1、第十章基因組與比較基因組學(xué)第十章基因組與比較基因組學(xué)2020世紀(jì)人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉世紀(jì)人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉 9090年代人類基因組計(jì)劃年代人類基因組計(jì)劃4040年代第一顆原子彈爆炸年代第一顆原子彈爆炸6060年代人類首次登上月球年代人類首次登上月球 人類基因組計(jì)劃 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 X 109 bp ）第一節(jié)人類基因組計(jì)劃1975年，獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)年，獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 美國政府決定

2、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）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 X 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。（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

3、美元， 形成 “公公”“”“私私”并進(jìn)并進(jìn) 格局2000.6 完成并公布 人類基因組工作框架圖( 90%)。二二000000年六月二十六日克林頓宣布年六月二十六日克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成人類基因組草圖繪制完成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。 人類基因組草圖基本信息 由由31.6531.65億億bp組成組成 含含33.533.5萬基因萬基因 與蛋白質(zhì)合成有關(guān)與蛋白質(zhì)合成有關(guān) 的基因占的基因占2%2%人類基因組人類基因組人類蛋白質(zhì)人類蛋白質(zhì) 61%61%與果蠅同源與果蠅同源 43%43%與線蟲同源與線蟲同源 46%46%與酵母同源與酵母同源2000年年6月公共領(lǐng)域測(cè)序

4、計(jì)劃工作框架圖月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖 2000 2000 年年 12 12 月美、英等國科學(xué)家宣布繪出擬月美、英等國科學(xué)家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯南芥基因組的完整圖譜，這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。出一種植物的基因序列。2001 年2月16日 人類基因組“精細(xì)圖”完成，(99%),同時(shí)發(fā)表論文 美國 Science, Vol. 291, No. 5507 英國Nature , Vol.409, p.860DAN測(cè)序膠圖年月日，人類基因組序列圖亦稱“完成圖”（99.99%），提前繪制成功。 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

5、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)。（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。（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

6、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)。（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。（8）研究染色體和個(gè)體之

7、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。 以人類基因組和擬南芥基因組為例說明你對(duì)生物基因組全序測(cè)定工作的科學(xué)意義與社會(huì)意義的認(rèn)識(shí)（8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)試題遺傳圖譜遺傳圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜0.7 cM 或或 kb 序列圖譜序列圖譜物理圖譜物理圖譜四張圖：四張圖：物理圖、物理圖、 轉(zhuǎn)錄圖轉(zhuǎn)錄圖遺傳圖遺傳圖 、序列圖、序列圖 四、四、HGPHGP的主要任務(wù)的主要任務(wù)、 遺傳圖（連鎖圖）指基因或D

8、NA標(biāo)記在染色體上的相對(duì)位置與遺傳距離。cM（基因或DAN片段在染色體交換過程中分離的頻率） 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）。 第一代多態(tài)性標(biāo)記是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段長度多態(tài)性） 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

9、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 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)試題第三代多態(tài)性標(biāo)記是單核苷酸的多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，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)。第一軍醫(yī)

10、大學(xué)2003年分子生物學(xué) 人類999的基因密碼是相同的，而差異不到01，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。 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。2、物理圖 以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標(biāo)簽位點(diǎn)，sequence-tagged site,STS）為“路標(biāo)”，以堿基對(duì)作為基本測(cè)量單位（圖距）的基因組圖。3、轉(zhuǎn)錄圖 以EST（expresse

11、d sequence tag ，表達(dá)序列標(biāo)簽）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜。4、序列圖（分子水平的物理圖）（分子水平的物理圖） 序列圖是指整個(gè)人類基因組的核苷酸序列圖，也是最詳盡的物理圖。1m 既包括可轉(zhuǎn)錄序列，也包括非轉(zhuǎn)錄序列，是轉(zhuǎn)錄序列、調(diào)節(jié)序列和功能未知序列的總和。2000年年6月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖第二節(jié)的鳥槍法序列分析技術(shù) 的鳥槍法測(cè)序原理2000年年6月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖月公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃工作框架圖二、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

12、，序列集合。 第四，填補(bǔ)缺口。 的鳥槍法測(cè)序的優(yōu)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)致判斷失誤一、比較基因組學(xué)(Comparative Genomics) 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)研究物種物種完成完成年份年份總長度總長度/Mp/Mp已完成總長已完成總長的百分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)/%/%占常染色質(zhì)占常染色質(zhì)百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)/Mb/Mb基因數(shù)基因數(shù)/Mb/Mb酵母酵母1996199612129393100100483483線蟲線

13、蟲1998199896969999100100197197果蠅果蠅2000200011611664649797117117擬南芥擬南芥200020001151159292100100221221人類第人類第2121染色體染色體20002000343475751001007 7人類第人類第2222染色體染色體199919993434707097971616人類全基因組人類全基因組(Public Sequence)(Public Sequence)2001200126932693848490901212人類全基因組人類全基因組(Celera Sequence)(Celera Sequence)2001200126542654838399-9399-931515二、功能基因組學(xué)研究1. 概念：利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，以高通量，大規(guī)模實(shí)驗(yàn)方法及統(tǒng)計(jì)與計(jì)算機(jī)分析為特征，全面系統(tǒng)地分析全部基因的功