基因组学基本知识

转录组学、蛋白质组学、代谢组学
比较基因组学

糖组学、药物基因组学、疾病基因组学、环境基因组 学、营养基因组学、表基因组学
转录组学

比较不同组织和不同发育阶段、正常状态与疾病
状态，以及体外培养的细胞中等基因表达模式的
差异, 通过如RT-PCR、EST、SAGE、DNA芯片
等分析方法，描绘特定细胞或组织在特定状态下

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 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
（5）研究进展

上的图谱位点。

取处于有丝分裂中期的细胞制片，将染色体变
性成单链（染色体拉丝），在将标记的DNA探
针变性后杂交到染色体上，保温处理后，显微
镜下直接观察。
荧光原位杂交原理
（3）序列标签位点

利用某一已知序列为标签的位点（sequence
tagged sites，STS）作探针，与DNA杂交，绘
基因组学基本知识
一、基因组学概述
二、人类基因组计划 三、基因组学的研究内容 四、基因组学的应用 五、基因组学的研究方法
一、基因组学概述

基因组学（Genomics）：1986年提出，指对生物体 所有基因进行基因组作图、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”
基因组学研究的最终目标

Βιβλιοθήκη Baidu
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
Fishing in a More Effective Way!
钓鱼
竭泽而渔
CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.
300 Mbp
二、人类基因组计划
1990年，国际人类基因组计划启动 （1）提出背景


族群间的通婚增多，人类基因资源需要保护。
“基因相关论”：所有的疾病都是人类基因组
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、
病、死的重要信息，如能否秃顶、发胖等。
（2）主要内容：

小基因组物种常用鸟枪法。
鸟枪射击法

大基因组测序存在两个问题：

片段数庞大，片段间连接和装配非常复杂 基因组中相同或相似的重复序列在连接和装
配时容易出错

大基因组测序方法


克隆连续序列法
定向鸟枪射击法

克隆连续序列法：DNA切割成长度为0.1-1Mb的
大片段→克隆到YAC或BAC载体上→分别测定单 个克隆序列→再装配连接成连续的DNA分子。 定向鸟枪射击法：以基因组图谱中标记为依据→ 测序装配和构建不同DNA片段的序列。
制物理图谱。

STS的要求：

已知序列，便于PCR检测
基因组中仅一个位点，无重复
遗传图与物理图的整合

有些标记既是遗传标记，又是物理标记的分子
标记如RFLP标记、SSR标记等

借助这些标记利用比较作图可以将遗传图和物
理图整合起来
（三）基因组测序

利用现有DNA测序方法，每个测序反应通常
只能得到800个核苷酸的序列。
同源查询的依据 有亲缘关系的物种，基因组可能存在某 种程度的相似性： 存在某些完全相同的序列； ORF的排列相似，如等长的外显子； ORF指令的氨基酸序列相似； 模拟的多肽链的高级结构相似，等。
（五）基因功能研究
（1）计算机预测

依据仍然是同源性比较。
（2）试验确认


代谢组学关注的是各种代谢路径底物和产物的小分子代谢 物，反映细胞或组织在外界刺激或是遗传修饰下代谢应答 的变化，包括糖、脂质、氨基酸、维生素等。
比较基因组学


1988年，发现番茄和马铃薯的遗传图谱很相似。
基于结构基因组学，对基因和基因组进行比较，以了解基 因的表达、功能和进化。

对同一物种不同个体以及不同物种的基因组进行比较，分 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。
构建物理图谱的3条途径
（1）限制性酶切图谱：使用酶切位点在基因组中出 现频率低的内切酶

Sma I，每78kb只有1个切点 BssH Ⅱ，每390kb只有1个切点 Not I，每10Mb 只有一个切点
限制酶作图
限制酶作图
（2）荧光原位杂交：通过荧光标记的探针与
DNA分子杂交，杂交信号即探针DNA在染色体

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 要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接 基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱

物理图谱：DNA标记在染色体上的实际位置。 有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？

遗传图谱分别率有限，测序要求标记间隔小于 100kb，遗传图谱的标记间隔远大于100kb

研究各活性蛋白之间的相互作用，蛋白质与DNA、RNA
之间的相互作用等，揭示蛋白质表面相互作用特征的能力， 构建全细胞的蛋白网络。
代谢组学

代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中，所有代谢组分 的集合，尤其指小分子物质”

代谢组学是 “在新陈代谢的动态进程中，系统研究代谢
产物的变化规律，揭示机体生命活动代谢本质”的科学。
遗传图谱 物理图谱 转录本图谱
功能 基因组学 基因结构/功能及其相互关系
(后基因组学 基因表达调控 )
基因识别/鉴定/克隆

功能基因组学：利用结构基因组学提供的信息系统
地研究基因功能，从对单一基因或蛋白质的研究转
向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。

功能基因组学就是对基因组序列进行诠释。
功能基因组学的衍生学科
几个代表物种的基因组大小
物种 T4噬菌体 大肠杆菌 酵母 拟南芥 果蝇 桃 水稻 小白鼠 人类 玉米 普通小麦 基因组大小/bp 2.0×10 5 4.2×10 6 1.5×10 7 1.0×10 8 1.65×10 8 3.0×10 8 3.89×10 8 3.0×10 9 3.3×10 9 5.4×10 9 1.6×10 10

构建基因组的遗传图谱； 构建基因组的物理图谱； 测定基因组DNA的全部序列； 绘制基因组的转录本图谱； 分析基因组的功能。
（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
（4）研究意义
的基因表达的种类和丰度的信息，编制成基因表
达的数据。
蛋白组学

一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质（在空间 和时间上动态变化着的整体）。

提供各种活性蛋白质的翻译时间、基因产物相对浓度、修
饰作用、细胞定位等信息。

功能蛋白质组学以在特定时间、特定环境条件下的蛋白质 为研究对象（与某一生理现象有关），是个别蛋白的传统 研究和全体蛋白质的蛋白质组研究的中间层次。
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
三、基因组学的研究内容
结构 基因组学 基因组学 基因定位 基因组作图 基因组测序
利用EST作为 标记所构建的 分子遗传图谱
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
五、基因组学的研究方法
（一）遗传图谱的构建 （二）物理图谱的构建 （三）基因组测序
（四）基因鉴定
（五）基因功能研究
（二）物理图谱的构建
为什么要构建基因组图谱？
基因的超表达
反义RNA技术
RNAi
转座子插入突变
基因功能研究
1、计算机预测基因功能 依据仍然是同源性比较。同源基因拥有 一个共同的祖先基因，它们之间有许多 相似的序列。 种间同源基因 种内同源基因
基因功能研究
2、实验确认基因功能 基因克隆 基因敲除（knock-out） 基因的超表达 反义RNA技术 RNAi 转座子插入突变

精确性不够，经典遗传学认为，交换是随机发生 的，但基因组中有些区域是重组热点，而且倒位、 重复等染色体结构变异会限制交换重组
酵 母 遗 传 图 与 物 理 图 比 较
A 遗传图 B 物理图
人类基因组物理图

1987年，RFLP图谱，403个标记，10Mb
1994年，5800个标记，0.7Mb 1996年，17000多个标记，100kb 完全适应全基因组测序的要求

（四）基因鉴定

根据序列分析搜寻基因

查找开放阅读框（open reading frame, ORF）

同源查询

利用数据库的基因序列与待查基因组序列比对。 同源查询可以部分弥补ORF扫描的不足。
根据序列分析搜寻基因
查找开放阅读框（open reading frame, ORF） 开放阅读框都有一个起始密码子， ATG ，还要有 终止密码子。 从ATG开始，然后向下游寻找终止密码子。 起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够 被3整除 每一条链都有 3 种可能的阅读框， 2 条连共计有 6 种可能的阅读框. 计算机可以很快给出结果。