第十章 基因组学、蛋白质组学和生物信息学
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功能基因组学研究
研究方法： 1、定点破坏结构基因（gene knock-out） 2、基因组内定位表达目的基因（gene knock-in）的方法来研究新基因的3、 获得全长cDNA的技术（RACE） 4、功能克隆法：分离纯化蛋白，测序后设计探针从文库中筛选基因 5、定位克隆法：先利用连锁分析定位基因，再根据物理图谱找出相关的 BAC克隆，进一步查看此克隆序列，计算机分析，定位合适的候选基因 6、酵母双杂交
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物理图（Physical Map）
遗传图所表现的，是通过连锁分析确定的各基因间的相对位置；物理 图则表现染色体上每个DNA片段的实际顺序。物理图是指以已知核苷酸序
列的DNA片段（序列标签位点，sequence-tagged site，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。 现在的测序技术还不能对整个DNA分子进行序列测定，因此须先将它
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遗传图的绘制
遗传图也称连锁图，是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离， 后者通常以基因或DNA片段在染色体交换过程中的分离频率厘摩（cM）来表示。遗 传图的绘制是人类基因组研究的第一步，即以染色体上某一点为遗传标记，以与之相 伴遗传的特征为对象，经连锁分析，将编码该特征的基因定位于染色体特定位置。 cM值越大，两者之间距离越远。通过遗传图分析，我们可以大致了解各个基因或 DNA片段之间的相对距离与方向，了解哪个基因更靠近着丝粒，哪个更靠近端粒等。 遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，研究中所使用的DNA标志越多，越密集，所 得到的遗传连锁图的分辨率就越高。
经典的遗传标记是可被电泳或免疫技术检出的蛋白质标记，如红细胞ABO血型 位点标记，白细胞HLA位点标记等。例如，在ABO血型基因中，位于9号染色体长臂3 区4带（9q34）的基因IA，决定抗原A的存在，表现A型血性状。由于ABO血型的广泛存 在，所以可用它作遗传标记。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）。
比较基因组学的威力就在于它能根据对一种生物相关基因的认识 来理解、诠释甚至克隆分离另一种生物的基因。
远缘基因组间的比较为认识生物学机制的普遍性，寻找研究复杂 生理和病理过程所需的实验模型提供了理论依据，而近缘基因组间的 比较则为认识基因结构与功能等细节提供了参数。因此，为充分理解 人类基因组，必须对一系列近缘和远缘的模式生物进行基因组程度上 的比较分析工作。
1990年，美国发起，耗资30亿美元，历时15年，1999年，中国参与 3号染色体上一小片段，占1％。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
人类基因组计划的目标： （1）确定人类基因组中约5万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。 （3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录“框 架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形成染色体结构、 DNA复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。 （4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列 与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色 体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从 三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。
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如果只用已知定位的少数几个基因作遗传标记，由于遗传标记 的数目太少，很难绘制完整的连锁图。DNA技术的建立为人类提供 了大量新的遗传标记。 第一代DNA遗传标记是RFLP（Restriction Fragment Length Polymorphism，限制性片段长度多态性）。DNA序列上的微小变化， 甚至1个核苷酸的变化，也能引起限制性内切酶切点的丢失或产生， 导致酶切片段长度的变化。由于核苷酸序列的改变遍及整个基因组， 特别是进化中选择压力不是很大的非编码序列之中，RFLP的出现频 率远远超过了经典的蛋白质多态性。而且，只要选择得当，生物体 内出现共显性RFLP及RAPD分子标记的频率较高。
此外，工业基因组学、环境基因组学、药物基因组学、疾病基因组 学等分支学科也在不断发展。
9
基因组的序列主要可被分为三类： （一）通过比较确知其生理功能的； （二）在数据库中有相匹配的蛋白质序列，但并不知道其功能的； （三）在现有数据库中找不到任何相匹配的蛋白质序列的新基因。
由于生物在进化上是相互关联的，对一种生物的研究可以为其它 生物提供有价值的信息。
其他载体还有BAC（细菌人工染色体，容量100－300kb）、P1（噬 菌体人工染色体）、粘粒（cosmid，容量45kb）、MAC等。现在，人类 基因组24条染色体的YAC、BAC、P1邻接克隆群均已建立，精度约100碱 基对的物理图也基本绘成，并已开始进行大规模测序。
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人类基因组的序列图（Human Genome Sequence）
生物的性状，包括疾病，都由蛋白质决定。所有蛋白质都是由mRNA （信使核糖核酸）编码的，而mRNA又由DNA转录而来。人类基因组中仅1 ％～5％的DNA是编码序列（基因）；成人各种组织中又只有约1％的基 因表达为蛋白质。所以，建立转录图，或从mRNA逆转录而来的cDNA图， 是分离、定位和克隆基因的关键。这里，表达序列位标（EST）具有重 要意义。EST是长约100～300碱基对的cDNA片段，是表达基因的一部分。 EST由于序列较短，很难定位，只有筛到较长的基因片段（超过1000碱 基对），才能用荧光原位杂交（FISH）法在染色体上定位。
第十二章 基因组学、蛋白质组学和生物信息学
一、基因组学 二、蛋白质组学 三、生物信息学
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基因组学研究并解析生物体整个基因组的所有 遗传信息。
基因组（genome）是细胞或生物体的一套完 整的单倍体遗传物质，是所有不同染色体上全 部基因和基因间的DNA的总和。分为 核基因 组、核外基因组
基因组学研究方法：SAGE、DNA chips等
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人类基因组研究内容包括遗传图（Genetic Map）绘制、物理图 （Physical Map）构建、人类基因组的序列图测序、转录图 （Expression Profiling）绘制和基因鉴定等方面的工作。
通过多年来的发展，基因组学（genomics）作为一门专门学科，已 应运而生。它涵盖以下几个方面： 结构基因组学，着重遗传图、物理图、测序等研究； 功能基因组学，在基因组水平上阐明DNA序列的功能； 比较基因组学，包括对不同进化阶段生物基因组的比较研究，也包括不 同人种、族群和群体基因组的比较研究。
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蛋白质组学的含义
蛋白质组(Proteome)一词最早由澳大利亚学者 Ｗ ｉｌｋｉｎｓ等于1994年提出,指的是由一个基因组 geneome或一个细胞、组织表达的所有蛋白质 功能蛋白质组学的提出及概念
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第二代DNA遗传标记利用了存在于人类基因组中的大量重复序列， 包括重复单位长度在5-20个核苷酸左右的小卫星DNA（minisatellite DNA），重复单位长度在2-6个核苷酸之间的微卫星DNA （microsatellite DNA），后者又称为简短串联重复（STR、SSR）。 STR有两个最突出的优点，即作为遗传标记的“多态性”与“高频率”。 STR的存在，为遗传图的绘制提供了大量可用的遗传标记。采用聚 合酶链反应（PCR）技术，以STR两侧的基因作定点标记的完整连 锁图，已于1996年绘成，相邻标记间的平均距离仅0.7厘摩。
EST可用工业化的程序生产，只要分离到某一发育阶段某一组织的 mRNA，就可用逆转录法，从mRNA合成相应的cDNA片段，即EST。用它作 探针，就可从基因组文库中筛到全长的基因序列。截止到1998年2月， 已发现约92万条EST，转录图的制作有了良好的开端，但这已属后基因 组计划的工作。
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蛋白质组学及其研究进展
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人 类 基 因 组计划
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20世纪人类科技发展史上的三大创举
1. 1940年代第一颗原子弹爆炸； 2. 1960年代人类首次登上月球； 3. 1990年代提出并基本完成的人类基因组计划（Human Genome
Project，HGP）
DNA 双螺旋结构的发现者之一、美国国家卫生研究院（NIH）人 类基因组研究所第一任所长J.D.Watson 1990年在《Science》上撰文指出， 与人类登月计划相比，HGP的资金投入少，但它对人类生活的影响却可 能更深远。
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（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障了遗传的 稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制、 异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类DNA 正常复制和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提 供重要的结构上的依据。 （6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗 传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变 及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。 （7）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。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有 效地利用病毒载体进行基因治疗。 （8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、 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。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布 与迁移以及人类与其他物种之间的比较。
基因组测序策略 1、鸟枪法：将基因组随机打断，构建一系列随机亚克隆，然后每 个克隆测序，最后根据序列的重叠区域组装成完整的基因组序列。
优点：快、简单、成本低 缺点：由于大量存在的重复序列，致使组装困难 2、定位克隆法：首先构建物理图谱，再测序、组装 优点：组装简单 缺点：物理图谱制作费时
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转录图（Expression Profiling）
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）。
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“遗传图”的建立为人类疾病相关基因的分离克隆奠定了基 础。拥有5000多个遗传学位点，相当于把整个人类基因组划分为 5000多个小区，并分别设置了“标牌”。这些标牌将在搜索功能基 因的过程中发挥独特的作用。把多态性的疾病基因位点（该位点 至少包括“正常”及“致病” 两个等位基因）与上述遗传标记进行分 析比较时，如果在家系中证实该基因与某个标记不连锁（重组率 为50%），表明该基因不在这一标记附近；如果发现该基因与某 个标记有一定程度的“连锁”（重组率小于50%但大于0），表明它 可能位于这个标记附近；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。
切成一个个大小不同的片段，然后将这些片段连起来，构成连续的序列。 物理图的主要内容是建立相互重叠连接的“相连DNA片段群（contigs)
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这些大片段在进行DNA分子克隆时，也不能通过细菌质粒或噬菌体 的运载而在大肠杆菌中进行克隆，因为它们太大，而必须用一种特殊 的载体--酵母人工染色体（YAC，容量800－2000kb），将片段导入酵 母，在酵母细胞中克隆。YAC中的DNA大片段是靠序列标记位标（STS） 来识别的。STS是基因组中一段200～500bp的单拷贝序列，在染色体上 有一定的位置，所以用STS作位标可将不同YAC克隆排列成邻接克隆群 （contig）。
功能基因组学研究
研究方法： 1、定点破坏结构基因（gene knock-out） 2、基因组内定位表达目的基因（gene knock-in）的方法来研究新基因的3、 获得全长cDNA的技术（RACE） 4、功能克隆法：分离纯化蛋白，测序后设计探针从文库中筛选基因 5、定位克隆法：先利用连锁分析定位基因，再根据物理图谱找出相关的 BAC克隆，进一步查看此克隆序列，计算机分析，定位合适的候选基因 6、酵母双杂交
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物理图（Physical Map）
遗传图所表现的，是通过连锁分析确定的各基因间的相对位置；物理 图则表现染色体上每个DNA片段的实际顺序。物理图是指以已知核苷酸序
列的DNA片段（序列标签位点，sequence-tagged site，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。 现在的测序技术还不能对整个DNA分子进行序列测定，因此须先将它
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遗传图的绘制
遗传图也称连锁图，是指基因或DNA标志在染色体上的相对位置与遗传距离， 后者通常以基因或DNA片段在染色体交换过程中的分离频率厘摩（cM）来表示。遗 传图的绘制是人类基因组研究的第一步，即以染色体上某一点为遗传标记，以与之相 伴遗传的特征为对象，经连锁分析，将编码该特征的基因定位于染色体特定位置。 cM值越大，两者之间距离越远。通过遗传图分析，我们可以大致了解各个基因或 DNA片段之间的相对距离与方向，了解哪个基因更靠近着丝粒，哪个更靠近端粒等。 遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，研究中所使用的DNA标志越多，越密集，所 得到的遗传连锁图的分辨率就越高。
经典的遗传标记是可被电泳或免疫技术检出的蛋白质标记，如红细胞ABO血型 位点标记，白细胞HLA位点标记等。例如，在ABO血型基因中，位于9号染色体长臂3 区4带（9q34）的基因IA，决定抗原A的存在，表现A型血性状。由于ABO血型的广泛存 在，所以可用它作遗传标记。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）。
比较基因组学的威力就在于它能根据对一种生物相关基因的认识 来理解、诠释甚至克隆分离另一种生物的基因。
远缘基因组间的比较为认识生物学机制的普遍性，寻找研究复杂 生理和病理过程所需的实验模型提供了理论依据，而近缘基因组间的 比较则为认识基因结构与功能等细节提供了参数。因此，为充分理解 人类基因组，必须对一系列近缘和远缘的模式生物进行基因组程度上 的比较分析工作。
1990年，美国发起，耗资30亿美元，历时15年，1999年，中国参与 3号染色体上一小片段，占1％。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
人类基因组计划的目标： （1）确定人类基因组中约5万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。 （3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录“框 架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形成染色体结构、 DNA复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。 （4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列 与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色 体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从 三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。
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如果只用已知定位的少数几个基因作遗传标记，由于遗传标记 的数目太少，很难绘制完整的连锁图。DNA技术的建立为人类提供 了大量新的遗传标记。 第一代DNA遗传标记是RFLP（Restriction Fragment Length Polymorphism，限制性片段长度多态性）。DNA序列上的微小变化， 甚至1个核苷酸的变化，也能引起限制性内切酶切点的丢失或产生， 导致酶切片段长度的变化。由于核苷酸序列的改变遍及整个基因组， 特别是进化中选择压力不是很大的非编码序列之中，RFLP的出现频 率远远超过了经典的蛋白质多态性。而且，只要选择得当，生物体 内出现共显性RFLP及RAPD分子标记的频率较高。
此外，工业基因组学、环境基因组学、药物基因组学、疾病基因组 学等分支学科也在不断发展。
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基因组的序列主要可被分为三类： （一）通过比较确知其生理功能的； （二）在数据库中有相匹配的蛋白质序列，但并不知道其功能的； （三）在现有数据库中找不到任何相匹配的蛋白质序列的新基因。
由于生物在进化上是相互关联的，对一种生物的研究可以为其它 生物提供有价值的信息。
其他载体还有BAC（细菌人工染色体，容量100－300kb）、P1（噬 菌体人工染色体）、粘粒（cosmid，容量45kb）、MAC等。现在，人类 基因组24条染色体的YAC、BAC、P1邻接克隆群均已建立，精度约100碱 基对的物理图也基本绘成，并已开始进行大规模测序。
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人类基因组的序列图（Human Genome Sequence）
生物的性状，包括疾病，都由蛋白质决定。所有蛋白质都是由mRNA （信使核糖核酸）编码的，而mRNA又由DNA转录而来。人类基因组中仅1 ％～5％的DNA是编码序列（基因）；成人各种组织中又只有约1％的基 因表达为蛋白质。所以，建立转录图，或从mRNA逆转录而来的cDNA图， 是分离、定位和克隆基因的关键。这里，表达序列位标（EST）具有重 要意义。EST是长约100～300碱基对的cDNA片段，是表达基因的一部分。 EST由于序列较短，很难定位，只有筛到较长的基因片段（超过1000碱 基对），才能用荧光原位杂交（FISH）法在染色体上定位。
第十二章 基因组学、蛋白质组学和生物信息学
一、基因组学 二、蛋白质组学 三、生物信息学
1
基因组学研究并解析生物体整个基因组的所有 遗传信息。
基因组（genome）是细胞或生物体的一套完 整的单倍体遗传物质，是所有不同染色体上全 部基因和基因间的DNA的总和。分为 核基因 组、核外基因组
基因组学研究方法：SAGE、DNA chips等
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人类基因组研究内容包括遗传图（Genetic Map）绘制、物理图 （Physical Map）构建、人类基因组的序列图测序、转录图 （Expression Profiling）绘制和基因鉴定等方面的工作。
通过多年来的发展，基因组学（genomics）作为一门专门学科，已 应运而生。它涵盖以下几个方面： 结构基因组学，着重遗传图、物理图、测序等研究； 功能基因组学，在基因组水平上阐明DNA序列的功能； 比较基因组学，包括对不同进化阶段生物基因组的比较研究，也包括不 同人种、族群和群体基因组的比较研究。
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蛋白质组学的含义
蛋白质组(Proteome)一词最早由澳大利亚学者 Ｗ ｉｌｋｉｎｓ等于1994年提出,指的是由一个基因组 geneome或一个细胞、组织表达的所有蛋白质 功能蛋白质组学的提出及概念
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第二代DNA遗传标记利用了存在于人类基因组中的大量重复序列， 包括重复单位长度在5-20个核苷酸左右的小卫星DNA（minisatellite DNA），重复单位长度在2-6个核苷酸之间的微卫星DNA （microsatellite DNA），后者又称为简短串联重复（STR、SSR）。 STR有两个最突出的优点，即作为遗传标记的“多态性”与“高频率”。 STR的存在，为遗传图的绘制提供了大量可用的遗传标记。采用聚 合酶链反应（PCR）技术，以STR两侧的基因作定点标记的完整连 锁图，已于1996年绘成，相邻标记间的平均距离仅0.7厘摩。
EST可用工业化的程序生产，只要分离到某一发育阶段某一组织的 mRNA，就可用逆转录法，从mRNA合成相应的cDNA片段，即EST。用它作 探针，就可从基因组文库中筛到全长的基因序列。截止到1998年2月， 已发现约92万条EST，转录图的制作有了良好的开端，但这已属后基因 组计划的工作。
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蛋白质组学及其研究进展
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人 类 基 因 组计划
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20世纪人类科技发展史上的三大创举
1. 1940年代第一颗原子弹爆炸； 2. 1960年代人类首次登上月球； 3. 1990年代提出并基本完成的人类基因组计划（Human Genome
Project，HGP）
DNA 双螺旋结构的发现者之一、美国国家卫生研究院（NIH）人 类基因组研究所第一任所长J.D.Watson 1990年在《Science》上撰文指出， 与人类登月计划相比，HGP的资金投入少，但它对人类生活的影响却可 能更深远。
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（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障了遗传的 稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制、 异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类DNA 正常复制和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提 供重要的结构上的依据。 （6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗 传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变 及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。 （7）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。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有 效地利用病毒载体进行基因治疗。 （8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、 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。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布 与迁移以及人类与其他物种之间的比较。
基因组测序策略 1、鸟枪法：将基因组随机打断，构建一系列随机亚克隆，然后每 个克隆测序，最后根据序列的重叠区域组装成完整的基因组序列。
优点：快、简单、成本低 缺点：由于大量存在的重复序列，致使组装困难 2、定位克隆法：首先构建物理图谱，再测序、组装 优点：组装简单 缺点：物理图谱制作费时
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转录图（Expression Profiling）
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）。
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“遗传图”的建立为人类疾病相关基因的分离克隆奠定了基 础。拥有5000多个遗传学位点，相当于把整个人类基因组划分为 5000多个小区，并分别设置了“标牌”。这些标牌将在搜索功能基 因的过程中发挥独特的作用。把多态性的疾病基因位点（该位点 至少包括“正常”及“致病” 两个等位基因）与上述遗传标记进行分 析比较时，如果在家系中证实该基因与某个标记不连锁（重组率 为50%），表明该基因不在这一标记附近；如果发现该基因与某 个标记有一定程度的“连锁”（重组率小于50%但大于0），表明它 可能位于这个标记附近；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。
切成一个个大小不同的片段，然后将这些片段连起来，构成连续的序列。 物理图的主要内容是建立相互重叠连接的“相连DNA片段群（contigs)
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这些大片段在进行DNA分子克隆时，也不能通过细菌质粒或噬菌体 的运载而在大肠杆菌中进行克隆，因为它们太大，而必须用一种特殊 的载体--酵母人工染色体（YAC，容量800－2000kb），将片段导入酵 母，在酵母细胞中克隆。YAC中的DNA大片段是靠序列标记位标（STS） 来识别的。STS是基因组中一段200～500bp的单拷贝序列，在染色体上 有一定的位置，所以用STS作位标可将不同YAC克隆排列成邻接克隆群 （contig）。