chlamydia trachomatis serovar
D
Chlamydia trachomatis MoPnB1
Chlamydia pneumoniae J138
Chlamydia pneumoniae AR39B1
Chlamydia pneumoniae CWL029B1
3、基因组学的发展历程
• 流感嗜血杆菌( haemophilus influenzae)
1995 年7 月第一个细菌基因组全序列发表,大 小为1.8 Mb。含1703 个基因或开放阅读。这是 微生物乃至整个生物学领域的一个里程碑 .(Science)
• 1997 年9 月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成 功, 基因组全序列完成, 全长为5Mb ,共有4 288 个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序 列.
基因组计划
• 基因组（genome）是生物体内遗传信息的集合，是某 个特定物种细胞内全部DNA分子的总和。
• 基因组学（genomics）是指研究并解析生物体整个基 因组的所有遗传信息的学科。
• 基因组计划（Genome Project）是指对人类以及其它生 物体全基因组的测序工作(sequencing)。
• 人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）： 90年代提出并已基本完成，同40年代原子弹爆炸，60 年代人类登月一起被认为是二十世纪科技发展史上的 三大创举。
2. 概念
• 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。