7-模式生物基因组

[黑腹果蝇]fruit fly, Drosophila melanogaster 主要用于遗传和发育研究 基因组大小：117Mb；1.3万个基因 特点:繁殖迅速(7-10d),饲养简单,观测容易,易于进行基因敲除和定位等
[斑马鱼]zebrafish 脊椎动物中的“果蝇” 基因组大小：1500Mb； 特点:1)个体小,繁殖力强,生长速度快,体外受精和发育,胚胎透明,易养殖 2)内脏器官、血液、神经中枢和视觉系统在分子水平上与人类相似程度达85%
结合，而AD则能激活UAS下游基因进行转录。
组成部分：
与BD融合的蛋白表达载体，被表达的蛋白称诱饵蛋白（bait） 与AD融合的蛋白表达载体，被其表达的蛋白称靶蛋白（prey） 带有一个或多个报告基因的宿主菌株
鉴别已知蛋白之间是否存在相互作用
确定目的蛋白质的功能域/模块(motif)
通过其中一个蛋白质的缺失或定点突变
5条染色体，25,498个转录产物
2000.6.26 公共领域和Celera公司同时宣布完成人类基因组工作草图
2001.2.15 《Nature》刊文发表国际公共领域结果
2001.2.16 《Science》刊文发表Celera公司及其合作者结果
1996 2002.12
绘制完成小鼠基因组的高密度遗传图谱 国际小鼠基因组测序联盟发表小鼠基因组序列图谱
1997.03
百度文库
大肠杆菌(E.coli S)全基因组测序完成
基因分类 基因数
4288 131 103
含有~3500个基因 已定位~900个左右
总ORF数 氨基酸合成 辅基等的合成
核苷酸合成
细胞膜合成与装配 能量代谢 中合物代谢
58
237 243 188
脂肪代谢
DNA复制、重组 和修复 蛋白质结构 调控蛋白
拟南芥
河豚鱼、斑马鱼等 重要农作物，如水稻、玉米等
应用模式生物研究基因功能
• 各种模式动物各有优点，其研究成果不
仅可以揭示特定物种的特点，还有助于
生物生长、发育、遗传、进化等方面的
一些普遍规律和机制。
（二）进展
1996 启动模式生物基因组计划
1996.10
酵母基因组完整序列被测出
染色体 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI 长度（bp） 23X103 807188 315X103 1531974 569202 270X103 1090936 561X103 439886 745442 666448 1078171 924430 784328 1092283 948061 基因数 89 410 182 796 271 129 572 269 221 379 331 534 459 419 560 487 tRNA基因 4 13 10 27 13 10 33 11 10 24 16 22 21 15 20 17
James Watson
Walter Gilbert
HGP的最初目标：
通过国际合作，用15年时间(1990～2005)至少投入$30亿
构建详细的人类基因组遗传图和物理图； 确定人类DNA的全部核苷酸序列；
遗传图谱 转录图谱
对其它生物进行类似研究。
0.7 cM 或 kb
序列图谱
物理图谱
100 kb STS map
Nature Dec5;420(6915):520-62
人、鼠基因组比较
老鼠约75%的基因 与人类相同。
人基因组
鼠基因组
鼠染色体上的颜色和数字代表在人染色体上对应的片段
重要模式生物的基因组数据库
植物基因组数据库 果蝇基因组数据库 PlantDB FlyBase http://www.plantgdb.org/ http://www.fruitfly.org/
“模式生物”。
原始生命
（二）特点
生活周期短,遗传背景清楚,易于培养和繁殖
容易进行实验操作,特别是遗传学分析 生理特征能够代表生物界的某一大类群 基因组相对于人的基因组小、结构简单
[酿酒酵母] Saccharomyces cevevisiae 真核生物中的“大肠杆菌”，研究真核生物生命现象的首选工具 基因组大小：15Mb；6000个基因 特点:1)最简单的真核单细胞生物,可在基本培养基上生长,生长可完全控制 2)在单倍体和二倍体的状态下均可生长,可在实验条件下控制单倍体和 二倍体之间的相互转换,这对其基因功能研究十分有利 3)近31%编码蛋白质的基因或ORF与哺乳动物编码蛋白质的基因高度同源 [秀丽隐杆线虫]nematode, Caenorhaditis elegans
细胞学分析研究
免 疫 组 化
抗 体 结 合
突 变 研 究
拮抑 抗制 剂剂
酶 蛋 白 分 析
磷 酸 化
双 杂 交
分细 化胞 凋增 亡殖
信 号 途 径
细 胞 受 体
基因功能的全面定位
例子： 1.利用酵母（双杂交系统）研究基因功能 2.利用果蝇（模型）研究基因功能 3.利用小鼠（模型）研究基因功能
1.利用酵母双杂交系统研究基因功能
48
115 9 178
转录
翻译 吸收与转运
55
182 427
1998.12 完成线虫全基因组测序
Science, Dec11, 1998
2000.03 Celera公司宣布完成果蝇全基因组测序
Science, 287:2185-2195,2000
2000.12 完成拟南芥基因组测序
Nature 408:796-815,2000
（三）意义/贡献
1. 对医学/人类疾病研究的贡献
2. 对人类基因组学研究的贡献 3. 对生物技术的贡献
4. 对制药工业的贡献
5. 对社会经济的重要影响
6. 对生命进化研究的影响
第三节
模式生物基因组研究技术
基因功能研究方法：生物信息学方法
计算机预测新基因功能
非翻译区研究 提示基因功能
与genomic比较 Exon/intron确定
第八章 模式生物
本 章 内 容
一、模式生物：概念、特点
二、模式生物基因组计划：缘起、进展 三、模式生物基因组研究技术 四、家蚕的模式生物化
第一节
（一）概念
模式生物
早在20世纪最初的20年中，甚至更早以前，人
们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生 物上，则发育的现象难题可以得到部分解答。因为
主要用于发育研究；RNAi
基因组大小：100Mb；1.9万个基因 特点:1)通身透明,长不过1mm 2)身体中所有细胞能被逐个盘点并各归其类
幼虫:556个体细胞 2个原始生殖细胞 成虫:959个体细胞 2000个生殖细胞
3)生命周期短(3.5d),可不间断观察并追踪每个细胞的演变
4)把线虫浸泡到含有核酸的溶液中可实现基因导入
最初确定的模式生物：
• • • • • 大肠杆菌 (Escherichia coli) 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 线虫 (Caenorhabditis elegans) 果蝇 (Drosophila melanogaster) 小鼠 (Mus musculus)
非同源基因 Motif分析
同源基因 提示基因功能
细胞表达谱分析
细胞诱导表达谱分析
染色体定位
原位杂交
基因功能初步确定
基因功能研究方法：实验生物学方法
确定研究方向 基因的翻译(原核/ 真核表达) 基因的转染和超表达 基因的阻抑或敲除 基因的功能研究
蛋白质纯化
基因的转录调控研究
单克隆抗体的制备
蛋白质结构和功能分析
HGP的 历史回顾
1984.12 犹他州阿尔塔组织会议，初步研讨测定人类整个基 因组DNA序列的意义 1986 杜伯克在《Science》撰文 “肿瘤研究的转折点:人 类基因组的测序” 美国能源部(DOE)提出“人类基因组计划”草案 1987 美国能源部和国家卫生研究院（NIH）联合为“人 类 基因组计划”下拨启动经费约550万美元 1989 美国成立“国家人类基因组研究中心”，Watson担 任 第一任主任 1990.10 经美国国会批准，人类基因组计划正式启动
这些生物的细胞数量更少，分布相对单一，变化也
较好观察。 由于进化的原因，细胞生命在发育的基本模式方 面具有相当大的同一性，故利用位于生物复杂性阶梯 较低级位置上的物种来研究发育共通规律是可能的。 尤其是当在有不同发育特点的生物中发现共同形态形 成和变化特征时，发育的普遍原理也就得以建立。
生物学家为了研究的方便和可行， 选用的一些特定的物种或者有别于研究 主体的生物。 对这些生物的研究能够帮助我们理 解生命世界一般规律的意义，故称之为
模式生物基因组计划：HGP的重要组成部分和必要补充
由于人类对自身理解的限制、实验的限制和伦理学的制约，医学、 生物学的研究在很大程度上依赖于对一些模式生物的研究。在研究人 类基因组的同时，平行地进行一些微生物、植物、动物等模式生物基 因组的研究，可为人类基因组研究做方法学和组织工作的准备：
将从模式生物中得到的数据和资料与人类基因组比较，通过不同生物基因 序列的同源性来阐明人类相应基因的功能； 通过研究小而简单的模式生物的基因组，积累经验，发展技术，同时，对 模式生物的研究亦具有重要的经济价值。
小鼠基因组数据库
酵母基因组数据库 拟南芥基因组信息资源 斑马鱼基因组数据库 微生物数据库 大鼠基因组数据库 家蚕基因组数据库 人类基因组数据库 综合数据库 综合数据库 综合数据库 综合数据库
MGD
SGD TAIR Sanger TIGR RGD SilkDB HGP Ensemble NCBI DDBJ EMBL
鉴定新基因和新蛋白
目的蛋白质基因 + BD基因 “诱饵”表达质粒
某一器官或组织的cDNA文库 + AD基因 “猎物”基因 库 共转化酵母细胞 筛选与目的蛋白质相互作用的蛋白质的cDNA序列
模型
Engelender et al. 以神经末端蛋白α-synuclein 蛋白为诱饵蛋白，利用酵母双杂交技术，从成 人脑cDNA文库中发现了与α-synuclein相互作 用的新蛋白Synphilin-1，证明了Synphilin-1 与 α-synuclein之间的相互作用与帕金森病的发病 有密切相关。 Michael et al. 证明了α-synuclein 的1-65个氨基酸残基和Synphilin-1 的349-555个氨基酸残基之间是相 互作用的位点。研究它们之间的 相互作用位点有利于基因治疗药 物开发。
http://www.informatics.jax.org/
http://genome-www.stanford.edu/Saccharomyces http://www.arabidopsis.org/ http://www.sanger.ac.uk/Projects/D_rerio/ http://www.tigr.org/tdb/mdb/mdbcomplete.html http://ratmap.gen.gu.se/ http://silkworm.genomics.org.cn/ http://www.nhgri.nih.gov/ http://www.ensembl.org/index.html http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ http://www.ddbj.nig.ac.jp/ http://www.ebi.ac.uk/embl/
[小鼠]mouse 生物医学研究中广泛使用的模式生物 基因组大小：3000Mb；3万个基因 17世纪开始用于解剖学和动物实验,是当今研究最详尽的哺乳类实验动物. 80％的基因与人类基因相同/同源。
第二节
模式生物基因组计划
（一）缘起
（1）美国“肿瘤计划”的搁浅
（2）科学家的胆略
诺奖获得者杜伯克1986年3月发表于《Science》的短文 《肿瘤研究的转折点：人类基因组测序 》中指出： “如果我们想更多地了解肿瘤，我们从现在起必须关注细胞 的基因组。…… 从哪个物种着手努力？如果我们想理解人类 肿瘤，那就应从人类开始… … 。人类肿瘤研究将因对 DNA 的详细知识而得到巨大推动。”
酵母激活因子 GAL4：
N端：DNA结合域(DNA binding domain,BD)，147aa C端：转录激活域(transcription activation domain,AD)，113aa
GAL4的BD可以和上游激活序列(upstream activating sequence，UAS)