基因組學(xué)教學(xué)課件8比較基因組學(xué)

1、比較基因組學(xué) 中英聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2022/8/20比較基因組學(xué)的產(chǎn)生 伴隨著基因組的研究, 相關(guān)信息出現(xiàn)了爆炸性增長, 迫切需要對大量基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 比較基因組學(xué)作為一門重要的工具學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。 比較基因組學(xué)是通過對系統(tǒng)發(fā)育中的代表性物種之間的全方位基因和基因家族的比較分析，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育的遺傳圖譜, 來揭示基因、基因家族的起源和功能及其在進(jìn)化過程中復(fù)雜化和多樣化的機(jī)制。2022/8/20果蠅基因組果蠅基因組全長180mb，2/3是 euchromatin，1/3是heterochromatin；Blast Search確定有14113個(gè)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（功能基因）。 Science, 287:218

2、5-2195 (2000) 2022/8/20比較基因組學(xué)定義 利用不同物種基因組之間功能區(qū)域順序上、組織結(jié)構(gòu)上的同源性 克隆新基因 揭示基因功能 闡明物種進(jìn)化關(guān)系、基因組的內(nèi)在結(jié)構(gòu)2022/8/20比較基因組學(xué)的應(yīng)用揭示非編碼功能序列發(fā)現(xiàn)新基因發(fā)現(xiàn)功能性SNP闡述物種間的進(jìn)化史闡明人類疾病過程的分子機(jī)制 2022/8/20比較基因組學(xué)與進(jìn)化 古細(xì)菌-產(chǎn)甲烷球菌與原核生物共同之處：染色體組織與結(jié)構(gòu)：環(huán)狀基因組、基因的操縱子結(jié)構(gòu)等能量產(chǎn)生和固氮基因與有很高的同源性與細(xì)胞分裂有關(guān)的蛋白質(zhì)、20多個(gè)編碼無機(jī)離子運(yùn)輸?shù)鞍椎腛RF與細(xì)菌基因同源調(diào)控模式類似于原核生物與真核生物共同之處：細(xì)胞遺傳信息傳遞，

3、尤其是轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)分泌系統(tǒng)說明該細(xì)菌與真核生物親緣關(guān)系較近。 2022/8/20比較基因組學(xué)與進(jìn)化 比較基因組學(xué)提供的結(jié)果表明，在進(jìn)化系統(tǒng)樹上，古細(xì)菌與真核生物親緣關(guān)系比原核生物更近。 自養(yǎng)生物的三個(gè)分支，細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物中，細(xì)菌的分化發(fā)生較早。2022/8/20比較基因組學(xué)的具體應(yīng)用方法和策略序列的比對分析確定基因組序列的進(jìn)化關(guān)系基因共線性synteny ：染色體片段的分析物種序列的優(yōu)化選擇對DNA序列的信息注釋2022/8/20基因組成的相似性基因共線性synteny：基因排列順序的一致性宏觀共線性：遺傳連鎖圖上錨定標(biāo)記排列次序的一致性微觀共線性：物理圖上基因序列的一致排列進(jìn)化距離

4、非常近的物種間保持很好的微觀共線性在進(jìn)化過程中，基因共線性被各種因素所破壞，進(jìn)化距離越遠(yuǎn)的物種之間基因共線性越差，兩個(gè)物種之間的共線性程度可以作為衡量它們之間進(jìn)化距離的尺度2022/8/20高度保守和高度變異X染色體極為保守，人類和貓的X染色體具有縱貫全條的共線性在保守性較低的區(qū)段，基因進(jìn)化速率快于整個(gè)基因組的平均進(jìn)化速率它們在種間基因組中很少表現(xiàn)共線性，甚至在同一物種的不同生態(tài)型之間這些區(qū)段也會發(fā)生較大變異當(dāng)用基因共線性程度估算物種分化年代時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意避免高度保守和高度變異的區(qū)段2022/8/202022/8/20破壞基因組共線性的因素轉(zhuǎn)座插入染色體重排區(qū)段加倍和缺失2022/8/20跨物種

5、基因克隆-圖位克隆在基因組較小的模式植物中，分離被精確定位在大基因組中的基因避免大量重復(fù)序列的干擾，減少染色體步移的次數(shù)2022/8/20基因島和基因協(xié)同進(jìn)化基因島：區(qū)段基因密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全基因組的平均密度。sh2與A1兩個(gè)基因在玉米中的距離大約是水稻或高粱中的7倍基因島中的基因群通常具有功能上的相關(guān)性協(xié)同丟失和協(xié)同進(jìn)化2022/8/20直系同源集簇由1個(gè)共同的祖先基因衍生的1組基因，包括不同基因組中執(zhí)行同一生物學(xué)功能的種間同源物，也包括同一基因組中因基因加倍產(chǎn)生的種內(nèi)同源物（平行基因）預(yù)測新基因功能2022/8/20比較基因組學(xué)研究舉例原核模式生物比較基因組學(xué)釀酒酵母基因組人類基因組2022/

6、8/20模式生物比較基因組研究特點(diǎn)模式生物基因組一般都比較小，但編碼基因的比例較高，重復(fù)序列和非編碼序列較少，是 “壓縮”的基因組。模式生物基因組中G+ C%含量高，同時(shí)CpG島的比例也比較高。一些模式生物，特別在人的基因組中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)( duplication)。各種不同的物種中，大多數(shù)重要生物學(xué)功能是由相當(dāng)數(shù)量的同源序列基因( Orthologous) 蛋白承擔(dān)。2022/8/20模式生物比較基因組研究特點(diǎn)同線( synteny) 連鎖的同源基因在不同物種基因組中有相同連鎖關(guān)系。生物體的復(fù)雜性一般表現(xiàn)在“生物學(xué)”的復(fù)雜性，與基因組的C 值大小及基因數(shù)量未必一定呈線性關(guān)系。2022/8/20

7、模式生物基因組的研究尿殖道支原體是已知最小的基因組0.58Mb ，由此可能確定能自我復(fù)制的細(xì)胞必需的一套最少的核心基因。流感嗜血桿菌的基因組為1.83Mb基因組大小影響了基因數(shù)目還是基因尺度？2022/8/20模式生物基因組的研究流感嗜血桿菌基因大小平均900 bp，尿殖道支原體的基因?yàn)?040bp，基因大小差不多；流感嗜血桿菌中平均1042 bp 有1個(gè)基因，尿殖道支原體中平均1235 bp 有1個(gè)基因。 可見基因組尺度減小并不引起基因密度的增加和基因尺寸的減小。二者差別在于基因數(shù)量上，流感嗜血桿菌基因組有1743個(gè)ORF，尿殖道支原體只有470個(gè)ORF。 2022/8/20模式生物基因組的

8、研究 通過對尿殖道支原體與流感嗜血桿菌這兩個(gè)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的生物基因組的比較，選取其共同的基因（共240個(gè)），再加上一些其他基因，最后組成一套含256個(gè)基因的最小基因組。2022/8/20最簡單的真核生物-釀酒酵母基因組基因組為12,068 kb，比單細(xì)胞的原核生物和古細(xì)菌大一個(gè)數(shù)量級。共有5887個(gè)ORF，比原核生物和古細(xì)菌要多很多。釀酒酵母的基因密度為1個(gè)基因/2kb，密度小于流感嗜血桿菌和尿殖道支原體。釀酒酵母-最小的真核基因組，裂殖酵母其次（密度是1/2.3kb），簡單多細(xì)胞生物線蟲的基因密度為1/30kb。釀酒酵母只有4%的編碼基因有內(nèi)含子，而裂殖酵母有40%編碼基因有內(nèi)含子。2022

9、/8/20人類基因組的一個(gè)片段2022/8/202022/8/20人類染色體組型 上圖顯示的是經(jīng)姬母薩染色后的G帶模式圖，染色體號在染色體結(jié)構(gòu)下面標(biāo)注，帶號在左邊。2022/8/202022/8/20 人類基因組基因的三條推測依據(jù) 1. 根據(jù)已測定大片段DNA中ORF的比例；2. CpG island的個(gè)數(shù)（56%的已知基因5都與CpG相連，而人基因組中有45000個(gè)Islands）3. ESTs 已經(jīng)報(bào)道的是第22染色體和第21染色體。第21染色體全長33.65 Mb，長臂上有33.546Mb，仍有7個(gè)缺口，長約3kb，99.7%。 The DNA sequence of human chr

10、omosome 22, Nature 402, 489-495(1999) . The DNA sequence of human chromosome 21, Nature 405, 311-319(2000) . 21q上有127個(gè)已知基因，98個(gè)推測的基因59個(gè)pseudo genes。Chromosome22中有545個(gè)編碼基因第21+22染色體共占2%的人類總DNA，共有77%基因 Nature，406，151-1572022/8/20模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用1 利用基因序列上的同源性克隆人類疾病基因 當(dāng)人類cDNA 與已知功能的模式生物基因高度相關(guān)，當(dāng)該表型的候

11、選基因定位于與cDNA 相同的位置上，就有助于識別該基因。2022/8/20模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用2 模式生物基因組研究揭示了人類疾病基因的功能。 由于某些模式生物基因的功能已知,這就對人類疾病基因的功能研究有很大的促進(jìn)作用。這一跨種關(guān)系使模式生物基因的有效功能數(shù)據(jù)立刻用于研究它的高等生物的同源體。2022/8/20模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用3 充分利用模式生物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的優(yōu)越性 模式生物實(shí)驗(yàn)上的優(yōu)越性成為人類疾病狀態(tài)下分子機(jī)制的闡明和基因功能分析的有效手段。 以酵母為例，它就是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。2022/8/20以酵母為例 首先它是一個(gè)單細(xì)胞，可以在

12、特定的培養(yǎng)基上生長，這樣就可能完全控制其化學(xué)和物理環(huán)境。 其次酵母的生命周期也很適合被用來作遺傳分析，有可能構(gòu)建一套16 條染色體單倍型的詳盡的圖譜。 第三，現(xiàn)今的技術(shù)可以將其6000 個(gè)基因中的任何一個(gè)用突變的等位基因替代或準(zhǔn)確地從基因組中缺失。2022/8/20模式生物基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用4 比較基因組作圖在人類基因組研究中的應(yīng)用。 應(yīng)用之一是使連鎖信息和基因組資源從作圖較為詳盡的物種轉(zhuǎn)移到作圖不完善的物種。例如：通過定位一套在哺乳動(dòng)物中進(jìn)化上保守的位點(diǎn)，把這些保守位點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)，使連鎖信息從人、鼠等物種擴(kuò)展到牛、豬、羊等物種,以促進(jìn)基因組研究。 2022/8/20模式生物

13、基因組研究對人類基因組研究的促進(jìn)作用 另一個(gè)應(yīng)用是把比較基因組作圖用于復(fù)雜性狀的分析。許多遺傳性狀是由一個(gè)以上的基因控制的，這些基因的識別通常在老鼠中比在人中來得容易。一旦一個(gè)候選疾病基因或疾病區(qū)域被在老鼠中確認(rèn)，我們就可以篩選同源基因或同源區(qū)域，看看是否與人類遺傳病相對應(yīng)。2022/8/20模式生物基因組研究加深了對基因組結(jié)構(gòu)的認(rèn)識人類的基因很大，在人類基因組全部測序完成之前，已有一些cDNA 上測序。所以其基因組結(jié)構(gòu)可能尚屬未知。利用低等模式生物基因組較小、呈壓縮狀態(tài)，就可能用節(jié)約的方法在基因組水平上測序。展示基因組的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)含子和外顯子的邊界和周圍順序，還可能包括調(diào)節(jié)因子，如啟動(dòng)子和增強(qiáng)子。不但為基因結(jié)構(gòu)的研究，也為相關(guān)基因的進(jìn)化提供了信息。2022/8/20利用模式生物基因組研究信息研究人類疾病基因的可行性定位克隆是一項(xiàng)有效的疾病基因克隆的手段。但是如果僅僅依靠位置信息進(jìn)行定位克隆，將十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。比較生物學(xué)這個(gè)名詞在許多文獻(xiàn)中出現(xiàn)，模式生物基因組研究的結(jié)果被大量地用于人類