比較基因組學(xué)與分子進(jìn)化Comparativegenomicsandmolecularevolution

左元梅博士,教授

2010.10.13必要性可行性應(yīng)用性課程特色本課程開設(shè)的必要性大量模式生物測(cè)序工作的完成2.公共資源數(shù)據(jù)體系的大規(guī)模建立

(NCBI,USA;EMBL,European;DDBJ,Japan)3.面對(duì)海量數(shù)據(jù)，如何從這些數(shù)據(jù)中獲得自己想要的知識(shí)，搜集、管理、處理、分析、釋讀能力的要求迅速提升，4.比較基因組學(xué)和分子進(jìn)化已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的核心和不可分割的學(xué)科。5.人類基因組計(jì)劃的巨大潛力去改善人類的健康狀況并使人類更好地生存模式生物(modelorganism)生物學(xué)家通過對(duì)選定的生物物種進(jìn)行科學(xué)研究，用于揭示某種具有普遍規(guī)律的生命現(xiàn)象，此時(shí)，這種被選定的生物物種就是模式生物。比如，孟德爾在揭示生物界遺傳規(guī)律時(shí)選用豌豆作為實(shí)驗(yàn)材料，而摩根選用果蠅作為實(shí)驗(yàn)材料，在他們的研究中，豌豆和果蠅就是研究生物體遺傳規(guī)律的模式生物。由于進(jìn)化的原因，許多生命活動(dòng)的基本方式在地球上的各種生物物種中是保守的，這是模式生物研究策略能夠成功的基本基礎(chǔ)。模式生物基本共同點(diǎn)：1.有利于回答研究者關(guān)注的問題，能夠代表生物界的某一大類群；

2.對(duì)人體和環(huán)境無害，容易獲得并易于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飼養(yǎng)和繁殖；

3.世代短、子代多、遺傳背景清楚；

4.容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，特別是具有遺傳操作的手段和表型分析的方法GenomeprojectResoursenumberstatusmodelMicrobialgenomes347completeE.coli

Fungalgenome83inprogress,completeS.cerevisiae,mushroomsViralgenome1044inprogress,completeAIDS,SARSParasiticgenome>38inprogress,completeBrugiamalayi,Heteroderaglycines

Insectgenome44inprogress,completeDrosophilamelanogaster,beetle,beePlants34inprogress,completeArabidopsisthaliana,rice,soybean,maize

Mammals43inprogress,completeHuman,

mouse,rat,cow,dog,chimpanzeeOtheranimals84inprogress,completeC.elegans,zebrafish,chicken,

DatafromNCBIandTIGRdatabaseNumberofGenesin4.首張貓基因組草圖完成,

GenomeRes.17:1675-1689,2007

狗、小鼠、大鼠以及黑猩猩等在內(nèi)的基因組“俱樂部”全球第一張白種人基因組圖譜,7月由美國科學(xué)家公布.中國人基因組圖譜(又稱“炎黃一號(hào)”)，第一個(gè)亞洲人全基因序列圖譜,2007.11月公布,ReleasedGenomeProjects,20073.恒河猴（rhesusmacaque，Macacamulatta）的基因組圖譜.

Science,316:240-243.April2007.5.衣藻（一種單細(xì)胞土生藻類）的基因組測(cè)定完成.Science,318:245-250.12October2007:

6.?？蚪M?？蚪M(Nematostella

vectensis)

Science.317:86–94.6July2007:

ReleasedGenomeProjects,2007ReleasedGenomeProjects,20081.首個(gè)甲蟲基因組問世(Nature，doi:10.1038/nature06784，TriboliumGenomeSequencingConsortium,3/26/2008）2.中美聯(lián)合繪就番木瓜基因組草圖

Nature，452,991-996，RayMing,MaqsudulAlam,4/24/2008)3.科學(xué)家繪出鴨嘴獸基因組草圖

.(Nature,453,175-183，WesleyC.Warren，RichardK.Wilson,5/8/2008)4.古老蛋白塑造細(xì)菌緊湊基因組

(Science，Vol.320.no.5878,pp.935–938，ChristopherJ.Cardinale，EvgenyNudler,5/16/2008)5.科學(xué)家破解根結(jié)線蟲基因組,<<自然—生物技術(shù)》（NatureBiotechnology），doi:10.1038/nbt.1482，PierreAbad，PatrickWincker,7/29/2008）ReleasedGenomeProjects,20086.絲盤蟲完整基因組測(cè)序完成

絲盤蟲是擁有最小核基因組的多細(xì)胞動(dòng)物之一，但其包含的用于基因調(diào)控的特征序列可在更復(fù)雜的動(dòng)物和人類身上發(fā)現(xiàn)。該項(xiàng)研究將絲盤蟲定義為動(dòng)物進(jìn)化的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。與包含30億個(gè)堿基對(duì)的人類核基因組相比，絲盤蟲只有9800萬個(gè)堿基對(duì).絲盤蟲的線粒體基因組的大小比那些可在絕大多數(shù)動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)的要大2倍以上，這些動(dòng)物具有大多數(shù)原始生物一樣的基因、內(nèi)含子（染色體DNA鏈上有許多段不表達(dá)的堿基序列，被稱為內(nèi)含子）及間隔序列。絲盤蟲與人類共享了超過80%的基因，這種動(dòng)物保留了與刺胞動(dòng)物和兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物最后共同祖先的很多特征，它們存在于距今6億多年前.Nature，Nature

454,955-960，MansiSrivastava，DanielS.Rokhsar,9/10/20087.繪制出首幅小麥基因組物理圖譜

小麥的基因組不但數(shù)量多，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)其進(jìn)行測(cè)序被視為“不可能完成的任務(wù)”。小麥的染色體共含有170億對(duì)堿基，是水稻的約40倍，是人體的約5倍，因此測(cè)序工作進(jìn)展相對(duì)緩慢。Science，Vol.322.no.5898,pp.101-104，EtiennePaux，CatherineFeuillet,10/4/2008）

8.一種超級(jí)細(xì)菌的基因組測(cè)序完成。Steno是一類最新發(fā)現(xiàn)的名單不斷增加的醫(yī)院超級(jí)細(xì)菌，它們顯示出的抗藥性程度令人擔(dān)憂。新出現(xiàn)的菌株可以抵抗所有的抗生素，而當(dāng)前尚沒有開發(fā)出真對(duì)抗這種全耐菌株的新藥。GenomeBiology2008,9:R74

。9.完成大豆基因組測(cè)序。2008-12-11ReleasedGenomeProjects,2008ReleasedGenomeProjects,20091.高粱基因組測(cè)序。高粱基因組大約有3萬個(gè)基因，有7.3億個(gè)核苷酸，比水稻約多75%。這項(xiàng)成果將對(duì)生物燃料和可再生能源產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重要影響。Nature，457,551-556。2.完成?；蚪M測(cè)序。牛至少有2.2萬個(gè)基因，其中80％與人類共享。牛在遺傳上與人類的相似性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老鼠。牛可以替代實(shí)驗(yàn)鼠作為研究人類疾病的動(dòng)物模型。Science.5926，522-528。3.馬鈴薯基因組序列框架圖.馬鈴薯基因組有12條染色體，8.4億個(gè)堿基對(duì)。2009-9。4.首次繪制出豬基因組草圖。豬的生理結(jié)構(gòu)與人類相似，是研究人類疾病的理想動(dòng)物模型，目前科學(xué)家研究糖尿病、心臟病和皮膚病等都要依賴豬。2009-111.擬南芥,20002.水稻（粳稻,日本晴）,1998,國際水稻基因組計(jì)劃啟動(dòng)

2001，美國的孟山都和瑞士的辛津塔公司

2005,完成.中國20%,Nature,

2007.8.183.黑三葉楊,美國,Science,20064.葡萄基因組計(jì)劃的完成法國，意大利,

Nature,

2007.8.265.大豆基因組測(cè)序。2008.6.高粱、馬鈴薯基因組測(cè)序。2009PlantGenomeProjectGenome

SequencingProject

PlantgenomesizegeneNo.PublishedpaperArabidopsisthaliana0.14Gbp

25,498Nature

408(2000)Rice37,544Nature

436(2005)2859werenotfoundinArabidopsisSoybeanLotusjaponicusMedicagotruncatula0.40

Gbp5.6

Gbpasadauntingtask500Mbp500Mbp1,100MbpMaizewheat2.4–2.7

GbpBarely5.0Gbp17

GbpGenomeProjectinChina2.家蠶基因組框架圖,2003,12,Science1.中國水稻(秈稻)基因組，秈稻9311，

2001年11月啟動(dòng),2002年4月，Science發(fā)表GenomeProjectinChina1.繪制出黃瓜基因組精細(xì)圖。黃瓜基因組共有約3.5億個(gè)堿基對(duì)，在黃瓜基因組中共發(fā)現(xiàn)了26,682個(gè)基因。NatureGenetics

41,1275-1281(2009)

2.白菜全基因組的精細(xì)圖，甘藍(lán)和油菜全基因組的框架圖。GenomeProjectinChina2.木薯基因組測(cè)序完成.2010.11.大熊貓基因組測(cè)序和組裝研究。

2010.1

GenomeProjectinChina1.世界第一個(gè)茶樹基因組測(cè)序計(jì)劃在昆啟動(dòng)。

2010.22.啟動(dòng)“1000種動(dòng)植物基因組計(jì)劃”，計(jì)劃未來兩年內(nèi)為一千種重要?jiǎng)又参镞M(jìn)行測(cè)序，并從科學(xué)界征集測(cè)序物種的提案人類基因組測(cè)序十年記1.2000年，測(cè)序草圖完成。公共財(cái)政資助的國際人類基因組計(jì)劃，美國馬里蘭州的私人公司CeleraGenomics?？茖W(xué)家應(yīng)該努力將測(cè)序結(jié)果應(yīng)用于人類健康方面

Personalgenomics20世紀(jì)50年代，Watson和Crick提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。2007年5月31日DNA之父”的吉姆·沃森得到了一份特殊獎(jiǎng)品---生命天書

Nature449,773-776(2007)Nature封面故事：一位了不起的父親

個(gè)人基因組研究Personalgenomics:Hisdaughter'sDNA

人類基因組測(cè)序十年記1.2000年，測(cè)序草圖完成。公共財(cái)政資助的國際人類基因組計(jì)劃，美國馬里蘭州的私人公司CeleraGenomics。2.Humangenomeatten:Scienceafterthesequence

Nature465,1000-1001(2010)人類基因組測(cè)序十年記20多個(gè)已發(fā)表的人類基因組數(shù)據(jù)以及近200個(gè)還未發(fā)表的基因組數(shù)據(jù)，“基因”，“基因調(diào)控”這樣的基本概念比他們想象的要復(fù)雜得多。2.不太多的進(jìn)步包括一些癌癥和罕見遺傳病的遺傳缺陷特異性藥物靶標(biāo)。找到常見的遺傳變異與疾病之間關(guān)系的研究所取得的成功相當(dāng)有限TherevolutioninbiologicalinformationDataexplosions1.TheEMBL(EuropeanMolecularBiologyLaboratory)databaseismaintainedattheEuropeanBioinformaticsInstituteinCambridge,UK(Stoesseretal.,2003)2.GenBankismaintainedattheNationalCenterforBiotechnologyInformationinMaryland,USA(Bensonetal.,2003)3.TheDDBJ(DNADatabankofJapan)ismaintainedattheNationalinstituteofGeneticsinMishima,Japan(Miyazakietal.,2003).4.WhenscientistswillcreateandsetupdatabaseinChina????課程主要內(nèi)容1.比較基因組學(xué)