基因组学课件8比较基因组学
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基因组学和比较基因组学
基因组学和比较基因组学基因组学是研究生物体的基因组结构、组成和功能的科学领域。
它通过对基因组DNA序列的分析，探索基因与生物体性状之间的关系，以及基因组在进化过程中的变化。
而比较基因组学则是基因组学的一个重要分支，通过比较不同物种的基因组，揭示不同物种之间的共通性和差异性，从而深入研究生物体之间的进化关系和适应环境的机制。
1. 基因组学的发展在过去的几十年里，基因组学技术的飞速发展推动了该领域的迅猛发展。
创立了人类基因组计划（HGP）的里程碑式成果，将人类基因组的DNA序列测定完成并发布。
这项重大工作的完成催生了众多基因组学研究的突破，开辟了基因组学在疾病诊断、再生医学、进化生物学等领域的应用前景。
2. 基因组学的研究方法基因组学的研究方法主要包括测序技术和生物信息学分析两个方面。
测序技术利用高通量测序平台，可以快速、准确地获取生物体的整个基因组序列。
生物信息学分析则是对测序得到的海量数据进行筛选、比对、注释和解读，并通过构建基因组数据库和研发相应的算法，从中提取有意义的信息。
3. 基因组学的应用领域基因组学在医学研究中发挥着重要作用。
通过对疾病相关基因的研究，可以帮助诊断疾病、制定个体化治疗方案，甚至预测疾病的风险。
此外，基因组学在农业领域也有重要的应用。
比如利用基因组测序技术可以研究和改良作物的基因组，提高作物的产量和品质，并增强植物的抗病性和适应性。
4. 比较基因组学的研究意义比较基因组学通过比较不同物种的基因组，揭示物种之间的共通性和差异性，有助于研究生物体的进化关系和适应环境的机制。
通过比较不同种类的基因组，我们可以确定物种之间的亲缘关系，揭示不同物种之间演化的轨迹和速度。
同时，比较基因组学还有助于发现和理解基因组中的功能元件、非编码RNA等，进一步拓宽了我们对基因组的认识。
综上所述，基因组学和比较基因组学是两个相互关联的学科，它们以高通量测序技术为基础，通过分析基因组DNA序列的组成和功能，探究基因与生物体性状之间的关系，以及不同物种之间的共通性和差异性。
基因组学
又称后基因组学（postgenomics) 基因的识别、鉴定、克隆 基因结构、功能及其相互关系
基因表达调控的研究
蛋白质组学（proteomics） • 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和 相互作用方式
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 小基因组物种常 用鸟枪射击法
（restriction fragment length polymorphism，RFLP）
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。
• 利用限制性内切酶消化基因组DNA，形成大小 不等、数量不同的分子片段， • 经电泳分离， • 通过Southern印迹将DNA片段转移至支持膜 (尼 龙膜或硝酸纤维素膜)上， • 然后用放射性同位素(32P)或非同位素 (如地高 辛，荧光素)标记的探针与支持膜上的DNA片 段进行杂交。 • 不同基因组DNA酶切位点的改变，会使得 RFLP谱带表现出不同程度的多态性.
中英联合实验室
双脱氧终止法测序反应体系包括：
DNA polymerase
Template:(单链DNA模板)
Primer:（带有3-OH末端的单链寡核苷酸引物)
Mg2+ dNTP(dATP,dGTP,dCTP和dTTP) ddNTP(ddATP,ddGTP,ddCTP和ddTTP)
DNA自动测序
形态标记
能够用肉眼识别和观察、明确显示遗传多样性 的外观性状。 形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 简单直观 数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
基因表达调控的研究
蛋白质组学（proteomics） • 鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和 相互作用方式
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 小基因组物种常 用鸟枪射击法
（restriction fragment length polymorphism，RFLP）
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。
• 利用限制性内切酶消化基因组DNA，形成大小 不等、数量不同的分子片段， • 经电泳分离， • 通过Southern印迹将DNA片段转移至支持膜 (尼 龙膜或硝酸纤维素膜)上， • 然后用放射性同位素(32P)或非同位素 (如地高 辛，荧光素)标记的探针与支持膜上的DNA片 段进行杂交。 • 不同基因组DNA酶切位点的改变，会使得 RFLP谱带表现出不同程度的多态性.
中英联合实验室
双脱氧终止法测序反应体系包括：
DNA polymerase
Template:(单链DNA模板)
Primer:（带有3-OH末端的单链寡核苷酸引物)
Mg2+ dNTP(dATP,dGTP,dCTP和dTTP) ddNTP(ddATP,ddGTP,ddCTP和ddTTP)
DNA自动测序
形态标记
能够用肉眼识别和观察、明确显示遗传多样性 的外观性状。 形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 简单直观 数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响
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
基因组学课件 第8章 分子杂交与印迹技术
➢ 操作步骤：
✓ 蛋白样品的制备 ✓ 蛋白样品的分离-（SDS-PAGE） ✓ 转膜 ✓ 封闭 ✓ 一抗杂交 ✓ 二抗杂交 ✓ 底物显色
50
3、Western 印迹杂交
➢ 酶联显色：
HRP：底物为DAB AP：底物为BCIP/NBT
51
3、Western 印迹杂交
52
3、Western 印迹杂交
转印方法：毛细管虹吸法
➢ 利用毛细管的虹吸作用由转移缓冲液带动核酸分子转移至滤膜上。 ➢ DNA片段由液体携带而从凝胶转移并聚集于薄膜表面。液体通过毛
细管作用抽吸通过凝胶，借助于一叠干的吸水纸巾产生并维持毛细 管作用。转移的速度取决于DNA片段的大小和凝胶中琼脂糖的浓度， 小片段DNA（<1kb）1h内就能够从0.7%琼脂糖上几乎定量地转移， 而较大片段的DNA转移较慢且效率较低。
3）荧光原位杂交
64
2）组织/细胞原位杂交
➢ 特点:
能在成分复杂的组织中进行单一 细胞的研究
不需从组织或细胞中提取核酸， 对含量极低的靶序列灵敏度高
能准确反映组织细胞的相互关系 及功能状态
65
4、原位杂交（in situ hybridization）
1）菌落原位杂交 2）组织/细胞原位杂交 3）荧光原位杂交
5、斑点杂交(dot blot)
59
4、原位杂交（in situ hybridization）
➢ 核酸原位杂交特点：
（1）不受组织成分的影响； （2）灵敏度高； （3）可完整保持细胞或组织形态，准确反映组织细胞的相互关系
及功能； （4）可检测多个探针。
60
4、原位杂交（in situ hybridization）
7
2、分子印迹（blot、bloting）
✓ 蛋白样品的制备 ✓ 蛋白样品的分离-（SDS-PAGE） ✓ 转膜 ✓ 封闭 ✓ 一抗杂交 ✓ 二抗杂交 ✓ 底物显色
50
3、Western 印迹杂交
➢ 酶联显色：
HRP：底物为DAB AP：底物为BCIP/NBT
51
3、Western 印迹杂交
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3、Western 印迹杂交
转印方法：毛细管虹吸法
➢ 利用毛细管的虹吸作用由转移缓冲液带动核酸分子转移至滤膜上。 ➢ DNA片段由液体携带而从凝胶转移并聚集于薄膜表面。液体通过毛
细管作用抽吸通过凝胶，借助于一叠干的吸水纸巾产生并维持毛细 管作用。转移的速度取决于DNA片段的大小和凝胶中琼脂糖的浓度， 小片段DNA（<1kb）1h内就能够从0.7%琼脂糖上几乎定量地转移， 而较大片段的DNA转移较慢且效率较低。
3）荧光原位杂交
64
2）组织/细胞原位杂交
➢ 特点:
能在成分复杂的组织中进行单一 细胞的研究
不需从组织或细胞中提取核酸， 对含量极低的靶序列灵敏度高
能准确反映组织细胞的相互关系 及功能状态
65
4、原位杂交（in situ hybridization）
1）菌落原位杂交 2）组织/细胞原位杂交 3）荧光原位杂交
5、斑点杂交(dot blot)
59
4、原位杂交（in situ hybridization）
➢ 核酸原位杂交特点：
（1）不受组织成分的影响； （2）灵敏度高； （3）可完整保持细胞或组织形态，准确反映组织细胞的相互关系
及功能； （4）可检测多个探针。
60
4、原位杂交（in situ hybridization）
7
2、分子印迹（blot、bloting）
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。
比较基因组学
系统发生的进化关系分析
生物其中一个特征是进化，比较基因组学同样以进化理论作为理论基石，同时其研究结果又前所未有地丰富 和发展了进化理论。当在两种以上的基因组间进行序列比较时，实质上就得到了序列在系统发生树中的进化关系。 基因组信息的增多使得在基因组水平上研究分子进化、基因功能成为可能。通过对多种生物基因组数据及其垂直 进化、水平演化过程进行研究，就可以对与生命至关重要的基因的结构及其调控作用有所了解。
方法及思路
模式生物基因组研究揭示了人类疾病基因的功能，利用基因顺序上的同源性克隆人类疾病基因，利用模式生 物实验系统上的优越性，在人类基因组研究中的应用比较作图分析复杂性状，加深对基因组结构的认识。
“一个物种的不同器官之间的差异要比与另一物种的同一器官之间的差异大的多。” 相似性 (similarity) 同源性 (homology) 直系同源 (orthology) 旁系同源 (paralogy) 直系同源与旁系同源 直系同源的序列因物种形成（speciation）而被区分开（separated）：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复制（gene duplication）而被区分开（separated）：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。
种内比较
同种群体内基因组存在大量的变异和多态性,正是这种基因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应的遗传学基础。
单核苷酸多态性
单核苷酸多态性(single-nucleotide 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。根据SNP在基因中的位置，可分为基因编码区SNP(coding-region SNP，cSNP)、基因周边SNP(perigenic SNP，pSNP)以及基因间SNP(intergenic SNP，iSNP)等3类。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。
生物其中一个特征是进化，比较基因组学同样以进化理论作为理论基石，同时其研究结果又前所未有地丰富 和发展了进化理论。当在两种以上的基因组间进行序列比较时，实质上就得到了序列在系统发生树中的进化关系。 基因组信息的增多使得在基因组水平上研究分子进化、基因功能成为可能。通过对多种生物基因组数据及其垂直 进化、水平演化过程进行研究，就可以对与生命至关重要的基因的结构及其调控作用有所了解。
方法及思路
模式生物基因组研究揭示了人类疾病基因的功能，利用基因顺序上的同源性克隆人类疾病基因，利用模式生 物实验系统上的优越性，在人类基因组研究中的应用比较作图分析复杂性状，加深对基因组结构的认识。
“一个物种的不同器官之间的差异要比与另一物种的同一器官之间的差异大的多。” 相似性 (similarity) 同源性 (homology) 直系同源 (orthology) 旁系同源 (paralogy) 直系同源与旁系同源 直系同源的序列因物种形成（speciation）而被区分开（separated）：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复制（gene duplication）而被区分开（separated）：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。
种内比较
同种群体内基因组存在大量的变异和多态性,正是这种基因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应的遗传学基础。
单核苷酸多态性
单核苷酸多态性(single-nucleotide 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。根据SNP在基因中的位置，可分为基因编码区SNP(coding-region SNP，cSNP)、基因周边SNP(perigenic SNP，pSNP)以及基因间SNP(intergenic SNP，iSNP)等3类。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。
研究生基因组学PPT课件
研究生基因组学PPT课件
目 录
• 基因组学概述 • 基因组学基础知识 • 基因组学研究方法 • 基因组学在医学中的应用 • 基因组学在农业中的应用 • 基因组学的伦理、法律与社会问题
01
基因组学概述
基因组学的定义与特点
总结词
基因组学的定义、特点与研究对象
详细描述
基因组学是一门研究生物体基因组的学科，其研究对象包括基因组的组成、结构、功能和演化等方面的内容。基 因组学具有系统性、整体性和复杂性等特点，其研究范围涵盖了基因组的结构、功能、进化以及基因组与环境之 间的相互作用等多个方面。
研究作物耐盐碱的基因基础，有助于 培育出能在盐碱地生长的作物品种， 扩大可耕地面积，提高农业生产效益。
抗病性基因
发掘和利用作物的抗病性基因资源， 可以培育出抗病性更强的品种，减少 农药使用，降低生产成本，同时保障 食品安全。
转基因技术与作物改良
转基因技术原理
转基因技术是一种将外源基因导入到生物体基因组中的技术，通 过该技术可以改良作物的性状和产量。
息被滥用或泄露。
基因歧视与公平性问题
基因歧视的问题
基因检测可以揭示个体的遗传疾病风险，这可能会引发 就业、保险等方面的歧视问题。政府应该制定相关法律 和政策，禁止基于基因信息的歧视行为。
公平获取基因技术的机会
虽然基因技术可以带来巨大的益处，但并不是每个人都 能公平地获得这些技术。政府和社会应该采取措施，确 保所有人都能公平地获得基因检测和治疗的机会。
基因表达与调控
基因表达
是指基因经过转录和翻译，将遗传信息转化为蛋白质或RNA分子的过程。
基因调控
是指对基因表达的调节和控制，以确保生物体在生长发育和应对环境变化时能够做Байду номын сангаас适当的反应。
目 录
• 基因组学概述 • 基因组学基础知识 • 基因组学研究方法 • 基因组学在医学中的应用 • 基因组学在农业中的应用 • 基因组学的伦理、法律与社会问题
01
基因组学概述
基因组学的定义与特点
总结词
基因组学的定义、特点与研究对象
详细描述
基因组学是一门研究生物体基因组的学科，其研究对象包括基因组的组成、结构、功能和演化等方面的内容。基 因组学具有系统性、整体性和复杂性等特点，其研究范围涵盖了基因组的结构、功能、进化以及基因组与环境之 间的相互作用等多个方面。
研究作物耐盐碱的基因基础，有助于 培育出能在盐碱地生长的作物品种， 扩大可耕地面积，提高农业生产效益。
抗病性基因
发掘和利用作物的抗病性基因资源， 可以培育出抗病性更强的品种，减少 农药使用，降低生产成本，同时保障 食品安全。
转基因技术与作物改良
转基因技术原理
转基因技术是一种将外源基因导入到生物体基因组中的技术，通 过该技术可以改良作物的性状和产量。
息被滥用或泄露。
基因歧视与公平性问题
基因歧视的问题
基因检测可以揭示个体的遗传疾病风险，这可能会引发 就业、保险等方面的歧视问题。政府应该制定相关法律 和政策，禁止基于基因信息的歧视行为。
公平获取基因技术的机会
虽然基因技术可以带来巨大的益处，但并不是每个人都 能公平地获得这些技术。政府和社会应该采取措施，确 保所有人都能公平地获得基因检测和治疗的机会。
基因表达与调控
基因表达
是指基因经过转录和翻译，将遗传信息转化为蛋白质或RNA分子的过程。
基因调控
是指对基因表达的调节和控制，以确保生物体在生长发育和应对环境变化时能够做Байду номын сангаас适当的反应。
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
18
❖ 遗传距离图的基本数据来自基因的重组。
2021/4/8
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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。
2021/4/8
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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！
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。
32
模式生物基因组研究特点
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。
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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。
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
3 充分利用模式生物实验系统上的优越性 模式生物实验上的优越性成为人类疾
米中的距离大约是水稻或高粱中的7倍
基因岛中的基因群通常具有功能上的相关性
协同丢失和协同进化
7/13/2020
直系同源集簇
由1个共同的祖先基因衍生的1组基因， 包括不同基因组中执行同一生物学功能 的种间同源物，也包括同一基因组中因 基因加倍产生的种内同源物（平行基因）
预测新基因功能
7/13/2020
不但为基因结构的研究，也为相关基因的进化 提供了信息。
7/13/2020
利用模式生物基因组研究信息研 究人类疾病基因的可行性
定位克隆是一项有效的疾病基因克隆的手 段。但是如果仅仅依靠位置信息进行定位 克隆，将十分费时费力。
比较生物学这个名词在许多文献中出现， 模式生物基因组研究的结果被大量地用于 人类基因组的研究，成为人类疾病基因克 隆的一条捷径。
纵贯全条的共线性 在保守性较低的区段，基因进化速率快于整
个基因组的平均进化速率 它们在种间基因组中很少表现共线性，甚至
在同一物种的不同生态型之间这些区段也会 发生较大变异 当用基因共线性程度估算物种分化年代时， 应当注意避免高度保守和高度变异的区段
7/13/2020
7/13/2020
破坏基因组共线性的因素
7/13/2020
比较基因组学的具体应用方法 和策略
序列的比对分析 确定基因组序列的进化关系
基因共线性synteny ：
染色体片段的分析 物种序列的优化选择 对DNA序列的信息注释
7/13/2020
基因组成的相似性 基因共线性synteny：基因排列顺序的一致性
宏观共线性：遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致 性
7/13/2020
模式生物基因组研究加深了对基因组 结构的认识
人类的基因很大，在人类基因组全部测序完成 之前，已有一些cDNA 上测序。所以其基因组 结构可能尚属未知。
利用低等模式生物基因组较小、呈压缩状态， 就可能用节约的方法在基因组水平上测序。展 示基因组的结构，包括内含子和外显子的边界 和周围顺序，还可能包括调节因子，如启动子 和增强子。
7/13/2020
结语
基因组研究的最终目的是希望对生命的本质有 更新更深刻的认识，更主要的是了解疾病机制, 造福人类。
模式生物在人类疾病研究领域作出了许多的贡 献，特别是疾病基因的同源体或家族成员在模式 生物中被功能定性时，使我们能更多地了解疾病 基因。
基因组计划的成功正在越来越多、越来越深刻 地影响着生物学各个领域研究者的思想,它为新 世纪的生物学研究打开了一扇门。
转座 插入 染色体重排 区段加倍和缺失
7/13/2020
跨物种基因克隆--图位克隆
在基因组较小的模式植物中，分离被精确定 位在大基因组中的基因
避免大量重复序列的干扰，减少染色体步移 的次数
7/13/2020
基因岛和基因协同进化
基因岛：区段基因密度远远高于全基因
组的平均密度。sh2与A1两个基因在玉
病状态下分子机制的阐明和基因功能分 析的有效手段。
以酵母为例，它就是一个很好的实验 系统。
7/13/2020
以酵母为例
首先它是一个单细胞，可以在特定的培养基上生 长，这样就可能完全控制其化学和物理环境。
其次酵母的生命周期也很适合被用来作遗传分析， 有可能构建一套16 条染色体单倍型的详尽的图谱。
第三，现今的技术可以将其6000 个基因中的任何 一个用突变的等位基因替代或准确地从基因组中缺 失。
比较基因组学研究举例
原核模式生物比较基因组学 酿酒酵母基因组 人类基因组
7/13/2020
模式生物比较基因组研究特点
模式生物基因组一般都比较小，但编码基因的比 例较高，重复序列和非编码序列较少，是 “压缩” 的基因组。
模式生物基因组中G+ C%含量高，同时CpG岛的 比例也比较高。
一些模式生物，特别在人的基因组中发现了重复 ( duplication)。
7/13/2020
最简单的真核生物--酿酒酵母 基因组
基因组为12,068 kb，比单细胞的原核生物和古细 菌大一个数量级。
共有5887个ORF，比原核生物和古细菌要多很多。 酿酒酵母的基因密度为1个基因/2kb，密度小于流
感嗜血杆菌和尿殖道支原体。 酿酒酵母--最小的真核基因组，裂殖酵母其次（密
比较基因组学
7/13/2020
中英联合实验室
比较基因组学的产生
伴随着基因组的研究, 相关信息出现了爆 炸性增长, 迫切需要对大量基因组数据进行处 理, 比较基因组学作为一门重要的工具学科应 运而生。
比较基因组学是通过对系统发育中的代表 性物种之间的全方位基因和基因家族的比较分 析，构建系统发育的遗传图谱, 来揭示基因、 基因家族的起源和功能及其在进化过程中复杂 化和多样化的机制。
各种不同的物种中，大多数重要生物学功能是由 相当数量的同源序列基因( Orthologous) 蛋白承担。
7/13/2020
模式生物比较基因组研究特点
同线( synteny) 连锁的同源基因在不同物种基因组中有 相同连锁关系。
生物体的复杂性一般表现在“生物学”的复杂性，与
基因组的C 值大小及基因数量未必一定呈线性关系。
ORF与细菌基因同源 调控模式类似于原核生物
与真核生物共同之处：
细胞遗传信息传递，尤其是转录和翻译系统 分泌系统
说明该细菌与真核生物亲缘关系较近。
7/13/2020
比较基因组学与进化
比较基因组学提供的结果表明，在进 化系统树上，古细菌与真核生物亲缘关系 比原核生物更近。
自养生物的三个分支，细菌、古细菌 和真核生物中，细菌的分化发生较早。
度是1/2.3kb），简单多细胞生物线虫的基因密度 为1/30kb。 酿酒酵母只有4%的编码基因有内含子，而裂殖酵 母有40%编码基因有内含子。
7/13/2020
人类基因组的一个片段
7/13/2020
7/13/2020
பைடு நூலகம்
人类染色体组型
上图显示的是经姬母萨染色后的G带模式图， 染色体号在染色体结构下面标注，带号在左边。
7/13/2020
果蝇基因组
果蝇基因组全长180mb，2/3是 euchromatin， 1/3是heterochromatin；Blast Search确定有 14113个转录产物（功能基因）。 Science, 287:2185-2195 (2000)
7/13/2020
比较基因组学定义
利用不同物种基因组之间功能区域顺序 上、组织结构上的同源性
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
4 比较基因组作图在人类基因组研究中的应用。 应用之一是使连锁信息和基因组资源从作图
较为详尽的物种转移到作图不完善的物种。例 如：通过定位一套在哺乳动物中进化上保守的 位点，把这些保守位点作为出发点，使连锁信 息从人、鼠等物种扩展到牛、猪、羊等物种,以 促进基因组研究。
7/13/2020
模式生物基因组的研究
尿殖道支原体是已知最小的基因组0.58Mb ， 由此可能确定能自我复制的细胞必需的一套 最少的核心基因。
流感嗜血杆菌的基因组为1.83Mb 基因组大小影响了基因数目还是基因尺度？
7/13/2020
模式生物基因组的研究
流感嗜血杆菌基因大小平均900 bp，尿殖道 支原体的基因为1040bp，基因大小差不多；
Nature，406，151-157
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
1 利用基因序列上的同源性克隆人类疾病 基因 当人类cDNA 与已知功能的模式生物 基因高度相关，当该表型的候选基因定 位于与cDNA 相同的位置上，就有助于 识别该基因。
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
7/13/2020
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。
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
3 充分利用模式生物实验系统上的优越性 模式生物实验上的优越性成为人类疾
米中的距离大约是水稻或高粱中的7倍
基因岛中的基因群通常具有功能上的相关性
协同丢失和协同进化
7/13/2020
直系同源集簇
由1个共同的祖先基因衍生的1组基因， 包括不同基因组中执行同一生物学功能 的种间同源物，也包括同一基因组中因 基因加倍产生的种内同源物（平行基因）
预测新基因功能
7/13/2020
不但为基因结构的研究，也为相关基因的进化 提供了信息。
7/13/2020
利用模式生物基因组研究信息研 究人类疾病基因的可行性
定位克隆是一项有效的疾病基因克隆的手 段。但是如果仅仅依靠位置信息进行定位 克隆，将十分费时费力。
比较生物学这个名词在许多文献中出现， 模式生物基因组研究的结果被大量地用于 人类基因组的研究，成为人类疾病基因克 隆的一条捷径。
纵贯全条的共线性 在保守性较低的区段，基因进化速率快于整
个基因组的平均进化速率 它们在种间基因组中很少表现共线性，甚至
在同一物种的不同生态型之间这些区段也会 发生较大变异 当用基因共线性程度估算物种分化年代时， 应当注意避免高度保守和高度变异的区段
7/13/2020
7/13/2020
破坏基因组共线性的因素
7/13/2020
比较基因组学的具体应用方法 和策略
序列的比对分析 确定基因组序列的进化关系
基因共线性synteny ：
染色体片段的分析 物种序列的优化选择 对DNA序列的信息注释
7/13/2020
基因组成的相似性 基因共线性synteny：基因排列顺序的一致性
宏观共线性：遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致 性
7/13/2020
模式生物基因组研究加深了对基因组 结构的认识
人类的基因很大，在人类基因组全部测序完成 之前，已有一些cDNA 上测序。所以其基因组 结构可能尚属未知。
利用低等模式生物基因组较小、呈压缩状态， 就可能用节约的方法在基因组水平上测序。展 示基因组的结构，包括内含子和外显子的边界 和周围顺序，还可能包括调节因子，如启动子 和增强子。
7/13/2020
结语
基因组研究的最终目的是希望对生命的本质有 更新更深刻的认识，更主要的是了解疾病机制, 造福人类。
模式生物在人类疾病研究领域作出了许多的贡 献，特别是疾病基因的同源体或家族成员在模式 生物中被功能定性时，使我们能更多地了解疾病 基因。
基因组计划的成功正在越来越多、越来越深刻 地影响着生物学各个领域研究者的思想,它为新 世纪的生物学研究打开了一扇门。
转座 插入 染色体重排 区段加倍和缺失
7/13/2020
跨物种基因克隆--图位克隆
在基因组较小的模式植物中，分离被精确定 位在大基因组中的基因
避免大量重复序列的干扰，减少染色体步移 的次数
7/13/2020
基因岛和基因协同进化
基因岛：区段基因密度远远高于全基因
组的平均密度。sh2与A1两个基因在玉
病状态下分子机制的阐明和基因功能分 析的有效手段。
以酵母为例，它就是一个很好的实验 系统。
7/13/2020
以酵母为例
首先它是一个单细胞，可以在特定的培养基上生 长，这样就可能完全控制其化学和物理环境。
其次酵母的生命周期也很适合被用来作遗传分析， 有可能构建一套16 条染色体单倍型的详尽的图谱。
第三，现今的技术可以将其6000 个基因中的任何 一个用突变的等位基因替代或准确地从基因组中缺 失。
比较基因组学研究举例
原核模式生物比较基因组学 酿酒酵母基因组 人类基因组
7/13/2020
模式生物比较基因组研究特点
模式生物基因组一般都比较小，但编码基因的比 例较高，重复序列和非编码序列较少，是 “压缩” 的基因组。
模式生物基因组中G+ C%含量高，同时CpG岛的 比例也比较高。
一些模式生物，特别在人的基因组中发现了重复 ( duplication)。
7/13/2020
最简单的真核生物--酿酒酵母 基因组
基因组为12,068 kb，比单细胞的原核生物和古细 菌大一个数量级。
共有5887个ORF，比原核生物和古细菌要多很多。 酿酒酵母的基因密度为1个基因/2kb，密度小于流
感嗜血杆菌和尿殖道支原体。 酿酒酵母--最小的真核基因组，裂殖酵母其次（密
比较基因组学
7/13/2020
中英联合实验室
比较基因组学的产生
伴随着基因组的研究, 相关信息出现了爆 炸性增长, 迫切需要对大量基因组数据进行处 理, 比较基因组学作为一门重要的工具学科应 运而生。
比较基因组学是通过对系统发育中的代表 性物种之间的全方位基因和基因家族的比较分 析，构建系统发育的遗传图谱, 来揭示基因、 基因家族的起源和功能及其在进化过程中复杂 化和多样化的机制。
各种不同的物种中，大多数重要生物学功能是由 相当数量的同源序列基因( Orthologous) 蛋白承担。
7/13/2020
模式生物比较基因组研究特点
同线( synteny) 连锁的同源基因在不同物种基因组中有 相同连锁关系。
生物体的复杂性一般表现在“生物学”的复杂性，与
基因组的C 值大小及基因数量未必一定呈线性关系。
ORF与细菌基因同源 调控模式类似于原核生物
与真核生物共同之处：
细胞遗传信息传递，尤其是转录和翻译系统 分泌系统
说明该细菌与真核生物亲缘关系较近。
7/13/2020
比较基因组学与进化
比较基因组学提供的结果表明，在进 化系统树上，古细菌与真核生物亲缘关系 比原核生物更近。
自养生物的三个分支，细菌、古细菌 和真核生物中，细菌的分化发生较早。
度是1/2.3kb），简单多细胞生物线虫的基因密度 为1/30kb。 酿酒酵母只有4%的编码基因有内含子，而裂殖酵 母有40%编码基因有内含子。
7/13/2020
人类基因组的一个片段
7/13/2020
7/13/2020
பைடு நூலகம்
人类染色体组型
上图显示的是经姬母萨染色后的G带模式图， 染色体号在染色体结构下面标注，带号在左边。
7/13/2020
果蝇基因组
果蝇基因组全长180mb，2/3是 euchromatin， 1/3是heterochromatin；Blast Search确定有 14113个转录产物（功能基因）。 Science, 287:2185-2195 (2000)
7/13/2020
比较基因组学定义
利用不同物种基因组之间功能区域顺序 上、组织结构上的同源性
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
4 比较基因组作图在人类基因组研究中的应用。 应用之一是使连锁信息和基因组资源从作图
较为详尽的物种转移到作图不完善的物种。例 如：通过定位一套在哺乳动物中进化上保守的 位点，把这些保守位点作为出发点，使连锁信 息从人、鼠等物种扩展到牛、猪、羊等物种,以 促进基因组研究。
7/13/2020
模式生物基因组的研究
尿殖道支原体是已知最小的基因组0.58Mb ， 由此可能确定能自我复制的细胞必需的一套 最少的核心基因。
流感嗜血杆菌的基因组为1.83Mb 基因组大小影响了基因数目还是基因尺度？
7/13/2020
模式生物基因组的研究
流感嗜血杆菌基因大小平均900 bp，尿殖道 支原体的基因为1040bp，基因大小差不多；
Nature，406，151-157
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
1 利用基因序列上的同源性克隆人类疾病 基因 当人类cDNA 与已知功能的模式生物 基因高度相关，当该表型的候选基因定 位于与cDNA 相同的位置上，就有助于 识别该基因。
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
7/13/2020