比較基因組學原理及應用PPT學習教案

1、會計學1比較基因組學原理及應用比較基因組學原理及應用第1頁/共90頁基因組學概念及范疇基因組學概念及范疇基因組基因組( (genome) )泛指一個有生命體、病毒或細胞器的全泛指一個有生命體、病毒或細胞器的全部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套染色體（單倍體）染色體（單倍體）DNA。 基因組學基因組學(genomics)就是發(fā)展和應用就是發(fā)展和應用DNA制圖、測序新技術制圖、測序新技術以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全以及計算機程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結(jié)構(gòu)及功能。部基因組結(jié)構(gòu)及功能。第2頁/共90頁基因組學概念基因組學概念第3頁/共9

2、0頁 定義：定義：比較基因組學(Comparative Genomics)是基于基因組圖譜和測序基礎上，對已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進行比較，來了解基因的功能、表達機理和物種進化的學科。 研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：種間的比較基因組學 和 種內(nèi)的比較基因組學第4頁/共90頁第5頁/共90頁工具：工具： 1、FASTA 2、BLAST 3、CLUSTAL W基因組分類：基因組分類： 1、通過比較確知其功能的。 2、在數(shù)據(jù)庫中有相匹配的蛋白，但不知道其功能。 3、在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫中找不到任何相匹配的蛋白質(zhì)序列的新基因。第6頁/共90頁第7頁/共90頁第8頁/共90頁第9頁/共90頁第10頁/共90頁第11頁/共

3、90頁第12頁/共90頁第13頁/共90頁第14頁/共90頁第15頁/共90頁第16頁/共90頁測序完成情況統(tǒng)測序完成情況統(tǒng)計計第17頁/共90頁第18頁/共90頁第19頁/共90頁第20頁/共90頁Fig1. 雙脫氧終止法測序第21頁/共90頁第22頁/共90頁第23頁/共90頁Fig.2 ABI 3730XL第24頁/共90頁第25頁/共90頁Fig.3 Roche 454GS FLX 平臺第26頁/共90頁第27頁/共90頁Fig.4 IlluminaSolexa平臺第28頁/共90頁第29頁/共90頁 Fig.5 ABI SOLiD平臺第30頁/共90頁第31頁/共90頁參考文獻： D

4、NA測序技術的發(fā)展歷史與最新進展， 解增言等；DNA測序技術發(fā)展及其展望， 孫海汐等。第32頁/共90頁Technologies Ltd的納米孔單分子測序技術。中科院北京基因組研究所，2013年，第一臺國產(chǎn)樣機第33頁/共90頁第34頁/共90頁朱琳第35頁/共90頁第36頁/共90頁ACTGTTAGACTTTAGCA C T G T T A G| | | | | | | A C T - T T A G第37頁/共90頁面臨的問題： 進化的過程中同源序列可經(jīng)過多次的插入或缺失，導致它們長度不同，這就給比對帶來了麻煩。要解決的問題： 最優(yōu)比對算法-尋找最佳的缺失方式使比對序列的相似度達到整體最大

5、第38頁/共90頁首先構(gòu)建具有m行n列的矩陣M，根據(jù)殘基配對的函數(shù)，給每個矩陣單元格賦值，將矩陣初始化。再進行變換操作，規(guī)則是將某單元格右下方路徑中的最大值疊加到該單元格即M(I,j)=M(I,j)+maxM(i+1,j+1);M(i+1,j+2,jmax)-gap penalty ; M(i+2,imax,j+1)-gap penalty使用最簡單的打分系統(tǒng)進行比對，殘基相同時分值是1，不同時分值為0，空位罰分。此外還有Smith-waterman 算法第39頁/共90頁基因組比對基因組比對 只能對序列密切相關或非常相似的基因組比對，序列太長，既有的算法無能為力方法：suffix tree

6、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 軟件MUMer 能找出兩個基因組的DNA序列上最大且唯一的匹配區(qū)域，然后除去序列中用Smith-waterman 最佳局部比對算法對大量插入序列、重復序列、短變異區(qū)域進行局部鑒定時插入的空位，完成這兩個基因組序列的比對。第40頁/共90頁三條或多條序列的同時比對是序列的分析中最常用的技術之一。通過一系列同源序列的全局比對來實現(xiàn)的遞進法：基本思想是同源序列與系統(tǒng)發(fā)育相關。具體步驟： 1、比對所有可能的序列對。 2、用相鄰連接法使用兩兩比對的相似度分值構(gòu)建（tree）。 3、這種樹用于指導遞進的多序列比對。第41頁/共90頁三大核酸數(shù)據(jù)庫:GenBank、EMBL、DDBJ第42頁/共9

7、0頁數(shù)據(jù)庫搜索使用的最廣泛的算法： FASTA算法和BLAST算法。 FASTA算法運用一種包括四個連續(xù)階段的啟發(fā)式方法來檢測被查序列與一組序列是相似性。 BLAST算法采用非?？斓乃惴▉聿檎覕?shù)據(jù)庫中與預查詢序列最相似是序列?；舅枷胧牵簝蓚€同源序列即使有很大的差異，也有可能共有高分值的相似片段，這使我們可以理解可靠的區(qū)分相關和非相關的序列。第43頁/共90頁 對新蛋白質(zhì)序列進行分析的第一步是用BLAST進行數(shù)據(jù)庫搜索。l如果有明顯相似性可以推測其序列的功能l如果沒有，可用模式識別方法根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)域或蛋白質(zhì)家族的特征進行搜索。 -模式數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為識別新序列的特定功能活性的重要工具。Inte

8、rPro數(shù)據(jù)庫是最重要的蛋白質(zhì)模式數(shù)據(jù)庫之一。第44頁/共90頁第45頁/共90頁第46頁/共90頁第47頁/共90頁第48頁/共90頁0.2898, 色鮑的親緣關系較遠 。第49頁/共90頁第50頁/共90頁第51頁/共90頁第52頁/共90頁第53頁/共90頁1.全基因組的比較研究第54頁/共90頁第55頁/共90頁第56頁/共90頁第57頁/共90頁第58頁/共90頁2.系統(tǒng)發(fā)生的進化關系分析第59頁/共90頁第60頁/共90頁第61頁/共90頁第62頁/共90頁第63頁/共90頁,稍慢一點。所以在建立多序列比較時加入一支稍遠的物種序列( 450 My ) 將提高保守序列的鑒別能力。比較

9、分析較近的物種序列如: 人與himpanzees或與其它的類人猿可以用來鑒定在近期進化史上發(fā)生的基因改變和重組等。因此在建立多序列的比較分析中加入一支近距離的物種序列不僅有助于編碼和非編碼的功能序列的識別, 也能揭示那些相關物種特征的基因組信息、第64頁/共90頁的同源性分值, 它適用于高度分化但組織結(jié)構(gòu)同源的序列比對, 整體比對適用于基因序列整體上同源性較高的比較分析, 如保守片斷 ( conserved segments ) 的比對, 可以使用VISTA進行分析。第65頁/共90頁第66頁/共90頁L D S C HG E S L C Kr 目標：使用局部優(yōu)化算法尋找比對的結(jié)果目標：使用局

10、部優(yōu)化算法尋找比對的結(jié)果第67頁/共90頁L D S C HG E S L C Kr 目標：使用局部優(yōu)化算法尋找比對的結(jié)果目標：使用局部優(yōu)化算法尋找比對的結(jié)果第68頁/共90頁GapLDSCHGap000000G0SijE0S0L0C0K0Smith-Waterman算法；算法；Sij = max of Si-1, j-1 + (xi, yj) Si-1, j - d (從左到右從左到右) Si, j-1 - d (從上到下從上到下) 0第69頁/共90頁GapLDSCHGap000000G0SijE0S0L0C0K0-12-12-3第70頁/共90頁GapLDSCHGap000000G000

11、E0S0L0C0K0-12-12-4第71頁/共90頁GapLDSCHGap000000G000000E002000S002600L040050C001092K000008-12-2第72頁/共90頁GapLDSCHGap000000G000000E002000S002600L040050C001092K000008L D S C HG E S L C K第73頁/共90頁第74頁/共90頁第75頁/共90頁第76頁/共90頁李春麗第77頁/共90頁4 調(diào)控模式類似于原核生物調(diào)控模式類似于原核生物l與真核生物共同之處：與真核生物共同之處：1 細胞遺傳信息傳遞，尤其是細胞遺傳信息傳遞，尤其是轉(zhuǎn)錄

12、和翻譯系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)2 分泌系統(tǒng)分泌系統(tǒng)l說明該細菌與真核生物親緣關系說明該細菌與真核生物親緣關系較近。較近。第78頁/共90頁第79頁/共90頁第80頁/共90頁第81頁/共90頁第82頁/共90頁l二者差別在于基因數(shù)量上，流感嗜血二者差別在于基因數(shù)量上，流感嗜血桿菌基因組有桿菌基因組有1743個個ORF，尿殖道支原體，尿殖道支原體只有只有470個個ORF。第83頁/共90頁第84頁/共90頁，共有77%基因第85頁/共90頁第86頁/共90頁理環(huán)境。理環(huán)境。其次酵母的生命周期也很其次酵母的生命周期也很適合被用來作遺傳分析適合被用來作遺傳分析，有可有可能構(gòu)建一套能構(gòu)建一套16 條染色體單倍型條染色體單倍型的詳盡的圖譜。的詳盡的圖譜。第三第三，現(xiàn)今的技術可以將現(xiàn)今的技術可以將其其6000 個基因中的任何一個用個基因中的任何一個用突變的等位基因替代或準確地突變的等位基因替代或準確地從基因組中缺失。從基因組中缺失。第87頁/共90頁組研究。組研究。n另一個應用是把比較基因另一個應用是把比較基因組作圖用于復雜性狀的分析。組作圖用于復雜性狀的分析。許多遺傳性狀