研究生課程比較基因組學(xué)

1、比較基因組學(xué)廣義定義：比較基因組學(xué)是在大范圍的基因組的比較，用以研究個體基因組，總結(jié)出應(yīng)用于基因組群的基本原則。比較基因組學(xué)是基于許多生物序列,結(jié)構(gòu)以及功能在生物體中共用的假設(shè)上,這些生物信息結(jié)合分析能夠拓展更多的信息同源性和相似性 同源性：不同的基因或基因組片段有共同始祖的現(xiàn)象。 相似性：不同的基因或基因組片段含有相同的序列的現(xiàn)象。 注意:基本上，同源的基因或基因組片段具有很高的相似性，可以通過檢查相似性來鑒別其同源性。直向同源物和橫向同源物直向同源物：不同基因組（物種）中的同源基因或DNA序列。橫向同源物:同一基因組（物種）中的同源基因或DNA序列。共線性和同線性 共線性:不同基因組中保存

2、基因的內(nèi)容和順序，是同源性的反映。 同線性:在不同基因組保存基因的連接鍵而不管基因的順序。 注意：在最近幾年，術(shù)語同線性被很多人用為共線性的同義詞。比較基因組研究進(jìn)展 基因組比較用于鑒定不同基因組的同源序列，用于此研究的兩種方法： 基于雜交配種的比較:利用Southern雜交鑒別同源序列。 基于序列的比較:利用電腦鑒別同源序列。雜交比較 通過southern雜交用同序列的DNA探針定位在不同物種的遺傳或物理圖譜上直系同源物，然后比較不同物種間直系同源物。 被測物種間顯示出巨大的共線性?；蚪M共線性模型相同的分子標(biāo)記AP標(biāo)記不同物種間遺傳圖譜實驗，將實驗結(jié)果校直成染色體組圖譜。左圖染色體組圖譜（

3、I和i）所示，完全共線性?；蚪M共線性模型（2）左圖顯示出一個特殊物種（I）的染色體組和其他幾個物種的幾個染色體存在著共線性證實了易位的發(fā)生。在比較遺傳圖譜的試驗過程中也常觀察到整個染色體臂或者染色體小片段的倒位?；蛉旧M共線性模型比較二倍體和四倍體物種，四倍體中標(biāo)記點有兩點，左圖染色體組四倍體的1和2和二倍體I連線。兩物種間多態(tài)性程度的分析，不是所有的四倍體標(biāo)記在不同的點，如B和N。比較擬南芥和C型腦膜炎遺傳圖譜如右圖所示，擬南芥和C型腦膜炎除了短的相反片段外都表現(xiàn)出良好的共線性。右：擬南芥染色體4圖譜左：C型腦膜炎的連鎖圖譜群組虛線：表示松散的連接（20cM）Comparative ma

4、ps of the wheat genome described interms of the rice genome (A) and the Ae. umbellulatagenome (B)Comparativegeneticmaps of fivegrassspecies:rice, foxtailmillet,sorghum,maize andbarley苔蘚屬中的高共線性一千萬年在十字花科的進(jìn)化史中是很短的一段時間。雖然蕪菁（紅圈）、甘藍(lán)（藍(lán)圈）、黑芥（綠圈）有不同的染色體數(shù)，但是三個基因組的圖譜能夠單一的連線。揭示了少量的染色體重排干擾了完全共線性。谷類基因組起源具有極大共線性的假

5、說假定古老的谷類基因組只含有一個染色體，并且這個染色體可以被分為19個區(qū)，所有的現(xiàn)代的谷類的基因組可以由這19個區(qū)的不同排列組成，并且不同谷類的這些區(qū)的大小發(fā)生偏差?；谛蛄械谋容^ 全部核酸序列的統(tǒng)計學(xué)信息的比較 編碼序列的比較 部分序列或全部基因組的比較全部核酸信息的比較 核酸序列的比較全局性地提出對基因組相似和不同之處包括: 基因組大小 全部（G+C）含量 不同（G+C）含量的區(qū)域 基因組信號 密碼子使用偏差 氨基酸使用偏差基因比較 基因數(shù)量 基因同源性 基因種類 基因結(jié)構(gòu) 基因功能關(guān)系和聯(lián)系同源基因簇不同基因組的比較能夠識別同源基因，并且能夠建立同源基因簇(COGs),能夠代表新陳代謝功

6、能的過程。能夠在數(shù)據(jù)庫中存儲同源基因簇的關(guān)系及注釋。一些酵母及細(xì)菌在NCBI COG數(shù)據(jù)庫中的同源比較。COG database can be used to predict genefunctions核心功能基因和特殊功能基因的鑒定 比較不同基因組的基因能夠鑒別編碼涉及生命活動的蛋白的基因。這些基因?qū)ιw是必需的，在很多組織中具有相同的數(shù)量。 比較不同的基因組的基因也能夠鑒別對獨立物種特殊的基因。比如酵母和線蟲的比較發(fā)現(xiàn)在線蟲中控制多細(xì)胞特征的基因。 在線蟲中有535個鋅指基因酵母中中有147個?？刂凭€蟲個體發(fā)生的基因在酵母中不存在基因比較提供了研究基因相關(guān)性和蛋白互作性的途徑 基因相關(guān)性

7、：相同的代謝途徑中的基因共同出現(xiàn)于同一基因組中。檢查許多基因組中的兩個基因是不是相關(guān)聯(lián)，可以推斷兩個基因之間存在功能相關(guān)性。 蛋白質(zhì)互作：如果在一些基因組中的兩個基因（A和B）被發(fā)現(xiàn)在其他基因組中發(fā)生融合，可以推斷A和B編碼的蛋白在功能和物理形態(tài)上相互影響。Examples of gene fusion基因比較能夠揭露基因變異在一些谷類糯性基因中內(nèi)含子數(shù)目發(fā)生變化而外顯子守恒。盒子代表外顯子，線代表內(nèi)含子，箭頭代表轉(zhuǎn)錄起始，虛線連接水稻和玉米之間的兩個外顯子，這兩個外顯子在小麥?zhǔn)老抵杏捎趦?nèi)含子丟失融合。導(dǎo)致小麥和大麥的產(chǎn)生。基因組校正 長序列的校準(zhǔn)具有不確定性。目前，幾乎所有的校準(zhǔn)算法首先確定

8、在兩個基因組序列間較長的保守序列原理，然后形成全部的校準(zhǔn)?；旧舷嗨频幕蚪M更易校準(zhǔn)。Alignment between the 4th chromosomes ofindica rice GLA4 and japonica rice NipponbareThe above figure shows good global collinearity on chromosome 4 betweenthe two subspecies of rice except for some indels.上圖顯示了兩個亞種除了一些多態(tài)性外在染色體4有很好的共線性。Alignment between ric

9、e chromosome 4and five A. thaliana chromosomesThe above figure shows that all the five Arabidopsis chromosomeshave orthologs on rice chromosome 4.上圖顯示所有的5擬南芥染色體在水稻染色體4上有同源性?；蚪M比較之間能夠揭示基因組比較之間能夠揭示同源同源(復(fù)制復(fù)制) 區(qū)域區(qū)域左圖顯示多數(shù)擬南芥基因組序列是復(fù)制的。同色的區(qū)域代表同源區(qū)域在植物基因組中的大量復(fù)制在植物基因組中的大量復(fù)制擬南芥染色體1的一個區(qū)域地圖的基因組重排與染色體3上的配對物比較基因是在

10、兩個區(qū)域中都用箱子表示。連線代表同源序列。黑箱子代表基因。黑箱子分別代表染色體1或染色體3中唯一的基因。箱子相關(guān)序列的位置畫成線確定轉(zhuǎn)錄的方向。(Rossberg et al., 2001).基因組校準(zhǔn)也能夠揭示小共線性基因組校準(zhǔn)也能夠揭示小共線性小 區(qū)域里的小共線性能夠通過基因組校準(zhǔn)揭示。右圖顯示了在三個物種間小共線性的可能的模式基因C是在物種 I中復(fù)制, 而基因 E 在物種 III中被刪除. 基因組間序列具有體保守性。這證實雜基因組大小間的一些不同能夠歸因于基因間區(qū)域的大小不同。 玉米和高梁基因組搬運花粉特異基因直系同源區(qū)域的小共線性玉米和高梁基因組搬運花粉特異基因直系同源區(qū)域的小共線性基

11、因的大小和方向由箭頭代表，在高粱區(qū)域紅色箭頭代表的三個基因在玉米區(qū)域中丟失。兩線間的陰影區(qū)域代表保守區(qū)域。玉米序列有幾個重復(fù)DNA區(qū)域（只有逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子組成）在基因間被發(fā)現(xiàn)，數(shù)量有1-6個。兩個水稻亞種之間的小共線性兩個水稻亞種之間的小共線性耕種水稻亞種印迪卡（GLA4）和山茶花（野生型）直系同源區(qū)域的基因比較(大概100kb）基因組間的比較有時候能夠幫助發(fā)現(xiàn)基因組內(nèi)比較基因組間的比較有時候能夠幫助發(fā)現(xiàn)基因組內(nèi)比較無法發(fā)現(xiàn)的直系同源基因區(qū)域無法發(fā)現(xiàn)的直系同源基因區(qū)域物種A的兩個基因組片段都與物種B的一個片段有同源性。兩個區(qū)域是在物種A基因組內(nèi)復(fù)制事件導(dǎo)致的進(jìn)化同源。然而在相同的案例中，由于不同

12、的基因丟失，物種A的復(fù)制片段不再共享任何保留的基因復(fù)制，使他們通過基因組內(nèi)比較不易被察覺。這樣一個復(fù)制稱為“幽靈的復(fù)制”擬南芥基因組內(nèi)的幽靈復(fù)制擬南芥基因組內(nèi)的幽靈復(fù)制擬南芥中的兩個基因組片段（綠色），分別在2號染色體和5號染色體，一些水稻片段圖譜（P005H10，紫色）。然而，這些片段具有進(jìn)化同源性。但是他們在基因組內(nèi)比較不可察覺。Mixedmultipliconwithhomologouschromosomalsegments ofArabidopsisand ricereveals ghostduplicationsin bothorganisms模式生物體在基因組組研究中的重要性模式生

13、物體在基因組組研究中的重要性模式生物具有潛能，可以使它適于將基因組研究基因操作性工具的應(yīng)用性（轉(zhuǎn)錄，突變，基因克隆和互補作用）相關(guān)的小的和非相關(guān)的基因組，真核生物，一個雙倍體基因組。在實驗室中簡單培養(yǎng)，保持和再生產(chǎn)相對短的世代組織的緊密相關(guān)性對生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)醫(yī)藥、和環(huán)境是很重要的一些熟知的模式生物一些熟知的模式生物Escherichia coli 大腸桿菌 model prokaryoteSaccharomyces cerevisiae (bakers yeast)釀酒酵母 model unicellulareukaryoteCaenorhabditis elegans (nematode)秀麗隱桿線蟲 an excellent model formulticellular developmental biologyDrosophila melanogaster (fruit fly)果蠅 model insectDanio rerio (zebrafish)斑馬魚 a good model for vertebratedevelopmental biologyMus musculus (mouse)小家鼠 model mammal, important for the studyof human genomeArabidopsis thaliana (thale cress