比较基因组学7-1
基于序列分析的比较基因组学研究
基于序列分析的比较基因组学研究随着生物技术的不断发展，比较基因组学研究也变得越来越重要。
比较基因组学研究是对不同物种基因组（DNA序列）结构、功能和演化的比较分析，以揭示生物种类之间的关系和演化过程。
而比较基因组学研究的核心技术就是序列分析。
序列分析是指将分子生物学实验中所得数据进行计算分析、生物信息学和许多分子工具下的处理、挖掘和解释。
序列分析包括序列比对、基因识别、序列注释、序列组装等多个方面，其中序列比对是比较基因组学研究中最为关键的步骤之一。
序列比对是将两个或多个不同物种的DNA序列进行比对，分析两个物种之间的差异，并揭示其演化关系。
序列比对是一种计算机程序，主要分为全局比对、局部比对和多序列比对三种。
全局比对是将整个序列进行比较，可检测出相互比较的序列中的相同或不相同的区域，但这种算法需要较多的计算资源和时间，适合较大的数据集。
局部比对则是从同一区域开始进行比较，可以更好地处理基因重复和重组的情况，尤其适合处理高基因拷贝数的基因组。
而多序列比对则是将多个序列进行比对，可以揭示不同物种基因组的演化关系和功能迁移事件，是揭示生物演化和物种关系的重要方法之一。
在序列比对的基础上，比较基因组学研究可以发现不同物种之间的保守基因和变异基因，进而突破物种界限，在功能和演化上进行更深入的研究。
此外，序列比对还可以揭示基因家族、新基因、不同组织表达差异等重要信息。
除了序列比对，比较基因组学研究中还有许多其他的技术，如基因功能注释、基因结构分析、基因演化分析等。
这些技术有助于研究基因组进化、分子机制和物种适应性等基本生物学问题，并可应用于新药发现、疾病诊断等实际应用中。
总之，基于序列分析的比较基因组学研究是生命科学研究中的重要分支之一。
它通过比较不同物种之间的基因组，为揭示生物种类之间的关系和演化过程提供了重要手段和数据支持。
未来，随着分子技术的不断发展和生物信息学算法的不断优化，我们相信比较基因组学研究将会在生命科学研究中扮演更加重要的角色。
比较基因组学原理及应用
比较基因组学原理及应用基因组学是研究生物个体或种群基因组的科学，通过对基因组的研究可以揭示生物的遗传信息和基因的功能。
基因组学的发展深刻地改变了我们对生命的理解，推动了医学、农业和环境领域的创新。
本文将比较基因组学的原理和应用，并探讨其在不同领域中的具体应用。
一、原理比较：1.基因组测序技术：基因组测序技术是基因组学的基石，它们能够高效、准确地测量一个生物个体或种群的基因组序列。
传统的测序方法包括Sanger测序和芯片测序，而后来的下一代测序技术则提供了更快、更便宜的测序方法，如Illumina测序、Ion Torrent测序和PacBio测序等。
2.基因组比较：基因组比较是研究不同个体或种群基因组之间的相似性和差异性。
它可以通过对比两个或多个基因组序列的方法，来发现在基因组层面上的差异。
比较可以从全基因组水平上进行，也可以通过比较特定基因家族或反复子来进行。
3.基因组注释：基因组注释是为了对基因组序列进行功能分析和解读。
它包括预测基因位置、鉴定基因功能以及预测非编码RNA序列等。
基因组注释可以通过比对到已知的基因、蛋白质和其他生物序列数据库来进行。
二、应用比较：1.人类基因组学：人类基因组学是基因组学中的一个重要领域，它研究人类基因组的功能和遗传变异与疾病之间的关系。
通过基因组测序和比较，我们可以发现人类基因组中的变异位点和致病基因，进而做出相关的临床诊断和治疗。
2.植物基因组学：植物基因组学主要研究植物基因组的结构和功能。
通过比较不同植物基因组之间的差异性，可以探索植物的进化历程、鉴定重要的功能基因以及改良作物品质和抗病能力。
3.动物基因组学：动物基因组学主要研究动物基因组的结构和功能。
通过比较不同动物基因组之间的差异性，可以推断不同动物物种的进化关系、鉴定重要的功能基因以及推动动物的遗传改良和保育工作。
4.微生物基因组学：微生物基因组学研究微生物种群的基因组结构和功能。
通过比较微生物基因组可以揭示微生物物种的分类与进化关系，研究微生物的代谢能力和环境适应性，以及开发新的微生物生物技术应用。
第10章 基因组-比较基因组学课件
基本完成DNA序列分析的真核生物基因组比较
物种 酵母
完成 年份
1996
线虫
1998
果蝇
2000
拟南芥
2000
人类第21染色体 2000
人类第22染色体 1999
人类全基因组
2001
(Public Sequence)
人类全基因组
2001
(Celera Sequence)
总长度 /Mp 12 96 116 115 34 34 2693
第二节 人工染色体构建
细菌人工染色体的构建
•riS和repE控制F质粒的复制 •parA和parB控制质粒拷贝数
第二节 人工染色体构建
BAC的优点 1． 易于用电击法转化E.coli（转化效率比转化酵母高 10-100倍）； 2． 超螺旋环状载体，易于操作； 3． F质粒本身所带的基因控制了质粒的复制； 4． 很少发生体内重排。
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
➢ 复制起点： DNA复制通常由起始蛋白与特定的 DNA序列相互作用开始。DNA合成的起始位点 和DNA复制起点(遗传位点)所需的Cis靶区常位 于同一段长约100bp的DNA上。
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
第四节 比较基因组学
1.通过基因组数据进行全局性分析
➢数据存放。 ➢碱基百分含量分析。无论是GC富含区还是AT富含区， 都可能是一些特殊功能的区域。 ➢ORF分析。首先要用多个不同的软件来要找到并估 测基因组中的每一个ORF。
开放阅读框（ORF，Open reading frame ）是基因序 列的一部分，包含一段可以编码蛋白的碱基序列，一个起始 和终止密码子之间的序列。
比较基因组学原理及应用
功能。 3、在现有的数据库中找不到任何相匹配的蛋
白质序列的新基因。
部分真核、原核生物基因组成成份分析
通过基因组数据进行比较基因组学研究
• 例子： • 尿殖道支原体带有已知最小的基因组，可
依此确定能自我复制的细胞必需的一套最 少的核心基因。
该学科的发展及所取得的成果与序列的积累相 同步，尤其是人类全基因组序列的分析与比较使 比较基因组学成为整个生物学领域最新、最重要、 进展最快和影响最大的学科之一。
1. 已完成的测序
比较基因组学从一开始就是人类基因组计划 的一部分。
人类基因组计划的原始计划是测定人类和一 部分模式生物（如细菌，酵母，果蝇，秀丽隐杆 线虫，小鼠等）的全基因组序列。
• 1 全基因组的比较研究 • 2 系统发生的进化关系分析
1.全基因组的比较研究
• 比较基因组学的基础是相关生物基因组的 相似性。两种具有较近共同祖先的生物， 它们之间具有种属差别的基因组是由祖先 基因组进化而来，两种生物在进化的阶段 上越接近，它们的基因组相关性就越高。 如果生物之间存在很近的亲缘关系，那么 它们的基因组就会表现出同线性(synteny)， 即基因序列的部分或全部保守。
比较基因组学 相关概念
韩柳
基因组学概念及范畴
基因组(genome) 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部
遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色 体（单倍体）DNA。
基因组学(genomics) 就是发展和应用DNA制图、测序新技术以
及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基 因组结构及功能。
基因组学概念
Homo sapiens Pan troglodytes Mus musculus Rattus norvegicus Drosophila melanogaster Escherichia coli Saccharomyces cerevisiae Ciona intestinalis
比较基因组学
比较基因组学比较基因组学摘要：比较基因组学是在基因组图谱和测序的基础上, 利用某个基因组研究获得的信息推测其他原核生物、真核生物类群中的基因数目、位置、功能、表达机制和物种进化的学科。
该学科在后基因组时代是一门重要的工具学科。
通过不同物种间的基因组序列比较, 可以发现生物体中蕴涵的大量生物学信息,其发展及所取得的成果与序列的积累相同步, 尤其是人类全基因组序列的分析与比较使比较基因组学成为整个生物学领域最新、最重要、进展最快和影响最大的学科之一。
关键词：比较基因组学；同源性；单核苷酸多态性；拷贝数多态性世界范围内的多物种基因组计划和各类测序工作已经形成了海量的序列数据资源，它们正在使基因组研究发生革命性变化，信息和新技术的迅速发展也表明：分子遗传革新将是今后几十年的发展方向。
尤其是从整体上而不是仅仅从某个或少数几个基因入手来研究生物体基因组的机能，己经在短短几年迅速发展壮大起来，比较基因组学已成为解读海量基因组序列数据及其相关生物学含义的强有力工具。
通过物种之间的一比较能够了解基因组的进化，从而加速对人类基因结构和功能的了解。
为阐明基因表达机制提供重要线索。
达到从根本上了解认识生命的起源，物种及个体差异的原因，疾病产生的机制以及长寿、衰老等困扰着人类的最基本的生命现象，最终解析生命奥秘。
比较基因组学是通过对不同物种的基因组数据进行比较分析，揭示彼此的相似性和差异性，以了解不同物种进化上的差异，综合这些信息能进一步帮助我们了解物种形成的机制、基因或基因组上非编码区的功能。
1、种间比较基因组学比较基因组学的基础是相关生物的相似性，序列间有显著的相似性即意味着序列之间有同源关系。
同源是指被比较的物种是由共同的祖先经过自然选择进化而来。
同源又可分为两种：直系同源和旁系同源直系同源的序列因物种形成而被区分开，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繁殖而被区分开，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。
第十章基因组与比较基因组学
22
➢第三代DNA遗传标记，可能也是最好的遗传标记，是 分散于基因组中的单个碱基的差异。这种差异包括单 个碱基的缺失和插入，但更常见的是单个核苷酸的替 换，即单核苷酸的多态性（SNP，single nucleotide polymorphism）。
酵母遗传分析中最常用的生物化需加入腺苷酸
CAN1 对刀豆氨酸有抗性
CUP1 对铜离子有抗性
CYH1 对环己酰亚胺有抗性
LEU2 培养基中需加入亮氨酸
SUC2 能进行蔗糖发酵
筛选方法 只能在加入腺苷酸的培养基上生长 能在含有刀豆氨酸的培养基上生长 能在含有铜离子的培养基上生长 能在含有环己酰亚胺的培养基上生长 只能在加入亮氨酸的培养基上生长 能在以蔗糖作为唯一碳源的培养基上生长
4
1990年10月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组
计划启动。
1998年 一批科学家在美国罗克威尔（Rockville）组建塞莱拉遗传公
司，与国际人类基因组计划展开竞争。
1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是
科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。
1999年9月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全
当在某一家庭中，观察到了指甲髌骨综合征与A型 血相伴遗传时，科学家就认为，这种病的致病基因NP与 IA基因相连锁，也位于9q34区段。进一步的观察发现， 这个家庭的后代中，有1/10为A型血而无指甲髌骨综合 征，这表明基因IA和NP发生了交换，交换率（重组率） 为1/10。这时就可说，基因IA和NP相距较近，连锁图上 的距离为10厘摩（重组率1％即为1厘摩）。
基因组学中的基因比较分析
基因组学中的基因比较分析在基因组学研究中，基因比较分析是一项非常重要的工作。
通过比较不同生物的基因组来发现它们之间的差异，这有助于我们深入了解基因演化和生物进化的过程。
比较分析也是开展基因功能和表达研究的基础。
本文将着重介绍基因比较分析的相关概念、方法以及应用。
一、基因比较分析的基本概念基因比较分析的核心是比较两个或更多基因组之间的异同。
相当于检查生物体之间的遗传信息，寻找结构、序列以及基因区间的差异。
这种比较分析可以帮助研究人员发现新的基因家族，预测新的基因功能，并对生物演化做出更加深入的理解。
1、同源基因同源基因是指由共同祖先的基因演化而来、但可能已经出现不同的序列和功能的基因，即可能来自于不同种类的生物，但功能与同一个原始基因相同或相似。
比如，不同生物中的胰岛素基因就具有相同的祖先基因。
在基因比较分析中，大多数研究都集中在同源基因上，即找到多个物种中同一基因的同源序列并进行比较。
2、基因家族基因家族是指有相似结构和功能的基因，这些基因通常来自于同一个原始的家庭基因。
在不同物种的基因组中，基因家族的大小、种类和组织形式都可能有所不同。
比如拼图游戏中的拼图，一组相似的拼图可能组合出一幅完整的画面，而基因家族也是如此。
通过比较不同物种中基因家族的差异，可以进一步研究基因的进化过程。
3、基因组差异不同形态生物之间虽然基因的种类和数量不尽相同，但基因的总体规模和排布都有相似之处。
研究人员通过比较同一物种中不同个体之间的基因组、或比较不同物种之间的基因组，不同基因的特征会显露出来，包括基因长度、编码区间，基因组结构的异同等等。
这种比较和分析有助于进一步了解生物的遗传演化机制。
二、基因比较分析的主要方法基因比较分析是一项复杂而繁琐的工作，需要运用各种计算机工具和算法来完成。
目前，主要的方法包括以下几种：1、序列比对方法序列比对是一种常见的基因比较分析方法，用于比较两个或多个序列之间的异同。
这种方法需要依赖于一些比对算法，并进行序列对齐、确定区间匹配度、确定插入、删除和替换的位置。
第十一讲 基因组与比较基因组学
10. 1. 1 人类基因组计划的科学意义 到目前为止，已经完成了酵母、线 虫、果蝇、拟南芥、人类、小鼠和 水稻等7个真核生物基因组以及大肠 杆菌等上百个原核生物基因组。
图10-1主要基因组计划到2001年2月为止的进展情况总结
人类基因组计划的科学意义在于： （1）确定人类基因组中约3-4万个编 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。
产生配子的减数分裂过程中，亲 代同“号”的父源或母源染色体既能 相互配对也可能发生片段互换，而 父母源染色体等位基因互换导致子 代出现DNA“重组”的频率与这两个 位点之间的距离呈正相关，所以， 用两个位点之间的交换或重组频率 来表示其“遗传学距离”。
图10-2 遗传距离图的基本数据来自基因的重组。 注：上述4个基因都位于果蝇的X染色体上。
STRP的优点是 “多态性”与“高频 率”。由于(A)n，(CA)n，(CGG)n等 短重复序列在进化上不受选择，在 同一位点上可重复单位数量变化很 大，配对时又容易产生“错配”，使 这样的位点遍布于整个基因组。
表10-2 人类基因组中的各种主要卫星DNA比较
卫星DNA分 类 特 征
卫星DNA： 串联重复的基本单位首尾相接，在基因组中呈不均匀 分布，但主要集中于着丝粒、端粒等特定部位，高度 或中等重复，分属三个大家族。 α卫星DNA 中等重复，基本单位长171bp。 小卫星DNA 微卫星DNA 中等重复，基本单位长15~65bp。 中等重复，基本单位长2~8bp
tttccggtatttgggctttaaatccttaattatattatcttg taaaaaaaag ctactcttat aagtaacgtt ttgacccaaa ataaagtaaa gtttcgacat tttgcatata cattaagaaa ctaaataaat atactatgac ccccttcgaa aacatgtcat tcaaaataaa gtacttgtga aaagataaaa ctaaataata taaataatta cctttaaaca gaacaaaatc ttctaaaaca acatttatat tgaaattaag agtaatacat tttagcaata acaaaaaaat tcatgtacaa gatccatgta catataaatgc ctactgatat gtcactttccc caaacgtcacAtta atatctcttc ttcttttttt aacatcttaa tcttatttat gattcacaga gaaagaaaaa gagtcaaaat caaaataaca gcttttctcc acataaatcc acatgtgtgt atactggtta ctcgactcta tatatagtcc taaagctaca atgtttctcc atcaaaagta tcaaaagaaa gagaaacaac aaaagcaaat cctataatta taatcacaaaacga ATGGCGGCCGTTACTTCCTCATGCTCCACCGCGATCTCCGCTTCT TCCAAAACCCTAGCGAAGCCAGTCGCCGCAAGCTTCGCCCCTAC TAATCTCTCATTTTCAAAGCTTTCTCCTCAGTCAATCAGGGCTCG TAGATCCATCACCGTCGGCAGCGCACTAGGCGCCACCAAGGTGT CGGCTCCTCCCGCCACACATCCCGTTTCGCTCGATTTTGAGACTT CTGTCTTCAAGAAGGAGAGAGTTAACCTCGCCGGACACGAAGAG GTTCGGGTTTCTTCTAATTTTTCACTCTACTCTCAGAAATTGACTATTA CTTTTTATTTTTAAATGAATGATTTTTTTGGTTGATTTGTTGCAG
基因组学课件8比较基因组学
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。
涨知识啦比较基因组学研究那些事
涨知识啦比较基因组学研究那些事比较基因组学是一门研究不同物种基因组之间相似性和差异性的科学。
通过对基因组进行比较分析，可以揭示不同物种之间的进化关系、功能保守性和功能创新等信息。
在过去的几十年里，比较基因组学在生物学领域取得了重要的突破和发展，对于我们理解生命的起源、发展和进化提供了重要帮助。
首先，比较基因组学可以帮助研究人类与其他物种之间的遗传关系。
通过比较人类基因组与其他物种的基因组，可以发现我们与其他动物的共同祖先，并推测出不同物种在演化中所发生的改变。
例如，通过比较人类与黑猩猩、猕猴以及小鼠等的基因组，发现人类与黑猩猩的基因组相似度高达98.7%，而与小鼠的相似度仅为85%。
这些分析结果表明，人类与黑猩猩有共同的进化起源，并为我们深入研究人类进化提供了重要线索。
其次，比较基因组学可以揭示物种间的基因功能保守性。
基因功能保守性指的是在进化过程中一些基因的功能在不同物种中得到保留，并且可能发挥着相似的生物学功能。
通过比较各个物种的基因组，可以发现一些基因在多个物种中具有高度保守性。
例如，当研究人类基因组时，发现许多基因在其他物种如果蝇、线虫和酵母菌等中也存在。
这些物种之间的基因保守性告诉我们这些基因在进化过程中可能发挥了重要的生物学功能。
此外，比较基因组学还可以揭示物种间的基因功能创新。
基因功能创新指的是在进化过程中一些基因的功能发生了改变，可能出现了新的功能。
通过比较不同物种的基因组，可以鉴定出具有功能创新的基因。
例如，人类基因组中存在着一些与智力发育相关的基因，而这些基因在其他物种中并不存在。
这些基因的功能可能与人类的智力发育有关，通过比较基因组可以帮助我们研究智力的进化和发展。
比较基因组学研究的一个重要工具是测序技术的发展。
随着测序技术的快速发展，可以高效地测序大量物种的基因组，从而进行全面的比较分析。
同时，生物信息学的进步也为比较基因组学研究提供了重要支持。
通过生物信息学的方法，可以对大规模基因组数据进行分析和挖掘，从而揭示出基因之间的相似性和差异性。
比较基因组学研究内容 2
比较基因组学的应用
1.揭示非编码功能序列 2.发现新基因 3.发现功能性SNP 4.阐述物种间的进化史 5.阐明人类疾病过程的分子机制
Open Mike
资料来源：《生命的化学》2006 年26 卷5 期 《比较基因组学技术手册》 制作人：姜通
比 较 基 因 组 学
①单核苷酸多态性
种内
②拷贝数多态性 ①.全基因组的比较研究
种间
②.系统发生的进化关系分析 ③.基因预测
④基因组中非编码区域的结构与功能研究
一、种内的比较基因组学 同种群体内基因组存在大量的变异和多态性,正是这种 基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组学的研究方法 比较基因组学的研究应用
比较基因组学研究方法
1. 通过基因组数据进行全局性分析
2. 通过基因组数据进行比较基因组学研究
1 通过基因组数据进行全局性分析
到2001年为止已经基本完成DNA序列分析 的各种真核生物基因组数据的比较发现， 低等真核生物如酵母、线虫以及高等植物 拟南芥，基因组比较小，基因密度比较高， 百万碱基对中含有200个或更多的基因。
研究内容：
①单核苷酸多态性
②拷贝数多态性
种内比较基因组学 ——①单核苷酸多态性
单核苷酸多态性(singlenucleotide 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。
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。
【科研】比较基因组学
【科研】比较基因组学比较基因组学是将不同物种的基因组相互比较，以了解物种间进化和分子差异的生物学领域。
低成本、下一代测序技术的发展使得使用比较基因组学分析大量相关基因组成为可能。
本文旨在描述比较基因组学中使用的技术及其优缺点。
基因组测序和基因组比较遗传信息由四个核苷编码:腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。
在线性DNA中确定这些核苷的顺序是测序的基础。
除了人类基因组，一些模型生物的基因组现在已经测序——包括黑猩猩、老鼠、果蝇、河豚鱼、蛔虫、面包酵母和细菌。
迄今为止，已对1000多种原核生物和1300种物种的基因组进行了测序。
比较基因组学的第一步是比较一般特征，如基因组大小、基因数量和染色体数量。
例如，拟南芥(一种植物)的基因组比果蝇小，果蝇有两倍多的基因。
有趣的是，拟南芥的基因组大小与人类相似，这表明基因组大小并不是复杂性或进化状态的指标。
DNA测序和合成Synteny是一种方法，通过在不同物种之间以相似的区块排列基因来识别相似和不同的区域。
相似和不相似的程度可能因染色体而异。
例如，人类的20号染色体几乎完全对应于老鼠的第二条染色体。
同样，人类的第17条染色体与老鼠的第11条染色体相对应。
因此，分析可以显示自从大约7500万至8000万年前小鼠和人类的染色体从一个共同祖先分化以来，染色体发生了怎样的变化。
同源DNA分析比较基因组学的另一种方法是同源分析，即不同物种的同源染色体排列一致。
例如，在一项研究中，人类丙酮酸酶激酶的基因与狗、老鼠、鸡和斑马鱼(等等)的同源酶序列一致，然后绘制出序列高度相似的区域。
如分析显示人类和猕猴(灵长类)的酶序列高度相似，而鸡和斑马鱼仅在编码区域相似。
这样的分析可以用来发现哪些基因组特征在进化过程中被保存下来，反之，哪些特征已经多样化。
遗传距离系统发育距离是用来衡量两个生物体分离程度的非参数特征。
此参数基于多年或几代累积的序列更改数。
这个距离与生物体之间的序列相似性成反比，即序列相似性越小，它们之间的系统发育距离就越大。
人类基因组的比较基因组学研究
人类基因组的比较基因组学研究近年来，随着科学技术的不断进步，人类基因组比较基因组学研究也越来越受到关注。
基因组是一个生物体内所有DNA序列的总和，而比较基因组学则是指以此为基础，通过不同种类之间的比较研究基因组之间的差异，从而探究生物进化和生命过程的一种学科。
比较基因组学的发展主要得益于高通量测序技术的快速普及，它能够让研究者以前所未有的速度和深度了解各生物种类间的基因组差异。
目前，已经有越来越多的研究表明，基因组中的DNA 序列在各个生物间均存在着相似和差异，而比较基因组学正是在此基础上，通过对生物的基因组序列进行全面的比较分析，揭示其远古的演化历史和相同、不同的生命过程。
首先，比较基因组学研究有助于解开生物演化的谜团。
通过比较基因组研究，科学家们可以分析各个物种之前的进化关系。
例如，他们可以比较人类基因组和非洲猩猩基因组之间的差异，以此推断人类和猩猩之间的分化时间。
另外，通过比较基因组研究还可以揭示不同物种之间的遗传变异和基因突变，从而推测每个物种的进化历程和基因组之间的差异。
其次，比较基因组学研究对于人类疾病研究也有很大的帮助。
现在，科学家们可以比较人类基因组和其他物种的基因组，并通过研究它们的差异来了解人类基因组中存在什么样的基因或遗传变异可能导致疾病。
这就为探究缺陷基因和转录异常的机制提供了一个新的途径。
比如，在生育障碍的研究中，人们进行了大量的基因比较学研究，发现一些重要的基因和结构差异与不孕症、睾丸发育不良等多种生殖系统疾病相关。
此外，比较基因组学也可以为医药研究提供一定的启示。
通过比较不同物种的基因组，科学家们可以比较研究不同物种之间的各种蛋白质结构和复杂的信号通路，从而发现新药物和治疗方法。
举例来说，研究者可以比较人和鼠的基因组，进而研究不同物种之间的通路，从而发现可以治疗多种不同类型癌症的新药物。
综上所述，比较基因组学研究对于研究生物进化、人类疾病和药物研发都非常重要。
现在，随着技术的不断进步，比较基因组学的应用也将得到进一步发展和完善。
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
31
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。
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模式生物基因组研究特点
水稻Ef7基因的一个新等位基因Ef7-l的遗传效应及表达分析
D O I：10.3724/SP.J.1006.2013.01799
Hale Waihona Puke http：/// E-mail:xbzw＠
适合特定生态区域的品种[2-4]。
环境条件和植物自身调节机制都会影响水稻抽 穗期，而在这些因素中光周期是最重要的开花诱导 影响因子[5]。不同类型的品种会表现出不同的遗传 特性，而同一品种的抽穗期也会由于不同光温条件 的影响而表现各异。我国水稻主要栽培品种的抽穗期 与其感光性、基本营养生长习性有着显著线性关 系[4]。水稻抽穗期遗传机制复杂，根据对G ram ene网 站Q TL 数据库（http：//w w w .gram /qtl/index.html）
水稻生育期长短对最终产量形成有着极其重要 的影响。因此，发掘并利用控制水稻生育期相关基 因的新等位变异，对于培育高产广适性水稻新品种 具有重要实用价值。水稻抽穗期和产量性状都属数 量性状，并对环境变化极为敏感[1]；因此有很多已 定位的Q TL 区间往往对这两类性状具有多效性，产 量的提高往往伴随着抽穗期的延迟。控制抽穗期相 关基因的等位变异一般都与品种的地域和季节适应 性相关，因此在育种实践中育种家往往倾向于筛选
本研究由国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA10A302-7），国家自然科学基金项目（31071383），江苏省杰出青年基金项目 （BK2012010）和江苏省作物学优势学科项目资助。
G enetic and E xpression Analyses of Ef7-l，a N ovel E f7 A llele,in Rice
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1、比较基因组学定义及其研究意义：
定义:比较基因组学是在基因组学水平上研究不同
物种和品系之间在基因组结构与功能方面的亲源
关系及其内在联系的一门新兴学科。
研究意义 (1) 指导在遗传与基因组信息较为缺乏的物种中 进行基因的克隆和功能研究。 (2) 通过研究生物进化过程中，基因组所发生的 倍增、缺失、重组，对于生物进化研究，具 有重大意义。
Murphy et al. Genome Research 1999 1 9 9 9
共线性与同线性
共线性（Colinearity）
在不同的基因组中基因
和基因的排列顺序的一
致性称为共线性，它反 应了一种同源关系。 同线性（synteny） 连锁的同源基因在不同 物种基因组中有相同连 锁关系。
遗 传 图 与 物 理 图 的 共 线 性
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• Drosophila melanogaster (fruit fly) — model insect
• Danio rerio (zebrafish) — a good model for vertebrate developmental biology • Mus musculus (mouse) — model mammal, important for the study of human genome • Arabidopsis thaliana (thale cress ) — model dicot plant • Oryza sativa (rice) — model cereal and monocot plant
Gene comparison provides a possible way to predict gene association and protein interaction
• Gene association: Genes involved in the same metabolic pathway tend to appear together in a genome. Hence, by examining whether two genes are correlated in many genomes,
Sequence-based comparison
• Comparison of overall statistics of nucleotide sequence • Comparison of coding sequence (genes) • Comparison of segmental sequence or whole
物种间物理图距的保守性
禾本科类受体激酶LrK基因簇中的基因间距在大麦 (A)、水稻(B)和玉米(C)中几乎完全相同，约为4—5 kb， 并保持很好的共线性。
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Genome alignment
Long sequence alignment is problematic due to rearrangement. Presently, almost all of the alignment algorithms first identify large conserved sequence elements between the two genome sequences, and then generate the overall alignment. In general, similar genomes may result in better alignment.
– genome size
– overall (G+C) content
– regntent – genome signature
• codon usage biases • amino acid usage biases • the ratio of observed dinucleotide frequency and the expected frequency given random nucleotide distribution
比较基因组学 Comparative Genomics
Xiaofang Xie E-mail:xxf317@
Some well-known model organisms
• Escherichia coli — model prokaryote • Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast) — model unicellular eukaryote • Caenorhabditis elegans (nematode) — an excellent model for multicellular developmental biology
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宏观共线性和微观共线性
• 宏观共线性（macrosynteny） ：
• 指遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致性。
• 微观共线性(microsynteny) ：
• 是指物理图上基因顺序的一致排列。
Approaches for genome comparison
figure, two chromosome maps
(I and 1) are shown, which are completely colinear.
Comparative maps of the wheat genome described in terms of the rice genome (A) and the Ae. umbellulata genome (B)
What the genomes of model organisms tell us
Almost every human gene has a counterpart in the mouse and some blocks of DNA are proving impossible to tell apart
Ortholog vs. Paralog
• Ortholog（直向同源物）: homologous genes
or DNA sequences in different genomes
(species)
• Paralog（横向同源物）: homologous genes
or DNA sequences in the same genome
(species)
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paralogs
orthologs
Colinearity vs. Synteny
• Colinearity: conservation of
gene content and order in
different genomes, which is a reflection of homology • Synteny: conserved linkage among genes in different genomes regardless of order • macrosynteny vs. microsynteny
Similarity vs. Homology (相似性与同源性)
• Similarity: a phenomenon that different genes or genome segments show similar sequences.
• Homology: a phenomenon that different
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Comparison of genes
• Gene number • Gene homology • Gene category • Gene structure • Gene functional relationship and interaction
it could be deduced that the proteins coded by genes A and B might interact either functionally Sequence-based comparison
or physically.
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then compare the order of orthologs in those
species. • The comparison will show the macro-colinearity among the species being tested.
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Comparative genetic
maps of five
grass species: rice, foxtail millet, sorghum,
maize and
barley
Five grass genomes, one consensus map.
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genes or genome segments have the same ancestor.
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相似性与同源性
相似性(similarity)： 是指一种很直接的数量关系，比如部分相 同或相似的百分比或其它一些合适的度量。 同源性(homology)： 指从一些数据中推断出的两个基因或蛋白 质序列具有共同祖先的结论，属于质的判断。
genome (genome alignment)
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Comparison of overall nucleotide statistics