基因组与比较基因组学-PPT课件
基因组学和比较基因组学
基因组学和比较基因组学基因组学是研究生物体的基因组结构、组成和功能的科学领域。
它通过对基因组DNA序列的分析，探索基因与生物体性状之间的关系，以及基因组在进化过程中的变化。
而比较基因组学则是基因组学的一个重要分支，通过比较不同物种的基因组，揭示不同物种之间的共通性和差异性，从而深入研究生物体之间的进化关系和适应环境的机制。
1. 基因组学的发展在过去的几十年里，基因组学技术的飞速发展推动了该领域的迅猛发展。
创立了人类基因组计划（HGP）的里程碑式成果，将人类基因组的DNA序列测定完成并发布。
这项重大工作的完成催生了众多基因组学研究的突破，开辟了基因组学在疾病诊断、再生医学、进化生物学等领域的应用前景。
2. 基因组学的研究方法基因组学的研究方法主要包括测序技术和生物信息学分析两个方面。
测序技术利用高通量测序平台，可以快速、准确地获取生物体的整个基因组序列。
生物信息学分析则是对测序得到的海量数据进行筛选、比对、注释和解读，并通过构建基因组数据库和研发相应的算法，从中提取有意义的信息。
3. 基因组学的应用领域基因组学在医学研究中发挥着重要作用。
通过对疾病相关基因的研究，可以帮助诊断疾病、制定个体化治疗方案，甚至预测疾病的风险。
此外，基因组学在农业领域也有重要的应用。
比如利用基因组测序技术可以研究和改良作物的基因组，提高作物的产量和品质，并增强植物的抗病性和适应性。
4. 比较基因组学的研究意义比较基因组学通过比较不同物种的基因组，揭示物种之间的共通性和差异性，有助于研究生物体的进化关系和适应环境的机制。
通过比较不同种类的基因组，我们可以确定物种之间的亲缘关系，揭示不同物种之间演化的轨迹和速度。
同时，比较基因组学还有助于发现和理解基因组中的功能元件、非编码RNA等，进一步拓宽了我们对基因组的认识。
综上所述，基因组学和比较基因组学是两个相互关联的学科，它们以高通量测序技术为基础，通过分析基因组DNA序列的组成和功能，探究基因与生物体性状之间的关系，以及不同物种之间的共通性和差异性。
基因组学PPT课件
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
基因组学与比较基因组学
《分子生物学精要》基因组与比较基因组学教学目的掌握基因组学与比较基因组学的相关知识，了解人类基因组计划。
学习指导本章首先介绍了基因组学的概念和分类，分为功能基因组学和结构基因组学。
后介绍了比较基因组学的相关研究。
最后介绍了人类基因组计划的内容。
重点掌握基因组学与比较基因组学的概念，人类基因组计划的过程进展，基因测序的主要方法。
基本概念基因组（genome）指导一个生物物种的结构和功能的所有遗传信息的总和，包括全部的基因和调控元件等核酸分子。
基因组学（genomics）从整体水平上来研究一个物种的基因组的结构、功能及调控的一门科学。
基因组学可分为结构基因组学和功能基因组学两大部分。
结构基因组学（structural genomics）通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。
功能基因组学（functional genomics）利用结构基因组学所提供的生物信息和材料，全基因组或全系统地理解某种生物的遗传体系，即阐明DNA序列的功能。
基因打靶（gene targeting），这种技术是通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基因敲入），然后从整体观察实验动物，从而推测相应基因的功能。
比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。
人类基因组计划（human genome project ，HGP）于20世纪80年代提出的，由国际合作组织包括有美、英、日、中、德、法等国参加进行了人体基因作图，测定人体23对染色体由3×109核苷酸组成的全部DNA序列，于2000年完成了人类基因组“工作框架图”。
2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果。
其研究内容还包括创建计算机分析管理系统，检验相关的伦理、法律及社会问题，进而通过转录物组学和蛋白质组学等相关技术对基因表达谱、基因突变进行分析，可获得与疾病相关基因的信息。
基因组与比较基因组
转录图
生物的性状，包括疾病，都是由功 能蛋白质决定的，而所有已知蛋白 质都是由RNA聚合酶Ⅱ指导的带有 多聚腺苷酸“尾巴”的mRNA按照 遗传密码三联子的规律产生的。
分离纯化mRNA(或cDNA)，抓住了 基因组的主要成分(可转录部分)。
人类的基因转录图(cDNA图)，即表 达序列标签图(EST，expressed sequence tag)是人类基因组图的雏型。
从整体上看，不同人类个体的基因是相同的， “人类只有一个基因组” 。
不同的人可能拥有不同的等位基因，这一点 决定了人们个体上的差异。
与人类登月计划相比，HGP的资金 投入少，但它对人类生活的影响都 可能更深远。随着这个计划的完成， DNA分子中储藏约有关人类生存和 繁衍的全部遗传信息将被破译，它 将帮助我们理解人类如何作为健康 人发挥正常生理功能，还将最终揭 示严重危害人类健康疾病的机理。
整个人类基因组中，有1%-5%的序 列编码了蛋白质，最多可能有(5~7) 万个蛋白质编码基因。
得到了一段cDNA或一个EST，就能 被用于筛选全长的转录本，并将该 基因准确地定位于基因组上。
大规模生产EST的程序: 分离特定组织在 某一发展阶段的总mRNA，合成cDNA并 进行序列分析。
物理图的主要内容是建立相互重叠连接 的"相连DNA片段群“
只要有一定数被确定。
遗传图
遗传图（连锁图）→DNA标志在染 色体上的相对位置（遗传距离）， 遗传距离以DNA片段在染色体交换 过程中的分离频率厘摩(cM)来表示。 cM值越大，两者之间距离越远。
交换频率不会大于50%，因 为当重组率等于50%(即遗传 学距离等于50cM)时，即发生 随机交换，则两个位点之间 完全不连锁。
比较基因组学
生物其中一个特征是进化，比较基因组学同样以进化理论作为理论基石，同时其研究结果又前所未有地丰富 和发展了进化理论。当在两种以上的基因组间进行序列比较时，实质上就得到了序列在系统发生树中的进化关系。 基因组信息的增多使得在基因组水平上研究分子进化、基因功能成为可能。通过对多种生物基因组数据及其垂直 进化、水平演化过程进行研究，就可以对与生命至关重要的基因的结构及其调控作用有所了解。
方法及思路
模式生物基因组研究揭示了人类疾病基因的功能，利用基因顺序上的同源性克隆人类疾病基因，利用模式生 物实验系统上的优越性，在人类基因组研究中的应用比较作图分析复杂性状，加深对基因组结构的认识。
“一个物种的不同器官之间的差异要比与另一物种的同一器官之间的差异大的多。” 相似性 (similarity) 同源性 (homology) 直系同源 (orthology) 旁系同源 (paralogy) 直系同源与旁系同源 直系同源的序列因物种形成（speciation）而被区分开（separated）：若一个基因原先存在于某个物种， 而该物种分化为了两个物种，那么新物种中的基因是直系同源的； 旁系同源的序列因基因复制（gene duplication）而被区分开（separated）：若生物体中的某个基因被复 制了，那么两个副本序列就是旁系同源的。
种内比较
同种群体内基因组存在大量的变异和多态性,正是这种基因组序列的差异构成了不同个体与群体对疾病的易感 性和对药物与环境因子不同反应的遗传学基础。
单核苷酸多态性
单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism，SNP)是指在基因组水平上由于单个核苷酸位置上存 在转换或颠换等变异所引起的DNA序列多态性。根据SNP在基因中的位置，可分为基因编码区SNP(coding-region SNP，cSNP)、基因周边SNP(perigenic SNP，pSNP)以及基因间SNP(intergenic SNP，iSNP)等3类。2005年2月 17日公布的第一份人类基因多态性图谱是依据基因“连锁不平衡原理”，利用基因芯片在71个欧洲裔美国人(白 色人种)、非洲裔美国人(黑色人种)和汉族华裔美国人(黄色人种)中鉴别出了158万个单一核苷酸变异的DNA位点, 这个图谱将有助于预测某些疾病发生的可能性以及施以最佳治疗方案，在实现基于基因的个体化医疗目标的征途 上走出了重要的一步。
生命科学前沿进展基因组学、比较基因组学和宏基因组学
原核生物：一般只有一个环状DNA分子，其上所有的基因为一个基因组； 真核生物：指一个物种的单倍体染色体所含有的全部DNA分子； 真核生物通常含有2～3个基因组 －核基因组（Nuclear genome） －线粒体基因组（Mitochondrial genome） －质体基因组（Plastid genome） 真核细胞中的细胞器(如叶绿体、线粒体等)中的DNA也为环状，构成叶绿 体基因组、线粒体基因组 If not specified, “genome” usually refers to the nuclear genome.
生命科学前沿进展（一）
基因组学、元基因组学和功能 基因组学
§1 基因组学概述
基因组（genome），又称染色体组，是 某个特定物种细胞内全部DNA分子的总和 （细胞内细胞器的DNA属于该细胞器的基 因组）。物种全部遗传信息的总和。
物种遗传信息的“总词典” 控制发育的“总程序” 生物进化历史的“总档案”
E. coli：4000多个基因，人：~30000个
4、原核生物的基因绝大多数是连续基因，不 含间隔的内含子；基因组结构紧密，重复序列 远少于真核生物的基因组。
例子：E. coli K-12
双链环状DNA分子，全基因组长为4,600kb； 目前已经定位的基因有4,2因组(mitochondrion genome)：长为16,569bp的环状DNA分子， 位于产生能量的细胞器——线粒体中
基因组学（genomics）
• 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分析生命体（包括人类）全部基 因组结构及功能，探索生命活动的内在规律及其内外 环境影响机制的科学。 对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析 由美国人T· H· Rodehck在1986年提出。基因组学完全改 变一次只能研究单个基因的状况，它着眼于研究并解 析生物体整个基因组的所有遗传信息。
基因组与比较基因组学
❖ 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，了解疾病的分子机制，为 疾病诊断、预防和治疗提供理论依据。
❖ 确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列，研究其周 围序列的性质。
❖ 研究人类个体之间的多态性（SNP）情况，用于基因诊断、个体 识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人类 学的研究。
❖ 连锁分析是通过分析同一遗传位点在不同个体中等位基因 的不同（多态性）来研究同一染色体上两位点之间的相互 关系。
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❖ 遗传距离图的基本数据来自基因的重组。
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❖Sds绝对是假的 么么么么方面
❖ 由于不能对人类进行“选择性”婚配，而且人类子代个体 数量有限、世代寿命较长，呈共显多态性的蛋白质数量不 多，等位基因的数量不多。DNA技术的建立为人类提供了 大量新的遗传标记。遗传标记有三代：
如果该基因与某标记间不发生重组（重组率等于0），我 们就推测该标记与所研究的疾病基因可能非常接近。
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3. 物理图
❖ 物理图是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点 ，STS）为“路标”，以碱基对（bp，kb，Mb）作为基本 测量单位（图距）的基因组图。
❖ STS是基因组中任何单拷贝的长度在 100～500bp之间的 DNA序列，与核酸内切酶识别序列相关联。
SNP中大多数为转换，即由一种嘧啶碱基替换另一种嘧啶 碱基，或由一种嘌呤碱基替换另一种嘌呤碱基，颠换与转 换之比为1：2。
SNP有可能在密度上达到人类基因组“多态”位点数目的 极限。估计人类基因组中可能有300万个SNP位点！
基因组学研究和比较基因组学
基因组学研究和比较基因组学生命科学的一个分支是基因组学。
这个词汇反应了人类最近一段时间内对生命分子的探索，它包括研究和解释DNA序列和结构。
基因组学可以用来研究生物的进化，基因和表型之间的关系，以及基因在個人和种群中的分布。
比较基因组学是一种变形，它比单纯的基因组学更广泛和更有用，因为它将同类生物之间的基因组进行比较，后者在比较过程中已经吸收了整个进化历程的影响。
就这一点而言，比较基因组学是一种演化研究的关键科学，这里的生物研究包括从简单细胞的原核生物到高级复杂的真核生物。
这种科学技术的发展是由理论和方法的发展而引起的，但也受到因素的影响，如计算机技术的进步和大规模数据处理技术的应用。
在比较基因组学的相关领域，主要应用以下三种技术：DNA微阵列技术，测序技术和大规模比对技术。
DNA微阵列技术是一种用于测定基因组中哪些基因在不同的物种中是共同存在或是特有的技术。
这个技术进行得到越来越快，并且已经在某些生物中支持了基因的发现、演变和功能。
一些最重要的生物数据资源，如ENSEMBL数据库和NCBI数据库，采用了这种技术。
测序技术是比较基因组学的重要组成部分。
这个技术可以很快地反映出整个基因组的信息，并且使我们更能深入研究物种间的相似之处及其分子级结构的差异。
虽然测序技术仍然属于高科技品类，但随着技术的改进和成本的降低，已经被广泛应用于比较基因组学的研究和相关领域。
大规模比对技术恰恰说明了计算机技术逐渐成为比较基因组学的一个核心组成部分的进程。
它是一种高效的分析技术，可以将多个不同物种的基因组信息进行比对，并用于确定同类物种之间的相似之处及其分子级的差异。
比较基因组学可以帮助我们立足自然和心理科学上来理解非常复杂的进化过程，并且可以将研究更广泛的科学体系中的问题（如医学领域中的疾病和基因与表型之间的关系。
随着技术的进步，比较基因组学将成为更广泛和更深入研究进化的有力工具。
基因组学与比较基因组分析
基因组学与比较基因组分析基因组学是研究生物体基因组结构、功能和演化的学科。
随着高通量测序技术的发展，我们能够更好地解读基因组的信息，深入了解生物的遗传特征和演化历程。
比较基因组分析则是基于基因组学的基础上，通过比较不同物种的基因组，寻找相似性和差异性，从而研究物种间的遗传关系和进化规律。
一、基因组学基因组学研究的核心是对生物体的基因组进行全面而深入的分析。
基因组是一个生物体的全部遗传信息的集合，包括DNA序列以及其他调控元件。
通过对基因组的研究，我们可以揭示生物体的遗传特征和表达规律。
在研究中，我们通常会采用以下几个步骤：1. 基因组测序：利用高通量测序技术，对生物体的基因组进行测序，获得其DNA序列信息。
2. 基因注释：根据测序结果，对基因组中的基因进行注释，确定其编码的蛋白质和RNA分子。
3. 功能分析：通过研究基因的结构和功能，揭示基因在生物体中的作用和调控机制。
4. 基因组数据管理：建立数据库和工具，对基因组数据进行整理、存储和共享，方便后续的研究和应用。
二、比较基因组分析比较基因组分析是基因组学研究的重要分支，主要通过比较不同物种的基因组，揭示其间的相似性和差异性。
这种比较有助于我们了解不同物种间的遗传关系、进化历程和功能发展。
在比较基因组分析中，我们常用的方法包括以下几种：1. 多序列比对：将多个物种的基因组序列进行比对，找出其共有的段落和变异的位点，以寻找它们之间的相似性和差异性。
2. 同源基因鉴定：通过比对不同物种的基因组，找出其中具有相似序列和保守结构的基因，以确定它们的功能和起源。
3. 进化树构建：基于比较基因组的结果，构建物种间的进化树，揭示它们的进化关系和演化历程。
4. 功能分析：通过比较基因组，预测和鉴定基因的功能，推断基因在不同物种中的表达和调控差异。
比较基因组分析的应用相当广泛。
除了对物种进化关系的研究外，它还可以应用于以下几个方面：1. 基因家族鉴定：通过比较基因组中的同源基因，鉴定出基因家族，研究其功能和进化机制。
研究生课程比较基因组学ppt课件
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基因组共线性模型
相同的分子标记A~P标记不同物种 间遗传图谱实验，将实验结果校直 成染色体组图谱。 左图染色体组图谱（I和i）所示，完 全共线性。
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基因组共线性模型（2）
左图显示出一个特殊物种 （I）的染色体组和其他几 个物种的几个染色体存在 着共线性证实了易位的发 生。 在比较遗传图谱的试验过 程中也常观察到整个染色 体臂或者染色体小片段的 倒位。
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基因染色组共线性模型
比较二倍体和四倍体物种，四 倍体中标记点有两点，左图染 色体组四倍体的1和2和二倍体I 连线。两物种间多态性程度的 分析，不是所有的四倍体标记 在不同的点，如B和N。
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比较拟南芥和C型脑膜炎遗传图谱
如右图所示，拟南芥 和C型脑膜炎除了短 的相反片段外都表现 出良好的共线性。 右：拟南芥染色体4图 谱 左：C型脑膜炎的连 锁图谱群组 虚线：表示松散的连 接（>20cM）
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模式生物体在基因组组研究中的重要性
模式生物具有潜能，可以使它适于将基因组研究 基因操作性工具的应用性 （转录，突变，基因克隆和互补作用） 相关的小的和非相关的基因组，真核生物，一个双倍体基因组。 在实验室中简单培养，保持和再生产 相对短的世代 组织的紧密相关性对生物技术、农业医药、和环境是很重要的
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Comparative maps of the wheat genome described in terms of the rice genome (A) and the Ae. umbellulata genome (B)
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Comparative genetic
maps of five
长序列的校准具有不确定性。目前，几乎 所有的校准算法首先确定在两个基因组序 列间较长的保守序列原理，然后形成全部 的校准。基本上相似的基因组更易校准。