基因组学讲课ppt课件
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微生物基因组学 ppt课件
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六、研究基因组功能的意义 1． 加速致病基因的研究 2． 寻找灵敏而特异性的病原分子标记 病原微生物的特异性DNA序列可以作为分子标记用于疾病的诊断。 3． 促进新药的发现和疫苗的发展 （1）促进新药的发现 （2）疫苗的研究 4． 促进微生物分类的发展
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5. 提高对人类相关基因功能的认识
（1）一些人类的遗传性疾病，如结肠癌、肝豆状核变性、肾上腺脑白质 营养不良等，在细菌的基因组分析中，也存在类似的蛋白物。
（2）可以利用微生物做模拟，去检测高等生物的基因性状和功能。 （3）从基因水平去揭发人类疾病与病原微生物之间关系，如发病机理， 人类与病原微生物之间相互作用的基因机理等。
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三．微生物基因组的注释 （一）概念：在微生物基因测序的基础上，对其基本 结构和部件进行认定，以进一步研究其功能。
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（二）微生物基因组注释的内容 1.碱基组成分析，即G+C Mol%测定。 G+C含量是物种的一个重要特征，在微生物的分类上具有重要意义，是 重要参数之一。 2．开放阅读框的鉴定： 3．编码序列分析
消化 （4）分子杂交 （5）Southern十字杂交法
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五、微生物基因组功能分析 1、根据目的基因组的性状而推测可能的基因组功能。 如致病岛的G+C mol%与细菌本身的G+C mol%有很大差异。致病岛或耐 药岛等。 2、根据已知的数据库进行同源性搜索。 美国NIH的GenBank；欧洲的分子生物学实验数据库（FMBL）日本的 DNA数据库(DDBJ) 3、利用不同条件、不同作用因素的影响而鉴定未知基因的功能。 如用过氧化氢酶处理沙门氏菌而获得该菌的对H2O2氧化应激反应的基因。 4、采用基因敲除的方法来推测或确定基因的功能。
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人类基因组计划的背景-----基因组计划最早始于美国
初衷1945年原子弹事件
1984年12月犹他大学魏特受美国能源部的委托，美国能源部
的广岛之争:突变率调查
资助召开的环境诱变物和致癌物的防护的会议上，
讨论DNA重组技术的发展及测定人类整个基因组
1985年6月，美国加州的会议上， DNA序列的意义，第一次提出测定人体基因和全部DNA序列，
1990年10月1日正式启动实施
目标：完成对人的基因组的30亿个核苷酸对的 全部序列测定工作，阐明人体中全部基因的位置、 功能、结构、表达调控方、德、日、中六国科学家的共同努力下， 2000年6月26日， 国际人类基因组计划与塞莱拉公司联合发布“人类基因组工作草图”。 2001年2月12日 两大科研小组联合发布人类基因组图谱及“基本信息”。宣告人类基因组计划基本完成。10
人类基因组计划是与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划一样伟大宏伟。
人类基因组计划的研究内容
美国的人类基因组计划总体规划是： 拟在15年内至少投入30亿美元，进行对人类全基因组的
分析。 1993年作了修订，其主要内容包括： 人类基因组的基因图构建与序列分析； 人类基因的鉴定； 基因组研究技术的建立； 人类基因组研究的模式生物； 信息系统的建立。 人类基因组研究的社会、法律与伦理问题， 交叉学科的技术训练， 技术的转让， 研究计划的外延等共9方面的内容。
美国能源部正式提出了展开人类
并检测所有的突变，计算真实的突变率。
基因组测序工作，形成了能源部 的“人类基因组计划”初步草案。
1986年6月，新墨西哥州冷泉港吉尔伯特及伯格主持的讨论会上， 进行了可行性讨论。美能源部宣布实施草案。意裔美肿瘤分子生
1987年，美国国家医学研究 院和能源部联合提出了这一 宏伟计划，即HGP）,先期
人类基因组计划的背景-----基因组计划最早始于美国
初衷1945年原子弹事件
1984年12月犹他大学魏特受美国能源部的委托，美国能源部
的广岛之争:突变率调查
资助召开的环境诱变物和致癌物的防护的会议上，
讨论DNA重组技术的发展及测定人类整个基因组
1985年6月，美国加州的会议上， DNA序列的意义，第一次提出测定人体基因和全部DNA序列，
1990年10月1日正式启动实施
目标：完成对人的基因组的30亿个核苷酸对的 全部序列测定工作，阐明人体中全部基因的位置、 功能、结构、表达调控方、德、日、中六国科学家的共同努力下， 2000年6月26日， 国际人类基因组计划与塞莱拉公司联合发布“人类基因组工作草图”。 2001年2月12日 两大科研小组联合发布人类基因组图谱及“基本信息”。宣告人类基因组计划基本完成。10
人类基因组计划是与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划一样伟大宏伟。
人类基因组计划的研究内容
美国的人类基因组计划总体规划是： 拟在15年内至少投入30亿美元，进行对人类全基因组的
分析。 1993年作了修订，其主要内容包括： 人类基因组的基因图构建与序列分析； 人类基因的鉴定； 基因组研究技术的建立； 人类基因组研究的模式生物； 信息系统的建立。 人类基因组研究的社会、法律与伦理问题， 交叉学科的技术训练， 技术的转让， 研究计划的外延等共9方面的内容。
美国能源部正式提出了展开人类
并检测所有的突变，计算真实的突变率。
基因组测序工作，形成了能源部 的“人类基因组计划”初步草案。
1986年6月，新墨西哥州冷泉港吉尔伯特及伯格主持的讨论会上， 进行了可行性讨论。美能源部宣布实施草案。意裔美肿瘤分子生
1987年，美国国家医学研究 院和能源部联合提出了这一 宏伟计划，即HGP）,先期
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锁图。这一方法包括杂交实验，家系分析。遗传图距 单位为厘摩(cM), 每单位厘摩定义为1%交换率。
2）物理作图（Physical mapping） 采用分子生物学 技术直接将DNA分子标记、基因或克隆标定在基因组
实际位置。物理图的距离依作图方法而异，如辐射杂 种（radiation hybrid）作图的计算单位为厘镭(cR), 限 制性片段作图与克隆作图的图距为DNA的分子长度， 即碱基对(bp, kb)。
散的顺序按原来位置组装,需要图譜 进行指导. - 基因组存在大量重复顺序,会干扰排序, 因此要高密度基因组图.
2)由于一些分子标记同基因座位紧密连锁，为靶基因 的图位克隆(map based cloning)提供了可能。
3)遗传图和物理图各有优缺点,必须相互整合校正.
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二、遗传图与物理图
1）遗传作图（Genetic mapping） 采用遗传学分析方 法将基因或其它DNA分子标记标定在染色体上构建连
由于同源染色体同一区段DNA序列的 差异，当用限制酶处理时，可产生 长度不同的限制性片段。
14
什么是RFLP标记？(2)
Var. A
Var. B
EcoR I will not cut this squence 15
什么是RFLP标记？(3)
16
(二) RFLP methodology
Cutting DNA into smaller fragments by restriction enzymes
2）生化特征表型。如人类血型系列分 析。
10
基因标记并非理想的标记，因为： - 可用作标记的基因十分有限。许多
性状都涉及多基因。 - 用基因做标记将在遗传图中留下大
片的无标记区段，因为存在大量的 基因间区。
2）物理作图（Physical mapping） 采用分子生物学 技术直接将DNA分子标记、基因或克隆标定在基因组
实际位置。物理图的距离依作图方法而异，如辐射杂 种（radiation hybrid）作图的计算单位为厘镭(cR), 限 制性片段作图与克隆作图的图距为DNA的分子长度， 即碱基对(bp, kb)。
散的顺序按原来位置组装,需要图譜 进行指导. - 基因组存在大量重复顺序,会干扰排序, 因此要高密度基因组图.
2)由于一些分子标记同基因座位紧密连锁，为靶基因 的图位克隆(map based cloning)提供了可能。
3)遗传图和物理图各有优缺点,必须相互整合校正.
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二、遗传图与物理图
1）遗传作图（Genetic mapping） 采用遗传学分析方 法将基因或其它DNA分子标记标定在染色体上构建连
由于同源染色体同一区段DNA序列的 差异，当用限制酶处理时，可产生 长度不同的限制性片段。
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什么是RFLP标记？(2)
Var. A
Var. B
EcoR I will not cut this squence 15
什么是RFLP标记？(3)
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(二) RFLP methodology
Cutting DNA into smaller fragments by restriction enzymes
2）生化特征表型。如人类血型系列分 析。
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基因标记并非理想的标记，因为： - 可用作标记的基因十分有限。许多
性状都涉及多基因。 - 用基因做标记将在遗传图中留下大
片的无标记区段，因为存在大量的 基因间区。
第01讲微生物基因组学102页PPT
• Genomics is the study of the molecular organization of genomes, their information content, and the gene products they encode.
－－Prescott-Harley-Klein: Microbiology, Fifth Edition
关于基因组学的范畴
• 随着基因组和基因组学这两个术语变得流行起来，一系列 新的术语也被创造出来，每个新的研究领域都冠以“…… 组学”（-omic)的名称，而被研究的对象则被称为“ …… 组”(-ome)。例如蛋白质组和蛋白质组学。
• 一个蛋白质组（proteome)表示某个时刻在一个细胞或生 物体中全部的蛋白质组成。其它类似的词还有转录组、代 谢组、糖组和变异组。这些新兴的领域能否归到“基因组 学”之下，尚有较大的争议。
• 1987年，Victor Mckusick 和 Frank Ruddle 一起创 办了“genomics”杂志，这是第一次“genomics” 这个词在科学界得到广泛的应用。
• 基因组学领域包括DNA测序、在物种内进行基因组多 样性的采集以及基因转录调控的研究，即基因组学覆 盖了从DNA序列分析到研究生物体对环境干扰的响应 这样比较广的范围。
“基因是迄今为止最为复杂的程 序”
——Bill Gates
（二）DNA测序技术的诞生与发展
1975，Frederick Sanger双脱氧链终止法； 1977，Maxam和Gilbert 氧化法
（1976年，在英国的Gordon会议 上两个小组同时宣布， 但Maxam和Gilbert直到1980年才正式发表研究结果）
基因组基 学因 研组 究学 的研 究3大的 主3 题大 和主 题6个和 层6 面个 层 面
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染色体带型命名
人类染色体带型最早确定的命名方式是从着丝粒向两侧按数字编号, 短臂以p代表 (p=petit),长臂以q代表. 短臂和长臂又可进一步分区，每个区又分为数个亚区， 亚区又可划分为不同的区带，有的区带又可细分为区亚带。
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人类染色体核型
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四、基因组的结构成分
1) SAR和MAR 2) CpG岛 3) 等高线
5) MAR或SAR之间的距离平均为30 kb, 染色体DNA环突
长约25-600 kb, 因此并非所有MAR或SAR均与基质或
骨架结合. 或这说MAR(或SAR)与基质或骨架结合的
位置是动态的, 不固定的.
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SAR和MAR的应用
由于发现许多功能基因的两侧含有SAR或 MAR的结构,并证实SAR和MAR具有阻止 异染色质位置效应和隔离相邻基因彼此干 扰的功能, 因此为了提高转基因的表达水平, 在构建表达载体时可在基因两侧安装SAR 或MAR顺序, 以减少转基因沉默效应.
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MAR
的 分 离
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（2）什么是CpG岛
满足CpG岛的条件为: 1. 连续200 bp的DNA顺序(已修改为500 bp); 2. C+G含量大于50%(已修改为55%); 3. 观测到的CpG双碱基数目与预期的数目
之比大于0.6(已修改为0.65).
(Gardiner-Garden, J.Mol.Bio., 196:261, 1987; Proc Natl Acad Sci USA 99:3740-3745, 2002 )
第6章 真核生物基因组解剖
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第23章基因组学PPT课件
第一节 基因组学
Genomics
第1页/共18页
一、基因组学概念及范畴
基因组(genome) 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部
遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色 体（单倍体）DNA。
基因组学(genomics) 就是发展和应用DNA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 因组结构及功能。
• HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和 物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全 部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构 基因组学范畴。
第4页/共18页
HGP包括以下研究内容
（一）物理制图 （二）遗传制图 （三）基因组DNA序列测定 （四）创建计算机分析管理系统
第5页/共18页
HGP主要任务及内容
第6页/共18页
• 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，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 传病提供“平台”，并将成为复杂的多基因遗 传病研究的发端。
第7页/共18页
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 后基因组测序阶段——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，这就是功能基因组 学（functional genomics）。
第8页/共18页
主要具体内容包括以下方面
（一）鉴定DNA序列中的基因 （二）同源搜索设计基因功能 （三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式
第9页/共18页
功能基因组学研究策略及主要内容
பைடு நூலகம்第10页/共18页
四、比较基因组学
比较基因组学(comparative genomics) 涉及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。
Genomics
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一、基因组学概念及范畴
基因组(genome) 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部
遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色 体（单倍体）DNA。
基因组学(genomics) 就是发展和应用DNA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 因组结构及功能。
• HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和 物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全 部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构 基因组学范畴。
第4页/共18页
HGP包括以下研究内容
（一）物理制图 （二）遗传制图 （三）基因组DNA序列测定 （四）创建计算机分析管理系统
第5页/共18页
HGP主要任务及内容
第6页/共18页
• 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，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 传病提供“平台”，并将成为复杂的多基因遗 传病研究的发端。
第7页/共18页
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 后基因组测序阶段——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，这就是功能基因组 学（functional genomics）。
第8页/共18页
主要具体内容包括以下方面
（一）鉴定DNA序列中的基因 （二）同源搜索设计基因功能 （三）实验性设计基因功能 （四）描述基因表达模式
第9页/共18页
功能基因组学研究策略及主要内容
பைடு நூலகம்第10页/共18页
四、比较基因组学
比较基因组学(comparative genomics) 涉及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。
动物基因组学基础PPT课件
第39页/共86页
Байду номын сангаас
物理作图的方法
• 基因组物理图谱的构建主要有三种途径： ①限制性酶图谱 ②荧光原位杂交技术(FISH) ③序列标签位点(STS)
如表达的序列标签(EST)，来自cDNA
第40页/共86页
描述染色体上限制性内切酶切割 位点之间距离和顺序的图谱 识别位点较多的内切酶：如 NotⅠ，其8个核苷酸出现的频率为 1/48=1/65536bp，而识别位点为 6个核苷酸的出现频率为 1/46=1/4094bp
• 基因组学的重要组成部分是基因组计划，如人类、水稻基因组计划
第2页/共86页
人类基因组计划
➢ 1990，美国国立卫生研究所和能源部投资＄30亿，启动了被誉为“人体阿波罗计划”的 “人类基因组计划”(human genome project，HGP)，预计15年时间完成人类基因组 全部序列的测定
➢ 在美国提出人类基因组计划后，英、法、日、前苏联、中等，也相继启动了类似的研究 项目
生化标记
• 又称蛋白质标记，就是利用蛋白质 的多态性作为遗传标记
如：同工酶、等位酶
• 优点：数量较多，受环境影响小 • 缺点：受发育时间的影响、有组织 特异性、只反映基因编码区的信息
第13页/共86页
DNA分子标记
简称分子标记，以DNA序列的多态性作为遗传标记 优点： • 不受时间和环境的限制 • 遍布整个基因组，数量无限 • 不影响性状表达 • 自然存在的变异丰富，多态性好 • 共显性，能鉴别纯合体和杂合体
第27页/共86页
RAPD 标记特 点 • PCR反应产物通过电泳分离：不同样品间可能存在差
异 • 主要用于分析群体间的遗传距离 • 引物短，不同生物基因组可以共用一套引物 • 实验快速简便，成本低，无需预先了解基因组DNA序
Байду номын сангаас
物理作图的方法
• 基因组物理图谱的构建主要有三种途径： ①限制性酶图谱 ②荧光原位杂交技术(FISH) ③序列标签位点(STS)
如表达的序列标签(EST)，来自cDNA
第40页/共86页
描述染色体上限制性内切酶切割 位点之间距离和顺序的图谱 识别位点较多的内切酶：如 NotⅠ，其8个核苷酸出现的频率为 1/48=1/65536bp，而识别位点为 6个核苷酸的出现频率为 1/46=1/4094bp
• 基因组学的重要组成部分是基因组计划，如人类、水稻基因组计划
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人类基因组计划
➢ 1990，美国国立卫生研究所和能源部投资＄30亿，启动了被誉为“人体阿波罗计划”的 “人类基因组计划”(human genome project，HGP)，预计15年时间完成人类基因组 全部序列的测定
➢ 在美国提出人类基因组计划后，英、法、日、前苏联、中等，也相继启动了类似的研究 项目
生化标记
• 又称蛋白质标记，就是利用蛋白质 的多态性作为遗传标记
如：同工酶、等位酶
• 优点：数量较多，受环境影响小 • 缺点：受发育时间的影响、有组织 特异性、只反映基因编码区的信息
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DNA分子标记
简称分子标记，以DNA序列的多态性作为遗传标记 优点： • 不受时间和环境的限制 • 遍布整个基因组，数量无限 • 不影响性状表达 • 自然存在的变异丰富，多态性好 • 共显性，能鉴别纯合体和杂合体
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RAPD 标记特 点 • PCR反应产物通过电泳分离：不同样品间可能存在差
异 • 主要用于分析群体间的遗传距离 • 引物短，不同生物基因组可以共用一套引物 • 实验快速简便，成本低，无需预先了解基因组DNA序
基因组学
我国水稻基因组计划 • 我国超级杂交稻（籼稻）基因组计划2001年7月启动， 2002年4月5日《Science》。
☆材料：籼稻“9311”。
☆完成单位：华大基因研究中心、中科院遗传与发育生物 学研究所等12个单位。 ☆水平：水稻基因组的总基因数约为46022～55615个，工 作框架图序列已覆盖水稻整个基因组92％以上的基因。
大肠杆菌基因组是双链环状DNA ， 全长4.6 ×106bp，含有4230个基因， 编码蛋白的序列占基因组的87.7%， 非编码的重复序列占0.7%，剩下 的11.6%可能起调控作用。
二、细菌和病毒基因组特点
4. 功能相关的几个基因排列在一起形成操纵子
如，乳糖操纵子结构
5. 存在重叠基因 如，ΦΧ174基因组为5386bp，
▲ 1986年3月，杜伯克在美国《科学》杂志上发 表了一篇题为《癌症研究的转折点：测序人类 基因组》的文章，这篇短文后来被称为人类基 因组计划的“标书”。
（一）人类基因组计划
• 1990年，美国国会批准美国的“人类基因组计划”在10月1日 正式启动。其总体规 划是准备在15年内（1990－2005）至少 投入30亿美元，分析人类的基因组30亿个碱基对。 • 1996，完成标记密度为0.6cM的人类基因组遗传图谱，100kb 的物理图谱 • 2000，完成草图
四、基因组学的发展
（一）人类基因组计划
与曼哈顿原子 计划、阿波罗登月计划并称的人类科学 史上的重大工程。于1990年首先在美国启 动，后有德、 日、英、法、中等国的科学家先后正式加入。
（一）人类基因组计划
▲美国从70年代起启动了 “肿瘤计划”，但是， 不惜血本的投入换来的是令人失望的结果。人 们渐渐认识到，包括癌症在内的各种人类疾病 都与基因直接或间接相关。测出基因的碱基序 列，Fra bibliotek是基因研究的基础。
分子生物学课件 第3章 基因与基因组
最初基因组被定义为一个单倍体细胞中的全套染色体，现 代分子生物学和遗传学则将基因组定义为一个生物体中的 所有遗传信息，由DNA或者RNA编码，包括所有的基因和 非编码序列。
实际应用中“基因组”这个词既可以特指储存在细胞核中 的整套DNA（即核基因组），也可以指储存在细胞器中的 整套DNA（即线粒体基因组或叶绿体基因组），还可以指 一些非染色体的遗传元件，如病毒基因组、质粒基因组和 转座元件等。
不同基因家族各成员之间的序列 相似度也不同：
序列高度相似：经典的基因家族，如rRNA基因家族和组蛋 白基因家族。 保守性较低，但是编码产物具有大段的高度保守的氨基酸 序列。
序列保守性很低，编码产物之间也只有很短的保守氨基酸 序列，但通常由于具有保守的结构和功能区域，因而编码产 物具有相似的功能。
基因家族的成员在染色体上 的分布形式不同：
成簇存在的基因家族（clustered gene family）或称基因簇 （gene cluster），如人类类α链基因簇和类β链基因簇。 散布的基因家族（interspersed gene family），如肌动蛋白 基因家族和微管蛋白基因家族。
基因间隔区较短且内含子较少，基因排列紧密。
3.2.7 沉默基因
沉默基因（ Silent Gene）也叫隐蔽基因（Cryptic gene）， 是处于不表达状态的基因。它可能是假基因，也可能是被关闭的 基因。这些基因以隐性的方式埋藏在染色体中，但遇到特殊因子 的刺激，有可能解除关闭变成显性基因。
3.2.8 RNA基因
tRNA、rRNA； 核仁小分子RNA（small nucleolar RNA, snoRNA） 微小分子RNA（microRNA, miRNA）； 小分子干扰RNA（small interfering RNA, siRNA）； 核内小分子RNA（small nuclear RNA, snRNA）；
实际应用中“基因组”这个词既可以特指储存在细胞核中 的整套DNA（即核基因组），也可以指储存在细胞器中的 整套DNA（即线粒体基因组或叶绿体基因组），还可以指 一些非染色体的遗传元件，如病毒基因组、质粒基因组和 转座元件等。
不同基因家族各成员之间的序列 相似度也不同：
序列高度相似：经典的基因家族，如rRNA基因家族和组蛋 白基因家族。 保守性较低，但是编码产物具有大段的高度保守的氨基酸 序列。
序列保守性很低，编码产物之间也只有很短的保守氨基酸 序列，但通常由于具有保守的结构和功能区域，因而编码产 物具有相似的功能。
基因家族的成员在染色体上 的分布形式不同：
成簇存在的基因家族（clustered gene family）或称基因簇 （gene cluster），如人类类α链基因簇和类β链基因簇。 散布的基因家族（interspersed gene family），如肌动蛋白 基因家族和微管蛋白基因家族。
基因间隔区较短且内含子较少，基因排列紧密。
3.2.7 沉默基因
沉默基因（ Silent Gene）也叫隐蔽基因（Cryptic gene）， 是处于不表达状态的基因。它可能是假基因，也可能是被关闭的 基因。这些基因以隐性的方式埋藏在染色体中，但遇到特殊因子 的刺激，有可能解除关闭变成显性基因。
3.2.8 RNA基因
tRNA、rRNA； 核仁小分子RNA（small nucleolar RNA, snoRNA） 微小分子RNA（microRNA, miRNA）； 小分子干扰RNA（small interfering RNA, siRNA）； 核内小分子RNA（small nuclear RNA, snRNA）；
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据日本共同社5月16日报道，美国俄勒冈安康科学大学研究员立花真仁等的研究 小组15日在美国科学期刊?细胞?(Cell)网络版上发表文章，宣布已使用“体细胞克隆 技术〞，向女性提供的卵细胞内植入他人皮肤细胞的细胞核，首次成功制作了能够 分化成各种组织的胚胎干细胞(ES细胞)。
俄勒冈安康科学大学2007年曾成功制作了猴子的克隆ES细胞。关于人类的ES 细胞，前韩国首尔大学教授黄禹锡曾在2004年宣布成功制作，但后被发现是假论文。 当时，ES细胞曾被视为再生医疗的“王牌〞。不过，2006~2007年京都大学教授山 中伸弥研发了仅用体细胞进展基因操作的人工诱导多功能干细胞(iPS细胞)，再加上 人类的ES细胞制作比其他哺乳类的困难许多等原因，ES细胞研究热潮逐渐降温。
5
Biochip
Human Genome Project 6
清华控股博奥生物暨生物芯片北京国家工程研究中心
博奥生物芯片中心由清华大学医学院教授程京院士主持创立， 目前在生物芯片研究和应用领域形成了医学系统生物学产业链， 已推出生物芯片、生物医学仪器、试剂耗材、软件数据库等多 项产品。创立于2000年9月的博奥生物芯片中心作为我国第一 家采用“中心＋公司〞创新机制的试点单位，先后主持承担了 国家“十五〞863方案重大专项“功能基因组与生物芯片〞、 “十一五〞863方案重点工程“生物芯片关键仪器和试剂〞等 国家级科研课题，参与承担了30余项863、973、自然科学基 金和北京市等国家和省部级科研工程，现已探索出了一条新的 建立国家工程研究中心的模式，构建起了中国的生物芯片产业 链，培养了一批技术产业复合型人才，实现了中国生物芯片行 业的跨越式开展。〔
干细胞为起源细胞，是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细 胞。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为 “万用细胞〞。
俄勒冈安康科学大学2007年曾成功制作了猴子的克隆ES细胞。关于人类的ES 细胞，前韩国首尔大学教授黄禹锡曾在2004年宣布成功制作，但后被发现是假论文。 当时，ES细胞曾被视为再生医疗的“王牌〞。不过，2006~2007年京都大学教授山 中伸弥研发了仅用体细胞进展基因操作的人工诱导多功能干细胞(iPS细胞)，再加上 人类的ES细胞制作比其他哺乳类的困难许多等原因，ES细胞研究热潮逐渐降温。
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Biochip
Human Genome Project 6
清华控股博奥生物暨生物芯片北京国家工程研究中心
博奥生物芯片中心由清华大学医学院教授程京院士主持创立， 目前在生物芯片研究和应用领域形成了医学系统生物学产业链， 已推出生物芯片、生物医学仪器、试剂耗材、软件数据库等多 项产品。创立于2000年9月的博奥生物芯片中心作为我国第一 家采用“中心＋公司〞创新机制的试点单位，先后主持承担了 国家“十五〞863方案重大专项“功能基因组与生物芯片〞、 “十一五〞863方案重点工程“生物芯片关键仪器和试剂〞等 国家级科研课题，参与承担了30余项863、973、自然科学基 金和北京市等国家和省部级科研工程，现已探索出了一条新的 建立国家工程研究中心的模式，构建起了中国的生物芯片产业 链，培养了一批技术产业复合型人才，实现了中国生物芯片行 业的跨越式开展。〔
干细胞为起源细胞，是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细 胞。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为 “万用细胞〞。
第三章-基因和基因组结构PPT课件
I PO
ZY
A
Lactose
zy a
☆基因功能的表现是若干基因组成的信息表达的整体行为
☆ one gene → one enzyme
one gene → one peptide
one gene → one function
2021
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根据其是否具有转录和翻译功能可以把基因分为三类： ☆编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编 码酶和结构蛋白的结构基因以及编码调节蛋白的调节基 因； ☆只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基 因和rRNA基因； ☆不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括 启动子和操纵基因。启动子和操纵基因有时被统称为控 制基因。
☆断裂基因
真核蛋白质编码基因的核苷酸序列中间插入有与编码无关的DNA 间隔区，使1个基因分隔成不连续的若干区段 。
☆重叠基因
一些噬菌体和动物病毒，不同基因的核苷酸序列有时是可以共用 的。
2021
17
内含子(intron) 位于基因内部，不
编码基因产物的序列，在 成熟mRNA中被切除。
外显子(exon) 一个基因不包括内
34霉菌藻类g细菌g细菌显花植物鸟类哺乳类爬行类两栖类硬骨鱼类软骨鱼类棘皮类甲壳类昆虫类软体动物蠕虫类真菌支原体a生物体进化程度与大c值不成明显正相关b亲缘关系相近的生物间大c值相差较大c一种生物内大c值与小小c值相差极大35生物进化的c值矛盾cvalueparadoxofnucleotide单倍体基因组总dna的含量叫作c值值最大c值值maximumcvalue编码基因信息的总dna含量叫作c値最小c值值minimumcvalue36c值矛盾c值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象
表型 野生型 Gal＋，突变型 Gal－或 Gal； 基因型 野生型 gal＋ 突变型 gal－ 或 gal
基因基因组及基因组学ppt课件
42
遗传图与物理图的整合
有些标记既是遗传标记，又是物理标 记，如RFLP标记、SSR标记和某些基 因序列
借助这些标记可以将遗传图和物理图 整合起来
43
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。
既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转 录序列、调节序列和功能未知序列的总和。
优点：不受环境影响 缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生
长发育不利
19
生化标记
又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。
如同工酶 优点：数量较多，受环境影响小 缺点：受发育时间的影响、有组织特异性、
只反映基因编码区的信息
20
DNA分子标记
简称分子标记，以DNA序列的多态性作为遗 传标记 随着分子生物学的发展，相继建立 了RFLP、TRS、SNP等多种分子遗传标记检 测技术，开创了遗传标记研究的新阶段。 优点：
用于确定各遗传标记间的物理距离有两种物理图谱：
（1）以已定位的DNA序列标记位点（STS）为位标，以DNA实际长 度为图谱距离的基因组图谱。
（2）由YAC和/或细菌人工染色体（BAC）连续克隆重叠群组成的 物理图谱。
36
物理作图的方法
1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图 3、荧光原位杂交 4、序列标签位点作图
16
形态标记
形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 控制性状的其实是基因，所以形态标记实
质上就是基因标记。
数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
17
伯乐相马
按图索骥
18
细胞学标记
明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数 量特征： 染色体的核型 染色体的带型 染色体的结构变异 染色体的数目变异
遗传图与物理图的整合
有些标记既是遗传标记，又是物理标 记，如RFLP标记、SSR标记和某些基 因序列
借助这些标记可以将遗传图和物理图 整合起来
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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。
既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转 录序列、调节序列和功能未知序列的总和。
优点：不受环境影响 缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生
长发育不利
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生化标记
又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。
如同工酶 优点：数量较多，受环境影响小 缺点：受发育时间的影响、有组织特异性、
只反映基因编码区的信息
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DNA分子标记
简称分子标记，以DNA序列的多态性作为遗 传标记 随着分子生物学的发展，相继建立 了RFLP、TRS、SNP等多种分子遗传标记检 测技术，开创了遗传标记研究的新阶段。 优点：
用于确定各遗传标记间的物理距离有两种物理图谱：
（1）以已定位的DNA序列标记位点（STS）为位标，以DNA实际长 度为图谱距离的基因组图谱。
（2）由YAC和/或细菌人工染色体（BAC）连续克隆重叠群组成的 物理图谱。
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物理作图的方法
1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图 3、荧光原位杂交 4、序列标签位点作图
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形态标记
形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 控制性状的其实是基因，所以形态标记实
质上就是基因标记。
数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
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伯乐相马
按图索骥
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细胞学标记
明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数 量特征： 染色体的核型 染色体的带型 染色体的结构变异 染色体的数目变异
第01章-基因PPT课件
● 常见的上游启动子元件
3.增强子(enhancer） 是一种较短的DNA序列，能够被反式作用因子识别与结合。与增强子元件结合后能够增强邻近基因转 录。位于转录起始点上游－100～－300 bp处
4. 反应元件 一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的 特异的DNA序列 ●特点 具有较短的保守序列 通常位于启动子附近、启动子内或增强子区域
第二节 结构基因中贮存的遗传信息
一、 RNA的结构信息 二、 结构基因中贮存的蛋白质序列信息
●编码区 一个特定蛋白质多肽链的序列信息，也称 为开放阅读框（open reading frame，ORF） 功能 决定蛋白质分子的一级结构
RNA 聚合酶
转录因子
启动子类型
启动子构成
含有该类启动子的基因
I
TFI
I
核心元件， 上游调控元件
rRNA
II
TFII
II
TATA盒（TATA box）、几个上游启动子元件和转录起始位点
5.poly(A)信号 II类基因除了调控转录起始的序列外，在结构 基因的3‘端下游还有加尾信号。由AATAAA序列和GT丰富区，或T丰富区组成。 作用: 终止mRNA转录和为其加上poly(A)尾
(三) 基因的基本结构特点 1.原核生物基因的基本结构 5′-启动子－结构基因－转录终止子-3 ′ ●操纵子（operon） 功能上相关联的数个结构基因串联在一起， 由一套转录调控序列控制其转录，构成的基因 表达单位.
四、基因的结构特点
● 组成 一个编码特定多肽链的DNA序列+与蛋白质编码 无关的DNA序列(调控序列)
● 结构特点
1.原核生物结构基因的特点 结构基因在DNA上是连续的 2.真核生物结构基因的特点 结构基因在DNA上是不连续的（断裂基因）
3.增强子(enhancer） 是一种较短的DNA序列，能够被反式作用因子识别与结合。与增强子元件结合后能够增强邻近基因转 录。位于转录起始点上游－100～－300 bp处
4. 反应元件 一类能介导基因对细胞外的某种信号产生反应的 特异的DNA序列 ●特点 具有较短的保守序列 通常位于启动子附近、启动子内或增强子区域
第二节 结构基因中贮存的遗传信息
一、 RNA的结构信息 二、 结构基因中贮存的蛋白质序列信息
●编码区 一个特定蛋白质多肽链的序列信息，也称 为开放阅读框（open reading frame，ORF） 功能 决定蛋白质分子的一级结构
RNA 聚合酶
转录因子
启动子类型
启动子构成
含有该类启动子的基因
I
TFI
I
核心元件， 上游调控元件
rRNA
II
TFII
II
TATA盒（TATA box）、几个上游启动子元件和转录起始位点
5.poly(A)信号 II类基因除了调控转录起始的序列外，在结构 基因的3‘端下游还有加尾信号。由AATAAA序列和GT丰富区，或T丰富区组成。 作用: 终止mRNA转录和为其加上poly(A)尾
(三) 基因的基本结构特点 1.原核生物基因的基本结构 5′-启动子－结构基因－转录终止子-3 ′ ●操纵子（operon） 功能上相关联的数个结构基因串联在一起， 由一套转录调控序列控制其转录，构成的基因 表达单位.
四、基因的结构特点
● 组成 一个编码特定多肽链的DNA序列+与蛋白质编码 无关的DNA序列(调控序列)
● 结构特点
1.原核生物结构基因的特点 结构基因在DNA上是连续的 2.真核生物结构基因的特点 结构基因在DNA上是不连续的（断裂基因）
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组蛋白修饰是一个关键事件
H3和H4组蛋白的乙酰化与活性的染色质相联系,而 其甲基化则与失活的染色质相关.
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• 3．组蛋白的其他修饰方式
相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为 稳定的表观遗传信息。而乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他 不稳定的修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等 等。这些修饰更为灵活的影响染色质的结构与功能，通过多种修饰方 式的组合发挥其调控功能。所以有人称这些能被专识别的修饰信息为 组蛋白密码。这些组蛋白密码组合变化非常多，因此组蛋白共价修饰 可能是更为精细的基因表达方式。
• 根据着色的深浅染色质有常染色质和异染色质之分 • DNA：即脱氧核糖核酸，是一种长链聚合物，组成单位称为四种脱氧
核苷酸，也叫碱基。DNA是染色体的主要化学成分。DNA是一种分 子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作。带有遗传信 息的DNA片段称为基因。
常染色质与异染色质
• 1. 常染色质：基因表 达活跃的区域，染色 体结构较为疏松
染色质和DNA修饰
主要内容
• 1、染色质，DNA的概念 • 2、组蛋白修饰种类及对基因表达的影响 • 3、DNA修饰种类及对表达的影响 • 4、染色质重构
回顾知识
• 染色质（chromatin）最早是1879年Flemming提出的用以描述核中 染色后强烈着色的物质。
• 现在认为染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。染色 质的基本化学成分为脱氧核糖核酸核蛋白，它是由DNA、组蛋白、非 组蛋白和少量RNA组成的复合物。
但应当注意的是，甲基化个数与基因沉默和激活的程度相关。
• 2．乙酰化
• 组蛋白乙酰化主要发生在H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位置上
，是由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行。组蛋白乙酰 化呈多样性，核小体上有多个位点可提供乙酰化位点，但特定基因部 位的组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一种非随机的、位置特异的方式进 行。
• 异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，
• 常染色质结构域组蛋白呈高乙酰化。
• 最近有研究发现，某些HAT复合物含有一些常见的转录因子，某些 HDAC复合物含有已被证实的阻遏蛋白。这些发现支持了高乙酰化与 激活基因表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。
• 组蛋白乙酰化增强基因转录机制
• 1）乙酰化转录因子，使之与DNA结合能力增强； • 2）转录因子活化的结构域招募HATs复合物； • 3）HAT复合物的乙酰化组蛋白，打开染色质； • 4）转录激活； • 5）HATs复合物中共激活因子被乙酰化修饰； • 6）HATs复合物乙酰化之后离开，转录激活消失。
组蛋白乙酰化
组蛋白的乙酰化在两种环境下发生
·组蛋白乙酰化在DNA复制过程中短暂发生.
· 组蛋白乙酰化与激活基因表达相关.
1加与DNA的排斥 力，以及通过相互作用蛋白的影响，来调节基因转录。早期对染色质 及其特征性组分进行归类划分时就有人总结指出：
组蛋白甲基化对基因表达的影响
研究表明：组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲
基化与基因激活相关，而H3和H4精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相 关。
相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。例 如，
(1)与基因激活相关的赖氨酸残基甲基化：H3第4位、第36位、第79位 。
(2)与基因沉默相关的赖氨酸残基甲基化：H3第9位、第27位以及H4的 第20位。
• 另外，研究发现H2B的泛素化可以影响H3K4和H3K79的甲基化，这 也提示了各种修饰间也存在着相互的关系。
组蛋白共价修饰的功能
• 基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等
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4 组蛋白修饰与基因调控
基因表达是一个受多因素调控的复杂过程.组蛋白是染 色体基本结构-核小体中的重要组成部分,其N-末端氨基酸 残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP 糖基化等多种共价修饰作用.
• 染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物。
一 组蛋白的化学修饰
组蛋白化学修饰发生在组蛋白N端尾部，尤其是组蛋白H3和H4的修饰 起始了染色质结构的变化。组蛋白尾部由20个氨基酸组成，并且从 DNA转弯处的核小体间延伸出来。
acK: acetyl-Lys; meR: methyl-Arg. meK: methyl-Lys;
• 2. 异染色质：基因表 达沉默的区域，染色 体结构致密
核小体
常染色质
异染色质
4
常规的染色质修饰
• 染色质化学修饰的类型
• 染色质化学修饰是指对染色质的组成成分，如DNA、RNA、组蛋白、 非组蛋白进行化学基团的添加或去除的反应过程。
• 常见的染色质化学修饰方式有：甲基化-去甲基化，乙酰化-去乙酰， 磷酸化去磷酸。除此之外，还包括泛素化ADP-核糖基化和二硫键形成 等修饰方式。染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物 。目前，已在细胞中发现了一系列的染色质修饰酶类，这些酶不仅具 有高度的位点特异性，而且对底物原有的修饰状态也有选择性。组蛋 白的化学修饰位点通常位于其N-端或C-端尾区，极少数情况下（如 H3-K79）位于内部；有些位点可发生双修饰反应；相邻位点的磷酸 化修饰与甲基化修饰可能相互干扰
大多数组蛋白上的修饰位点被单一的, 特异的修饰, 但 一些位点可以多于一个位点的修饰. 个别功能与一些位点 的修饰直接相关.
PS: phospho-Ser. uK: ubiquitinated Lys
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组蛋白的修饰
• 1、甲基化 组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶
(histonemethyl transferase，HMT)完成的。甲基化可发 生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能 够发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲基 化，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调 节基因表达的复杂性。甲基化的作用位点在赖氨酸(Lys) 、精氨酸(Arg)的侧链N原子上。 * Lys甲基化常发生在：组蛋白H3的第4、9、27和36位， H4的第20位。 * Arg甲基化常发生在:组蛋白H3的第2、l7、26位及H4的 第3位。