基因组学 课件 8.比较基因组学

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 , 尿殖道支原体是已知最小的基因组 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. 最少的核心基因. 流感嗜血杆菌的基因组为1.83Mb 流感嗜血杆菌的基因组为 基因组大小影响了基因数目还是基因尺度? 基因组大小影响了基因数目还是基因尺度?
2010-6-15
比较基因组学与进化
古细菌---产甲烷球菌 古细菌 产甲烷球菌 与原核生物共同之处: 与原核生物共同之处:
染色体组织与结构:环状基因组, 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, 多个编码无机离子运输蛋白的 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 ORF与细菌基因同源 与细菌基因同源 调控模式类似于原核生物
2010-6-15
模式生物比较基因组研究特点
同线( 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. 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, 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 基因组的 值大小及基因数量未必一定呈线性关系.
2010-6-15
2010-6-15
基因岛和基因协同进化
基因岛: 基因岛:区段基因密度远远高于全基因 组的平均密度. 组的平均密度.sh2与A1两个基因在玉 与 两个基因在玉 米中的距离大约是水稻或高粱中的Fra Baidu bibliotek倍 米中的距离大约是水稻或高粱中的 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
2010-6-15
2010-6-15
模式生物基因组研究对人类基因组研 究的促进作用
2 模式生物基因组研究揭示了人类疾病基 因的功能. 因的功能. 由于某些模式生物基因的功能已知, 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. 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. 高等生物的同源体.
2010-6-15
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
2010-6-15
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 模式生物基因组一般都比较小,但编码基因的比 基因组一般都比较 例较高,重复序列和非编码序列较少, 例较高,重复序列和非编码序列较少,是 "压 缩"的基因组. 的基因组. 模式生物基因组中G+ C%含量高,同时 含量高, 模式生物基因组中 含量高 同时CpG岛的 岛的 比例也比较高. 比例也比较高. 一些模式生物, 一些模式生物,特别在人的基因组中发现了重复 ( duplication). . 各种不同的物种中, 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( 蛋白承担. 相当数量的同源序列基因 Orthologous) 蛋白承担.
首先它是一个单细胞, 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. 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 有可能构建一套16 析,有可能构建一套 条染色体单倍型的详尽的 图谱. 图谱. 第三,现今的技术可以将其 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. 中缺失.
2010-6-15
最简单的真核生物--酿酒酵母 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 基因组为 , 菌大一个数量级. 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. 共有 个 ,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 酿酒酵母的基因密度为 个基因/2kb,密度小于流 感嗜血杆菌和尿殖道支原体. 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( 最小的真核基因组, 酿酒酵母 最小的真核基因组,裂殖酵母其次(密 度是1/2.3kb),简单多细胞生物线虫的基因密度 ),简单多细胞生物线虫的基因密度 度是 ), 为1/30kb. . 酿酒酵母只有4%的编码基因有内含子,而裂殖酵 的编码基因有内含子, 酿酒酵母只有 的编码基因有内含子 母有40%编码基因有内含子. 编码基因有内含子. 母有 编码基因有内含子
2010-6-15
果蝇基因组
果蝇基因组全长180mb,2/3是 euchromatin, , 果蝇基因组全长 是 , 1/3是heterochromatin;Blast Search确定有 是 ; 确定有 14113个转录产物(功能基因). 个转录产物( 个转录产物 功能基因) Science, 287:2185-2195 (2000)
2010-6-15
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 克隆新基因 揭示基因功能 阐明物种进化关系, 阐明物种进化关系,基因组的内在结构
2010-6-15
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 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
2010-6-15
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 流感嗜血杆菌基因大小平均 , 支原体的基因为1040bp,基因大小差不多; 支原体的基因为 ,基因大小差不多; 流感嗜血杆菌中平均1042 bp 有1个基因, 个基因, 流感嗜血杆菌中平均 个基因 尿殖道支原体中平均1235 bp 有1个基因. 个基因. 尿殖道支原体中平均 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. 加和基因尺寸的减小. 二者差别在于基因数量 基因数量上 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 个 ,尿殖道支原体只有470 因组有 个ORF. .
2010-6-15
2010-6-15
破坏基因组共线性的因素
转座 插入 染色体重排 区段加倍和缺失
2010-6-15
跨物种基因克隆--图位克隆 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 在基因组较小的模式植物中, 位在大基因组中的基因 避免大量重复序列的干扰, 避免大量重复序列的干扰,减少染色体步移 的次数
2010-6-15
高度保守和 高度保守和高度变异 X染色体极为保守,人类和猫的 染色体具有 染色体极为保守, 染色体极为保守 人类和猫的X染色体具有 纵贯全条的共线性 在保守性较低的区段, 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, 种间基因组中很少表现共线性 它们在种间基因组中很少表现共线性,甚至 同一物种的不同生态型之间这些区段也会 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, 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 高度变异的区段 高度保守和 应当注意避免高度保守和高度变异的区段
2010-6-15
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 疾病状态下分子机制的阐明和基因功能 分析的有效手段. 分析的有效手段. 以酵母为例, 以酵母为例,它就是一个很好的实 验系统. 验系统.
2010-6-15
以酵母为例
比较基因组学
中英联合实验室
2010-6-15
比较基因组学的产生
伴随着基因组的研究, 伴随着基因组的研究, 相关信息出现了爆 炸性增长, 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. 运而生. 比较基因组学是通过对系统发育 系统发育中的代表 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 性物种之间的全方位基因和基因家族的比较分 全方位基因 构建系统发育的遗传图谱, 来揭示基因, 析,构建系统发育的遗传图谱, 来揭示基因, 基因家族的起源 功能及其在进化过程中 起源和 及其在进化过程中复杂 基因家族的起源和功能及其在进化过程中复杂 的机制. 化和多样化的机制 化和多样化的机制.
宏观共线性: 宏观共线性:遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致 性 微观共线性: 微观共线性:物理图上基因序列的一致排列 进化距离非常近的物种间保持很好的微观共线性 在进化过程中,基因共线性被各种因素所破坏, 在进化过程中,基因共线性被各种因素所破坏,进化 距离越远的物种之间基因共线性越差, 距离越远的物种之间基因共线性越差, 两个物种之间的共线性程度可以作为衡量它们之间进 化距离的尺度
直系同源集簇
个共同的祖先基因衍生的1组基因 由1个共同的祖先基因衍生的 组基因, 个共同的祖先基因衍生的 组基因, 包括不同基因组中执行同一生物学功能 种间同源物, 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) 种内同源物( 基因加倍产生的种内同源物(平行基因) 预测新基因功能
与真核生物共同之处: 与真核生物共同之处:
细胞遗传信息传递, 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. 说明该细菌与真核生物亲缘关系较近. 亲缘关系较近
2010-6-15
比较基因组学与进化
比较基因组学提供的结果表明, 比较基因组学提供的结果表明,在进 化系统树上, 化系统树上,古细菌与真核生物亲缘关系 比原核生物更近. 比原核生物更近. 自养生物的三个分支,细菌, 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. 和真核生物中,细菌的分化发生较早.
2010-6-15
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 当人类 物基因高度相关, 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 相同的位置上, 定位于与 于识别该基因. 于识别该基因.
人类基因组基因的三条推测依据
1. 根据已测定大片段DNA中ORF的比例; 2. CpG island的个数(56%的已知基因5'都与CpG相连,而人基因组 中有45000个Islands) 3. ESTs 已经报道的是第22染色体和第21染色体.第21染色体全长33.65 Mb, 长臂上有33.546Mb,仍有7个缺口,长约3kb,99.7%. The DNA sequence of human chromosome 22, Nature 402, 489-495(1999) . The DNA sequence of human chromosome 21, Nature 405, 311-319(2000) . 21q上有127个已知基因,98个推测的基因59个pseudo genes. Chromosome22中有545个编码基因 第21+22染色体共占2%的人类总DNA,共有77%基因 Nature,406,151-157 , ,
2010-6-15
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 : 基因共线性
染色体片段的分析 物种序列的优化选择 DNA序列的信息注释 对DNA序列的信息注释
2010-6-15
基因组成的相似性 基因共线性synteny:基因排列顺序的一致性 基因共线性 :
2010-6-15
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), 比较,选取其共同的基因( 个 再加上一些其他基因, 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. 个基因的最小基因组. 个基因的最小基因组
2010-6-15
人类基因组的一个片段
2010-6-15
2010-6-15
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, 上图显示的是经姬母萨染色后的 带模式图, 带模式图 染色体号在染色体结构下面标注,带号在左边. 染色体号在染色体结构下面标注,带号在左边.
2010-6-15
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