普通遗传学第十三章基因组学

第十三章 基因组学 第一节 基因组学概述 基因组学 (Genomics)是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组 (genome)的分子特征。 基因组学强调的是以基因组为单位，而不是以单个基因为单位作为研究对象 。v基因组学： 对生物体所有基因进行基因组作图 (包括 遗传图谱 、 物理图谱 、 转录图谱 )、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。v基因组学的研究目标 :获得生物体全部基因组序列注解基因组所含的全部基因鉴定所有基因的功能及基因间相互作用关系阐明基因组的复制及进化规律 不同生物基因 组 大小生物 基因 组 大小（ bp）T4噬菌体 T4 phage 2.0105大 肠 杆菌 Escherichia coli 4.2106酵母 Sccharomyces cereviside 1.5107拟 南芥 Arabidopsis thaliana 1.0108线 虫 Caenorhbditis elegans 1.0108果 蝇 Drosophila melanogaster 1.65108水稻 Oryza sativa 4.3108小鼠 Mus musculus 3.0109人 类 Homo sapiens 3.3109玉米 Zea mays 5.4109小麦 Triticum aestivum 1.61010v 1986年 首次提出基因组学 (Genomics)的概念。v 基因组计划研究开始于 1990年 ， 美国卫生 部(NIH)和能源部 (DOE)联合启动了被誉为 “ 人体阿波罗计划 ” 的 “ 人类基因组计划 ”( human genome project， HGP)。基因组学发展简介 :“曼哈顿 ”原子 计划 “阿波罗 ”登月计划 “人体阿波罗 ”计划v 美国提出人类基因组计划后，英、法、日、前苏联、中国等，也相继启动了类似项目v 2000年 6月 26日，各国科学家公布了人类基因组工作草图 。v 2003年 ， 6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功， HGP的所有目标全部实现 , 覆盖人类基因组所含基因区域的 99% ，精确率达到99.99% ，比原计划提前两年多，耗资 27亿美元。基因组学发展简介 :v 2001年 8月 26日，人类基因组计划中国部分测序项目汇报及联合验收会在京召开，标志人类基因组 “ 中国卷 ” 通过验收 我国基因组学发展 :1992年 8月，中国根据国情正式宣布实施自己的 “ 水稻基因组研究计划 ” ，已完成水稻基因组物理图谱的构建2002年 4月 5日， Science 以 14页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组草图序列水稻全基因组物理图中国 “水稻基因组研究计划 ”: C值 (C value)： 一个单倍体基因组中 DNA的总量。一个特定的种属具有特定的 C值 C值悖理 （ C value paradox） ： 物种的 C值和它的 进化复杂性 之间无严格对应关系的现象 。 N值： 生物体所含有的基因数目 。 N值悖理： 复杂性不同的生物种属所具有的基因数目与其 生物结构的复杂性 不成比例的现象。例如 : 水稻基因数约 4万个 , 人类基因总数约 3万个 。 基因组学的研究内容 :v 结构基因组学 (structural genomics) ： 通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、进行基因定位的科学 。v 功能基因组学 (functional genomics)： 利用结构基因组所提供的信息和产物，研究 基因组功能表达 的一门分支学科。 基因的识别、鉴定和克隆，基因结构与功能及其相互关系，基因表达调控 。v 蛋白质组学 (proteomics) ： 研究细胞内蛋白质组成及其活动规律的新兴学科。 鉴定蛋白质表达、存在方式、结构、功能和相互作用方式等 。 基因组学的重要组成部分是 “ 基因组计划” ， 如人类、水稻基因组计划，其 大体可分为 ：1、 构建基因组的遗传图谱2、构建基因组的物理图谱3、测定基因组 DNA的全部序列4、构建基因组的转录本图谱5、分析基因组的功能第二节 基因组图谱的构建 在进行大规模序列测定之前， 构建基因组图谱 是测定基因组全部核苷酸序列的重要一环。基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案的依据，以便先重后轻地分析基因，锚定测知的核酸序列在染色体上的位置在 “ 人类基因组计划 ” 实施过程中，首先用了 6年 时间构建高密度的基因组图谱，然后才进入测序工作。 一、 遗传图谱 (Genetic map)构建 遗传作图 :采用遗传学分析方法将基因或其他 DNA顺序标定在染色体上构建连锁图 。 1、图谱标记 形态标记： 主要指可以观察到的一些性状 ,如种皮颜色、眼色、株高等 。 细胞学标记： 能明确显示遗传多态性的细胞学特征。 染色体的结构特征 和 数量特征 是常见的细胞学标记 。 生化标记： 主要是同工酶及种子贮藏蛋白 ,有时又称 蛋白质标记 。分子标记： 主要指 DNA水平上的标记。 RFLP, RAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNP 。2、遗传图谱的构建 人类基因组遗传图谱的构建 :人类的遗传图谱是利用 家系分析 法，在对 8个家系的 134个成员的分析中，主要根据 5264个 STR标记绘制而成的。利用这些家系的资料绘制第 1至 22号染色体图谱。对于 X染色体图谱，还利用了来自另外 12个家系， 170个成员的资料绘制而成。将 5264个标记定位在 2335个位点，据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记599 kb。植物基因组遗传图谱的构建 :选 择亲本 产生构图群体 遗传标记的染色体定位标记间的连锁分析 1994年绘制的第一张水稻高密度遗传图谱仅有 927个位点，含有 1383个标记； 1998年将 2275标记定位到 1157个位点上；2000年最终的水稻高密度遗传图标记为 3267个，用于指导水稻基因组测序 。 Figure XU78-1第一个同源连锁群二、物理图谱 由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不高，所以还要构建物理图谱 基因组物理图谱的构建 :主要有 4种途径： 限制酶作图： 比较不同限制酶产生的 DNA片段的大小酵母第 3染色体遗传图（ A）与物理图（ B） 基于克隆的基因组作图： 根据克隆的 DNA片段之间的重叠顺序构建重叠群 (contigous DNA clones, contigs ), 绘制物理连锁图。重叠群 （ contigs） ： 相互重叠的 DNA片段组成的物理图。克隆重叠群的组建采用染色体步移法(chromosome walking)。区域作图 Regional mapping区域作图 Regional mappingMinimal tiling path selected for sequencing.区域作图 Regional mapping荧光原位杂交（ fluorescent in situ hybridization, FISH）基因组原位杂交（ genome in situ hybridization, GISH ） 荧光标记原位杂交 (FISH)：Banana chromosomes coloured by fluorescent in situ hybridization (FISH). 将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在位置 序列标签位点 (STS)：如表达的序列标签 (EST)，来自 cDNA 要将一组 STS作图定位，必需收集来自同一染色体或整个基因组随机断裂的 DNA片段。不同 DNA片段之间有各种可能的重叠，可以覆盖整个作图区段。依次采用单个 STS挑出它们所在的 DNA片段，根据它们彼此的重叠关系可以逐段绘 DNA物理图。三、基因组测序策略 鸟枪法 测序： 利用限制酶或超声波处理待测序基因组，构建适合大规模测序的基因组文库，并对克隆进行 随机序列测定 ，然后根据序列间的重叠构建重叠群，不同重叠群进行染色体组装 。 克隆重叠群法： 将基因组切割成长度为0.1-1Mb的大片段，构建 BAC文库 ，利用STS-PCR反应池方案筛选 种子克隆 ，利用指纹图谱法或末端序列步行法对 种子克隆进行延伸 ，根据相互的位置关系及 STS路标的顺序关系有序地将种子克隆及延伸克隆绘制到基因组的相应区域上，形成高覆盖度的、较为连续的大的重叠克隆群，最后应用鸟枪法分别将每个克隆测序，并组装到染色体上 。四、基因组图谱的应用1、基因组序列测定2、基因定位 3、基因的克隆与分离4、分子标记辅助选择5、比较基因组研究Derivation of genome trees from comparative analyses of complete genomes 第三节 生物信息学 1、 生物信息学 (Bioinformatics)采用