基因與基因組學(xué)時(shí)

基因與基因組學(xué)時(shí)第1頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組和基因組學(xué)

基因組（genome）生殖細(xì)胞含1套基因組

1套來自父本生殖細(xì)胞體細(xì)胞含2套基因組

1套來自母本生殖細(xì)胞第2頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

完整的人類基因組包含：

1-22號(hào)常染色體核基因組

X和Y染色體

線粒體基因組第3頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月EcoRⅠ屬名種名菌株名酶的序號(hào)限制性內(nèi)切核酸酶限制酶：能夠識(shí)別DNA鏈的特定部位并能進(jìn)行切割。第4頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月HaeⅢ5’3’3’5’GGCCCCGG5’3’3’5’GGCCCCGGMboⅠ5’3’3’5’GATCCTAG5’3’3’5’GATCCTAGBamHⅠ5’3’3’5’GGATCCCCTAGG5’3’3’5’GCCTAGGATCCGPstⅠ5’3’3’5’CTGCAGGACGTC5’3’3’5’CTGCAGGACGTC限制性內(nèi)切核酸酶第5頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月EcoRⅠ屬名種名菌株名酶的序號(hào)限制性內(nèi)切核酸酶限制酶：能夠識(shí)別DNA鏈的特定部位并能進(jìn)行切割。第6頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月HaeⅢ5’3’3’5’GGCCCCGG5’3’3’5’GGCCCCGGMboⅠ5’3’3’5’GATCCTAG5’3’3’5’GATCCTAGBamHⅠ5’3’3’5’GGATCCCCTAGG5’3’3’5’GCCTAGGATCCGPstⅠ5’3’3’5’CTGCAGGACGTC5’3’3’5’CTGCAGGACGTC限制性內(nèi)切核酸酶第7頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月重組DNA技術(shù)（recombinationDNAtechnique）指將目的DNA片段或人工合成的基因，通過載體在體外重組、轉(zhuǎn)移并插入到另一種生物的基因組中，使其表達(dá)為新的性狀或用于進(jìn)一步的研究，是基因操作的核心技術(shù)。包括DNA克隆（DNAcloning）和分子雜交（molecularhybridization）。重組DNA第8頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月構(gòu)建轉(zhuǎn)化擴(kuò)增（克?。┓蛛x和檢測(cè)重組DNA第9頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月重組DNA技術(shù)流程簡圖ligasevectorrestrictionendonucleaseforeignDNAbacterialcellhost第10頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月限制性內(nèi)切核酸酶限制酶：能夠識(shí)別DNA鏈的特定部位并能進(jìn)行切割。TypeⅠTypeⅡTypeⅢ第11頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉

90年代人類基因組計(jì)劃40年代第一顆原子彈爆炸60年代人類首次登上月球第12頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組計(jì)劃ＤＮＡ的鳥槍法序列分析技術(shù)比較基因組學(xué)及功能基因組研究Contents第13頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、人類基因組計(jì)劃的啟動(dòng)

1986年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R.Dulbecco（杜爾貝科）提出人類基因組計(jì)劃——測(cè)出人類全套基因組的DNA堿基序列（3×109bp）。第一節(jié)人類基因組計(jì)劃第14頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月美國政府決定于1990年正式啟動(dòng)HGP，預(yù)計(jì)用15年時(shí)間，投入30億美元，完成HGP。

由國立衛(wèi)生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所”

逐漸地，HGP擴(kuò)展為多國協(xié)作計(jì)劃，參與者包括：英、日、法、德和中國（1993年）。第15頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組計(jì)劃研究的主要成果和進(jìn)展表現(xiàn)在這副圖上

遺傳圖譜

又稱為連鎖圖譜（linkagemap），指基因或DNA標(biāo)志在染色體上的相對(duì)位置與遺傳距離（1厘摩（cM）=減數(shù)分裂時(shí)兩個(gè)基因間重組值為1%。）物理圖譜

以定位的DNA標(biāo)記序列如STS作為路標(biāo)，以DNA實(shí)際長度即bp、kb、Mb為圖距的基因組圖譜。序列圖譜

通過基因組測(cè)序得到的，以A、T、G、C為標(biāo)記單位的基因組DNA序列

第16頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

遺傳圖（geneticmap）

又稱連鎖圖（linkagemap）

是將每條染色體上的基因或遺傳標(biāo)記的相對(duì)位置經(jīng)連鎖分析確定下來，構(gòu)成圖譜。遺傳距離：連鎖圖中兩個(gè)基因間圖距單位

厘摩（cM）

1厘摩（cM）=減數(shù)分裂時(shí)兩個(gè)基因間重組值為1%。第17頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一代（1975）限制片斷長度多態(tài)（RFLP）分布數(shù)量105

多態(tài)程度較低,利用價(jià)值受限第二代（1989）短串連復(fù)制序列長度多態(tài)(STR)分布數(shù)量＞104

高度多態(tài)第三代（1996）單核苷酸多態(tài)（SNP）分布數(shù)量3×106

一般為二態(tài)單體型分析DNA遺傳標(biāo)記第18頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月多態(tài)性：人的DNA序列上平均每幾百個(gè)堿基會(huì)出現(xiàn)一些變異（variation），并按照孟德爾遺傳規(guī)律由親代傳給子代，從而在不同個(gè)體間表現(xiàn)出不同，因而被稱為多態(tài)性（Polymorphism）。第19頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第一代多態(tài)性標(biāo)記是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段長度多態(tài)性）第20頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二代多態(tài)性標(biāo)記是短的串聯(lián)重復(fù)序列包括小衛(wèi)星DNA和微衛(wèi)星DNA，其多態(tài)性主要來自重復(fù)序列拷貝數(shù)的變化第22頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月小衛(wèi)星DNA—由15-65bp的基本單位串聯(lián)重復(fù)而成，長度一般不超過20kb。重復(fù)次數(shù)（小衛(wèi)星DNA區(qū)的長度）在人群中是高度變異的；按照孟德爾的規(guī)律遺傳微衛(wèi)星DNA/簡短串聯(lián)重復(fù)（STR、STRP或SSLP）重復(fù)單元2-8bp，通常重復(fù)10-60次CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC第23頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月真核生物基因組中的DNA重復(fù)序列主要有哪些類型？簡要說明基因組重復(fù)序列可能的生物學(xué)意義以及基因組重復(fù)序列在分子標(biāo)記研究中的應(yīng)用（12分）

中國科學(xué)院2002年

碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題第24頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第三代多態(tài)性標(biāo)記是單核苷酸的多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）SNP：是由于單個(gè)核苷酸改變而導(dǎo)致的核酸序列多態(tài)。第25頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月人類99．9％的基因密碼是相同的，而差異不到0．1％，不同人群僅有140萬個(gè)核苷酸差異。這些差異是由“單一核苷酸多樣性”（SNP）產(chǎn)生的，它構(gòu)成了不同個(gè)體的遺傳基礎(chǔ)。在整個(gè)基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬分之一，從而說明人類不同“種屬”之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。第26頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月SNP與RFLP和STR標(biāo)記的主要不同之處在于，它不再以DNA片段的長度變化作為檢測(cè)手段，而直接以序列變異作為標(biāo)記。第27頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月l

物理圖（physicalmap）是要將隨機(jī)長度的DNA片斷在染色體上的排列順序確定下來。這些克隆DNA片斷連接起來，形成重疊克隆群（Conting），再將一個(gè)個(gè)（Conting)相連成線狀，覆蓋整個(gè)染色體。這主要靠單拷貝DNA序列標(biāo)定部位（STS）作路標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。第29頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

序列圖（sequencemap）

是通過對(duì)基因組DNA進(jìn)行堿基排列順序分析而建立的。兩種技術(shù)路線：

1.公共序列路線：即在物理圖基礎(chǔ)上，將各個(gè)BAC克隆片段切成更短的片段，形成亞克隆分別進(jìn)行測(cè)序，再將相互重疊的讀出序列組裝成連續(xù)重疊線。第31頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2.“鳥槍法”測(cè)序路線：即直接將基因組DNA分割成20kb左右的小片段進(jìn)行隨機(jī)測(cè)序，再用超級(jí)計(jì)算機(jī)組裝成重疊線。所形成的序列圖稱celera序列。

……………ACGTCCGATCGGTTCATGCC

TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC…………第32頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)DNA的鳥槍法序列分析技術(shù)一、DNA的鳥槍法測(cè)序原理第33頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

1999年12月用“逐個(gè)克隆法”獲得第一條人類染色體—22號(hào)染色體完成序列第34頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

2000年3月用“全基因組鳥槍法”獲得果蠅全基因組序列。第35頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2000年6月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖第36頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二、DNA的鳥槍法測(cè)序的主要步驟第一，建立高度隨機(jī)、插入片段大小為2kb左右的基因組文庫。第二，高效、大規(guī)模的末端測(cè)序。第三，序列集合。第四，填補(bǔ)缺口。第37頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月Shotgun法序列拼接SequenceGap

第38頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、ＤＮＡ的鳥槍法測(cè)序的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：速度快缺點(diǎn)：●隨著所測(cè)基因組總量增大，所需測(cè)序的片段大量增加●高等真核生物（如人類）基因組中有大量重復(fù)序列，導(dǎo)致判斷失誤第39頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月基因圖（genemap）

即在序列圖基礎(chǔ)上，用不同的方法測(cè)定各個(gè)基因所在區(qū)域位置?；驁D測(cè)定方法：

1.CpG島的應(yīng)用：大多數(shù)持家基因和40%組織特異性基因5’端均存在CpG島序列。制備

探針，染色體涂染指示基因位置分布。

第41頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.計(jì)算機(jī)識(shí)別：研發(fā)計(jì)算機(jī)GRAIL系統(tǒng)，可識(shí)別每個(gè)基因區(qū)的外顯子-內(nèi)含子接頭區(qū)保守序列。

3.cDNA策略：由組織細(xì)胞中表達(dá)mRNA，逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA片段，稱為表達(dá)序列標(biāo)簽（EST），將收獲EST定位后，構(gòu)建的圖稱為轉(zhuǎn)錄圖，是人類基因圖雛形。第42頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、人類基因組計(jì)劃的進(jìn)展?fàn)顩r

（1）截至1998年10月，完成1.8×108bp，占計(jì)劃的6％。

（2）完成一系列模式生物全基因組測(cè)定。

這些模式生物全基因組測(cè)定的完成有重大理論與現(xiàn)實(shí)意義。第43頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）DNA測(cè)序技術(shù)飛速提高

1998.5.9.

J.C.Venter等宣布，組建商業(yè)公司，投入3億美元，3年內(nèi)完成。接著又有若干家公司成立，總共投入資金約幾十億美元，形成“公”“私”并進(jìn)格局。第44頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

2000.6.完成并公布人類基因組工作框架圖(90%)。第45頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月二000年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成第46頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2000年6月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖第47頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月美國國家人類基因組研究所所長弗朗西斯·柯林斯在介紹情況。第48頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組草圖基本信息由31.65億bp組成含3~3.5萬基因與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的基因占2%人類基因組人類蛋白質(zhì)61%與果蠅同源43%與線蟲同源46%與酵母同源第49頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2001年2月16日

人類基因組“精細(xì)圖”完成(99%)。第50頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月2003年4月14日，人類基因組序列圖亦稱“完成圖”（99.99%），提前繪制成功。第51頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月

人類基因組結(jié)構(gòu)的分析

1.

人類基因組DNA全長約3×109bp，相當(dāng)3600厘摩（cM）。其中僅有約5%的序列為編碼序列（編碼蛋白或tRNA、rRNA等）。

2.

人類基因組中可能有20000-25000個(gè)基因，其中編碼蛋白質(zhì)的外顯子只占基因組DNA的1%，內(nèi)含子則占24%。每個(gè)基因平均長27kb，平均含有9個(gè)外顯子。不同個(gè)體間，基因編碼僅有0.01%的差異。第52頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月3.

基因在各個(gè)染色體上的分布是不均勻的，17、19、22號(hào)染色體基因密度最高，而4、13、18、X、Y染色體基因密度最低。人類基因組中約20%的區(qū)段是沒有基因的“沙漠”。第53頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組的特征20000～25000個(gè)蛋白編碼基因許多特征（基因、轉(zhuǎn)座子、GC含量、CpG島和重組率等）在基因組上分布不均大部分轉(zhuǎn)座子活性明顯下降染色體末端重組率較高，著絲粒附近較低，越短的染色體重組率越高，重組率在不同性別之間有差別含大量SNP第54頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月三、人類基因組計(jì)劃的科學(xué)意義（1）確定人類基因組中約5萬個(gè)編碼基因的序列及其在基因組中的物理位置，研究基因的產(chǎn)物及其功能。（2）了解轉(zhuǎn)錄和剪接調(diào)控元件的結(jié)構(gòu)與位置，從整個(gè)基因組結(jié)構(gòu)的宏觀水平上理解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。第55頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）從整體上了解染色體結(jié)構(gòu)，包括各種重復(fù)序列以及非轉(zhuǎn)錄“框架序列”的大小和組織，了解各種不同序列在形成染色體結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄及表達(dá)調(diào)控中的影響與作用。（4）研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)基因調(diào)節(jié)的作用。有些基因的表達(dá)調(diào)控序列與被調(diào)節(jié)基因從直線距離上看，似乎相距甚遠(yuǎn)，但若從整個(gè)染色體的空間結(jié)構(gòu)上看則恰恰處于最佳的調(diào)節(jié)位置，因此，有必要從三維空間的角度來研究真核基因的表達(dá)調(diào)控規(guī)律。第56頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）發(fā)現(xiàn)與DNA復(fù)制、重組等有關(guān)的序列。DNA的忠實(shí)復(fù)制保障了遺傳的穩(wěn)定性，正常的重組提供了變異與進(jìn)化的分子基礎(chǔ)。局部DNA的推遲復(fù)制、異常重組等現(xiàn)象則導(dǎo)致疾病或者胚胎不能正常發(fā)育，因此，了解與人類DNA正常復(fù)制和重組有關(guān)的序列及其變化，將對(duì)研究人類基因組的遺傳與進(jìn)化提供重要的結(jié)構(gòu)上的依據(jù)。第57頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機(jī)制，包括遺傳性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引發(fā)的分子病理學(xué)改變及其進(jìn)程，為這些疾病的診斷、預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。（7）確定人類基因組中轉(zhuǎn)座子、逆轉(zhuǎn)座子和病毒殘余序列，研究其周圍序列的性質(zhì)。了解有關(guān)病毒基因組侵染人類基因組后的影響，可能指導(dǎo)人類有效地利用病毒載體進(jìn)行基因治療。

第58頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月（8）研究染色體和個(gè)體之間的多態(tài)性。這些知識(shí)可被廣泛用于基因診斷、個(gè)體識(shí)別、親子鑒定、組織配型、發(fā)育進(jìn)化等許多醫(yī)療、司法和人類學(xué)的研究。此外，這些遺傳信息還有助于研究人類歷史進(jìn)程、人類在地球上的分布與遷移以及人類與其他物種之間的比較。第59頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月人類基因組計(jì)劃比較基因組學(xué)及功能基因組研究Contents第60頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月一、比較基因組學(xué)(ComparativeGenomics)概念：是基于基因組圖譜和測(cè)序基礎(chǔ)上，對(duì)已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，來了解基因的功能、表達(dá)機(jī)理和物種進(jìn)化的學(xué)科。第三節(jié)比較基因組學(xué)及功能基因組學(xué)研究第61頁，課件共70頁，創(chuàng)作于2023年2月物種完成年份總長度/Mp已完成總長的百分?jǐn)?shù)/%占常染色質(zhì)百分?jǐn)?shù)/Mb基因數(shù)/Mb酵母19961293100483線蟲19989699100197果蠅20001166497117擬南芥200011592100221人類第21染色體200034751007人類第22染色體199934709716人類全基因組(PublicSequence)200126938490