基因组学
基因组学
基因组学的定义有广义和狭义之分。
广义的基因组学涉及到细胞学、遗传学、进化论和分子生物学的研究对象和范畴，可以称为是规模化的生物学研究。
狭义的基因组学主要是以各类物种的基因组为研究对象，形成复杂的概念、理论框架和研究命题。
基因内涵的最新发展基因在分子生物学中占据了核心地位，基因概念的发展贯穿了分子生物学理论的整个发展历程。
在某种程度上，基因内涵的更新与发展可以视为分子生物学发展阶段的标志。
从最初孟德尔通过离散型表型抽象出的遗传因子（genetic factor）开始，在基因内涵的发展史上先后出现过遗传物质究竟是核酸还是蛋白质之争、DNA琴弦假说等早期探索性工作。
目前，大家所熟知的基因形式包括顺反子、断裂基因、重复基因、重叠基因、跳跃基因、rRNA基因、tRNA基因、假基因等，近来又发现了以微小RNA基因为代表的多种非编码RNA基因（noncoding RNA gene）、跨染色体剪接基因、跨物种横向转移基因（即自然界的转基因）等多种新的基因形式。
诺贝尔生理医学奖在历史上曾多次与基因的更新和发展有关。
随着更多新的基因形式被不断发现，基因内涵也在不断发生变化。
Gerstein等（2007）和Pesole（2008）分别对基因的概念做了较新的定义。
他们给出的基因新概念主要在强调基因编码产物形式的多样性，其本质仍然是遗传信息的功能单位，而且细胞核基因组DNA也仍然是承载基因的主要物质载体。
在传统观念中，除了RNA编辑、剪接，以及蛋白质分子修饰之外，遗传信息从DNA到表型的传递过程几乎是完全线性的，至DNA以下的所有环节，包括中间分子信息和表型均最终受控于基因组DNA，生物的可遗传组分完全由基因组DNA的序列信息决定。
但随着研究的不断深入，这种传统观点正逐渐被打破，目前已经知道表观遗传及其他“软”遗传（soft inheritance）机制也广泛参与了跨代遗传的调控过程。
此外，已在细胞水平和整体水平上证明环境刺激引起的基因表达模式改变也可以在一定条件下实现跨代遗传，好像米丘林遗传学这一被扔进历史垃圾堆里的伪科学又死灰复燃了，在与孟德尔遗传学分道扬镳多年后又开始有了相互靠拢的新迹象（说不准某些曾经的伪科学还真有咸鱼翻身的机会）。
基因组学概念
基因组学概念
基因组学（Genomics）是一门研究基因组结构和功能的学科，它涵盖了生命科学、生物信息学、计算机科学等多个领域。
基因组学通过研究基因组的结构、组成、表达和调控，深入理解生命的本质、生物多样性和疾病发生机制，为新药研发、医学诊断和治疗提供基础支持和解决方案。
基因组学的主要研究对象是基因组，即生物体内部所有基因的集合体。
基因组由DNA序列组成，其中包括编码蛋白质和调节基因表达的基因，以及非编码DNA序列和重复DNA序列等。
基因组学的研究内容包括以下几个方面：
1. 基因组测序：通过高通量测序技术，对基因组进行大规模的测序分析，以获取基因组的详细序列和变异信息。
2. 基因组组装：通过对测序数据进行组装和分析，构建基因组的物理图谱和遗传图谱，以确定基因组的结构和组成。
3. 基因组注释：通过对基因组序列进行注释和分析，确定基因的编码区、调控序列和重复序列等信息，以揭示基因的功能和表达模式。
4. 基因组变异分析：通过分析基因组序列中的变异，包括单核苷酸变异（SNV）、插入和缺失（INDEL）、结构变异（SV）等，揭示基因组的遗传多样性和疾病发生机制。
5. 基因组学应用：将基因组学应用于医学、农业、环境科学等领域，包括新药研发、疾病诊断和治疗、生物多样性保护等。
基因组学的发展得益于现代科技的不断进步和创新，如高通量测序技术、生物信息学方法和计算机科学算法等。
随着技术的不断革新和完善，基因组学将在生命科学、医学和农业等领域发挥越来越重要的作用，为人类提供更加全面、深入和精准的知识和解决方案。
基因组学与医学
（一）基因组学的提出
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。
1. 病毒基因组
DNA病毒 多数为双链(ds)、环状或线性 RNA病毒 多数为单链(ss)、线性
▪ 单链环状DNA病毒
5386nt 2500氨基酸 噬菌体phiX174 1977，Sanger
蛋白质组(proteom)： 一个细胞内的全套蛋白质，
反映了特殊阶段、环境、状态下 细胞或组织在翻译水平的蛋白质 的表达谱。
这一研究领域叫蛋白质组学 (proteomics)。
蛋白质组学的研究方法
➢双向电泳（two dimension electrophoresis,2-DE）：
蛋白质具有等电点和分子量的特异性， 将蛋白质混合物在电荷（等电聚焦，IEF） 和分子量（变性聚丙烯酰胺凝胶电泳， SDS-PAGE）两个水平上进行分离。
描述基因表达模式: 采用DNA微点阵进行整体基因表达 谱--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蛋白质表达
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。
进化树（系统发生树）
▪ 开环部分双链DNA病毒
HBsAg
HBcAg
聚合酶
乙型肝炎病毒（HBV）
HBsAg
HBcAg
聚合酶
乙型肝炎病毒基因组 --开环部分双链DNA
▪ 单链RNA病毒
血凝素（HA）
8节段-ssRNA
神经氨酸酶（N)
.
禽流感病毒(H5N1)
基因组学
基因组：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和,是指生物细胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。
基因组学：研究基因组结构和功能的科学。
指以分子生物学技术、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。
C值：指一个单倍体基因组中DNA的总量，以基因组的碱基对来表示。
每个细胞中以皮克(pg，10-12g)水平表示。
C 值矛盾：在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，它们的C值可以相差数10倍乃至上百倍。
序列复杂性：不同序列的DNA总长称为复杂性，复杂性代表了一个物种基因组的基本特征。
隔裂基因：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。
假基因：来源于功能基因但已失去活性的DNA序列。
微卫星序列：或称简单串联重复，重复单位较短。
重复序列只有1-6个核苷酸，分布在整个基因组，10-50个重复单位.重叠群：通过末端的重叠序列相互连接形成连续的DNA长片段的一组克隆称为重叠群。
指纹：指确定DNA样品所具有的特定DNA片段组成。
STS作图：根据STS序列设计引物，扩增文库当中的克隆，能扩出条带的克隆都含有序列重叠的插入子。
荧光原位杂交：指在染色体上进行DNA杂交，以便识别荧光标记探针在染色体上位置的方法。
辐射杂种群：通过放射杂交产生的融合细胞群称为辐射杂种群。
覆盖面（或深度）：每个核苷酸在完成顺序中平均出现的次数，或者说完成顺序的长度与组装顺序长度之比。
支架：一组已锚定在染色体上的重叠群, 内部含间隙或不含间隙.同源性：基因系指起源于同一祖先但序列已经发生变异的基因成员。
一致性：指同源DNA顺序的同一碱基位置的相同的碱基成员, 或者蛋白质的同一氨基酸位置的相同的氨基酸成员, 可用百分比表示.相似性：指同源蛋白质的氨基酸序列中一致性氨基酸和可取代氨基酸所占的比例。
转座子：一段DNA顺序可以从原位上单独复制或断裂下来，插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座，这段序列称跳跃基因或转座子。
基因组学
1．突变：指基因组中小段区域内核苷酸序列的改变，大多数突变是点突变，即核苷酸序列中某一碱基取代了另一碱基，其他的突变则涉及一个或几个核苷酸的插入或缺失。
2. 重组：指基因组中发生重新组合的区段，产生于减数分裂时同源染色体的交换，染色体的到位和易位，转座成分在同一染色体或不同染色体上转座以及外源DNA的整合等。
3.重组的分类：同源重组和非同源重组。
4. （1）同义突变：突变的密码子仍然指令同一氨基酸，因而同义突变是沉默突变。
（2）错义突变：此类突变发生的位置在密码子的第1位和第2位碱基，可改变密码子的含义，指令一个不同的氨基酸。
（3）终止突变：可使原来编码氨基酸的密码子变成翻译终止密码，产生残缺的蛋白质。
（4）连续突变：终止密码变成指令某一氨基酸的密码子，使翻译继续进行。
5.突变对多细胞生物的影响:（1）功能丧失（2）功能增益6.染色体重排:染色体的非同源重组与交换会导致染色体重排。
7.转座：一个转座子由基因组的一个位置转移到另一个位置的过程。
8.基因簇：基因家族中来源相同、结构相似和功能相关的基因在染色体上彼此紧邻所构成的串联重复单位。
9.基因组学：用于概括涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学学科分支，并已用来命名一个学术刊物。
10.基因组学的研究内容：全基因组范围研究基因的结构，组成，功能及其变化，因而涉及大范围高通量收集和分析有关基因组ＤＮＡ的序列组成，染色体分子水平的结构特征，全基因组的基因数目，功能和分类，基因组水平的基因表达与调控以及不同物种间基因组的进化关系。
11.遗传的分子基础：绝大多数生物，包括低等生物和高等生物的基因组都由脱氧核糖核酸（DNA）组成，少数病毒基因组则为核糖核酸（RNA）。
12.蛋白质的二级结构：（1）α螺旋：多肽链中一些连续的氨基酸序列能自发形成有规律的盘旋构型。
（2）β-折叠：由侧向平行的多肽链组成，一条多肽链中肽键的羰酰氧原子与另一条多肽链中肽键的酰胺氢原子形成氢。
基因组学
基因组：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和,是指生物细胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。
基因组学：指以分子生物学技术、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。
基因组学包括3个不同的亚领域1结构基因组学：以全基因组测序为目标2功能基因组学：以基因功能鉴定为目标3比较基因组学C值是指一个单倍体基因组中DNA的总量，以基因组的碱基对来表示。
C值悖理（矛盾）：在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，它们的C值可以相差数10倍乃至上百倍。
C值不随生物的进化程度和复杂性而增加；关系密切的生物C值相差甚大；真核生物的DNA的量远大于编码蛋白质所需的量。
C值反映了总体趋势上，随着生物结构和功能的复杂性的增加，各分类单元中最小基因组的大小随分类地位的提高而递增。
单一顺序：基因组中单拷贝的DNA序列重复顺序：基因组中多拷贝的基因序列真核生物基因组DNA组分为非均一性，可分为3种类型：快速复性组分、居间复性组分、缓慢复兴组分基因家族：是真核基因组的共同特征，他们来自一个共同的祖先，因基因加倍和趋异，产生了许多在DNA序列上基本一致而略有不同的成员。
包括编码RNA的基因和编码蛋白质的基因隔裂基因（split gene）：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。
3、异常结构基因分类重叠基因：编码序列彼此重叠的基因，含有不同蛋白质的编码序列。
基因内基因:一个基因的内含子中包含其他基因。
反义基因:与已知基因编码序列互补的的负链编码基因，参与基因的表达调控，可以干扰靶基因mRNA转录与翻译。
假基因：来源于功能基因但已失去活性或者改变原来活性功能的DNA序列.四、基因组特征比较真核生物基因组的特征：复杂性较高的生物基因组结构松弛，在整个基因组范围内分布大量重复顺序（小基因组重复序列较少，大基因组重复序列急剧扩增）；含有大量数目不等的线性DNA分子，并且，每个长链DNA都与蛋白质组成染色体结构；含有细胞器基因组（所有真核生物都具有环状的线粒体DNA，植物细胞还含有环状的叶绿体DNA。
基因组学
名词解释：第一章基因组遗传图（连锁图）：指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离。
单位是厘摩cM （基因或DNA片段在染色体交换过程中分离的频率）。
物理图：以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-tagged site, STS）为“路标”，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。
转录图：以EST（expressed sequence tag ，表达序列标签）为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。
EST：通过从cDNA文库中随机挑选的克隆进行测序所获得的部分cDNA的5'或3'端序列称为表达序列标签（EST），一般长300-500 bp左右。
序列图（分子水平的物理图）：序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也是最详尽的物理图。
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。
基因：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。
基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。
基因组学（genomics）：涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科。
C值：单倍体基因组的DNA总量，一个特定种属具有特征C值C值矛盾（C value paradox）：指一个有机体的C值和其编码能力缺乏相关性。
单一序列：基因组中单拷贝的DNA序列。
重复序列：基因组中多拷贝的DNA序列。
复杂性（complexity）：基因组中不同序列的DNA总长。
高度重复序列（highly repetitive sequence）：重复片段的长度单位在几个到几百个碱基对（base pair，bp）之间（一般不超过200 bp），串联重复频率很高（可达106以上），高度重复后形成的这类重复顺序称为高度重复顺序。
中度重复序列（intermediate repetitive sequence ）：重复长度300～7000 bp不等，重复次数在102～105左右。
基因组学：基因与基因组的研究
基因编辑技术的伦理与法律问题
基因编辑技术如CRISPR-Cas9等为人类提供了重新编程生命的能力，具有巨大的潜力。然而，这种技 术的伦理和法律问题也引起了广泛的关注和讨论。例如，是否可以对人类胚胎进行基因编辑、是否可 以使用基因编辑技术创造“设计婴儿”等。
在伦理方面，人们担心基因编辑可能会破坏自然的生命过程，导致不公平的遗传优势，甚至可能引发 新的社会不平等问题。因此，需要建立严格的伦理准则和法律监管框架，以确保基因编辑技术的合理 和安全使用。
基因组学在医学领域的应用广泛，如疾病诊断、药物研发和 个性化医疗等方面，有助于提高疾病的预防、诊断和治疗水 平。
生物产业发展
基因组学的研究对于推动生物产业的发展也具有重要意义， 如基因治疗、生物制药和基因编辑等领域。
基因组学的研究历史与发展
研究历史
基因组学的研究可以追溯到20世纪初，随着DNA双螺旋结构的发现和分子遗传学的发展，基因 组学逐渐成为一门独立的学科。
04
基因组学在生物医学中的应 用
疾病诊断与预防
疾病诊断
基因组学技术可以帮助医生通过检测 基因变异来确定疾病的原因，为疾病 的早期诊断提供依据。
预防策略
基因组学研究有助于发现与疾病易感 性相关的基因变异，为制定针对性的 预防策略提供科学依据。
药物研发与治疗
药物靶点
基因组学有助于发现新的药物靶点， 提高药物研发的效率和成功率。
研究现状
目前，全球已经完成了多个人类和模式生物的基因组测序，基因组学的研究重点已经从基因组的 测序转向了基因的表达、调控和进化等领域。
发展趋势
未来，基因组学将继续朝着高通量、高精度和智能化等方向发展，同时与其他学科的交叉融合也 将更加紧密，如生物信息学、合成生物学和系统生物学等。
基因组学——精选推荐
基因组学1.基因组学包括那些研究内容？（1）结构基因组学：通过基因组作图、核苷酸序列分析，研究基因组结构，确定基因组成、基因定位的科学基因组测序：⾸先将整个基因组的DNA分解为⼀些⼩⽚段，然后将这些分散的⼩⽚段逐个测序，最后将测序的⼩⽚段按序列组装基因组作图：在长链DNA分⼦的不同位置寻找特征性的分⼦标记，绘制基因组图。
根据分⼦标记可以准确⽆误地将已测序的DNA⼩⽚段锚定到染⾊体的位置上。
（2）功能基因组学：利⽤结构基因组学提供的信息和产物，在基因组系统⽔平上全⾯分析基因功能的科学。
功能基因组学的研究内容：(1)进⼀步识别基因以及基因转录调控信息。
(2)弄清所有基因产物的功能，这是⽬前基因组功能分析的主要层次。
(3)研究基因的表达调控机制，分析基因产物之间的相互作⽤关系，绘制基因调控⽹络图。
（3）⽐较基因组学：研究不同物种之间在基因组结构和功能⽅⾯的亲源关系及其内在联系的学科。
⽐较基因组学的研究内容:：（1）绘制系统进化树，显⽰进化过程中最主要的变化所发⽣的时间及特点。
据此可以追踪物种的起源和分⽀路径。
(2)了解同源基因的功能。
(3)对序列差异性的研究有助于认识产⽣⼤⾃然⽣物多样性的基础。
2.基因组学的历史变⾰与发展趋势？（⼀）1900年代以前:前遗传学时代（1）物种进化的⾃然选择学说——达尔⽂进化论。
（2）1865年G.Mendel发表豌⾖杂交实验结果，提出了遗传学的两⼤遗传规律—分离规律和独⽴分配规律，并认为是⽣物体内的遗传因⼦或遗传颗粒控制⽣物性状（⼆）1900—1950年代:经典遗传学时代标志：1900年,孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞⽣）⼈们开始把控制⽣物遗传性状的遗传单称为基因。
⽣命科学的研究基本都是围绕着基因来进⾏。
（三）1950—1990年代:分⼦⽣物学时代（前基因组学时代）标志：Watson & Crick 的DNA 双螺旋结构的发现[《Nature》1953.4.25]，标志着分⼦⽣物学时代的开始 F.Crick根据DNA 的X射线衍射图谱，提出了DNA双螺旋结构模型，解释基因复制的机制，从⽽真正开始从分⼦⽔平上研究⽣命活动。
基因组学
基因组复习基因组（genome），又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传信息的总和基因组学研究的最终目标: 获得生物体全部基因组序列; 鉴定所有基因的功能; 明确基因之间的相互作用关系; 阐明基因组的进化规律。
经典遗传学：在20世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。
第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。
第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。
基因组学的研究内容结构基因组学：基因定位；基因组作图；测定核苷酸序列功能基因组学：又称后基因组学（postgenomics)基因的识别、鉴定、克隆；基因结构、功能及其相互关系；基因表达调控的研究蛋白质组学：鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式遗传图谱（genetic map）采用遗传分析的方法将基因或其它DNA序列标定在染色体上构建连锁图。
遗传标记：有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。
构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。
包括：形态标记；细胞学标记；生化标记；DNA 分子标记所有的标记都必须具有多态性！所有多态性都是基因突变的结果！形态标记：形态性状：株高、颜色、白化症等，又称表型标记。
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。
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。
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、贮藏蛋白优点：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限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等位基因的差异。
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。
基因组学基本知识
.
.
比较基因组学
1988年，发现番茄和马铃薯的遗传图谱很相似。 基于结构基因组学，对基因和基因组进行比较，以了解基
因的表达、功能和进化。 对同一物种不同个体以及不同物种的基因组进行比较，分
❖ 借助这些标记利用比较作图可以将遗传图和物 理图整合起来
.
（三）基因组测序
利用现有DNA测序方法，每个测序反应通常 只能得到800个核苷酸的序列。
小基因组物种常用鸟枪法。
.
鸟枪射击法
.
大基因组测序存在两个问题： 片段数庞大，片段间连接和装配非常复杂 基因组中相同或相似的重复序列在连接和装 配时容易出错
.
（3）研究目的 找出所有人类基因，破译出人类全部遗传信息， 使得人类在分子水平上全面认识自我 将基因用于改善人类的生活质量 解决人类疾病、健康的问题
.
（4）研究意义
➢ 确定人类基因的序列、物理位置、产物及功能 ➢ 理解基因转录与转录后调节 ➢ 研究空间结构对基因调节的作用 ➢ 发现与DNA复制、重组等有关的序列 ➢ 研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分
.
五、基因组学的研究方法
（一）遗传图谱的构建 （二）物理图谱的构建 （三）基因组测序 （四）基因鉴定 （五）基因功能研究
.
（二）物理图谱的构建
为什么要构建基因组图谱？ ➢ 基因组计划的主要任务是获得全基因组序列 ➢ 但是，现在的测序方法每次只能测800～1000bp ➢ 大量的测序片段要拼接 ➢ 要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接 ➢ 基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱
分子生物学：基因、基因组与基因组学
mRNA
cDNA 酶切
（不能被酶切）
DNA 酶切
DNA中有的序列在mRNA中丢失, 且丢失部分不响基因 功能, 酶切位点在内含子中。
(exon-intron-exon)n structure of various genes
histone
total = 400 bp; exon = 400 bp
操纵子（operon） 是指数个功能相关的结构基因串联在一起，构成信息区， 连同其上游的调控区（包括启动和操纵区）及其下游的转录终止信号构成的 基因表达单位。 4.结构基因无重叠现象，基因组中任何一段DNA不会用于编码2种蛋白质。 5.基因序列是连续的，无内含子结构。
6.编码区和非编码区（主要是调控序列）在基因组中约各占50%。（5%， 95%）
The size of the human genome is ~ 3 X 109 bp; almost all of its complexity is in single-copy DNA.
bony afimshphibians
reptiles
birds
The human genome is thought
2.4.1 原核生物基因组结构与功能的特点
1.基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成。 其DNA是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将之称为染色 体。细菌染色体DNA在胞内形成一个致密区域，即类核（nucleoid），类核 无核膜将之与胞浆分开。 2.基因组中只有1个复制起点。 3.具有操纵子结构。
7.基因组中的重复序列很少。编码蛋白质结构基因多为单拷贝，但编码 rRNA的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组装。（15AA/秒， 2AA/秒）
基因组学-Genomics-知识考点汇总
基因组学-Genomics-知识考点汇总•基因组（Genome：Gene＋chromosome）细胞或生物体中一套完整的单倍体遗传物质•基因组学（Genomics）最早Thomas Roderick在1986年提出，包括基因组作图、测序和分析。
可分为结构基因组学和功能基因组学。
一、结构基因组学1.遗传图(Genetic Mapping Genomes) : Based on the calculation of recombination frequencyby linkage analysis .通过亲本的杂交，分析后代的基因间重组率，并用重组率来表示两个基因之间距离的线形连锁图谱每条染色体组成一个连锁群，所有染色体的连锁群组成的图谱即构成基因组遗传图。
重组率代表基因位点之间的相对距离。
在遗传作图中，人们把一个作图单位定义为1厘摩（cM），1cM等于1%的重组率。
提高遗传作图的分辨率：选用不同的杂交群体；增加杂交群体的数目；增加分子标记的数目；扩大分子标记的来源分子标记：绘制基因组遗传图需要的坐标点。
分子标记的主要来源是染色体上存在的大量等位基因。
在DNA水平上，两个基因间一个碱基的差异就足以形成等位基因。
2.物理图（physical map）：指DNA序列上两点的实际距离，它是以DNA的限制酶片段或克隆的大片段的基因组DNA分子为基本单位，以连续的重叠群为基本框架，通过遗传标记将重叠群或基因组DNA分子有序排列于染色体上。
物理图的绘制: Based on molecular hybridization analysis and PCR techniques杂交法；指纹法；荧光原位杂交技术。
3.基因组序列测定: Sequencing methods: the chain termination procedure;Map-based clone by clone strategy;Whole genome shotgun (WGS) strategy;Sequence assembly;•传统基因组测序的方法：克隆步移法（BAC-by-BAC Strategy）和全基因组鸟抢法（Whole Genome Shotgun Strategy）。
基因组学的概念和原理
基因组学的概念和原理
基因组学（Genomics）是研究生物体基因组的学科，包括基因的结构、功能、进化、调控和表观遗传学等方面的内容。
基因组学旨在通过对基因组的信息分析，揭示基因组与生物体表型之间的关系，为提高生命科学和生物技术领域的研究水平提供新的理论依据和技术支持。
基因组学的概念：
基因组学是一门研究生物体遗传信息的学科，包括结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学等分支。
结构基因组学关注基因组的物理图谱、基因组测序和基因定位等方面的研究；功能基因组学致力于基因组表达调控、基因功能、蛋白质相互作用等方面的研究；比较基因组学则通过比对不同物种的基因组信息，探讨基因组的进化、基因功能和生物多样性等科学问题。
基因组学的原理：
基因组学的研究方法是基于基因组信息分析的。
通过对基因组DNA序列的分析，可以获得大量的遗传信息，如基因序列、基因表达调控元件、蛋白质相互作用网络等。
通过对这些信息的整合与分析，研究人员可以揭示基因组的功能和结构，以及基因组与生物体性状之间的关系。
此外，利用基因组编辑技术（如CRISPR/Cas9），研究人员可以在基因组水平对基因进行编辑和修饰，以研究基因功能或治疗遗传疾病。
基因组学的发展：
随着基因组测序技术的飞速发展，大量的基因组数据不断产生。
这些基因组数据为我们理解生物体的遗传基础、生命活动规律和生物进化理论提供了新的启示。
同时，基因组编辑技术的出现，也为生命科学和生物技术领域带来了革命性的变革。
在未来，基因组学将继续在生命科学、医学、农业等领域发挥重要作用。
基因组学
基因组学概论基因：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。
基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。
真核生物基因组 1 核基因组2线粒体基因组3叶绿体基因组原核生物基因组1染色体2质粒基因组学（genomics）：涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科。
分为:结构基因组学，功能基因组学和比较基因组学。
结构基因组学：通过基因组作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。
基因组作图：在长链DNA分子的不同位置寻找特征性的分子标记，绘制基因组图。
根据分子标记可以准确无误地将已测序的DNA小片段锚定到染色体的位置上。
功能基因组学：利用结构基因组学，提供的信息和产物，在基因组系统，水平上全面分析基因功能的科学。
研究内容 1 进一步识别基因以及基因转录调控信息。
2 弄清所有基因产物的功能，这是目前基因组功能分析的主要层次。
3研究基因的表达调控机制，研究基因在生物体发育过程以及代谢途径中的地位，分析基因、基因产物之间的相互作用关系，绘制基因调控网络图。
比较基因组学：研究不同物种之间在基因组结构和功能方面的亲源关系及其内在联系的学科。
研究内容：1通过研究不同生物基因组结构和功能上的相似之处，不仅能勾画出一张详尽的系统进化树，而且将显示进化过程中最主要的变化所发生的时间及特点。
据此可以追踪物种的起源和分支路径。
2了解同源基因的功能。
3对序列差异性的研究有助于认识产生大自然生物多样性的基础。
定位候选克隆通过遗传分析等方法将疾病基因定位到染色体区段上。
对人类基因组图上该区段内的基因进行功能分析，并筛选出疾病基因。
（多用于单基因遗传病的筛查）单核苷酸多态性（SNP）是由于单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态。
SNP在人基因组中的发生频率比较高，是最常见的基因组差异。
和人类的健康有着密切的关系。
基因组学
生物信息学与HGP相关方面
• （1）高度自动化的实验数据的获得、加 工和整理 • （2）序列片段的拼接 • （3）基因区域的预测 • （4）基因功能预测 • （5）分子进化的研究
生物信息学的发展现状
• 生物信息学的发展将会对生命科学带来革命性的变革。对基 础学科、医药、卫生、食品、农业等产业产生巨大的影响， 甚至引发新的产业革命。 • 各国政府和工业界对此极为重视，投入了大量资金并成立了 各种生物信息中心。 • 美国的国家生物技术信息中心（National Center for Biotechnology Informatics，NCBI）、 • 欧洲生物信息学研究所 (European Bioinformatic Institute，EBI)、 • 日本信息生物学中心（Center for Information Biology，CIB） 等。 • NCBI、EBI和CIB相互合作，共同维护着GenBank、EMBL、 DDBJ三大基因序列数据库。它们每天通过计算机网络互相交 换数据，使得三个数据库能同时获得最新数据。 • 每年召开两个年会讨论合作事宜。
全世界参与的讨论
• • • • • HGP的研究内容是在讨论中逐步完善。 最初为“测序分析计划”。 “制图计划”特别是遗传图的构建， “cDNA计划”就是蛋白质的“转录图”。 “基因鉴定”计划：基因的功能与作用，基 因与疾病的关系。 • “模式生物”计划选择了酵母、线虫、果 蝇、小鼠、作为研究人类的四大“模式生 物”，其科学意义十分重要。拟南芥作为 植物基因组的模式生物。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基因表达调控的研究
蛋白质组学（proteomics） • 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和 相互作用方式
2 基因组图谱的构建
基因组计划的主 要任务是获得全 基因组序列 但是，现在的测 序方法每次只能 测800～1000bp 小基因组物种常 用鸟枪射击法
（restriction fragment length polymorphism，RFLP）
如有两个 DNA 分子（一对染色体），一 个具有某一种酶的酶切位点，而另一个 没有这个位点，酶切后形成的DNA片段长 度就有差异，即多态性。
• 利用限制性内切酶消化基因组DNA，形成大小 不等、数量不同的分子片段， • 经电泳分离， • 通过Southern印迹将DNA片段转移至支持膜 (尼 龙膜或硝酸纤维素膜)上， • 然后用放射性同位素(32P)或非同位素 (如地高 辛，荧光素)标记的探针与支持膜上的DNA片 段进行杂交。 • 不同基因组DNA酶切位点的改变，会使得 RFLP谱带表现出不同程度的多态性.
中英联合实验室
双脱氧终止法测序反应体系包括：
DNA polymerase
Template:(单链DNA模板)
Primer:（带有3-OH末端的单链寡核苷酸引物)
Mg2+ dNTP(dATP,dGTP,dCTP和dTTP) ddNTP(ddATP,ddGTP,ddCTP和ddTTP)
DNA自动测序
形态标记
能够用肉眼识别和观察、明确显示遗传多样性 的外观性状。 形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 简单直观 数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制 果蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、 翅膀的形状等形态性状作为标记，分析 它们连锁关系及遗传距离，绘制而成的。 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。
将三种必须元件从染色体上分离出来，按照顺序 利用重组技术重组而成人造微小染色体，将这种
线状小染色体转化进入酵母细胞后，可正常的复
制、配对、分离。再组装上多克隆位点和选择标
记等即为酵母人工染色体载体。
YAC 载体的选择标记主要采用营养缺陷型基因，
如色氨酸合成缺陷型基因trp
细菌人工染色体
细菌人工染色体（BAC）：以细菌F因子为 基础，人工构建的环状的DNA分子。可以 携带大于100-350Kb的外源DNA片段。 选择标记：氯霉素抗性基因等。
基本方法: 两点测验法和三点测验法
• 遗传连锁图是通过计算连锁的遗传标志 之间的重组频率，确定它们的相对距离 ，一般用厘摩（cM，即每次减数分裂的 重组频率为1%）表示。
植物遗传图谱的构建 选择研究材料（亲本） 构建分离群体 筛选多态性标记 标记间的连锁分析
选择亲本
要求亲缘关系远，遗传差异大
Paul Berg
1/2 of the prize Stanford University Stanford, CA, USA
Walter Gilbert
1/4 of the prize Harvard University, Biological Laboratories Cambridge, MA, USA
Frederick Sanger
1/4 of the prize MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, United Kingdom
1926-
1932-
1918-
ABI PRISM 310型 DNA测序仪
有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？
遗传图谱的缺陷
• 1）遗传图谱有限的分辨率 • 对于人类或其他高等生物不可能得到大量 的子代群体，减数分裂的后代有限，限制了连 锁分析。 • 2）遗传图谱的精确性不高 • 染色体上存在重组热点，影响邻近区段的遗 传图谱的准确性。
物理作图的方法
1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图
RFLP示意图
限制性片段的制备
电
泳
Southern 印 迹
与放射性探针杂交
放射性自显影
RFLP分析
微卫星（microsatellite）标记
微 卫 星 又 称 为 简 单 重 复 序 列 （ simple sequence repeat，SSR）。
这种重复序列的重复单位很短，常常只 有2个、3个或4个核苷酸
基因组学
基因组学
1 基因组学概述 2 基因组图谱的构建
3 基因组测序
4 功能基因组学 5 比较基因组学
基因组学（genomics）
1986年提出，至今20年，已经发展成为 遗传学中最重要的分支学科。 对物种的所有基因进行定位、作图、测 序和功能分析
基因组学研究的最终目in Chemistry 1980
"for his fundamental studies of the biochemistry of nucleic acids, with particular regard to recombinant-DNA"
"for their contributions concerning the determination of base sequences in nucleic acids"
水稻遗传图
1994年，水稻第一张高密度遗传图谱 927个位点， 1383个标记 1998年，1157个位点，2275个标记 2000年，3267个标记 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传 研究奠定了坚实的基础。
物理图谱的构建
用分子生物学方法直接检测DNA标记 在染色体上的实际位臵绘制成的图谱称为 物理图谱。
主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基 因组
克隆重叠群法（clone contig）
将基因组DNA切割长度为0.1Mb－1Mb的 大片段，克隆到YAC或BAC载体上 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克 隆的序列 再装配、连接成连续的DN• 端粒DNA序列 • 着丝粒（centromere ， CEN）：有丝分裂过 程中纺锤丝的结合位点， 使染色体在分裂过程 中能正确分配到子细胞中 • 自主复制序列（autonomously replication sequences，ARS） 一段特殊的序列，含有酵 母菌中 DNA 进行双向复制所必须的信号。
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
DNA分子标记
简称分子标记 以蛋白质、核酸分子的突变为基础， 检测生物遗传结构及其变异。 以DNA序列的多态性作为遗传标记
DNA分子标记
优点： 不受环境的限制 不受组织类别、发育阶段的影响 遍布整个基因组，数量多 自然存在的变异丰富，多态性高 共显性，能鉴别纯合体和杂合体 简单快速，易于自动化 提取的DNA样品，在适宜条件下可以长 期保存
采用遗传分析的方法将基因或其它 DNA序列标定在染色体上构建连锁图。
遗传标记
有可以识别的标记，才能确定目标的方位 及彼此之间的相对位臵。 构建遗传图谱就是寻找基因组不同位臵上 的特征标记。 遗传标记指可追踪染色体、染色体某一节 段或者某一个基因座在家系中传递的任何 一种遗传特性。
遗传标记
包括： 形态标记 细胞学标记 生化标记 DNA分子标记
果 蝇 连 锁 图
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（染色体数目、大小、随体、 着丝粒位置、核仁组织区等）、 染色体的带型 染色体的结构变异 染色体的数目变异
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
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。
2 基因组图谱的构建
大量的测序片段要拼接 要知道序列在Chr上的位臵才能正确拼接 基因组中相同或相似的重复序列在连接 和装配时容易出错。 基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱
基因组图谱（根据构建的途径） 遗传图谱（genetic map） 物理图谱（physical map）
遗传图谱（genetic map）
用荧光替代放射性核素标记是实现DNA序列分 析自动化的基础。 用 不 同 荧 光 分 子 标 记 4 种 ddNTP ， 然 后 进 行 Sanger测序反应，产物经电泳 通过 4 种激光激发不同大小 DNA 片段上的荧光 分子使之发射出 4种不同波长荧光，检测器采集荧 光信号，并依此确定DNA碱基的排列顺序。
大规模基因组测序
DNA测序的方法 • DNA测序技术主要有两种方法，都是在 20世纪70年代中期发明的。 • A. 双脱氧链终止法（the chain termination method），是通过合成与单 链DNA互补的多核苷酸链来读取待测 DNA分子的顺序。 • B. 化学降解法（chemical degradation method），是将双链DNA分子用化学试 剂处理，产生切口，用同位素标记进行 测序。
但又不能相差太大以导致子代不育。
重组近交系
双单倍体
构建作图群体
标记间的连锁分析
利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群 体中所有个体的基因型 在事先未知各基因座位于哪条染色体的情况下， 可先进行两点测验，根据两点测验的结果，将 那些基因座分成不同的连锁群。 根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关 系和遗传距离
• 随着分子生物学的发展，相继建立了 RFLP、RAPD、AFLP、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。
理想的分子遗传标记应具 备的特点
• • • • • 遗传多态性高; 检测手段简单快捷，易于实现自动化; 标记遍布整个基因组； 准确性 实验重复性好；