第十五章 生物化学与新生物技术
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精品课件
生物化学
主编 张洪渊 万海清
（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障 了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部 DNA的推迟复制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发 育，因此，了解与人类DNA正常复制和重组有关的序列及其变化， 将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构上的依据。 （6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制， 包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的 分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理 论依据。 （7）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。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响， 可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。 （8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因 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。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进 程、人类在地球上的分布与迁移精以品课及件人类与其他物种之间的比较。
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
• 将较长的基因片鸟段打枪断法，构建一系列的随
机亚克隆，然后测定每个亚克隆的序列， 用计算机分析以发现重叠区域，最终对大 片段的DNA定序。
精品课件
生全物基化因组学鸟枪法测序主要步骤：
主编 张洪渊 万海清
•建立高度随机、插入片段大小为2kb左右的基因组文库。克隆数
果蝇(Drosophila melanogaster )
1.65×108
水稻(Oryza sativa )
3.89×108
小白鼠(Mus musculus )
3.0×109
人类(Homo sapiens)
3.3×109
玉米(Zea mays )
5.4×109
普通小麦(Triticum aestivum )
1.6×1010
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
精品课件
生物化学
主编 张洪渊 万海清
基因组学genomics
• 发展和应用DNA制图、测序新技术以及计 算机程序，研究生命体（包括人类）全部 基因组结构及功能的学科
精品课件
生物化学
主编 张洪渊 万海清
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
精品课件
生物化学
主编 张洪渊 万海清
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生物化学
物理图
主编 张洪渊 万海清
• 物理图是指以已知核苷酸序列的DNA片段为“路标”，以 碱基对（bp，kb，Mb）作为基本测量单位（图距）的基 因组图。
酵母第三号染色体遗传图 （右）和物理图（左）的比较
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
• 用机器进行自动测策序，略一次可读400－800
个碱基，由于测定的序列长度有一定限制。
• 克隆重叠群法
• 鸟枪法
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生物化学
克隆重叠群法
主编 张洪渊 万海清
❖ 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DNA分子。 ❖ 这是一种自上而下（up to down）的测序策略 ❖ clone-by-clone method
2001 Draft Genome published: Celera & Public
2003 Completion (almost) of Human Genome
Celera: Craig Venter
Intl. Cons: Francis Collins
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
人类基因组计划HGP
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
遗传标记
• 所有的标记都必须具有多态性 • 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。 • 形态标记 • 细胞学标记 • 生化标记 • DNA分子标记
几个代表物种的基因组大小
物种
基因组大小/bp
T4噬菌体
2.0×105
大肠杆菌(Escherichia coli )
4.2×106
酵母(Sccharomyces cerevisiae )
1.5×107
拟南芥(Arabidopsis thaliana )
1.0×108
秀丽小杆线虫(Caenorhbditis elagans ) 1.0×108
生物化学
生物化学（第三版）
主编 张洪渊 万海清 参编 刘文彬 李永红 姚舜
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
第十五章 生物化学与新生物技术
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
• 基因组是生基物因体组内全g部en遗o传m信e息的集合
• 一个物种单倍体的一套染色体DNA
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
人类基因组计划的科学意义在于：
（1）确定人类基因组中约5万个编码基因的序列及其在基 因组中的物理位置，研究基因的产物及其功能。 （2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从整个基因 组结构的宏观水平上理解基因转录与转录后调节。 （3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非 转录“框架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形 成染色体结构、DNA复制、基因转录及表达调控中的影响 与作用。 （4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调 控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但 若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位 置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真核基因的表 达调控规律。
要达到一定数量，即经末端测序的克隆片段的碱基总数应达到基
因组Baidu Nhomakorabea倍以上。
•高效、大规模的末端测序。对文库中每一个克隆，进行两端测序
生H物i化sto学ry
of
the
Human
Genome
主编 张洪渊
Project
万海清
1990 Official start of HGP with 3 billion $ and a 15 year horizon.
1999 Sanger Centre publishes chromosome 22
生物化学
主编 张洪渊 万海清
（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障 了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部 DNA的推迟复制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发 育，因此，了解与人类DNA正常复制和重组有关的序列及其变化， 将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构上的依据。 （6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制， 包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的 分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理 论依据。 （7）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。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响， 可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。 （8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因 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。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进 程、人类在地球上的分布与迁移精以品课及件人类与其他物种之间的比较。
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主编 张洪渊 万海清
• 将较长的基因片鸟段打枪断法，构建一系列的随
机亚克隆，然后测定每个亚克隆的序列， 用计算机分析以发现重叠区域，最终对大 片段的DNA定序。
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生全物基化因组学鸟枪法测序主要步骤：
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•建立高度随机、插入片段大小为2kb左右的基因组文库。克隆数
果蝇(Drosophila melanogaster )
1.65×108
水稻(Oryza sativa )
3.89×108
小白鼠(Mus musculus )
3.0×109
人类(Homo sapiens)
3.3×109
玉米(Zea mays )
5.4×109
普通小麦(Triticum aestivum )
1.6×1010
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主编 张洪渊 万海清
基因组学genomics
• 发展和应用DNA制图、测序新技术以及计 算机程序，研究生命体（包括人类）全部 基因组结构及功能的学科
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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
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主编 张洪渊 万海清
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物理图
主编 张洪渊 万海清
• 物理图是指以已知核苷酸序列的DNA片段为“路标”，以 碱基对（bp，kb，Mb）作为基本测量单位（图距）的基 因组图。
酵母第三号染色体遗传图 （右）和物理图（左）的比较
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
• 用机器进行自动测策序，略一次可读400－800
个碱基，由于测定的序列长度有一定限制。
• 克隆重叠群法
• 鸟枪法
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克隆重叠群法
主编 张洪渊 万海清
❖ 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DNA分子。 ❖ 这是一种自上而下（up to down）的测序策略 ❖ clone-by-clone method
2001 Draft Genome published: Celera & Public
2003 Completion (almost) of Human Genome
Celera: Craig Venter
Intl. Cons: Francis Collins
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主编 张洪渊 万海清
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生物化学
主编 张洪渊 万海清
人类基因组计划HGP
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遗传标记
• 所有的标记都必须具有多态性 • 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。 • 形态标记 • 细胞学标记 • 生化标记 • DNA分子标记
几个代表物种的基因组大小
物种
基因组大小/bp
T4噬菌体
2.0×105
大肠杆菌(Escherichia coli )
4.2×106
酵母(Sccharomyces cerevisiae )
1.5×107
拟南芥(Arabidopsis thaliana )
1.0×108
秀丽小杆线虫(Caenorhbditis elagans ) 1.0×108
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主编 张洪渊 万海清 参编 刘文彬 李永红 姚舜
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• 基因组是生基物因体组内全g部en遗o传m信e息的集合
• 一个物种单倍体的一套染色体DNA
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主编 张洪渊 万海清
人类基因组计划的科学意义在于：
（1）确定人类基因组中约5万个编码基因的序列及其在基 因组中的物理位置，研究基因的产物及其功能。 （2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从整个基因 组结构的宏观水平上理解基因转录与转录后调节。 （3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非 转录“框架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形 成染色体结构、DNA复制、基因转录及表达调控中的影响 与作用。 （4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调 控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但 若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位 置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真核基因的表 达调控规律。
要达到一定数量，即经末端测序的克隆片段的碱基总数应达到基
因组Baidu Nhomakorabea倍以上。
•高效、大规模的末端测序。对文库中每一个克隆，进行两端测序
生H物i化sto学ry
of
the
Human
Genome
主编 张洪渊
Project
万海清
1990 Official start of HGP with 3 billion $ and a 15 year horizon.
1999 Sanger Centre publishes chromosome 22