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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。

基因组学

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(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

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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

医学分子生物学-基因组ppt课件

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结构基因:基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列
调控序列:启动子/增强子/加尾信号
基因组(Genome)
细胞或生物体 一套完整单倍体的遗传物质的总和。

(Homo Sapien)
常染色体: 22 性染色体: X,Y
线粒体
n 基因组储存了生物体整套的遗传信息
n 不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的 差别
反向重复序列 7.功能相关的基因构成各种基因家族(gene family) 8.存在可移动的遗传因素(mobile genetic element) 9.体细胞为双倍体,配子(精子/卵子)为单倍体
n (多)基因家族:指核苷酸序列或编码产物的结构具 有一定程度同源性的一组基因,它们功能相似。
n 基因超家族:一组由多基因家族及单基因组成的更大 的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性,但功 能并不一定相同,甚至毫无相同之处。在进化上亲缘 关系较远。
Hairpin
5’
3’
小结构基因没有翻译起始序列
Splicing
DNA病毒 RNA过程
HBV 基因结构
原核生物基因组
模式生物: 大肠杆菌 (E.coli)
细菌的遗传物质
Genome DNA
plasmid
Transposable element
原核生物基因组结构与功能特点*
1、为一条环状双链DNA(无典型染色体结构,拟核) 2、只有一个复制起点(Ori) 3、具有操纵子结构V 4、重复序列少:绝大部分基因为单拷贝(99.7%) 5、可表达基因约50% ,>真核生物, <病毒
n 假基因:多基因家族中,某些成员并不能表达出有功 能的产物。与有功能的基因同源,但因突变等原因失 活,可能为进化的痕迹。

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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。
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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

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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基因组学

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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

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);

基因组学.ppt1

基因组学.ppt1

James Watson
Francis Collins
• 1992年6月,Craig Venter离开国家卫生研 究院,建立了基因研究所(The Institute for GenomeResearch, TIGR),此后, TIGR从流感嗜血菌开始测了大量的细菌基 因组,流感嗜血菌也是第一个被测序的非 寄生物种
• Human genome project • Goal: characterize all human genetic material by • determining the complete sequence of the DNA in the • human genome. • HGP is accomplished by the joint effort between • U.S. Human Genome Project (HGP), composed of the • DOE (Department of Energy )and NIH (National • Institutes of Health), and Celera Genomics
• 1986年3月,1975年诺贝尔奖得主、Salk Institute的癌症研究员杜贝可(Renato Dulbecco)在“Science”期刊上发表文章,题 为“癌症研究的转折点:定出人类基因组序列”。 这片文章引起了美国社论。 • 杜贝可提出了两种基因搜寻路线,即以测序为核 心的“DNA”序列探测和以作图为中心的“基因 图位”克隆。
• 基因组学(Genomics):研究基因组及其基因的 科学。 • 最初是Thomas Roderick于1986年提出,其主 • 要内容是指基因组作图(Mapping)和测序 • (Sequencing)。 • 21世纪从生物体整体上研究生命现象 • 研究整个物种基因组碱基的组成、基因的结构、 • 基因在染色体上的分布,基因的时空表达和调控 • 网络。
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功能的环节. 6) 蛋白质降解与基因表达调控.
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真核细胞内蛋白质降解的场所
动物细胞的溶酶体(lysosome)是蛋白质降解场所.
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泛素介导的蛋白质降解
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蛋白质降解靶标
1)毁坏盒 人类蛋白质IκBα和β-catenin以及HIV病 毒Vpu蛋白含有-Asp-Ser-Gly-X-X-Ser-序列,细胞周 期蛋白(cyclin)A、B1和B2含有识别顺序-ArgLeu-Gly-X-X-X-Ile-Gly-,也是蛋白质磷酸化的位点 (Laney Jeffrey D. and Mark Hochstrasser.,1999)。
适合无帽结构mRNA, 多顺反子的内部 起始翻译.
3) 例子: 无加帽的细胞自身的mRNA和病 毒的无加帽mRNA; SV40重叠基因的 mRNA内部翻译起始.
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程 序 性 移 码
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蛋白质的加工与修饰
蛋白质加工: 1) 引导肽或导肽的切除. 2) 将多肽链可变剪切产生顺序重叠功能各异
蛋白质. 3) 切除蛋白质内部顺序, 连接两侧顺序.
蛋白质修饰:
将蛋白质中的氨基酸进行修饰, 添加不同的化 学基团.
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进入 叶绿 体或 线粒 体的 蛋白 质引 导肽 的切

细胞质中合成的线粒体蛋白质含有前序列(presequence), 类似叶绿体蛋白质pp的t课靶件.向导肽, 进入线粒体时被切除. 16
4) 内切肽的切除机制基本相同.
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内 切 肽 的 切 除 过 程
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内切肽有保守的顺序组成
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蛋白质剪接(内切肽切除)的分子机制
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蛋 白 质 反 式 剪 接
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蛋 添加的基团 修饰的残基(s)

Phosphoryl Methyl
线粒体蛋白质信号顺序切除
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哺乳动物阿黑皮质素在不同细胞中的 切割产生不同的多肽激素
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内切肽(Intein)
1) 所谓内切肽是指翻译产生的多肽序列中 被切除的内部多肽顺序.
2) 含有内切肽的蛋白质必需将内切肽切除 才能成为成熟的蛋白质.
3) 目前已在古细菌,真细菌和真核生物中发 现130多种具内切肽的蛋白质.
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专一性翻译起始调控
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发夹结构的调控机理
1) 发夹结构由翻译起始复合物eIF4A解除 2) 解除发夹结构需要能量.
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IRES顺序
1) IRES: internal ribosome entry site
2) IRES的作用: 核糖体可以IRES直接结合 起始翻译, 无需扫描.
(1)
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-




(2)
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翻译起始—Kozak顺序(3)
Kozak顺序: ---ACCAUGC--.
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翻译起始的Kozak顺序
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不同生物翻译起始顺序比较
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古细菌的翻译类似真核生物
在许多方面,古细菌翻译更多地类似真核生物而非细菌, 不同之处是,古细菌的70S核糖体、23S、16S和5S rRNA 与真细菌类似。古细菌的翻译方式十分奇特,其rRNA的 碱基配对二级结构与真细菌显著不同,也有别于真核生 物rRNA,但古细菌与rRNA结合的蛋白质却类似真核生 物。古细菌mRNA的5‘-端加帽,3’-端具多聚腺苷酸,翻 译起始与真核生物类似,涉及扫描过程。古细菌的tRNA 有些独特的个性,如三叶草的TψC臂中缺少胸腺嘧啶, 并在不同的位置有些核苷酸发生在真细菌与真核生物中 未见过的修饰。古细菌由翻译起始tRNA携带的甲硫氨酸 并非N-甲基甲硫氨酸,但翻译和延伸因子与真核生物类 似。

C-terminus
no

Prenyl
cys
no

ADP-ribose
?
泛素化
lys
yes no

-------------------------------------------------------------------
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蛋白质N-端修饰—酰基化
1) 真核生物细胞质中80%的蛋白质均被乙酰基化. 2) 细菌中绝大多数蛋白质起始氨基酸甲硫氨酸被
蛋白质组
1) 蛋白质翻译 2) 蛋白质加工 3) 蛋白质修饰 4) 蛋白质折叠 5) 蛋白质降解
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1
真核生物蛋白质合成
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2
mRNA翻译调控
两种调控水平: 1) 整体调控: 主要集中在翻译起始 2) 专一性调控: 针对不同的蛋白质合成
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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3

译 起 始
--
真 核 生 物
tyr, ser,thr, his lys

Acetyl
lys, N-terinus
可逆性
yes yes yes(lys)

Hydroxyl
pro, lys
no

Carboxyl
glu
no

Sugars Myristyl
ser, thr, hydroxypro,asn no
cys, his
no

Glycoophospholipid
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蛋白质的修饰—两类糖基化
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真核生物的N-联糖基化
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蛋白质糖基化的过程(1)
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蛋白质糖基化的过程(2)
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蛋白质的折叠
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蛋 白 质 的 折 叠 的 可 逆 性
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蛋 白 质 折 叠 的 过 程
(1)
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蛋 白 质 折 叠 过

(2)
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分子伴侣(1)
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35
分子伴侣(2)
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蛋 白 质 折 叠 体 的 功 能
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叶绿体中蛋白质的折叠
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蛋白质降解
1) 蛋白质降解的场所及装置. 2) 蛋白质降解受严格的程序控制. 3) 蛋白质降解的标签或信号-泛素. 4) 蛋白质选择性降解的过程-泛素化 5) 蛋白质降解是一个涉及众多生物学
甲基化, 即甲硫甲酰氨酸. 3) 焦谷氨酸(pyroglutamate )为蛋白质N-端的谷氨
酸或谷氨酰胺形成的环酰胺(cyclic amide). 4) 豆蔻酰化(myristoylation) 为信号传导蛋白N-端
甘氨酸在翻译时发生的脂化分子
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蛋白 质氨 基酸 侧链 的修 饰
-磷酸 化
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