微生物基因组学ppt课件
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模式微生物基因组学PPT课件
• 在搜索序列相似性的基础上，芳香族化合 物，如苯酚丙酸盐的降解途径的未知步骤 被其他四个假定的mhp基因所揭示。
• 在基因组序列确定之前，mhp基因是已经存 在的，但没有被鉴定。保守序列单元的出 现确定了其中的一个mhp基因可能是由操纵 子编码的代谢途径的转录调节子。序列研 究揭示了第二个以前没有认识到的操纵子， 该操纵子含有一些类似于假单胞菌 （Pseudomonas）基因，能够降解芳香族 化合物，如甲苯、苯、联苯。
• 假设的操纵子由三个基因组成，包括能够 打开芳香环和氧化C1,C2的1,2-双加氧酶， 一个类似于二氢-1,2-双加氧酶的开放阅读 框和基因编码的铁氧化还原蛋白还原酶。
2.2 E.coli 转录组学
• 全基因组核酸序列使研究者们能够应用 cDNA方法或者基于寡核苷酸的微阵列分析 方法，根据特异性刺激物、遗传变异或者 生理紊乱来评价基因组转录图。
• 因此，除了基因组结构分析以外，其它的 系统研究得到的信息对大量的序列数据归 类于生物学上有意义的位置是十分必要的 。功能遗传学和相关的高通量综合技术学 和方法学（例如，DNA微阵列、全基因组 突变、双向凝胶电泳、双杂交系统、蛋白 微阵列）试图在转录组学、蛋白组学、代 谢组学、内部作用组学的细胞区域中确定 新的基因。
DNA微阵列
生物信息学
噬菌体展示
质谱
计算机建模
2D-PAGE 二维电泳
双杂交系统 蛋白质芯片
质谱
用功能基因组学方法分析和综合技术阐明模式生物的细胞区域
2 Escherichia coli（大肠杆菌）： 模式真细菌
• E.coli作为原核生物学中的模式实验生物， 它的地位是无可比拟的。E.coli是最具特征 的可自由生长的单细胞生物，并且它已用 于研究细胞过程的生物学模式，如DNA的 复制和修复、转录、代谢途径、应激反应、 信号传导和遗传学规律。
• 在基因组序列确定之前，mhp基因是已经存 在的，但没有被鉴定。保守序列单元的出 现确定了其中的一个mhp基因可能是由操纵 子编码的代谢途径的转录调节子。序列研 究揭示了第二个以前没有认识到的操纵子， 该操纵子含有一些类似于假单胞菌 （Pseudomonas）基因，能够降解芳香族 化合物，如甲苯、苯、联苯。
• 假设的操纵子由三个基因组成，包括能够 打开芳香环和氧化C1,C2的1,2-双加氧酶， 一个类似于二氢-1,2-双加氧酶的开放阅读 框和基因编码的铁氧化还原蛋白还原酶。
2.2 E.coli 转录组学
• 全基因组核酸序列使研究者们能够应用 cDNA方法或者基于寡核苷酸的微阵列分析 方法，根据特异性刺激物、遗传变异或者 生理紊乱来评价基因组转录图。
• 因此，除了基因组结构分析以外，其它的 系统研究得到的信息对大量的序列数据归 类于生物学上有意义的位置是十分必要的 。功能遗传学和相关的高通量综合技术学 和方法学（例如，DNA微阵列、全基因组 突变、双向凝胶电泳、双杂交系统、蛋白 微阵列）试图在转录组学、蛋白组学、代 谢组学、内部作用组学的细胞区域中确定 新的基因。
DNA微阵列
生物信息学
噬菌体展示
质谱
计算机建模
2D-PAGE 二维电泳
双杂交系统 蛋白质芯片
质谱
用功能基因组学方法分析和综合技术阐明模式生物的细胞区域
2 Escherichia coli（大肠杆菌）： 模式真细菌
• E.coli作为原核生物学中的模式实验生物， 它的地位是无可比拟的。E.coli是最具特征 的可自由生长的单细胞生物，并且它已用 于研究细胞过程的生物学模式，如DNA的 复制和修复、转录、代谢途径、应激反应、 信号传导和遗传学规律。
微生物基因组学 ppt课件
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六、研究基因组功能的意义 1． 加速致病基因的研究 2． 寻找灵敏而特异性的病原分子标记 病原微生物的特异性DNA序列可以作为分子标记用于疾病的诊断。 3． 促进新药的发现和疫苗的发展 （1）促进新药的发现 （2）疫苗的研究 4． 促进微生物分类的发展
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5. 提高对人类相关基因功能的认识
（1）一些人类的遗传性疾病，如结肠癌、肝豆状核变性、肾上腺脑白质 营养不良等，在细菌的基因组分析中，也存在类似的蛋白物。
（2）可以利用微生物做模拟，去检测高等生物的基因性状和功能。 （3）从基因水平去揭发人类疾病与病原微生物之间关系，如发病机理， 人类与病原微生物之间相互作用的基因机理等。
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PPT课件
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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。
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（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
消化 （4）分子杂交 （5）Southern十字杂交法
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五、微生物基因组功能分析 1、根据目的基因组的性状而推测可能的基因组功能。 如致病岛的G+C mol%与细菌本身的G+C mol%有很大差异。致病岛或耐 药岛等。 2、根据已知的数据库进行同源性搜索。 美国NIH的GenBank；欧洲的分子生物学实验数据库（FMBL）日本的 DNA数据库(DDBJ) 3、利用不同条件、不同作用因素的影响而鉴定未知基因的功能。 如用过氧化氢酶处理沙门氏菌而获得该菌的对H2O2氧化应激反应的基因。 4、采用基因敲除的方法来推测或确定基因的功能。
微生物研究进展chapter微生物基因组学研究进展2(共64张PPT)
农学系生物技术专业课程《微生物学研究进展》
第二章 微生物基因组学研究进展
第一节 微生物基因组与生物信息学
第二节 微生物基因信息的分析
第三节 芯片技术在微生物学领域的应用
第1页，共64页。
20世纪 三大科学计划
曼哈顿原子弹计划 （1942-46）
阿波罗登月计划
(1961-69)
人类基因组计划
(1990-2003)
第20页，共64页。
Arabidopsis thaliana 拟南芥
二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成
公共领域和Celera公司同时宣布完成人类基因组工作草图
第21页，共64页。
2000年6月公共领域测序计划工作框架图
第22页，共64页。
2001年2月15日《Nature》封面
2、商业竞争促进基础研究：
1998年Celera公司的加入
3、政府与国家的作用：
美：领导与推动
英：始于1989年2月，贡献为1/3左右
法：始于1990年6月，贡献为3％左右 日：始于1990年，贡献为7％左右 德：始于1995年，贡献为7％左右 中：始于1999年9月，贡献为1％左右
第26页，共64页。
第45页，共64页。
面对堆积如山的生物学数据……
第46页，共64页。
……新的生物学研究模式的出发点应该是理论的。科学家将从理论推测出 发，然后再返回到实验中去，追踪或验证这些理论假设。……生物学家不 仅必须成为计算机学者，而且也要改变他们研究生命现象的途径。
——W. Gilbert, Towards A Paradigm Shift in Biology, Nature, 349(1991)99
第二章 微生物基因组学研究进展
第一节 微生物基因组与生物信息学
第二节 微生物基因信息的分析
第三节 芯片技术在微生物学领域的应用
第1页，共64页。
20世纪 三大科学计划
曼哈顿原子弹计划 （1942-46）
阿波罗登月计划
(1961-69)
人类基因组计划
(1990-2003)
第20页，共64页。
Arabidopsis thaliana 拟南芥
二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成
公共领域和Celera公司同时宣布完成人类基因组工作草图
第21页，共64页。
2000年6月公共领域测序计划工作框架图
第22页，共64页。
2001年2月15日《Nature》封面
2、商业竞争促进基础研究：
1998年Celera公司的加入
3、政府与国家的作用：
美：领导与推动
英：始于1989年2月，贡献为1/3左右
法：始于1990年6月，贡献为3％左右 日：始于1990年，贡献为7％左右 德：始于1995年，贡献为7％左右 中：始于1999年9月，贡献为1％左右
第26页，共64页。
第45页，共64页。
面对堆积如山的生物学数据……
第46页，共64页。
……新的生物学研究模式的出发点应该是理论的。科学家将从理论推测出 发，然后再返回到实验中去，追踪或验证这些理论假设。……生物学家不 仅必须成为计算机学者，而且也要改变他们研究生命现象的途径。
——W. Gilbert, Towards A Paradigm Shift in Biology, Nature, 349(1991)99
细菌学：第十章 细菌基因组学课件
意外的发现
• 另外，此前科学界一致认为鸡没有嗅觉 ，但是分析结果表明鸡具有大量的嗅觉 基因，味觉基因却很缺乏。
• 分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生 乳汁、唾液和牙齿的基因。
鸡基因组研究的意义
• 鸡是研究低等脊椎动物和人类等哺乳动物 的一种比较理想的中介。
• 将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进 行比较，有助于更深入理解人类基因的结 构和功能，进而开发治疗疾病的新手段， 对于培育优质鸡种、改善食品安全、控制 禽流感病毒的蔓延也有重要意义。
1. 原核生物基因组的大小--基因组较大的原
• 1997 年9 月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成 功, 基因组全序列完成, 全长为5Mb ,共有4 288 个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序 列.
• 人们常说，每个分子生物学家都对两种生物感 兴趣，一种是所研究的物种，另一种就是E. coli。研究人员可以利用实验室中的E. coli菌株 克隆DNA、表达蛋白质、分离目的基因等，如 果没有E. coli，实验室将无法工作。
测序微生物的类别
• 几乎所有类别的病毒 • 模式微生物 • 极端环境微生物 • 病原原核生物 • 环境降解微生物 • 其他
Viruses
微生物基因组的特点
类别
特征
染色体结构 基因组大小 编码序列
多为一条环状闭合双链DNA 从0.16-13Mb 占基因组总长度的90%，平均为1Kb左 右
GC含量
鸡的进化研究
• 鸡是种常见的家禽，长期受到进化生物学家的 青睐。它的基因序列也有助于科学家了解农业 和进化学上重要特性的遗传学基础。
转基因小鸡
• 对鸡和人类的基因组进行比较后发现约 七千万个碱基对是共有的。
• 这暗示着在大约三亿一千万年前二个物 种从共同祖先分化出来的时候，遗传物 质具有守恒性。
基因组学PPT课件
9
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
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
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。
第十三章基讲义因组学幻灯片讲义-第13章基因组学
➢1996，完成标记密度为0.6cM的人类基因 组遗传图谱，100kb的物理图谱
➢2000，完成草图 ➢2001年2月，公布人类基因组图谱的修订
版 ➢2002，完成测序工作
§2 基因组图谱的构建
➢ 基因组计划的主要任务是获得全基因组序列 ➢ 但是，现在的测序方法每次只能测800～
1000bp
➢ 大量的测序片段要拼接
经典遗传学
➢ 在20世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传 学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这 些基因在染色体上的位置。
➢ 第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、 化学因素诱发突变。
➢ 第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知 基因的相互关系，绘制遗传连锁图。
几个代表物种的基因组大小
物种
基因组大小/bp
❖ DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一 对等位基因的差异。
❖ 如有两个DNA分子（一对染色体），一个具 有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位 点，酶切后形成的DNA片段长度就有差异， 即多态性。
❖ 可将RFLP作为标记，定位在基因组中某一位 置上。
❖ 人类基因组中有105个RFLP位点，每一位点只 有两个等位基因。
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
钓鱼 竭泽而渔
Fishing in a More Effective Way!
RFLP分 析
RFLP标记位共显性标记
➢2000，完成草图 ➢2001年2月，公布人类基因组图谱的修订
版 ➢2002，完成测序工作
§2 基因组图谱的构建
➢ 基因组计划的主要任务是获得全基因组序列 ➢ 但是，现在的测序方法每次只能测800～
1000bp
➢ 大量的测序片段要拼接
经典遗传学
➢ 在20世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传 学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这 些基因在染色体上的位置。
➢ 第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、 化学因素诱发突变。
➢ 第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知 基因的相互关系，绘制遗传连锁图。
几个代表物种的基因组大小
物种
基因组大小/bp
❖ DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一 对等位基因的差异。
❖ 如有两个DNA分子（一对染色体），一个具 有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位 点，酶切后形成的DNA片段长度就有差异， 即多态性。
❖ 可将RFLP作为标记，定位在基因组中某一位 置上。
❖ 人类基因组中有105个RFLP位点，每一位点只 有两个等位基因。
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
钓鱼 竭泽而渔
Fishing in a More Effective Way!
RFLP分 析
RFLP标记位共显性标记
第01讲微生物基因组学102页PPT
• Genomics is the study of the molecular organization of genomes, their information content, and the gene products they encode.
－－Prescott-Harley-Klein: Microbiology, Fifth Edition
关于基因组学的范畴
• 随着基因组和基因组学这两个术语变得流行起来，一系列 新的术语也被创造出来，每个新的研究领域都冠以“…… 组学”（-omic)的名称，而被研究的对象则被称为“ …… 组”(-ome)。例如蛋白质组和蛋白质组学。
• 一个蛋白质组（proteome)表示某个时刻在一个细胞或生 物体中全部的蛋白质组成。其它类似的词还有转录组、代 谢组、糖组和变异组。这些新兴的领域能否归到“基因组 学”之下，尚有较大的争议。
• 1987年，Victor Mckusick 和 Frank Ruddle 一起创 办了“genomics”杂志，这是第一次“genomics” 这个词在科学界得到广泛的应用。
• 基因组学领域包括DNA测序、在物种内进行基因组多 样性的采集以及基因转录调控的研究，即基因组学覆 盖了从DNA序列分析到研究生物体对环境干扰的响应 这样比较广的范围。
“基因是迄今为止最为复杂的程 序”
——Bill Gates
（二）DNA测序技术的诞生与发展
1975，Frederick Sanger双脱氧链终止法； 1977，Maxam和Gilbert 氧化法
（1976年，在英国的Gordon会议 上两个小组同时宣布， 但Maxam和Gilbert直到1980年才正式发表研究结果）
基因组基 学因 研组 究学 的研 究3大的 主3 题大 和主 题6个和 层6 面个 层 面
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〞。
基因组学课件基因组
大肠杆菌
智人
拟南芥
热海栖热袍菌
Buchnerasp. APS 嗜酸热原体
Escherichia coli 家鼠
Homo sapiens 秀丽小杆线虫
Arabidopsis thaliana Thermotoga maritima
大白鼠
疏螺旋体-眼莱姆病
Thermoplasma acidophilum Mus musculus
大肠杆菌（Escherichia coli）
人类研究得最为详尽的模式生物 如：K12菌株，全基因组于1997年测定，长460万bp 长度1.6 m，单细胞原核生物，繁殖快
大肠杆菌及其全基因组
Escherichia coli K12
Escherichia coli O157:H7
基因组学课件基因组
模式生物(Model Organism) 酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae, yeast）
Nature390:580,1997
Welcome Trust资助英、法科学家于 Sanger中心完成,1997, 12宣布 Science281,375,1998
Science 282:2012,1998
Science291,1304,2001 Nature408:796,2000
Science287,2185,2000
基因组大小与人类相近，约30亿个核苷酸对，有19条染色体 2002年
基因组学课件基因组
第1章 什么是基因组
所有生命都具有指令其生长与发育，维持 其结构与功能所必需的遗传信息，生物所 具有的携带遗传信息的遗传物质总和称为 基因组(genome) 基因组（genome）一词出现于80年前，基 因 组 学 (genomics) 则 是 由 美 国 科 学 家 Thomas Roderick在1986年提出的，是指对 所有基因进行基因组作图 (包括遗传图谱、 物理图谱、转录本图谱) ，核苷酸序列分 析，基因定位和基因功能分析的一门科学
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
基因组学基本知识ppt课件
基因组（Genome）：生物体配子中所包含的全部 染色体及其基因，包括细胞质基因组，为物种全部 遗传信息的总和。也指某一生物的所有DNA。
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”
ppt课件.
3
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
析基因的大小、数量，基因排列顺序，编码序列与非编码 序列的特征等，以揭示物种进化关系，克隆重要性状基因 和进行遗传研究和性状改良。
ppt课件.
18
四、基因组学的应用
确定物种特有的序列 研究物种的遗传多样性 研究物种的起源及系统进化 进行新基因的克隆（染色体步移） 进行基因功能的预测 获得功能分子标记
子机制 ➢ 确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列 ➢ 研究染色体和个体之间的多态性
ppt课件.
10
（5）研究进展 ➢ 1996年，完成标记密度为0.6cM的人类基因组遗 传图谱，100kb的物理图谱 ➢ 2000年，人类基因组框架草图绘制完成 ➢ 2001年2月，人类基因组精细图谱的完成 ➢ 2002年，完成测序工作
（3）研究目的 找出所有人类基因，破译出人类全部遗传信息， 使得人类在分子水平上全面认识自我 将基因用于改善人类的生活质量 解决人类疾病、健康的问题
ppt课件.
9
（4）研究意义
➢ 确定人类基因的序列、物理位置、产物及功能 ➢ 理解基因转录与转录后调节 ➢ 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
与病原基因组中的直接或间接作用的结果。 “全基因组”信息记录着一个人有关生、老、
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”
ppt课件.
3
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
析基因的大小、数量，基因排列顺序，编码序列与非编码 序列的特征等，以揭示物种进化关系，克隆重要性状基因 和进行遗传研究和性状改良。
ppt课件.
18
四、基因组学的应用
确定物种特有的序列 研究物种的遗传多样性 研究物种的起源及系统进化 进行新基因的克隆（染色体步移） 进行基因功能的预测 获得功能分子标记
子机制 ➢ 确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列 ➢ 研究染色体和个体之间的多态性
ppt课件.
10
（5）研究进展 ➢ 1996年，完成标记密度为0.6cM的人类基因组遗 传图谱，100kb的物理图谱 ➢ 2000年，人类基因组框架草图绘制完成 ➢ 2001年2月，人类基因组精细图谱的完成 ➢ 2002年，完成测序工作
（3）研究目的 找出所有人类基因，破译出人类全部遗传信息， 使得人类在分子水平上全面认识自我 将基因用于改善人类的生活质量 解决人类疾病、健康的问题
ppt课件.
9
（4）研究意义
➢ 确定人类基因的序列、物理位置、产物及功能 ➢ 理解基因转录与转录后调节 ➢ 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
与病原基因组中的直接或间接作用的结果。 “全基因组”信息记录着一个人有关生、老、
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整理课件
6
DNA微阵列
生物信息学
噬菌体展示
质谱
计算机建模
2D-PAGE 二维电泳
双杂交系统 蛋白质芯片
质谱
用功能基因组学方法分析和综整合理课技件 术阐明模式生物的细胞区域7
2 Escherichia coli（大肠杆菌）： 模式真细菌
• E.coli作为原核生物学中的模式实验生物， 它的地位是无可比拟的。E.coli是最具特征 的可自由生长的单细胞生物，并且它已用 于研究细胞过程的生物学模式，如DNA的 复制和修复、转录、代谢途径、应激反应、 信号传导和遗传学规律。
模式生物的功能基因组学
——从新的视角看老问题
整理课件
1
1
• 原核生物如大肠杆菌（Escherichia coli）和 枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），单细胞 真核生物如啤酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）都被作为传统的模式生物，这 是因为它们结构简单、功能复杂、在实验 系统中具有内在的优势。
整理课件
2
• E.coli 的非致病实验菌株（K-12）被列为最 早的全基因组测序对象，它在原核遗传学、 分子生物学、生物技术、尤其是DNA重组 技术领域是首选的模式生物。
• B. subtilis 是第一个进行全基因组测序的革 兰氏阳性菌（1997），并且被作为研究生 物化学、生理学、系统发育的遗传学范例。
• 尽管微阵列提供了E.coli中对应于温度升高
时的一系列潜在的参与者，但需要用与基
因表达图谱相结合的其他方法给出一个完
整的描述：细胞是如何整合和调控这些功
能，对环境应激产生一致和快速的适应反
应。
整理课件
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细胞代谢生长的转录组学分析
• 尽管我们已经知道一些与特定的生物合成 或者代谢过程（如色氨酸生物合成）相关 的必要的操纵子或基因，但不是出于这一 目的的其它的基因在还没有发展更综合更 全面的实验方法之前还没有被鉴定，这些 基因影响着某些代谢行为或者受到某些代 谢行为的影响。
• 在搜索序列相似性的基础上，芳香族化合
物，如苯酚丙酸盐的降解途径的未知步骤
被其他四个假定的整m理h课件p基因所揭示。
10
• 在基因组序列确定之前，mhp基因是已经存 在的，但没有被鉴定。保守序列单元的出 现确定了其中的一个mhp基因可能是由操纵 子编码的代谢途径的转录调节子。序列研 究揭示了第二个以前没有认识到的操纵子， 该操纵子含有一些类似于假单胞菌 （Pseudomonas）基因，能够降解芳香族 化合物，如甲苯、苯、联苯。
整理课件
3
• S. cerevisiae 具有真核细胞的所有基本功 能，并且人类疾病30％的阳性克隆与酵母 同源，对S. cerevisiae 基因产物的生物学 作用做准确的测定是极其重要的一步，这
有助于我们提高对遗传学上更复杂的、不 易研究的多细胞动物的认识。
整理课件
4
• 基因组序列信息表明，超过30％的开放阅 读框（ORFs），包括E.coli的染色体和B. subtilis 的染色体没有实际的功能。在S. cerevisiae中大约6000个预测基因中的三分 之一仍被归为未知细胞功能的阅读框。
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18
• 功能基因组学，主要体现在微阵列介导的 转录图，允许我们看到的不仅仅是微生物 生理的某一焦点方面，如色氨酸代谢、特 异性基因或调节子如何与基因表达的所有 其他方面相互作用；而且还提供了一个观 察基因组表达的视窗，如细胞在葡萄糖上 生长的生理能力。
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• 在过热条件下，热激蛋白除了防止细胞蛋 白变性和聚集外，也表现出一些对普通的 生理生长所必要的功能，如辅助纠正多聚 结构的组装，使新翻译的多肽折叠到它们 自然的三级结构。因此，热激蛋白通常更 多地被称为分子陪伴。
整理课件
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• 在细菌中，细胞对热激的反应首先在E.coli 中被发现并得到细致地研究。由于热激反 应的保守性，它已被作为一种模式系统来 研究其他原核生物（如古菌）的调节基因 的表达。
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8
• 尽管遗传学研究已有几十年，但E.coli K-12 基因组中编码4,288个蛋白的38%的基因仍 然不清楚生物学功能。这表明我们的认知 还存在严重的不足，甚至是对于那些已被 很好地研究过的模式生物。
整理课件9ຫໍສະໝຸດ 2.1Escherichia coli(大肠杆菌)基因组
• E.coli 序列数据除了使全基因组功能分析的 方法成为可能，同时也揭示了一些新的基 因。基因组序列的生物信息学分析也已经 预测了一些结构和调控元件，这些是各种 生物化学途径或细胞机制方面知识所不能 预见的。
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• 因此，除了基因组结构分析以外，其它的 系统研究得到的信息对大量的序列数据归 类于生物学上有意义的位置是十分必要的 。功能遗传学和相关的高通量综合技术学 和方法学（例如，DNA微阵列、全基因组 突变、双向凝胶电泳、双杂交系统、蛋白 微阵列）试图在转录组学、蛋白组学、代 谢组学、内部作用组学的细胞区域中确定 新的基因。
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热激应答
• 热激应答，有时一般也称作应激应答，是 一种内环境稳定的机制。这种机制是由活 细胞在对温度升高不适应的情况下显示出 来的。这种进化学上保守的分子对热反应 的应答是一种限制性蛋白－热激蛋白－诱 导合成的。除了热激外，其他不利的生理 条件，如暴露在乙醇中或转入重金属，都 能引起热激蛋白产量的提高。
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• 假设的操纵子由三个基因组成，包括能够 打开芳香环和氧化C1,C2的1,2-双加氧酶， 一个类似于二氢-1,2-双加氧酶的开放阅读 框和基因编码的铁氧化还原蛋白还原酶。
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2.2 E.coli 转录组学
• 全基因组核酸序列使研究者们能够应用 cDNA方法或者基于寡核苷酸的微阵列分析 方法，根据特异性刺激物、遗传变异或者 生理紊乱来评价基因组转录图。
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• E.coli的色氨酸操纵子是分析的最透彻的细 菌生物合成操纵子之一。色氨酸操纵子的 五个基因（依次是trpE、trpD、trpC、trpB、 trpA）编码分支酸转化为色氨酸途径的酶。 色氨酸操纵子的转录受抑制蛋白TrpR的抑 制调控，也受一种称为转录弱化作用的完 全不同的调节模式的抑制调控。