1

第三章人類基因組學(xué)(humangenomics)概述:第一節(jié)人類基因組和基因組學(xué)基因組(genome):一個(gè)生命體遺傳信息的總和(單倍體細(xì)胞內(nèi)……)人類基因組(括:核基因組和mt基因組。通常指…)基因組學(xué)(genomics):在整個(gè)基因組的層次上總體研究某一物種的所有基因的結(jié)構(gòu)與功能,以及所有物種細(xì)胞的基因組在結(jié)構(gòu)、功能上的異同關(guān)系。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)：數(shù)量位置距離序列基因組學(xué)功能基因組學(xué)：表達(dá)調(diào)控功能

比較基因組學(xué)：比較不同物種基因組的異同2第二節(jié)人類基因組計(jì)劃（humangenomeproject，HGP)20世紀(jì)90年代重大科學(xué)項(xiàng)目三大計(jì)劃一、計(jì)劃的提出及任務(wù)1986RenatoDulbecco1990.10美國(guó)啟動(dòng)該計(jì)劃30億美元15年最初目標(biāo)：1）構(gòu)建人類基因組遺傳圖和物理圖。2）確定人DNA全部核苷酸序列。3）定位全部基因。4）對(duì)其他生物進(jìn)行類似研究。93年，增人類基因組的鑒定和分離。98年，增基因組多樣性、強(qiáng)化功能基因組的研究。后基因組生物系統(tǒng)學(xué)3二、參與研究者美、英、日、法、德、中、私人企業(yè)、研究公司、制藥集團(tuán)。三、研究狀況2000年.6.23，6國(guó)科學(xué)家公布：人類基因組序列“工作框架圖”（workingdraft）（90%），引起強(qiáng)烈反響。2001.2.12,國(guó)際人類基因組組織（6國(guó)）和Celera公司分別在《Nature》和《

Science》公布人類基因組序列工作草圖（99%）。32億bp

3千部《紅樓夢(mèng)》我國(guó)科學(xué)家3p測(cè)序2004.10，公布人類基因組完成圖。4四、HGP的意義理論意義：測(cè)序基因數(shù)基因功能醫(yī)學(xué)意義：提供一個(gè)可資借鑒的正常人類基因信息庫(kù)先知先覺……產(chǎn)前基因診斷…..治療……藥學(xué)意義附:我國(guó)水稻基因組研究2002,4,4,中科院

《

Science》繪制完成水稻基因組序列總數(shù)：46022-55615打破“生命越高級(jí)，基因數(shù)越多”的誤區(qū)。5五、基因組作圖和DNA測(cè)序概述

HGP任務(wù)：構(gòu)建遺傳圖、物理圖、確定DNA序列、定位基因基因組作圖（genomemapping）：將基因組這一巨大研究對(duì)象分解成較易操作的小的結(jié)構(gòu)區(qū)域，分析研究。（一）遺傳圖（geneticmap）或連鎖圖（lingkagemap）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)成的圖。

經(jīng)計(jì)算連鎖的遺傳標(biāo)志間的重組率，確定基因的相對(duì)距離，用厘摩表示（centrimorgan，cM），1厘摩（cM）=減數(shù)分裂時(shí)兩個(gè)基因間重組率為1%。例：A和B間的重組率為2…連鎖圖ABC2356繪制遺傳圖需用多態(tài)性(遺傳)標(biāo)志第一代遺傳標(biāo)志（1975）限制性酶切片斷長(zhǎng)度多態(tài)性(restrictionfregmentlengthpolymorphism,RFLP)此類標(biāo)志較少,多態(tài)信息低，應(yīng)用受限。例：2000bpA基因第二代遺傳標(biāo)志（1989）：短串聯(lián)重復(fù)序列（shorttandemrepeat，STR），又稱微衛(wèi)星（microsatelite，MS）標(biāo)志，主要為二核苷酸重復(fù)序列，如（CA）n信息量大，優(yōu)于第一代。7第三代遺傳標(biāo)志：即單核苷酸多態(tài)性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）

（1996）SNP定義：基因組中某一堿基的變異，頻率大于1%。數(shù)量多（300多萬），覆蓋密度高。作用：用于遺傳作圖；多樣性研究；識(shí)別、定位疾病相關(guān)基因。8（二）物理圖（physicalmap）即確定各遺傳標(biāo)志之間的物理距離的圖譜，以堿基對(duì)數(shù)量表示（bp，kb，mb（兆堿基））。。物理圖含兩方面含義：其一：指以一段已知核苷酸序列的DNA片段（即稱為序列標(biāo)簽部位，sequencetaggedsite,STS）為“位標(biāo)”，以Mb或Kb作為圖距的g圖.例：對(duì)STS的要求：（1）在g組中有明確的位置（2）一段已知的序列，可用PCR擴(kuò)增的單拷貝序列位標(biāo)A位標(biāo)B位標(biāo)C3kb2Mb9其二：在以上基礎(chǔ)上構(gòu)建覆蓋每條CS的大片段DNA鄰接克隆系（contig）ACGTCGTGCACGTCGTGCGTCGTGCSTS5STS4STS2STS3STS1STS2STS5STS6STS3STS4STS1STS2STS3STS4STS5STS6STS2STS3STS5STS4圖STS與conting構(gòu)建圖解不同DNA片段的克隆Contig的構(gòu)成10

構(gòu)建物理圖時(shí)，先用限制酶將染色體DNA切成一個(gè)個(gè)片段，將之插入載體進(jìn)行克隆化。這些載體包括：（1）酵母人工CS（yeastartificialchromosome,YAC）插入片段長(zhǎng)度：0.5~2個(gè)Mp大片段.（2）細(xì)菌人工CS（bacterialartificialchromosome,BAC）插入片段:80~300kb（3）P1噬菌體（bacteriophageP1）插入片段,最大125kb.（4）P1來源的人工CS（P1-deriverd~,PAC）插入片段,300kb多用BAC構(gòu)建克隆，然后對(duì)BAC克隆逐一測(cè)序。將隨機(jī)長(zhǎng)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。11（三）序列圖（sequencemap)

經(jīng)對(duì)基因組進(jìn)行序列分析所建的圖。亦指對(duì)g組的大規(guī)模測(cè)序。32億bp。1、g組DNA大規(guī)模測(cè)序（DNA測(cè)序的策略）（1）基于BAC連續(xù)克隆系的測(cè)序概括：在構(gòu)建好BAC連續(xù)克隆系后（確定每一BAC所對(duì)應(yīng)CS的區(qū)域）,對(duì)BAC逐一測(cè)序.步驟：1)將待測(cè)BAC克隆隨機(jī)切成小片段（約1.5~2kb）2)將小片段克隆入測(cè)序載體3)對(duì)小片段DNA進(jìn)行8~10倍左右覆蓋率的測(cè)序4)將相互重疊的讀出序列（reads）組裝成連續(xù)的重疊線。5)從質(zhì)量最高的讀出序列中取得序列。6)利用引物延伸或其他方法對(duì)BAC克隆中還存在的縫隙（gap）進(jìn)行填補(bǔ)(gapfilling)12（2）全g組的“鳥槍法”測(cè)序[此策略不需要先構(gòu)建YAC、BAC重疊群]直接將g組DNA分解成2kb左右的小片段進(jìn)行隨機(jī)測(cè)序，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行策略組裝。例Celera公司……測(cè)序自動(dòng)化2、cDNA測(cè)序?qū)θ祟恎組中能轉(zhuǎn)錄表達(dá)的序列（即g）進(jìn)行測(cè)定。2%【概括序列圖過程（兩種技術(shù)路線）（參考）：

（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。

（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…………】133、DNA序列的生物信息學(xué)分析生物信息學(xué)：利用計(jì)算機(jī)對(duì)DNA和Pr序列資料中各種類型信息進(jìn)行識(shí)別、儲(chǔ)存、分析、模擬和傳輸?shù)目茖W(xué)。4、g組測(cè)序的成就（1）模式生物體g組測(cè)序表g組測(cè)序現(xiàn)狀生物體預(yù)測(cè)g數(shù)完成狀況大腸桿菌4288100%面包酵母5855100%線蟲18424100%果蠅13601近100%小鼠4～10萬6.1%人類(01.2.15)2～2.5萬99%14（2）人類g組測(cè)序1、2001-2-15，6國(guó)完成人類g組工作草圖。95%2、2000-4-6，Celera，某男g(shù)組序列，99%3、1999-12，英、日、美、加、瑞科學(xué)家完成22號(hào)CS測(cè)序（33.4Mb），545g、134假g。4、2000-4，日、美、德完成21號(hào)CS測(cè)序。5、2004.10，公布人類基因組計(jì)劃完成圖。2006.5.18，英美完成1號(hào)CS測(cè)序，2.23億bp，3142個(gè)基因，基因突變與350中疾病有關(guān)。15（四）基因圖（genemap)據(jù)序列圖，用不同方法預(yù)測(cè)出基因所在位置的圖。方法：（一）CpG島的應(yīng)用CpG島指每個(gè)基因5‵端轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)處富含CpG的一段DNA。故，測(cè)序中，每發(fā)現(xiàn)一CpG島，即意味此處有一基因。（二）計(jì)算機(jī)的應(yīng)用用計(jì)算機(jī)預(yù)演系統(tǒng)GRAIL可從未知DNA中確認(rèn)外顯子。（三）cDNA策略分離出mRNA，反轉(zhuǎn)錄成cDNA片段，此為表達(dá)序列標(biāo)簽（expressedsequencetag,EST),定位后構(gòu)成的圖稱轉(zhuǎn)錄圖(transcriptinalmap,又稱表達(dá)圖expressionmap)（基因圖雛形）據(jù)此可估計(jì)基因組中基因數(shù)。人基因組中基因數(shù)：2-2.5萬。不同個(gè)體間基因編碼差異：0.01%（past-genomeproject，PGP）主要探討基因組的功能等。

PGP的研究領(lǐng)域

人類基因組多樣性計(jì)劃環(huán)境基因組學(xué)

功能基因組學(xué)（蛋白組學(xué)）疾病基因組學(xué)

比較基因組學(xué)藥物基因組學(xué)

生物信息學(xué)

第三節(jié)后基因組計(jì)劃一、人類基因組多樣性計(jì)劃（humangenomediversityproject，HGDP）人類基因數(shù)量約2-2.5萬個(gè)人類基因組DNA含3×109bp不同個(gè)體基因編碼僅有0.01%差異種族多樣性族群多樣性個(gè)體特異性人類基因組的多樣性與同一性二、功能基因組學(xué)

功能基因組學(xué)（functionalgenomics）概念：研究基因組多樣性、表達(dá)調(diào)控、對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)和功能的研究、模式生物基因組的研究等。轉(zhuǎn)錄圖基因表達(dá)圖：三維轉(zhuǎn)錄圖。

不同時(shí)間不同基因不同表達(dá)水平不同發(fā)育期不同組織不同表達(dá)水平同一組織同一基因三、比較基因組學(xué)（comparativegenomics）各種模式生物基因組序列的比較生物種類基因組大小預(yù)測(cè)基因組數(shù)目基因平均長(zhǎng)度大腸桿菌4.6Mb1800約1kb

酵母12Mb5800約2kb

秀麗線蟲97Mb18500約5.3kb

果蠅116Mb13600約10kb

小鼠3000Mb40000約30kb

人3164Mb2-2.5萬27kb

生物基因組進(jìn)化的連續(xù)性分析

21%的基因原核生物和真核生物共有

32%的基因真核生物共有而原核生物沒有

24%的基因動(dòng)物所共有

22%的基因脊椎動(dòng)物特有四、環(huán)境基因組學(xué)（enviromentalgenomics）是研究與環(huán)境因素相關(guān)的疾病易感性基因的。

環(huán)境相關(guān)的疾病易感基因基因多態(tài)性分類環(huán)境成份相關(guān)疾病CYP1A1

激活吸煙肺癌GST解毒吸煙肺癌NAT2

解毒吸煙膀胱癌、乳腺癌

TCF2轉(zhuǎn)錄因子母親吸煙唇裂、腭裂ALAD生物合成鉛鉛中毒

五、疾病基因組學(xué)（morbidgenomics）

主要任務(wù)是分離重要疾病的致病基因與相關(guān)基因，并確定其致病機(jī)制。

1.腫瘤癌基因和抑癌基因的定位與克?。?/p>

2.單基因病致病基因的定位與克??；

3.多基因病數(shù)量性狀基因座（QTL）的定位與克隆。六、藥物基因組學(xué)（pharmacogenomics）

是研究藥物及化學(xué)物質(zhì)引起機(jī)體反應(yīng)上的遺傳差異，即藥物多態(tài)性的學(xué)科，以便能更安全有效的使用藥物，和發(fā)現(xiàn)新的藥物。

七、生物信息學(xué)（bioinformatics）

是生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)交叉的一門新興學(xué)科，對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、加工、存儲(chǔ)、檢索與分析，進(jìn)而達(dá)到揭示數(shù)據(jù)所含的生物學(xué)意義有重要作用。國(guó)際上三大公共基因數(shù)據(jù)庫(kù)：

GeneBank：美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI）

EMBL：美國(guó)歐洲生物學(xué)信息研究所（EBI）

DDBL：日本信息生物學(xué)中心（CIB）生物信息學(xué)已改變了基礎(chǔ)生命科學(xué)研究的運(yùn)作方式，極大地提高了工作效率。第四節(jié)基因定位與克隆基因定位（genemapping）

就是用一定方法，將各個(gè)基因確定到染色體的實(shí)際位置?；蚩寺。╣enecloning）

是從基因組中把某一基因用一定方法分離出來，以便進(jìn)行單一基因精細(xì)結(jié)構(gòu)和功能的研究。一、基因定位工作歷史主要方法

連鎖分析（linkageanalysis）

體細(xì)胞雜交（somaticcellhybridization）

原位雜交（hybridizationinsitu）

放射雜種（radiationhybrid）

計(jì)算機(jī)識(shí)別（computeridentify）1．連鎖分析

同一條染色體上的不同基因呈線性連鎖關(guān)系，在減數(shù)分裂后，結(jié)合家系分