第二十三章 基因组学与医学
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• 过去采用制图策略发现癌基因和抑癌基因。 • 基因组学为发现新的肿瘤候选基因提出新策略。
16
四、基因组学与流行病病因学
• 当前遗传医学和流行病学（923例）研究显示：
发病原因
发病比例%
酶功能异常
31.2
蛋白质功能调节分子异常（调节蛋白稳定性、激活、 13.6 折叠等）
受体、转录因子异常
7~8
细胞内基质、细胞外基质相关疾病
（三）实验性设计基因功能
➢对基因进行缺失或剔除是最常 用的方法
➢结合缺失或剔除后观察到的表型 变化即可推测基因功能。
（四）描述基因表达模式
✓功能基因组学涉及两个概念： ✓转录组（transcriptome）： ✓指一个细胞内的一套mRNA转录物。 ✓包含了某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理（功 能）状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。 ✓此研究领域又称转录组学（transcriptomics） ✓应用技术：DNA芯片、毛细管电泳芯片、PCR芯片。 ✓蛋白质组（proteome） ✓指一个细胞内的全套蛋白质。 ✓反映了特殊阶段、环境、状态下细胞或组织在翻译水平的蛋白 质表达谱。 ✓此研究领域又称蛋白质组学（proteomics） ✓应用技术：双向电泳、飞行质谱、蛋白质芯片。
人类基因组序列。 8
（四）创建计算机分析管理系统
• HGP产生的大量资料（未加工和加工成 熟的）需要累计、组织、储存、分析比 较与综合，必须建立计算机资料库和管 理系统。
• 已建立美国国家人类基因组研究中心：
– / – 任何人员和公众社会都可以获得HGP关于
15
三、基因组学与肿瘤病因学
• 生命过程中，人类细胞的DNA始终暴露于各种致癌因 子，引发DNA损伤。
• 如果损伤未能及时修复或修复时发生错配，就会发生 突变。
• 一旦突变发生在某个关键基因并改变其功能，就可能 导致细胞异常增殖形成异常细胞克隆，导致肿瘤。
• 目前已经发现大约30个隐性癌基因（抑癌基因）和 100多个显性癌基因。
染色体图谱的重要信息。
9
三、功能基因组学
• 完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基 因组阶段
– 详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包 括研究基因的表达及其调控模式，
– 这就是功能基因组学（functional genomics）。
• 实现这一任务需要分子生物学实验室工作与生 物信息学中的计算机分析相结合。
多基因病
• 这类疾病发病的基因机制十分复杂： – 涉及一个以上基因及其基因与环境的相互作 用。 – 这些基因在发病中的作用
• 可能近乎等同 • 也可能有“主”有“次”，前者为易感基因。
• 人类大多数疾病属于此类： – 肿瘤、心血管病、代谢性疾病、神经精神类 疾病、免疫性疾病等。
（三）获得性基因病
获得性基因病
11
四、比较基因组学
• 比较基因组学(comparative genomics)
–涉及比较不同物种的整个基因组， –以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。
• 研究意义
–是“所有当代基因组都是从一个共同祖先基因计 划而来”这一信念的基础。
–为通过研究非人类生命个体中基因的功能来确定 人类基因的功能提供有价值的手段。
• 环境基因组学研究的主要目的
– 是了解环境对人类疾病的的影响和意义。 – 研究与环境中物理、化学及生物学因素相互作用的蛋白质
及其编码基因，识别基因组多样性与结构-功能的关系， – 有助于发现特定环境因子致病的危险人群，制定相应的预
防措施和环境保护策略。
18
六、药物分析和设计
• 药物基因组学（pharmacogenomics） • 研究的主要内容：
12
第二节 基因组学与医学关系
The Relation between Genomics and Medicine
13
一、基因病的概念
• 以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大 多直接或间接地与基因相关，故有“基因病”概念产生。
• 根据这一概念，人类疾病大致分为三类：
（一）单基因病
4
一、结构基因组学
• 结构基因组学(structural genomics)
– 是通过HGP的实施来完成的。
• HGP的研究内容：
– 就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终 完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序 列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。
0.7 cM 或 kb
遗传图谱
基因图谱
（二）疾病时基因组差异表达分析
将基因病概念与基因组学原 理、技术相结合分析鉴定疾 病相关的多个基因表达水平
当前开展最多 的就是DNA芯
片技术
（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆
基因组全序列分析加快了疾病相关基因的克隆。
基因组全序列分析完成后结合结合 HGP发现的大量可利用序列资料
• 多态性探针资料 • STSs资料 • 克隆资料 • 遗传的、物理的和可整合的图谱资料 • 限制性片段 • DNA片段 这些资料将使疾病相关基因的克隆更为快捷方便。
• 基因组(genome)
– 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物 质；不同生物基因组大小不同。
– 真核生物的基因组是指一套染色体（单倍体） DNA。
– 人基因组
3
基因组学包括三个不同的亚领域
基因组学于1986年首次被提出，以1990 年正式启动的“人类基因组计划”（human genome project ，HGP）为标志，由“后 人类基因组计划”（post-human genome project ，PHGP）的实施推动其发展。 生物信息学（bioinformatics）的介入， 基因组学作为一门学科的雏形大致形成。
10
主要包括以下几个方面
• （一 • （三）实验性设计基因功能 • （四）描述基因表达模式
（一）鉴定DNA序列中的基因
即对基因组序列进行“注释” 包括： 鉴定和描述推测的基因 非基因序列及其功能
这项工作 主要采用十进制计算机程序进行全基因扫描， 鉴定内含子与外显子之间的衔接， 寻找全长开放阅读框（ORFs）， 确定多肽链编码序列。
（二）多基因病
单基因病
※主要病因 ※是在一个基因位点上存在缺陷的等位基因。 ※他们在家系中表现为孟德尔遗传规律。
※如：镰刀红细胞贫血等。
In1956,Vemon Ingram discovered that a specific chemical alteration in a hemoglobin protein,the substitution of valine for glutamic acid in the sixth amino acid in beta globin is the root of the disease.Other mutations in hemoglobin can also cause Sickle cell anemia and were sorted out later.
第二十三章
基因组学与医学
Genomics and Medicine
1
第一节 基因组学
什么是基因组学（Genomics） 基因组学涵盖哪些领域？ 基因组学包括哪些内容？
2
基因组学概念及范畴
• 基因组学(genomics)
– 就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算 机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结 构及功能。
– 标志位点间的图距以遗传学（重组）距离表示。单位是分 摩尔根（centimoregen，cM）。
• 在人类，1cM相当于106的DNA碱基对。
• 1994年完成的线性遗传制图
– 确定了全部标志为0.7cM、含5826个转座子、大小为 4000cM。
7
（三）基因组DNA序列测定
已•经H于G2P00的0年最6月终由目人标类基因组计划国际合
如果有错配则不发生杂交。
▪ 2、等位基因特异寡核苷酸杂交（ASO）
限制性片段长度多态性（RFLP）
• 图23-1B
野生型 5’-GACAGTTGCCGTATTCTTG-3’ 突变型 5’-GACAGTTGCTGTATTCTTG-3’
纯合子（正常） 纯合子（突变） 杂合子 野生型探针
突变型探针
B 分别采用野生型和突变型等位基因序列 特异的寡核苷酸探针检测纯合子、杂合 子个体
• 大规模SNP自动分型采用
变性梯度胶电泳（DGGE）
▪ DNA微点阵（DNA microarrays）DNA芯片 （DNA chiips）
▪ 基因芯片点阵（genechip arrays）
▪ 寡核苷酸点阵（oligonucleotide arrays）
单核苷酸多态性（SNPs）采用最多 如果一个碱基位点发生的变异在1%以上的 人群存在，这个位点就被定义为SNP位点。 国际SNP制图工作小组发现： 每1.08个基因序列就有一个SNP。 93%的基因都有一个SNP。
• 这类疾病由病原微生物感染引起，不符 合孟德尔遗传规律。 – 可能涉及人类基因组和病原微生物基因组的 相互作用； – 多数涉及人类基因组结构及其表达功能的改 变。
• 例如： – 艾滋病、鼻咽癌
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二、疾病相关基因的鉴定
（一）检测人类基因变异或突变
检测人类基因变异或突变的方法
DNA直接测序
SNP的等位基因分型采用的方法
（二）同源搜索设计基因功能
• 因为 • 同源基因在进化过程中来自共同的祖先，
• 因此 • 通过核苷酸或氨基酸序列同源性比较就能推测基因组 内相似功能的基因。
• 这种同源搜索 • 也涉及以计算机为基础的序列比较分析。 • 工具：国际生物技术中心（NCBI）的BLAST程序。 • 网站：
• 1995年完成的物理图
– 分辨率为200kb – 以STSs为标志
6
（二）遗传制图
• 遗传图或连锁图（genetic or linkage map）
– 是基因根据重组频率在染色体上的线性排列或分布（两个 以上的基因出现在同一染色体上称连锁）
– 在HGP中所说的遗传制图指确定标志位点在一条染色体上 的线性排列顺序。
6~7
跨膜蛋白、离子通道、信号分子、激素、细胞外转运 1~4 蛋白、免疫蛋白及其他
未知分子编码基因6
6
流行病病因学调研分析可以为临床诊断、疾病防治提 供线索
17
五、环境与疾病
• 绝大多数疾病
– 是基因组信息与环境因素相互作用的结果。 – 由于人类遗传的多态性，不同个体对环境致病因素的易感
性也有差异。
– 同时分析多种候选药物对疾病相关基因和基因产 物的潜在影响，发掘新药，并针对基因组多样性 设计更安全有效的个性化治疗方案。
• （一）药物分析——药物作用靶点、发现新药 • （二）药物设计——根据基因特性为人群或个
人设计药物。
19
作组–完测成定人人类类基因23组条“染工作色框体架的图3”0。亿个 2001年碱2基月组12日成公的布全人部类D基N因A组序图列谱。及初步 分析–结还果包。括：
2002年• 发2月展12D日N，A测历序时1新0年技耗术资；20亿美元的 人类基•因模组式计生划物最基终因完组成D，N并A报测道序了。99%的
单链构象多态性（SSCP）
▪ 1、寡核苷酸杂交分析
• 图23-1A
稳定杂交
GCCATTAAGTCTTCATCCCTA 寡核苷酸 CGGTAATTCAGAAGTAGGGAT 目标DNA
SNP位点
不稳定杂交
GCCATTAAGTCTTCATCCCTA CGGTAATTCATAAGTAGGGAT
A
在严谨杂交条件下，寡核苷酸探针与 正常等位基因完全互补，发生杂交；
物理图谱
序列图谱
100 kb STS map
– 创建计算机分析管理系统
5
（一）物理制图
• HGP中的物理图（physical map）
– 指的是染色体上诸如下列位点的位置图：
• 限制性核酸内切酶识别位点 • 序列标志位点（sequence tagged sites，STSs）
– 位点之间的距离以碱基对（bp）来表示。
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四、基因组学与流行病病因学
• 当前遗传医学和流行病学（923例）研究显示：
发病原因
发病比例%
酶功能异常
31.2
蛋白质功能调节分子异常（调节蛋白稳定性、激活、 13.6 折叠等）
受体、转录因子异常
7~8
细胞内基质、细胞外基质相关疾病
（三）实验性设计基因功能
➢对基因进行缺失或剔除是最常 用的方法
➢结合缺失或剔除后观察到的表型 变化即可推测基因功能。
（四）描述基因表达模式
✓功能基因组学涉及两个概念： ✓转录组（transcriptome）： ✓指一个细胞内的一套mRNA转录物。 ✓包含了某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理（功 能）状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。 ✓此研究领域又称转录组学（transcriptomics） ✓应用技术：DNA芯片、毛细管电泳芯片、PCR芯片。 ✓蛋白质组（proteome） ✓指一个细胞内的全套蛋白质。 ✓反映了特殊阶段、环境、状态下细胞或组织在翻译水平的蛋白 质表达谱。 ✓此研究领域又称蛋白质组学（proteomics） ✓应用技术：双向电泳、飞行质谱、蛋白质芯片。
人类基因组序列。 8
（四）创建计算机分析管理系统
• HGP产生的大量资料（未加工和加工成 熟的）需要累计、组织、储存、分析比 较与综合，必须建立计算机资料库和管 理系统。
• 已建立美国国家人类基因组研究中心：
– / – 任何人员和公众社会都可以获得HGP关于
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三、基因组学与肿瘤病因学
• 生命过程中，人类细胞的DNA始终暴露于各种致癌因 子，引发DNA损伤。
• 如果损伤未能及时修复或修复时发生错配，就会发生 突变。
• 一旦突变发生在某个关键基因并改变其功能，就可能 导致细胞异常增殖形成异常细胞克隆，导致肿瘤。
• 目前已经发现大约30个隐性癌基因（抑癌基因）和 100多个显性癌基因。
染色体图谱的重要信息。
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三、功能基因组学
• 完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基 因组阶段
– 详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包 括研究基因的表达及其调控模式，
– 这就是功能基因组学（functional genomics）。
• 实现这一任务需要分子生物学实验室工作与生 物信息学中的计算机分析相结合。
多基因病
• 这类疾病发病的基因机制十分复杂： – 涉及一个以上基因及其基因与环境的相互作 用。 – 这些基因在发病中的作用
• 可能近乎等同 • 也可能有“主”有“次”，前者为易感基因。
• 人类大多数疾病属于此类： – 肿瘤、心血管病、代谢性疾病、神经精神类 疾病、免疫性疾病等。
（三）获得性基因病
获得性基因病
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四、比较基因组学
• 比较基因组学(comparative genomics)
–涉及比较不同物种的整个基因组， –以便深入理解每个基因组的功能和进化关系。
• 研究意义
–是“所有当代基因组都是从一个共同祖先基因计 划而来”这一信念的基础。
–为通过研究非人类生命个体中基因的功能来确定 人类基因的功能提供有价值的手段。
• 环境基因组学研究的主要目的
– 是了解环境对人类疾病的的影响和意义。 – 研究与环境中物理、化学及生物学因素相互作用的蛋白质
及其编码基因，识别基因组多样性与结构-功能的关系， – 有助于发现特定环境因子致病的危险人群，制定相应的预
防措施和环境保护策略。
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六、药物分析和设计
• 药物基因组学（pharmacogenomics） • 研究的主要内容：
12
第二节 基因组学与医学关系
The Relation between Genomics and Medicine
13
一、基因病的概念
• 以基因组学为基础，从疾病和健康的角度考虑，人类疾病大 多直接或间接地与基因相关，故有“基因病”概念产生。
• 根据这一概念，人类疾病大致分为三类：
（一）单基因病
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一、结构基因组学
• 结构基因组学(structural genomics)
– 是通过HGP的实施来完成的。
• HGP的研究内容：
– 就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终 完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序 列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。
0.7 cM 或 kb
遗传图谱
基因图谱
（二）疾病时基因组差异表达分析
将基因病概念与基因组学原 理、技术相结合分析鉴定疾 病相关的多个基因表达水平
当前开展最多 的就是DNA芯
片技术
（三）染色体制图定位及疾病相关基因克隆
基因组全序列分析加快了疾病相关基因的克隆。
基因组全序列分析完成后结合结合 HGP发现的大量可利用序列资料
• 多态性探针资料 • STSs资料 • 克隆资料 • 遗传的、物理的和可整合的图谱资料 • 限制性片段 • DNA片段 这些资料将使疾病相关基因的克隆更为快捷方便。
• 基因组(genome)
– 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物 质；不同生物基因组大小不同。
– 真核生物的基因组是指一套染色体（单倍体） DNA。
– 人基因组
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基因组学包括三个不同的亚领域
基因组学于1986年首次被提出，以1990 年正式启动的“人类基因组计划”（human genome project ，HGP）为标志，由“后 人类基因组计划”（post-human genome project ，PHGP）的实施推动其发展。 生物信息学（bioinformatics）的介入， 基因组学作为一门学科的雏形大致形成。
10
主要包括以下几个方面
• （一 • （三）实验性设计基因功能 • （四）描述基因表达模式
（一）鉴定DNA序列中的基因
即对基因组序列进行“注释” 包括： 鉴定和描述推测的基因 非基因序列及其功能
这项工作 主要采用十进制计算机程序进行全基因扫描， 鉴定内含子与外显子之间的衔接， 寻找全长开放阅读框（ORFs）， 确定多肽链编码序列。
（二）多基因病
单基因病
※主要病因 ※是在一个基因位点上存在缺陷的等位基因。 ※他们在家系中表现为孟德尔遗传规律。
※如：镰刀红细胞贫血等。
In1956,Vemon Ingram discovered that a specific chemical alteration in a hemoglobin protein,the substitution of valine for glutamic acid in the sixth amino acid in beta globin is the root of the disease.Other mutations in hemoglobin can also cause Sickle cell anemia and were sorted out later.
第二十三章
基因组学与医学
Genomics and Medicine
1
第一节 基因组学
什么是基因组学（Genomics） 基因组学涵盖哪些领域？ 基因组学包括哪些内容？
2
基因组学概念及范畴
• 基因组学(genomics)
– 就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算 机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结 构及功能。
– 标志位点间的图距以遗传学（重组）距离表示。单位是分 摩尔根（centimoregen，cM）。
• 在人类，1cM相当于106的DNA碱基对。
• 1994年完成的线性遗传制图
– 确定了全部标志为0.7cM、含5826个转座子、大小为 4000cM。
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（三）基因组DNA序列测定
已•经H于G2P00的0年最6月终由目人标类基因组计划国际合
如果有错配则不发生杂交。
▪ 2、等位基因特异寡核苷酸杂交（ASO）
限制性片段长度多态性（RFLP）
• 图23-1B
野生型 5’-GACAGTTGCCGTATTCTTG-3’ 突变型 5’-GACAGTTGCTGTATTCTTG-3’
纯合子（正常） 纯合子（突变） 杂合子 野生型探针
突变型探针
B 分别采用野生型和突变型等位基因序列 特异的寡核苷酸探针检测纯合子、杂合 子个体
• 大规模SNP自动分型采用
变性梯度胶电泳（DGGE）
▪ DNA微点阵（DNA microarrays）DNA芯片 （DNA chiips）
▪ 基因芯片点阵（genechip arrays）
▪ 寡核苷酸点阵（oligonucleotide arrays）
单核苷酸多态性（SNPs）采用最多 如果一个碱基位点发生的变异在1%以上的 人群存在，这个位点就被定义为SNP位点。 国际SNP制图工作小组发现： 每1.08个基因序列就有一个SNP。 93%的基因都有一个SNP。
• 这类疾病由病原微生物感染引起，不符 合孟德尔遗传规律。 – 可能涉及人类基因组和病原微生物基因组的 相互作用； – 多数涉及人类基因组结构及其表达功能的改 变。
• 例如： – 艾滋病、鼻咽癌
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二、疾病相关基因的鉴定
（一）检测人类基因变异或突变
检测人类基因变异或突变的方法
DNA直接测序
SNP的等位基因分型采用的方法
（二）同源搜索设计基因功能
• 因为 • 同源基因在进化过程中来自共同的祖先，
• 因此 • 通过核苷酸或氨基酸序列同源性比较就能推测基因组 内相似功能的基因。
• 这种同源搜索 • 也涉及以计算机为基础的序列比较分析。 • 工具：国际生物技术中心（NCBI）的BLAST程序。 • 网站：
• 1995年完成的物理图
– 分辨率为200kb – 以STSs为标志
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（二）遗传制图
• 遗传图或连锁图（genetic or linkage map）
– 是基因根据重组频率在染色体上的线性排列或分布（两个 以上的基因出现在同一染色体上称连锁）
– 在HGP中所说的遗传制图指确定标志位点在一条染色体上 的线性排列顺序。
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跨膜蛋白、离子通道、信号分子、激素、细胞外转运 1~4 蛋白、免疫蛋白及其他
未知分子编码基因6
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流行病病因学调研分析可以为临床诊断、疾病防治提 供线索
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五、环境与疾病
• 绝大多数疾病
– 是基因组信息与环境因素相互作用的结果。 – 由于人类遗传的多态性，不同个体对环境致病因素的易感
性也有差异。
– 同时分析多种候选药物对疾病相关基因和基因产 物的潜在影响，发掘新药，并针对基因组多样性 设计更安全有效的个性化治疗方案。
• （一）药物分析——药物作用靶点、发现新药 • （二）药物设计——根据基因特性为人群或个
人设计药物。
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作组–完测成定人人类类基因23组条“染工作色框体架的图3”0。亿个 2001年碱2基月组12日成公的布全人部类D基N因A组序图列谱。及初步 分析–结还果包。括：
2002年• 发2月展12D日N，A测历序时1新0年技耗术资；20亿美元的 人类基•因模组式计生划物最基终因完组成D，N并A报测道序了。99%的
单链构象多态性（SSCP）
▪ 1、寡核苷酸杂交分析
• 图23-1A
稳定杂交
GCCATTAAGTCTTCATCCCTA 寡核苷酸 CGGTAATTCAGAAGTAGGGAT 目标DNA
SNP位点
不稳定杂交
GCCATTAAGTCTTCATCCCTA CGGTAATTCATAAGTAGGGAT
A
在严谨杂交条件下，寡核苷酸探针与 正常等位基因完全互补，发生杂交；
物理图谱
序列图谱
100 kb STS map
– 创建计算机分析管理系统
5
（一）物理制图
• HGP中的物理图（physical map）
– 指的是染色体上诸如下列位点的位置图：
• 限制性核酸内切酶识别位点 • 序列标志位点（sequence tagged sites，STSs）
– 位点之间的距离以碱基对（bp）来表示。