第01讲微生物基因组学102页PPT
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WATSON JD, CRICK FH
Nature, 1953 May 30; 171(4361): 964-967 Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid.
WATSON JD, CRICK FH
Nature, 1953 Apr 25; 171(4356): 738-740 Molecular structure of deoxyribonucleic acid.
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
3大 主 题 ：
1、 基 因 组 学 与 生 物 学 ： 阐 明 基 因 组 的 结 构 和 功 能 ； 2 、基 因 组 学 与 健 康 ：把 基 于 基 因 组 的 知 识 转 化 为 人 类 健 康 的 福 祉 ； 3、基 因 组 学 与 社 会 ：促 进 基 因 组 学 的 应 用 ，最 大 程 度 地 发 挥 效 益 ，
第二部分 微生物基因组的测序与注释
1、微生物基因组的测序；
2、微生物基因组的注释。
第三部分 微生物基因组学的应用
1、原核生物基因组概述； 2、从微生物基因组学研究基因的进化； 3、微生物基因组的其它应用。
一、基因组和基因组学的定义
基因组是一个相互作用的整体
• 基因组不“了仅解仅一是个单有机个体起的作全用部生的物基学因的的先决集条合件，它 还对何时、是确何定地它产的生完整这的些基组因分组序的列信。息”进行整合。 比如细菌芽孢的形成，—就—J需.C要rai一g V整en套ter基因高度 协调的表达，需要复杂的基(Fou因nder间and相Cha互irman作of T用IGR)的模 式来组织合适的反应。因此，基因组包含着对 信息的全局性、高度协同的控制，以执行一系 列细胞功能。
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。
1958
1990
1991
2019
Structure of Insulin
1977，Sanger及其同事改进了双脱氧法，在一块4泳道 超薄胶上1次可以读出几百个碱基序列；
1977，Sanger研究组完成了第一个全基因组－X174噬 菌体基因组（5386 bps）测序 ；
1982，该室又完成了噬菌体基因组（48502 bps）测序， 这是当时最大的测序工程 ;
• 新技体内术哪的些出蛋现白伴质随发生着着全相新互的作问用题？以及人类认识 生这命些问的题新带途来径了。对生命现象的新认识！
• 许多年来，分子生物学方法一直作为一个“还 原论”的工具，被用来剖析细胞、理解细胞中 各个部分的独立工作方式。
• 基因组学的研究领域则提出了“综合论”的研 究方法。
• 实际上，今天的分子生物学主要是由基因组测 序和功能分析推动的。
技术上的三大发明： （1）限制性核酸内切酶； （2）载体技术（i.e., YAC）； （3）逆转录酶
James Watson and Francis Crick Maurice Wilkins
Nature, 1953 Apr 25; 171(4356): 737-738 Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid.
微生物基因组学
•主讲教师: 李林 博士/副教授
•Phone: 87286952 •Email: lilinmail.hzau.edu.cn
教学内容
第一部分 微生物基因组学的发展历史和意义
1、基因组和基因组学的定义； 2、从DNA双螺旋到微生物基因组； 3、微生物基因组计划概况和重要意义； 4、几种重要微生物基因组的测序； 5、微生物基因组学网络资源介绍。
基因组学提供众多学科全新的起点
直接获取基因进行研究工作； 通过与已测序基因的比较，预测新基因的功能与
在代谢中的可能作用分析； 通过分析相关基因活性帮助建立细胞中完整的代
谢网络； 疾病诊断与预测；疫苗与药物的开发； 基因进化、乃至物种进化的分析
二、从DNA双螺旋到微生物基因组
基因组学发展的历史
将危害降到最低
6个 层 面 ：
1、 资 源 ； 2、 技 术 发 展 ； 3、 计 算 生 物 学 ； 4、 培 训 ； 5 、 伦 理 、 法 律 和 社 会 应 用 （ E L S I） ； 6、 教 育
目基的是因理组解学细胞带各来个研部分究如问何题协同的工新作视？ 角
一个正在行使功能的基因组是如何 响应环境变化的？
• 到1990年，E. coli、鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typ
himurium）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的遗传 图谱已相当详细，包括成百上千个定位基因，靠这些 图谱几乎可以诞生低精确度的比较基因组学了。
• 1990S中期，对上述细菌的基因组进行了全序列测定， 标志着基因组学时代的到来。
• 基因组时代的奠基石： DNA双螺旋结构的提出 Sanger双脱氧末端终止法测序 和DNA自动测序仪的发明 PCR技术 生物信息学软硬件设施的发展 ……
（一）近代分子生物学理论与技术的发展
1940S－1970S 理论上的三大发现：
（1）DNA是遗传物质； （2） DNA的双螺旋结构； （3）遗传信息的传递方式
• 基因组学是二十世纪医学和生物学飞跃发展中最激动人 心的成果之一，并将为二十一世纪的医学和生物学打下 了坚实的基础。
基因组学的定义
• 基因组一词是1920年由Winkler引入学术界的，它由 基因（GENe）和染色体（chromosOME）两个词组 合而成，代表完整的单套染色体和基因；
• 1986年，Jackson Laboratories的Tom Roderick提 议用它来命名旨在研究全基因组序列及与之相关高通 量（high-throughput）技术的新兴学科；
DNA序列分析实验室
Price: $ 25,000 Euro 25,000
ABI Prism 3700 DNA Sequencer ABI Prism 377 DNA Sequencer
101010101010100101010101001101010101010100 101010101001010011100001110000011100000110 001010101010100101010101010101001010101010 010100111000011100000111000001100010010101 010010101010101010100101010101001010011100 001110000011100000110001010101010100101010 101010101001010101010010100111000011100000 111010011100001110000011100000110001010101 010100101010101010101001010101010010100111 000011100000111000001100010010101010010101 010101010100101010101001010011100001110000 011100000110001010101010100101010101010101 001010101010010100111000011100000111000001 100010101010101001010101010101010010101010 100101001110000111000001110000011000101010 101010010101010101010100101010101001010011 100001110000011100001100010101100001110000 011100000110001010101010100101010101010101
1986年6月，第一台自动DNA测序仪在CIT诞生 ； 1987年底，美国Applied Biosystems Inc.采用Hood的技 术开发了第一台市售的自动测序仪，每台仪器每天可以测 一万到两万个碱基粗序列（raw sequence） ；
近年来，自动毛细管电泳测序仪（Fully automated cap illary electrophoresis sequencer），如ABI Prism 3700 ， 每台仪器每天可以测出五十万个碱基粗序列 。
• 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。
2、Functional genomics: is concerned with the way in which
the genome functions. It examines the transcripts produced by the genome and the array of proteins they encode.
Genomics is a broad discipline, which may be divided into at least three general areas.：
1、Structural genomics: is the study of the physical nature of genomes. Its primary goal is to determine and analyze the DNA sequence of the genome；
• 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
3、Comparative genomics: genomes from different organisms
are compared to look for significant differences and similari ties. This helps identify important, conserved portions of the genome and discern patterns in function and regulation. The data also provide much information about microbial evolution, particularly with respect to phenomena such as horizontal gene transfer.
什么是“基因组学”？
• 基因组学(genomics)来源于“genome”这个词,是一门 对生命有机体全基因组序列进行分析、比较和注释的新 兴学科。
• 基因组（genome）序列为我们提供了有机体的最基本信 息，序列中的基因和调控位点就是该有机体的“零部件” 和“运行指令”，同时它还提供该有机体进化方面的线 索，序列就自然而然地成为研究诸多新物种的出发点。
WILKINS MH, STOKES AR, WILSON HR
1962年 2000年
“The precise sequence of the bases is the code which carries the genetic information.”
“碱基的排列 顺序就是携带遗传信息 的密码”
而同时期，Maxam和Gilbert的化学法不如Sanger及其同 事的酶法简便，很快就被淘汰了。
1985年，加州理工学院（CIT）Hood和Smith用四种荧 光染料标记DNA的方法，从而建立了用自动激光仪读取测 序胶的结果。
Biblioteka Baidu
The Sanger Method for DNA Sequencing
“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）
Nature, 1953 May 30; 171(4361): 964-967 Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid.
WATSON JD, CRICK FH
Nature, 1953 Apr 25; 171(4356): 738-740 Molecular structure of deoxyribonucleic acid.
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
3大 主 题 ：
1、 基 因 组 学 与 生 物 学 ： 阐 明 基 因 组 的 结 构 和 功 能 ； 2 、基 因 组 学 与 健 康 ：把 基 于 基 因 组 的 知 识 转 化 为 人 类 健 康 的 福 祉 ； 3、基 因 组 学 与 社 会 ：促 进 基 因 组 学 的 应 用 ，最 大 程 度 地 发 挥 效 益 ，
第二部分 微生物基因组的测序与注释
1、微生物基因组的测序；
2、微生物基因组的注释。
第三部分 微生物基因组学的应用
1、原核生物基因组概述； 2、从微生物基因组学研究基因的进化； 3、微生物基因组的其它应用。
一、基因组和基因组学的定义
基因组是一个相互作用的整体
• 基因组不“了仅解仅一是个单有机个体起的作全用部生的物基学因的的先决集条合件，它 还对何时、是确何定地它产的生完整这的些基组因分组序的列信。息”进行整合。 比如细菌芽孢的形成，—就—J需.C要rai一g V整en套ter基因高度 协调的表达，需要复杂的基(Fou因nder间and相Cha互irman作of T用IGR)的模 式来组织合适的反应。因此，基因组包含着对 信息的全局性、高度协同的控制，以执行一系 列细胞功能。
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。
1958
1990
1991
2019
Structure of Insulin
1977，Sanger及其同事改进了双脱氧法，在一块4泳道 超薄胶上1次可以读出几百个碱基序列；
1977，Sanger研究组完成了第一个全基因组－X174噬 菌体基因组（5386 bps）测序 ；
1982，该室又完成了噬菌体基因组（48502 bps）测序， 这是当时最大的测序工程 ;
• 新技体内术哪的些出蛋现白伴质随发生着着全相新互的作问用题？以及人类认识 生这命些问的题新带途来径了。对生命现象的新认识！
• 许多年来，分子生物学方法一直作为一个“还 原论”的工具，被用来剖析细胞、理解细胞中 各个部分的独立工作方式。
• 基因组学的研究领域则提出了“综合论”的研 究方法。
• 实际上，今天的分子生物学主要是由基因组测 序和功能分析推动的。
技术上的三大发明： （1）限制性核酸内切酶； （2）载体技术（i.e., YAC）； （3）逆转录酶
James Watson and Francis Crick Maurice Wilkins
Nature, 1953 Apr 25; 171(4356): 737-738 Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid.
微生物基因组学
•主讲教师: 李林 博士/副教授
•Phone: 87286952 •Email: lilinmail.hzau.edu.cn
教学内容
第一部分 微生物基因组学的发展历史和意义
1、基因组和基因组学的定义； 2、从DNA双螺旋到微生物基因组； 3、微生物基因组计划概况和重要意义； 4、几种重要微生物基因组的测序； 5、微生物基因组学网络资源介绍。
基因组学提供众多学科全新的起点
直接获取基因进行研究工作； 通过与已测序基因的比较，预测新基因的功能与
在代谢中的可能作用分析； 通过分析相关基因活性帮助建立细胞中完整的代
谢网络； 疾病诊断与预测；疫苗与药物的开发； 基因进化、乃至物种进化的分析
二、从DNA双螺旋到微生物基因组
基因组学发展的历史
将危害降到最低
6个 层 面 ：
1、 资 源 ； 2、 技 术 发 展 ； 3、 计 算 生 物 学 ； 4、 培 训 ； 5 、 伦 理 、 法 律 和 社 会 应 用 （ E L S I） ； 6、 教 育
目基的是因理组解学细胞带各来个研部分究如问何题协同的工新作视？ 角
一个正在行使功能的基因组是如何 响应环境变化的？
• 到1990年，E. coli、鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typ
himurium）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的遗传 图谱已相当详细，包括成百上千个定位基因，靠这些 图谱几乎可以诞生低精确度的比较基因组学了。
• 1990S中期，对上述细菌的基因组进行了全序列测定， 标志着基因组学时代的到来。
• 基因组时代的奠基石： DNA双螺旋结构的提出 Sanger双脱氧末端终止法测序 和DNA自动测序仪的发明 PCR技术 生物信息学软硬件设施的发展 ……
（一）近代分子生物学理论与技术的发展
1940S－1970S 理论上的三大发现：
（1）DNA是遗传物质； （2） DNA的双螺旋结构； （3）遗传信息的传递方式
• 基因组学是二十世纪医学和生物学飞跃发展中最激动人 心的成果之一，并将为二十一世纪的医学和生物学打下 了坚实的基础。
基因组学的定义
• 基因组一词是1920年由Winkler引入学术界的，它由 基因（GENe）和染色体（chromosOME）两个词组 合而成，代表完整的单套染色体和基因；
• 1986年，Jackson Laboratories的Tom Roderick提 议用它来命名旨在研究全基因组序列及与之相关高通 量（high-throughput）技术的新兴学科；
DNA序列分析实验室
Price: $ 25,000 Euro 25,000
ABI Prism 3700 DNA Sequencer ABI Prism 377 DNA Sequencer
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1986年6月，第一台自动DNA测序仪在CIT诞生 ； 1987年底，美国Applied Biosystems Inc.采用Hood的技 术开发了第一台市售的自动测序仪，每台仪器每天可以测 一万到两万个碱基粗序列（raw sequence） ；
近年来，自动毛细管电泳测序仪（Fully automated cap illary electrophoresis sequencer），如ABI Prism 3700 ， 每台仪器每天可以测出五十万个碱基粗序列 。
• 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。
2、Functional genomics: is concerned with the way in which
the genome functions. It examines the transcripts produced by the genome and the array of proteins they encode.
Genomics is a broad discipline, which may be divided into at least three general areas.：
1、Structural genomics: is the study of the physical nature of genomes. Its primary goal is to determine and analyze the DNA sequence of the genome；
• 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
3、Comparative genomics: genomes from different organisms
are compared to look for significant differences and similari ties. This helps identify important, conserved portions of the genome and discern patterns in function and regulation. The data also provide much information about microbial evolution, particularly with respect to phenomena such as horizontal gene transfer.
什么是“基因组学”？
• 基因组学(genomics)来源于“genome”这个词,是一门 对生命有机体全基因组序列进行分析、比较和注释的新 兴学科。
• 基因组（genome）序列为我们提供了有机体的最基本信 息，序列中的基因和调控位点就是该有机体的“零部件” 和“运行指令”，同时它还提供该有机体进化方面的线 索，序列就自然而然地成为研究诸多新物种的出发点。
WILKINS MH, STOKES AR, WILSON HR
1962年 2000年
“The precise sequence of the bases is the code which carries the genetic information.”
“碱基的排列 顺序就是携带遗传信息 的密码”
而同时期，Maxam和Gilbert的化学法不如Sanger及其同 事的酶法简便，很快就被淘汰了。
1985年，加州理工学院（CIT）Hood和Smith用四种荧 光染料标记DNA的方法，从而建立了用自动激光仪读取测 序胶的结果。
Biblioteka Baidu
The Sanger Method for DNA Sequencing
“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）