《动物分子生物学》教学课件：第十章 分子生物学发展前沿

一、基因组（学）
1. 基因组(学): （genome/genomics）
HGP（人类基因组计划）：1990年启动，目标 是绘制四种图谱。
Hap Map(人类基因组单体型计划)：起始于 2002年，目标是构建人类DNA序列中多态位点 的常见模式。
Jim project（吉姆工程）：美国454生命科学公 司给DNA之父 James Watson绘制完整的个人基因 组图谱。 2005年启动，于2007年5月31日公开。
• 土壤宏基因组学
• 肠道宏基因组学
人出生以后才进入人体，特 别是肠道内的多达1000多种 共生微生物，其遗传信息的 总和叫“微生物组”，也Microbiome Project，HMP（人类微生 物组计划，又称“人类元基因组计划”）：
2007年由美国NIH启动，目标是通过绘制人体不同器 官中微生物元基因组图谱，解析微生物菌群结构变化 对人类健康的影响。
目标是对人类基因组进行更为全面而详细的结构、 功能和调节的注释，特别是对所谓“垃圾DNA”的 结构和功能的分析，旨在识别出人类基因组序列 中的所有功能区，包括转录、转录因子联合、染 色质结构和组蛋白修饰区，也就是说为非编码 DNA序列编制目录。
3D基因组研究新技术
• 染色质构象捕获(chromatin con-formation capture, 3C)技术：测定特定的点到点之间的 染色质交互作用。
人类代谢组计划
人类代谢组计划（Human Metabolome Project，HMP）：2005年由加拿大基因委员会 投资启动，目标是通过促进代谢组学研究改善疾 病诊断、鉴别、预防和监测方式，提高对药物代 谢和毒理学的认识，并开发代谢组学研究工具。
• Metagenomics of Human Intestinal Tract， MetaHIT（人类肠道宏基因组学 ）：
2008年由欧洲委员会资助启动，目标是研究人类肠道 中的所有微生物群落，进而了解人肠道中细菌的物种 分布，最终为后续研究肠道微生物与人的肥胖、肠炎、 糖尿病等疾病的关系提供理论依据，达到预防和监控 的目的。
5. 宏基因组学（metagenomics）
宏基因组学，也称元基因组学、环境基因组学、 生态基因组学。
是一种以环境样品中的微生物群体基因组为研 究对象，以测序分析和功能基因筛选为研究手 段，研究微生物多样性、种群结构、进化关系、 功能活性、相互协作关系及与环境之间关系的 新方法。
宏基因组的应用
• 水体宏基因组学
The 1000 genomes project(千人基因组计划)：
2008年1月22日启动，对全球不同区域约2500 个健康人进行全基因组重测序，目标是绘制一个 高密度的人类基因组多态性参考图谱。
Human Epigenome Project（人类表观基因 组计划，HEP ）：
2003年启动，目标是绘制人类基因组甲基化可 变位点（methylation variable positions，MVP） 图谱，以获得在基因组水平上对DNA甲基化进 行精确定量分析的表观遗传学标记（epigenetic markers）。
2. 3D基因组（学）：是指在考虑基因组序列、基 因结构及其调控元件的同时，对基因组序列在细 胞核内的三维空间结构，及其在基因转录、调控、 复制和修复等生物过程中的功能进行研究。
4. 4D 基因组（学）：在三维基因组学研究中， 加入时间因素，研究动态变化下的基因组三维结 构和功能，即解析染色质间的互作随时间的变化 规律。
第十章 分子生物学的发展前沿
组（-ome）与组学（-omics）
根据遗传信息的传递方向和层次，依次出现了 基因组（学）：genome(genomics) 转录组（学）：transcriptome (transcriptomics) 蛋白质组（学）：proteome (proteomics) 代谢组（学）：metabolome (metabolomics) 生理组（学）：physionome（physionomics） 表型组（学）：phenome（phenomics）
• 染色质远程交互测序 (Chromatin Interaction Analysis with Paired-End Tag Sequencing, ChIA-PET)技术：鉴定全基因组 范围内特定转录因子参与的染色质远程交互作 用。
• Hi-C和ChIA-PET是3C的衍生技术, 都是基于将 线性距离远、空间结构近的DNA片段进行交联, 并将交联的DNA片段富集, 接着进行高通量测 序, 对测序数据分析可以揭示染色质的远程相互 作用, 从而推导出基因组的三维空间结构和可能 的基因之间的调控关系。
6. 泛基因组学（pangenomics）
某一物种所含有的全部基因的总和。
核心基因组 非必须基因组 特异基因组
二、代谢组学
• 代谢组（Metabonome）：指某一生物或细 胞所有的代谢产物（metabolite），主体是相对 分子质量<1000的内源性小分子。
• 代谢组学（metabonomics /metabolomics ）：是定量描述生物内源性 代谢物质种类、数量及其变化规律的科学。是 研究生物整体、系统或器官的内源性代谢物质 及其与内在或外在因素的互作。
• 4C技术：测定一点到多点之间的染色质互作。
• 5C技术：测定多点到多点之间的染色质互作。
• Hi-C技术：捕获全基因组范围内的染色质互作。
Hi-C的实验流程
1. 用甲醛对细胞进行固定，使DNA与蛋白，蛋白与蛋白之间进行交联； 2. 用限制性内切酶进行酶切，使交联两侧产生粘性末端； 3. 末端修复，引入生物素标记，连接； 4. 解交联，使DNA和蛋白、蛋白和蛋白分开，提取DNA，打断，捕获带有生物 素标记片段，进行建库； 5. 测序。
不同水平的基因组组装
细胞核亚区的不同染色体
细胞核边缘转录失活区
局部的染色质互作
长范围的染色质互作
ENCODE计划（The Encyclopedia of DNA Elements Project）：DNA元件百科全书计划
2003年9月由美国国立卫生研究院（NIH）下属机 构人类基因组研究所（NHGRI）和欧洲生物信息 研究所（EMBL）牵头启动。