基因组学和比较基因组学PPT讲稿
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分子生物学 基因组与比较基因组学
枝原体 Mycoplasma genitalium 580,070 bp，预计有500个基因
（5）细胞器基因组 线粒体基因组
在不同类型的生物（多细胞动物、高等植物、原生动 物、藻类、真菌）中变化很大
多细胞动物：细小、致密 高等植物：复杂、不均一 原生动物、藻类、真菌：或偏向于动物型， 或偏向于植物型，但又有其各自的独特之处
生物的复杂程度与基因组大小的关系
生物种类 真细菌
革兰氏阴性菌 革兰氏阳性菌 蓝细菌 枝原体
古细菌
原生生物 眼虫（裸藻） 纤毛虫 变形虫
真菌
各类生物中基因组大小的变化范围
基因组大小范围（kb） 650 ~ 13,200 650 ~ 7,800 1,600 ~ 11,600 3,100 ~ 13,200 650 ~ 1,800
物理图
以已知DNA序列片段(序列标签位点, STS)为路 标, 以碱基对(bp)为基本测量单位的基因组图.
STS只是基因组中单拷贝的短DNA序列.
建立物理图,需要得到5套该基因组的DNA片 段.(建立相互重叠的相连DNA片段群)
比较准确
序列图
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。
结构基因组学研究的主要目标 人类基因组计划（the Human Genome Project）之前，只测定过 一些病毒（X174、、T4等）的基因组全序列
Phage X174: 5375 nt
基因组全序列的测定
1995 嗜血流感菌（Haemophilus influenzae） 1,830 kb
又称染色体外DNA（extrachromosomal DNA）
（2）大小
基因组大小（genome size）一般以单倍体基因 组的核酸量来衡量，单位有pg（10-12 g）、 Dalton（道尔顿）、bp 或 kb 、Mb等
医学分子生物学-基因组ppt课件
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。
人
(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。
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。
人
(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。
研究生课程比较基因组学ppt课件
7
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。
8
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。
9
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。
10
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）
35
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
11
Comparative maps of the wheat genome described in terms of the rice genome (A) and the Ae. umbellulata genome (B)
12
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。
基因组学与比较基因组学研究
基因组学与比较基因组学研究随着科技日新月异的发展，我们的知识世界也变得越来越广泛而深入。
其中，基因组学和比较基因组学是当前科学领域中备受瞩目的领域。
它们不仅仅是关注人类的生命起源和进化方面的研究，而且还涉及到解决人类不同种类的疾病及其他遗传问题。
本文将介绍和探讨基因组学和比较基因组学的研究，以及研究它们所需的技术和工具。
一、基因组学的研究1.1 基因组学的概念基因组学是对一个组织、一个生物或一个群体中所有基因，以及它们的组成和功能进行研究的学科。
换句话说，基因组学是一种研究基因组及其相互关系的综合科学。
它是生物学、生化学、细胞学及遗传学等领域多学科的交叉发展，旨在揭示生物体内基因的编码组成和相互作用机制。
1.2 基因组学的研究方法基因组学通常使用分子生物学、生物信息学和计算机科学等方法进行研究。
其中，分子生物学主要是通过分离、克隆和研究DNA以及表达dNA时参与到的基因。
生物信息学则是将大量的基因数据对比、分类和注释，以便更好地理解基因组的功能和作用。
计算机科学是利用计算机技术帮助对基因组数据进行处理和解析。
1.3 基因组学的应用基因组学的应用十分广泛。
它被广泛用于生物信息学、遗传学、生物工程学、疾病诊断和治疗等领域。
例如，在基因组学的研究中，可以判断人类遗传性疾病是由哪些基因突变所引起，进而研究开发一些治疗方案和药物等。
二、比较基因组学的研究2.1 比较基因组学的概念比较基因组学是对不同基因组在结构、序列和功能上进行对比和研究的学科。
在比较基因组学中，通过比较不同物种基因组之间的差异，更好地理解每个物种的遗传性特征，以及它们之间的进化关系。
2.2 比较基因组学的意义比较基因组学在生物学上具有重要意义。
它可以更好地理解基因组的演化，尤其是生命起源和进化过程的研究。
根据不同物种基因组内的共同点和差异，可以对其进行分类和固定物种的地位。
同时，还可以通过比较不同物种基因组序列之间的差异，寻找新药物或其他生物产品。
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。
基因组学课件8比较基因组学
流感嗜血杆菌中平均1042 bp 有1个基因， 尿殖道支原体中平均1235 bp 有1个基因。 可见基因组尺度减小并不引起基因密度的增 加和基因尺寸的减小。
二者差别在于基因数量上，流感嗜血杆菌基 因组有1743个ORF，尿殖道支原体只有470 个ORF。
7/13/2020
模式生物基因组的研究
通过对尿殖道支原体与流感嗜血杆 菌这两个亲缘关系较远的生物基因组的 比较，选取其共同的基因（共240个）， 再加上一些其他基因，最后组成一套含 256个基因的最小基因组。
7/13/2020
模式生物基因组研究对人类基因组研 究的促进作用
另一个应用是把比较基因组作图用于复杂 性状的分析。许多遗传性状是由一个以上的 基因控制的，这些基因的识别通常在老鼠中 比在人中来得容易。一旦一个候选疾病基因 或疾病区域被在老鼠中确认，我们就可以筛 选同源基因或同源区域，看看是否与人类遗 传病相对应。
克隆新基因 揭示基因功能 阐明物种进化关系、基因组的内在结构
7/13/2020
比较基因组学的应用
➢ 揭示非编码功能序列 ➢ 发现新基因 ➢ 发现功能性SNP ➢ 阐述物种间的进化史 ➢ 阐明人类疾病过程的分子机制
7/13/2020
比较基因组学与进化
古细菌---产甲烷球菌 与原核生物共同之处：
染色体组织与结构：环状基因组、基因的操纵子结构等 能量产生和固氮基因与有很高的同源性 与细胞分裂有关的蛋白质、20多个编码无机离子运输蛋白的
7/13/2020
2 模式生物基因组研究揭示了人类疾病基 因的功能。 由于某些模式生物基因的功能已知,这 就对人类疾病基因的功能研究有很大的 促进作用。这一跨种关系使模式生物基 因的有效功能数据立刻用于研究它的高 等生物的同源体。
二者差别在于基因数量上，流感嗜血杆菌基 因组有1743个ORF，尿殖道支原体只有470 个ORF。
7/13/2020
模式生物基因组的研究
通过对尿殖道支原体与流感嗜血杆 菌这两个亲缘关系较远的生物基因组的 比较，选取其共同的基因（共240个）， 再加上一些其他基因，最后组成一套含 256个基因的最小基因组。
7/13/2020
模式生物基因组研究对人类基因组研 究的促进作用
另一个应用是把比较基因组作图用于复杂 性状的分析。许多遗传性状是由一个以上的 基因控制的，这些基因的识别通常在老鼠中 比在人中来得容易。一旦一个候选疾病基因 或疾病区域被在老鼠中确认，我们就可以筛 选同源基因或同源区域，看看是否与人类遗 传病相对应。
克隆新基因 揭示基因功能 阐明物种进化关系、基因组的内在结构
7/13/2020
比较基因组学的应用
➢ 揭示非编码功能序列 ➢ 发现新基因 ➢ 发现功能性SNP ➢ 阐述物种间的进化史 ➢ 阐明人类疾病过程的分子机制
7/13/2020
比较基因组学与进化
古细菌---产甲烷球菌 与原核生物共同之处：
染色体组织与结构：环状基因组、基因的操纵子结构等 能量产生和固氮基因与有很高的同源性 与细胞分裂有关的蛋白质、20多个编码无机离子运输蛋白的
7/13/2020
2 模式生物基因组研究揭示了人类疾病基 因的功能。 由于某些模式生物基因的功能已知,这 就对人类疾病基因的功能研究有很大的 促进作用。这一跨种关系使模式生物基 因的有效功能数据立刻用于研究它的高 等生物的同源体。
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
❖ 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。
2021/4/8
18
❖ 遗传距离图的基本数据来自基因的重组。
2021/4/8
19
❖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。
2021/4/8
26
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！
❖ 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。
2021/4/8
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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！
基因组与比较基因组学分子生物学
19
代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中，所有 代谢组分的集合，尤其指小分子物质”；
代谢组学则是一门“在新陈代谢的动态过程中， 系统研究代谢产物的变化规律，揭示机体生命活动 代谢本质”的科学。
编辑ppt
3.2 代谢组学的中心任务 20 • 研究内源性代谢物质的整体及动态变化 • 对细胞内代谢规律进行检测、量化和编录 • 确定此变化规律和生物过程的有机联系
编辑ppt
14
Structural proteomics: the goal
编辑ppt
15
Why Structural Proteomics?
Structure ↔ Function Structure ↔ Mechanism Structure-based drug design Solving the protein folding problem
3.3 代谢组学的应用
疾病诊断 药物的疗效和毒性评价 植物的细胞代谢组学评价
编辑ppt
Summary
编辑ppt
Genome/Genomics
Transcriptome/Transcriptomics
Proteome/Proteomics 21
Metabonome/Metabonomics
编辑ppt
1.3 Bioinformatics database
NCBI: National Center for Biotechnology Information Nucleotide database：Genbank, DDBJ, EMBL, et al.
5
protein database：Swiss-Prot, PDB, PIR, et al. ……..
代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中，所有 代谢组分的集合，尤其指小分子物质”；
代谢组学则是一门“在新陈代谢的动态过程中， 系统研究代谢产物的变化规律，揭示机体生命活动 代谢本质”的科学。
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3.2 代谢组学的中心任务 20 • 研究内源性代谢物质的整体及动态变化 • 对细胞内代谢规律进行检测、量化和编录 • 确定此变化规律和生物过程的有机联系
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Structural proteomics: the goal
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Why Structural Proteomics?
Structure ↔ Function Structure ↔ Mechanism Structure-based drug design Solving the protein folding problem
3.3 代谢组学的应用
疾病诊断 药物的疗效和毒性评价 植物的细胞代谢组学评价
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Summary
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Genome/Genomics
Transcriptome/Transcriptomics
Proteome/Proteomics 21
Metabonome/Metabonomics
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1.3 Bioinformatics database
NCBI: National Center for Biotechnology Information Nucleotide database：Genbank, DDBJ, EMBL, et al.
5
protein database：Swiss-Prot, PDB, PIR, et al. ……..
基因组学PPT课件
据日本共同社5月16日报道，美国俄勒冈安康科学大学研究员立花真仁等的研究 小组15日在美国科学期刊?细胞?(Cell)网络版上发表文章，宣布已使用“体细胞克隆 技术〞，向女性提供的卵细胞内植入他人皮肤细胞的细胞核，首次成功制作了能够 分化成各种组织的胚胎干细胞(ES细胞)。
俄勒冈安康科学大学2007年曾成功制作了猴子的克隆ES细胞。关于人类的ES 细胞，前韩国首尔大学教授黄禹锡曾在2004年宣布成功制作，但后被发现是假论文。 当时，ES细胞曾被视为再生医疗的“王牌〞。不过，2006~2007年京都大学教授山 中伸弥研发了仅用体细胞进展基因操作的人工诱导多功能干细胞(iPS细胞)，再加上 人类的ES细胞制作比其他哺乳类的困难许多等原因，ES细胞研究热潮逐渐降温。
5
Biochip
Human Genome Project 6
清华控股博奥生物暨生物芯片北京国家工程研究中心
博奥生物芯片中心由清华大学医学院教授程京院士主持创立， 目前在生物芯片研究和应用领域形成了医学系统生物学产业链， 已推出生物芯片、生物医学仪器、试剂耗材、软件数据库等多 项产品。创立于2000年9月的博奥生物芯片中心作为我国第一 家采用“中心＋公司〞创新机制的试点单位，先后主持承担了 国家“十五〞863方案重大专项“功能基因组与生物芯片〞、 “十一五〞863方案重点工程“生物芯片关键仪器和试剂〞等 国家级科研课题，参与承担了30余项863、973、自然科学基 金和北京市等国家和省部级科研工程，现已探索出了一条新的 建立国家工程研究中心的模式，构建起了中国的生物芯片产业 链，培养了一批技术产业复合型人才，实现了中国生物芯片行 业的跨越式开展。〔
干细胞为起源细胞，是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细 胞。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为 “万用细胞〞。
俄勒冈安康科学大学2007年曾成功制作了猴子的克隆ES细胞。关于人类的ES 细胞，前韩国首尔大学教授黄禹锡曾在2004年宣布成功制作，但后被发现是假论文。 当时，ES细胞曾被视为再生医疗的“王牌〞。不过，2006~2007年京都大学教授山 中伸弥研发了仅用体细胞进展基因操作的人工诱导多功能干细胞(iPS细胞)，再加上 人类的ES细胞制作比其他哺乳类的困难许多等原因，ES细胞研究热潮逐渐降温。
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Biochip
Human Genome Project 6
清华控股博奥生物暨生物芯片北京国家工程研究中心
博奥生物芯片中心由清华大学医学院教授程京院士主持创立， 目前在生物芯片研究和应用领域形成了医学系统生物学产业链， 已推出生物芯片、生物医学仪器、试剂耗材、软件数据库等多 项产品。创立于2000年9月的博奥生物芯片中心作为我国第一 家采用“中心＋公司〞创新机制的试点单位，先后主持承担了 国家“十五〞863方案重大专项“功能基因组与生物芯片〞、 “十一五〞863方案重点工程“生物芯片关键仪器和试剂〞等 国家级科研课题，参与承担了30余项863、973、自然科学基 金和北京市等国家和省部级科研工程，现已探索出了一条新的 建立国家工程研究中心的模式，构建起了中国的生物芯片产业 链，培养了一批技术产业复合型人才，实现了中国生物芯片行 业的跨越式开展。〔
干细胞为起源细胞，是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细 胞。干细胞是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为 “万用细胞〞。
比较基因组学PPT课件
2020/3/14
13
基因组比较作图Comparative mapping
利用共同的遗传标记(分子标记、cDNA克 隆、基因克隆)对相关物种进行遗传/物理作 图；
比较遗传标记在相关物种基因组中的分布情 况，揭示物种间DNA或DNA片段上的同线 性synteny、共线性collinearity、微共线 性microsynteny；
19
基于芯片技术的比较基因组学研究
以已知序列基因组为参考，通过芯片技术， 进行未测序基因组与参考基因组间的比较 基因组杂交分析；
检测待比较基因组中对应DNA区域的存在、 缺失、变异；
成本较低，研究结果可靠性较高，应用前 景广阔。
2020/3/14
20
基因组成的相似性
基因共线性：基因排列顺序的一致性；
物种 酵母
完成 年份
1996
线虫
1998
果蝇
2000
拟南芥
2000
人类第22染色体 1999
人类第21染色体 2000
人类全基因组
2001
(Public Sequence)
人类全基因组
2001
(Celera Sequence)
总长度 Mb 12 96 116 115 34 33 2693
2654
已完成总长 的百分数/% 93 99 64 92 70 75 84
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模式生物具备的基本条件
容易培养，成本低廉，随时获取以供实 验研究，繁殖周期短；
能在短时间内产生大量的后代，满足研 究分析的需求；
十分方便地取得种内的遗传变异体； 已经过长期研究取得该物种的丰富背景
信息。
32
模式生物基因组研究特点
基因基因组及基因组学ppt课件
42
遗传图与物理图的整合
有些标记既是遗传标记，又是物理标 记，如RFLP标记、SSR标记和某些基 因序列
借助这些标记可以将遗传图和物理图 整合起来
43
序列图谱（分子水平的物理图谱）
以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图 谱。
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。
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
19
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 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
20
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 随着分子生物学的发展，相继建立 了RFLP、TRS、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。 优点：
用于确定各遗传标记间的物理距离有两种物理图谱：
（1）以已定位的DNA序列标记位点（STS）为位标，以DNA实际长 度为图谱距离的基因组图谱。
（2）由YAC和/或细菌人工染色体（BAC）连续克隆重叠群组成的 物理图谱。
36
物理作图的方法
1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图 3、荧光原位杂交 4、序列标签位点作图
16
形态标记
形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 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。
数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
17
伯乐相马
按图索骥
18
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
遗传图与物理图的整合
有些标记既是遗传标记，又是物理标 记，如RFLP标记、SSR标记和某些基 因序列
借助这些标记可以将遗传图和物理图 整合起来
43
序列图谱（分子水平的物理图谱）
以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图 谱。
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。
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
19
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 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
20
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 随着分子生物学的发展，相继建立 了RFLP、TRS、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。 优点：
用于确定各遗传标记间的物理距离有两种物理图谱：
（1）以已定位的DNA序列标记位点（STS）为位标，以DNA实际长 度为图谱距离的基因组图谱。
（2）由YAC和/或细菌人工染色体（BAC）连续克隆重叠群组成的 物理图谱。
36
物理作图的方法
1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图 3、荧光原位杂交 4、序列标签位点作图
16
形态标记
形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 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。
数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
17
伯乐相马
按图索骥
18
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
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。
微生物基因组学_PPT幻灯片
“双脱氧末端终止”的含义
Sanger 双脱氧末端终止法测序原理
自动化测序
荧光染料标记物的发明： 使链终止法用于自动化测序，用不同的荧光 色彩标记ddNTP，如ddATP标记红色荧光， ddCTP标记蓝色荧光，ddGTP标记黄色荧光， ddTTP标记绿色荧光。由于每种ddNTP带有 各自特定的荧光颜色，而简化为由1个泳道同 时判读4种碱基。
（四）影响测序的因素 不管采用随机测序还是定向测序都可碰到下列影响因素。 1.计算机的设备 。 2.靶DNA的性质。 3.完成测序所需的时间 。 4.采用测序策略。
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。
（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
向测序法包括引物测序法和定向缺失测序法。 ⑴引物测序法 即在第一次测序结果的基础上，设计新的寡核苷酸，来充当下一次测
序反应的引物，并依次类推，从而循序渐进获得靶DNA的全部序列。
⑵定向缺失法 定向缺失法是将一个靶DNA变成若干套嵌套的缺失突变体，使靶序列中远
不可测的区段逐渐落入可用通用引物进行测序的方法。
黏粒载体（ cosmid ）
P1人工染色体载体（PAC）
目前常用的人造染色体载体
23
YAC载体应含有下列元件：
酵母染色体的端粒1 EcoRI CEN4
酵母染色体的着丝粒序列 Apr
pYAC
URA3
4
酵母系统的选择标记
ori
大肠杆菌的复制子标记
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• DNA顺序的组装主要方法： • 全基因组鸟枪法测序 • 改良鸟枪法：大片段克隆法、靶标鸟枪法
1、全基因组鸟枪法测序
鸟枪法的顺序组装是直接从已测序的小片段中寻 找彼此重叠，然后依次向两侧邻接的序列延伸。
DNA的鸟枪法测序的主要步骤
• 第一，建立高度随机、序。 • 第三，序列集合。 • 第四，填补缺口。
新技术方法:
➢ 杂交测序法 ➢ 质谱法 ➢ 单分子测序法 ➢ 原子探针显微镜测序法 ➢ DNA芯片法
1、双脱氧链末端终止法
•是 由 英 国 剑 桥 分 子 生物学实验室的生物 化学家F. Sanger等人 于1977年发明的。
•利 用 双 脱 氧 核 苷 酸 作为链终止物测定 DNA 核 苷 酸 顺 序 的 方法。
1980年诺贝尔奖金获得者F. Sanger
（1）Sanger 双脱氧链末端终止法测定DNA 序列的基本原理：
• 以DNA合成反应为基础，加入ddNTP生成特定
末端不同长短的DNA片段；
• 聚丙烯酰胺凝胶电泳可以区分长度只差一个核
苷酸的DNA分子。
DNA合成反应
利用DNA聚合酶不能够区分dNTP和ddNTP的 特 性 ， 在 DNA 合 成 反 应 中 ， 加 入 ddNTP ， ddNTP不存在3′-OH末端，故不能与下一个核 苷 酸 的 5′-P 端 形 成 3′ 、 5′- 磷 酸 二 酯 键 ， 导 致 DNA新链的延伸提前终止于ddNTP 。
（2）双脱氧末端终止法主要步骤
• 单链DNA模板的制备 • DNA模板与测序引物退火 • 延伸-终止反应 • 变性聚丙烯酰胺凝胶电泳 • 放射性自显影 • 阅读板
如何得到单链DNA ？
• 将DNA克隆到质粒载体 • 将DNA克隆到M13噬菌体载体 • 将DNA克隆到酵母自动化
• DNA测序的自动化是在Sanger的双脱氧链
末 端 终 止 法 的 基 础 上 在 1987 年 由 美 国 应 用 生物系统公司进一步发展起来的激光测序 法，其基本原理与末端终止法一样，都是 通过ddNTP竞争性的终止新合成的DNA链。
DNA测序自动化步骤：
Template Primer
dATP dNTP
Polymerase Terminator
A
G
C
T
THE PROCESS
ACTG G C CTAATC GAGTCAGT
TGACCGGA T
C
T
A CC
C
T
A GA AC
G GT T
G G GA
C
T
DNA模板 ATTGCAGTCGAC 生成的新链 TAACGTCAGCTG
T管： TAACGTCAGCT TAACGT T
C管： TAACGTCAGC TAACGTC TAAC
G管： TAACGTCAGCTG TAACGTCAG TAACG
A管： TAACGTCA TAA TA
TAACGTCAGCTG TAACGTCAGCT TAACGTCAGC TAACGTCAG TAACGTCA TAACGTC TAACGT TAACG TAAC TAA TA T
DNA序列 分析技术
鸟枪法测 序技术及 其改良
（一）DNA序列分析技术
• DNA序列测定： • 是指DNA一级结构的测定，是在核酸酶学
和生物化学的基础上，创立并发展起来的 一门重要的DNA技术学。
DNA序列测定的技术
经典方法:
双脱氧链末端终止法(Sanger,1977) DNA化学降解法(Maxam&Gilbert,1977)
基因组学和比较基因组学课件
什么是基因组，基因组学？
• 基因组（Genome）：是指生物体的单倍体细胞
中所有的DNA，包括细胞核内的DNA和各种细 胞器中的DNA，是生物体内遗传信息的集合。
• 基因组学（genomics）：是研究并解析生物体整
个基因组所有遗传信息的一门学科。
基因组学的发展：从序列到功能
基因组计划的主要任务是获得全基因组序 列；
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，因此需构建基因组图谱。
教学内容
• 一、高通量DNA序列分析技术 • 二、人类基因组计划 • 三、比较基因组学
一、高通量DNA序列分析技术
DNA 序列分析
4种带有不同荧光染料标记的终止物ddNTPs Sanger测序反应
反应产物电泳分离 激光激发不同大小DNA片段上的荧光分子，发射出
四种不同波长的荧光 荧光信号采集、计算机分析与DNA自动排序
Template
Primer
Terminator
A
G
C
T
dNTP
Polymerase
THE PROCESS
ACTG G C CTAATC GAGTCAGT
TGACCGGA T
T A
CC
C T
C
G GT T
G G GA
A
C A
G
AC C T
以荧光化合物标记双脱氧核苷酸的自动测序
（二）鸟枪法测序技术及其改良
• 基因组的每条染色体长度可达数百万碱基对以上，
将链终止法测定的小片段DNA组装成真实的排列 顺序是一项浩繁而精细的工作。
结构基因组学 功能基因组学 比较基因组学
结构基因组学
结构基因组学：基因组计划
基因组作图 测定核苷酸序列 基因定位
功能基因组学
功能基因组学：后基因组学（postgenomics)
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的 功能的一门学科。
比较基因组学
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。
鸟枪法测序示意图
鸟枪法的优势：
ATP、dATP和ddATP的结构 ATP dATP ddATP
• 这样以待测序列的DNA为模板，加入引物和4种
dNTP（其中一种为α-32P标记），将此反应物分 为4等份，每份内加入一定比例的一种ddNTP， 如此形成A、T、C、G四个反应体系，最后在各 反应体系中加入DNA聚合酶催化DNA片段合成。 这样各反应体系中即可形成以一种ddNTP残基为 3’端结尾的一系列长短不一片段。
1、全基因组鸟枪法测序
鸟枪法的顺序组装是直接从已测序的小片段中寻 找彼此重叠，然后依次向两侧邻接的序列延伸。
DNA的鸟枪法测序的主要步骤
• 第一，建立高度随机、序。 • 第三，序列集合。 • 第四，填补缺口。
新技术方法:
➢ 杂交测序法 ➢ 质谱法 ➢ 单分子测序法 ➢ 原子探针显微镜测序法 ➢ DNA芯片法
1、双脱氧链末端终止法
•是 由 英 国 剑 桥 分 子 生物学实验室的生物 化学家F. Sanger等人 于1977年发明的。
•利 用 双 脱 氧 核 苷 酸 作为链终止物测定 DNA 核 苷 酸 顺 序 的 方法。
1980年诺贝尔奖金获得者F. Sanger
（1）Sanger 双脱氧链末端终止法测定DNA 序列的基本原理：
• 以DNA合成反应为基础，加入ddNTP生成特定
末端不同长短的DNA片段；
• 聚丙烯酰胺凝胶电泳可以区分长度只差一个核
苷酸的DNA分子。
DNA合成反应
利用DNA聚合酶不能够区分dNTP和ddNTP的 特 性 ， 在 DNA 合 成 反 应 中 ， 加 入 ddNTP ， ddNTP不存在3′-OH末端，故不能与下一个核 苷 酸 的 5′-P 端 形 成 3′ 、 5′- 磷 酸 二 酯 键 ， 导 致 DNA新链的延伸提前终止于ddNTP 。
（2）双脱氧末端终止法主要步骤
• 单链DNA模板的制备 • DNA模板与测序引物退火 • 延伸-终止反应 • 变性聚丙烯酰胺凝胶电泳 • 放射性自显影 • 阅读板
如何得到单链DNA ？
• 将DNA克隆到质粒载体 • 将DNA克隆到M13噬菌体载体 • 将DNA克隆到酵母自动化
• DNA测序的自动化是在Sanger的双脱氧链
末 端 终 止 法 的 基 础 上 在 1987 年 由 美 国 应 用 生物系统公司进一步发展起来的激光测序 法，其基本原理与末端终止法一样，都是 通过ddNTP竞争性的终止新合成的DNA链。
DNA测序自动化步骤：
Template Primer
dATP dNTP
Polymerase Terminator
A
G
C
T
THE PROCESS
ACTG G C CTAATC GAGTCAGT
TGACCGGA T
C
T
A CC
C
T
A GA AC
G GT T
G G GA
C
T
DNA模板 ATTGCAGTCGAC 生成的新链 TAACGTCAGCTG
T管： TAACGTCAGCT TAACGT T
C管： TAACGTCAGC TAACGTC TAAC
G管： TAACGTCAGCTG TAACGTCAG TAACG
A管： TAACGTCA TAA TA
TAACGTCAGCTG TAACGTCAGCT TAACGTCAGC TAACGTCAG TAACGTCA TAACGTC TAACGT TAACG TAAC TAA TA T
DNA序列 分析技术
鸟枪法测 序技术及 其改良
（一）DNA序列分析技术
• DNA序列测定： • 是指DNA一级结构的测定，是在核酸酶学
和生物化学的基础上，创立并发展起来的 一门重要的DNA技术学。
DNA序列测定的技术
经典方法:
双脱氧链末端终止法(Sanger,1977) DNA化学降解法(Maxam&Gilbert,1977)
基因组学和比较基因组学课件
什么是基因组，基因组学？
• 基因组（Genome）：是指生物体的单倍体细胞
中所有的DNA，包括细胞核内的DNA和各种细 胞器中的DNA，是生物体内遗传信息的集合。
• 基因组学（genomics）：是研究并解析生物体整
个基因组所有遗传信息的一门学科。
基因组学的发展：从序列到功能
基因组计划的主要任务是获得全基因组序 列；
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，因此需构建基因组图谱。
教学内容
• 一、高通量DNA序列分析技术 • 二、人类基因组计划 • 三、比较基因组学
一、高通量DNA序列分析技术
DNA 序列分析
4种带有不同荧光染料标记的终止物ddNTPs Sanger测序反应
反应产物电泳分离 激光激发不同大小DNA片段上的荧光分子，发射出
四种不同波长的荧光 荧光信号采集、计算机分析与DNA自动排序
Template
Primer
Terminator
A
G
C
T
dNTP
Polymerase
THE PROCESS
ACTG G C CTAATC GAGTCAGT
TGACCGGA T
T A
CC
C T
C
G GT T
G G GA
A
C A
G
AC C T
以荧光化合物标记双脱氧核苷酸的自动测序
（二）鸟枪法测序技术及其改良
• 基因组的每条染色体长度可达数百万碱基对以上，
将链终止法测定的小片段DNA组装成真实的排列 顺序是一项浩繁而精细的工作。
结构基因组学 功能基因组学 比较基因组学
结构基因组学
结构基因组学：基因组计划
基因组作图 测定核苷酸序列 基因定位
功能基因组学
功能基因组学：后基因组学（postgenomics)
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的 功能的一门学科。
比较基因组学
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。
鸟枪法测序示意图
鸟枪法的优势：
ATP、dATP和ddATP的结构 ATP dATP ddATP
• 这样以待测序列的DNA为模板，加入引物和4种
dNTP（其中一种为α-32P标记），将此反应物分 为4等份，每份内加入一定比例的一种ddNTP， 如此形成A、T、C、G四个反应体系，最后在各 反应体系中加入DNA聚合酶催化DNA片段合成。 这样各反应体系中即可形成以一种ddNTP残基为 3’端结尾的一系列长短不一片段。