第五章第三節(jié)基因組

第三節(jié)基因組一、基因組的定義：基因組：一個(gè)細(xì)胞或者生物體所攜帶的一套完整的單倍體序列，包括全套基因和間隔序列。

二、基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：指不同的基因功能區(qū)域在核酸分子中的分布和排列情況。功能：貯存和表達(dá)遺傳信息特點(diǎn)：1）、基因組儲(chǔ)存了生物體整套的遺傳信息2）、不同生物基因組蘊(yùn)含的遺傳信息量有著巨大的差別3）、不同生物基因組的結(jié)構(gòu)與組織形式也明顯不同4）、不同的生物體，其基因組的大小和復(fù)雜程度各不相同，進(jìn)化程度越高的生物其基因組越復(fù)雜。一）、真核生物基因組特點(diǎn)：1.基因組較大。2.不存在操縱子結(jié)構(gòu)。3.存在大量的重復(fù)序列。4.有斷裂基因。5.真核生物基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為單順反子；6.功能相關(guān)基因構(gòu)成各種基因家族。二）原核生物基因組特點(diǎn)1.基因組較小，通常只有一個(gè)環(huán)形或線形的DNA分子；2.通常只有一個(gè)DNA復(fù)制起點(diǎn)；3.非編碼區(qū)主要是調(diào)控序列；4.存在可移動(dòng)的DNA序列；5.基因密度非常高，基因組中編碼區(qū)大于非編碼區(qū)；6.結(jié)構(gòu)基因沒有內(nèi)含子，多為單拷貝，結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象；7.重復(fù)序列很少，重復(fù)片段為轉(zhuǎn)座子。8.有編碼同工酶的等基因；9.基因組的大部分序列是用來編碼蛋白質(zhì)的，基因之間的間隔序列很短；10.

廣泛存在操縱子結(jié)構(gòu)。大腸桿菌類核結(jié)構(gòu)照片圖三）病毒基因組特點(diǎn)1.不同病毒基因組大小相差較大；2.不同病毒基因組可以是不同結(jié)構(gòu)的核酸；3.除逆轉(zhuǎn)錄病毒外，通常為單倍體基因組；4.有的病毒基因組是連續(xù)的，有的病毒基因組分節(jié)段；5.有的基因有內(nèi)含子；6.病毒基因組大部分為編碼序列；7.基因重疊。三、基因組的染色體倍數(shù)性和數(shù)目基因的劑量——指一個(gè)細(xì)胞中某基因的拷貝數(shù)細(xì)胞的倍數(shù)性——指細(xì)胞中整套染色體的拷貝數(shù)，真核細(xì)胞就是指染色體的數(shù)目，如2倍體細(xì)胞，4倍體細(xì)胞等真核生物的單倍體數(shù)目代表基因組基因組一份拷貝的染色體數(shù)目，就是一套染色體的數(shù)目；配子細(xì)胞是單倍體，大多數(shù)真核生物的體細(xì)胞是2倍體，生殖細(xì)胞是單倍體；C值是指單倍體基因組中DNA的含量，可以用堿基對(duì)或分子量來表示。有時(shí)染色體的倍數(shù)也可以用C值表示。一般來說，隨著是生物復(fù)雜程度的提高，物種的C值也越來越高，但是物種的C值高低與物種的高等或低等無直接關(guān)系。高等生物具有比低等生物更復(fù)雜的生命活動(dòng)，所以，理論上應(yīng)該是它們的C值也應(yīng)該更高。但是事實(shí)上C值沒有體現(xiàn)出與物種進(jìn)化程度相關(guān)的趨勢(shì)。高等生物的C值不一定就意味著它的C值高于比它低等的生物。這種生物學(xué)上的DNA總量的比較和矛盾，稱為C值悖論。如人的C值只有109bp，肺魚的C值為1011bp；四、遺傳圖譜、基因圖譜、

物理圖譜、序列圖譜1、遺傳圖譜定義：某一物種的染色體圖譜（也就是我們所知的連鎖圖譜），顯示所知的基因和/或遺傳標(biāo)記的相對(duì)位置，而不是在每條染色體上特殊的物理位置。主要作用：通過遺傳重組所得到的基因在具體染色體上線性排列圖稱為遺傳連鎖圖。它是通過計(jì)算連鎖的遺傳標(biāo)志之間的重組頻率，確定他們的相對(duì)距離，一般用厘摩(cM，即每次減數(shù)分裂的重組頻率為1%)來表示。要構(gòu)建分子遺傳圖譜的方法首先要根據(jù)遺傳材料選擇合適的作圖群體,再應(yīng)用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)基因型進(jìn)行標(biāo)記分析,確定標(biāo)記間的連鎖關(guān)系.主要包括構(gòu)建合適的遺傳群體,包括親本的選擇,分離群體類型的選擇及群體大小的確定等；利用合適的分子標(biāo)記進(jìn)行分析；利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行圖譜構(gòu)建,建立標(biāo)記間的連鎖排序和遺傳距離；利用計(jì)算機(jī)軟件繪出遺傳圖譜這幾個(gè)部分.2、基因圖譜基因圖譜是用以表示基因在一個(gè)DNA分子(染色體或質(zhì)粒)上相對(duì)位置、連鎖關(guān)系或物理組成(序列)的圖示.基因圖譜的主要作用：1）如果有了自己的基因圖譜，就可以知道自己和疾病之間的關(guān)系。

2）個(gè)人基因圖譜承載著個(gè)人的全部生命秘密，個(gè)體今后的興趣、愛好，體能，飲食習(xí)慣、性格及各種潛在的遺傳病等都清楚地寫在個(gè)人的基因圖譜上。3）個(gè)人基因圖譜最成功的應(yīng)用應(yīng)該是預(yù)測(cè)遺傳疾病。4）繪制個(gè)人基因組圖譜還有一個(gè)極為重要的潛在利好，就是徹底戰(zhàn)勝人類絕癥——癌癥。5）繪制個(gè)人基因圖譜不僅僅對(duì)有遺傳家族史的人以及癌癥患者有益，對(duì)于我們平時(shí)所認(rèn)為的健康人群同樣具有十分重要的意義。

6）人類基因組圖譜被譽(yù)為“人體的第二張解剖圖”，通過分析人體24條染色體的堿基序列，獲得個(gè)人基因組，有助于預(yù)防遺傳疾病，為新藥物研制以及新醫(yī)療方法提供依據(jù)。3、物理圖譜物理圖譜是指有關(guān)構(gòu)成基因組的全部基因的排列和間距的信息，它是通過對(duì)構(gòu)成基因組的DNA分子進(jìn)行測(cè)定而繪制的。繪制物理圖譜的目的是把有關(guān)基因的遺傳信息及其在每條染色體上的相對(duì)位置線性而系統(tǒng)地排列出來。

物理圖譜構(gòu)建的方法：輻射雜種和克隆作圖4、序列圖譜序列分析采用一個(gè)區(qū)域的DNA序列重疊群使測(cè)序工作不斷延伸，使用其中的序列標(biāo)記位點(diǎn)（STS）作為兩個(gè)片段間的重疊區(qū)域，使分別被測(cè)序的短序列進(jìn)行正確的拼接，最后獲得DNA全序列圖譜。五、人類基因組1、人類基因組的定義：人類基因組就是人體一個(gè)細(xì)胞內(nèi)包含的所有遺傳物質(zhì)的總稱。其中包括22對(duì)體染色體、1條X染色體和1條Y染色體和線粒體中的所有DNA序列

人類基因組細(xì)胞核基因組3000Mb線粒體基因組16.6Mb基因外DNA80％基因和基因有關(guān)序列20％編碼DNA<10%非編碼DNA>90%假基因內(nèi)含子等2個(gè)rRNA基因22個(gè)tRNA基因13個(gè)蛋白質(zhì)基因單一或低拷貝DNA70－80％中等或高等重復(fù)序列20－30％串連重復(fù)60％散在重復(fù)40％人類基因工程藍(lán)圖生命的奧秘蘊(yùn)藏于“四字天書”之中…GCTTCTTCCTCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCATCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCTCCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTCGCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT…（一）人類基因組計(jì)劃產(chǎn)生的背景

人類基因組計(jì)劃的產(chǎn)生與“腫瘤計(jì)劃”的擱淺是分不開的。美國(guó)從70年代起啟動(dòng)了“腫瘤計(jì)劃”，但是，不惜血本的投入換來的是令人失望的結(jié)果。人們漸漸認(rèn)識(shí)到，包括癌癥在內(nèi)的各種人類疾病都與基因直接或間接相關(guān)。測(cè)出基因的堿基序列，則是基因研究的基礎(chǔ)。這時(shí)，科學(xué)家們面臨兩種選擇：要么“零敲碎打”地從人類基因組中分離和研究出幾個(gè)腫瘤基因，要么對(duì)人類基因組進(jìn)行全測(cè)序。三、人類基因組計(jì)劃（二）世界的行動(dòng)

1、1984年在科羅拉多州舉行的一個(gè)科學(xué)會(huì)議上，美能源部科學(xué)家建議發(fā)動(dòng)全國(guó)的科技力量來做人類基因組圖譜的分析工作，結(jié)果支持者寥寥。因?yàn)橐援?dāng)時(shí)的技術(shù)水平，每分析一個(gè)堿基對(duì)需要3-5美元，搞清30億個(gè)堿基對(duì)的排序需要150億美元的巨資。

1986年3月7日，Dulbecco.R在《Science》》（Science,231:1055－1056）上發(fā)表了一篇名為《癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)-----人類基因組全序列分析》的有關(guān)開展人類基因組計(jì)劃的短文，引起了全世界的強(qiáng)烈反響。不僅推動(dòng)了美國(guó)，也推動(dòng)了全世界的人類基因組計(jì)劃的發(fā)展；1987年初，美國(guó)能源部和國(guó)家健康研究院為“人類基因組計(jì)劃”下?lián)芰藛?dòng)經(jīng)費(fèi)550萬美元，全年1.66億美元。

1988年2月，國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)的專家成立了"國(guó)家人類基因組研究中心"，由沃森任第一任主任。但是，美國(guó)國(guó)會(huì)正式批準(zhǔn)的“人類基因組計(jì)劃”到1990年10月1日才正式啟動(dòng)，其規(guī)模在世界上是最大的，計(jì)劃在15年內(nèi)投入30億美元以上的資金進(jìn)行人類基因組的分析。至此，被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”的國(guó)際人類基因組計(jì)劃開始啟動(dòng)。在Dulbecco短文的影響下，整個(gè)歐洲都行動(dòng)起來了，并且各具特色。

2、1987年，意大利國(guó)家的HGP啟動(dòng)，其特色是技術(shù)多樣（YAC、雜交細(xì)胞、cDNA等）、區(qū)域集中（X染色體的q24—qter區(qū)域）。

3、1989年2月，英國(guó)國(guó)家的HGP啟動(dòng)；其特色是資源集中、全國(guó)協(xié)調(diào)（資金、技術(shù)Sanger測(cè)序）。

4、1990年6月，法國(guó)國(guó)家的HGP啟動(dòng)，其特色是注重整體基因組、cDNA和自動(dòng)化，而且法國(guó)為世界HGP的研究做出了不可磨滅的功獻(xiàn)。法國(guó)不僅建立了多態(tài)性中心、全基因組的YAC重疊群和微衛(wèi)星標(biāo)記技術(shù)，而且法國(guó)民眾進(jìn)行了捐資，還有馳名中外的用作基因組研究的經(jīng)典材料CEPH家系（3代80多個(gè)家系）。

5、1990年6月，歐共體通過"歐洲人類基因組計(jì)劃"。主要資助23個(gè)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)用于“資源中心”的建立和運(yùn)轉(zhuǎn)。

6、1995年，德國(guó)國(guó)家的HGP啟動(dòng)，其特色是先后建立了資源中心和基因掃描定為中心，并開始了對(duì)21號(hào)染色體進(jìn)行大規(guī)模的測(cè)序工作。

7、中國(guó)的HGP始于1994年，是在吳旻，強(qiáng)伯勤，陳竺，楊煥明等人的倡導(dǎo)下啟動(dòng)的。最初由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和“863”高科技計(jì)劃的支持下，先后啟動(dòng)了“中華民族基因組中若干位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)的研究”和“重大基因相關(guān)基因的定位、克隆、結(jié)構(gòu)與功能研究”。

1998年3月由陳竺院士掛帥成立上海中心，10月改名為中國(guó)南方基因中心。同時(shí)，決定成立由國(guó)家衛(wèi)生部牽頭的若干中國(guó)人類遺傳資源保護(hù)中心。1999年由強(qiáng)伯勤院士挑頭在北京先后成立了中國(guó)科學(xué)院北京人類基因組中心和北方人類基因組中心。1999年7月我國(guó)在國(guó)際人類基因組HGSI注冊(cè)，9月中國(guó)獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測(cè)定人類基因組全部序列的1%，也就是3號(hào)染色體上的3000萬個(gè)堿基對(duì)。

中國(guó)是繼美、英、日、德、法之后第六個(gè)國(guó)際人類基因組計(jì)劃參與國(guó)，也是參與這一計(jì)劃的唯一發(fā)展中國(guó)家。在對(duì)人類23對(duì)染色體上多達(dá)30億對(duì)堿基的測(cè)定上，美國(guó)人的貢獻(xiàn)率最大，承擔(dān)了54%，其次是英國(guó)，承擔(dān)了33%,日本為7%,法國(guó)為2.8%，德國(guó)為2.2%，中國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了1%的測(cè)序任務(wù)。

我國(guó)的人類基因組計(jì)劃于1994年正式啟動(dòng)，而后，我國(guó)先后在上海和北京成立了國(guó)家人類基因組南、北兩個(gè)中心，投入巨額資金進(jìn)行基因組研究。中國(guó)科學(xué)家2007年對(duì)外宣布，他們已經(jīng)成功繪制完成第一個(gè)完整中國(guó)人基因組圖譜(又稱“炎黃一號(hào)”)，這也是第一個(gè)亞洲人全基因序列圖譜。

此外，丹麥，日本，韓國(guó)，俄羅斯和澳大利亞也加入行動(dòng)行列，除政府投資HGP外，世界幾乎所有的醫(yī)藥公司都參與人類基因組的研究，與國(guó)際人類基因組計(jì)劃展開競(jìng)爭(zhēng)。可見，人類基因組計(jì)劃發(fā)展成一個(gè)由多國(guó)政府支持的國(guó)際項(xiàng)目，先后有美、英、日、德、法及中國(guó)等國(guó)家參加，有16個(gè)實(shí)驗(yàn)室及1100名生物科學(xué)家、計(jì)算機(jī)專家和技術(shù)人員參加。

楊煥明，1952年10月6日生于浙江溫州。1982年在南京鐵道醫(yī)學(xué)院生物系獲碩士學(xué)位，1988年在丹麥哥本哈根大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)研究所獲博士學(xué)位。后到法國(guó)馬賽免疫中心人類分子遺傳實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。曾先后在美國(guó)哈佛大學(xué)、洛杉磯大學(xué)加州分校攻讀博士后。1997年任中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。

現(xiàn)任中科院遺傳所人類基因組中心主任，聯(lián)合國(guó)教科文組織生物倫理委員會(huì)委員，國(guó)際人類基因組計(jì)劃中國(guó)協(xié)調(diào)人，中國(guó)人類基因組計(jì)劃秘書長(zhǎng)，中國(guó)人類基因組多樣性委員會(huì)秘書長(zhǎng)。楊煥明教授與于軍、汪建等創(chuàng)立華大基因中心，為中國(guó)爭(zhēng)取了人類基因組測(cè)序1％的任務(wù)，并提前完成。不久前他們又對(duì)袁隆平院士的超級(jí)雜交稻進(jìn)行測(cè)序，在2002年的美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，被國(guó)際生物學(xué)界認(rèn)為是一個(gè)里程碑式的成就。2002年《科學(xué)美國(guó)人》把楊煥明評(píng)為年度科研領(lǐng)袖人物。2．人類基因組計(jì)劃研究的意義HGP對(duì)人類疾病基因研究的貢獻(xiàn)

HGP對(duì)醫(yī)學(xué)的貢獻(xiàn)

HGP對(duì)生物技術(shù)的貢獻(xiàn)

HGP對(duì)制藥工業(yè)的貢獻(xiàn)

HGP對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要影響

HGP對(duì)生物進(jìn)化研究的影響

HGP帶來的負(fù)面作用

3、人類基因組計(jì)劃研究的內(nèi)容HGP的主要任務(wù)是人類的DNA測(cè)序，包括下圖所示的四張譜圖，此外還有測(cè)序技術(shù)、人類基因組序列變異、功能基因組技術(shù)、比較基因組學(xué)、社會(huì)、法律、倫理研究