1、第十章基因組與比較基因組學第十章基因組與比較基因組學2020世紀人類科技發展史上的三大創舉世紀人類科技發展史上的三大創舉 9090年代人類基因組計劃年代人類基因組計劃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 人類基因組計劃 的鳥槍法序列分析技術 比較基因組學及功能基因組研究Contents一、人類基因組計劃的啟動 1986 年諾貝爾獎獲得者R.Dulbecco（杜爾貝科）提出人類基因組計劃測出人類全套基因組的 DNA 堿基序列（ 3 X 109 bp ）第一節人類基因組計劃1975年，獲諾貝爾生理醫學獎年，獲諾貝爾生理醫學獎 美國政府決定

2、于 1990年正式啟動HGP，預計用 15 年時間，投入 30 億美元，完成 HGP。 由國立衛生研究院和能源部共同組成“人類基因組研究所” 逐漸地，HGP 擴展為多國協作計劃。參與者包括：英、日、法、德和中國（1993年）二、人類基因組計劃的進展狀況（1）截至 1998 年 10 月，完成 1.8 X 108bp，占 計劃的 6。（2）完成一系列模式生物全基因組測定。 這些模式生物全基因組測定的完成有重大理論與現實意義。（3）DNA 測序技術飛速提高 1998.5.9 J.C. Venter 等宣布，組建商業公司，投入 3 億美元，3 年內完成。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”并進并進 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 與蛋白質合成有關與蛋白質合成有關 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人類蛋白質 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月公共領域測序

4、計劃工作框架圖月公共領域測序計劃工作框架圖 2000 2000 年年 12 12 月美、英等國科學家宣布繪出擬月美、英等國科學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“精細圖”完成，(99%),同時發表論文 美國 Science, Vol. 291, No. 5507 英國Nature , Vol.409, p.860DAN測序膠圖年月日，人類基因組序列圖亦稱“完成圖”（99.99%），提前繪制成功。 三、人類基因組計劃的科學意義（1）確定人類基因組中約5萬個編

5、碼基因的序列及其在基因組中的物理位置，研究基因的產物及其功能。（2）了解轉錄和剪接調控元件的結構與位置，從整個基因組結構的宏觀水平上理解基因轉錄與轉錄后調節。（3）從整體上了解染色體結構，包括各種重復序列以及非轉錄“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構、DNA復制、基因轉錄及表達調控中的影響與作用。（4）研究空間結構對基因調節的作用。有些基因的表達調控序列與被調節基因從直線距離上看，似乎相距甚遠，但若從整個染色體的空間結構上看則恰恰處于最佳的調節位置，因此，有必要從三維空間的角度來研究真核基因的表達調控規律。（5）發現與DNA復制、重組等有關的序列。DNA的忠實復制保障了遺

6、傳的穩定性，正常的重組提供了變異與進化的分子基礎。局部DNA的推遲復制、異常重組等現象則導致疾病或者胚胎不能正常發育，因此，了解與人類DNA正常復制和重組有關的序列及其變化，將對研究人類基因組的遺傳與進化提供重要的結構上的依據。（6）研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機制，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的分子病理學改變及其進程，為這些疾病的診斷、預防和治療提供理論依據。（7）確定人類基因組中轉座子、逆轉座子和病毒殘余序列，研究其周圍序列的性質。了解有關病毒基因組侵染人類基因組后的影響，可能指導人類有效地利用病毒載體進行基因治療。（8）研究染色體和個體之

7、間的多態性。這些知識可被廣泛用于基因診斷、個體識別、親子鑒定、組織配型、發育進化等許多醫療、司法和人類學的研究。此外，這些遺傳信息還有助于研究人類歷史進程、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生物基因組全序測定工作的科學意義與社會意義的認識（8分） 中國科學院2002年 碩士學位研究生入學分子遺傳學試題遺傳圖譜遺傳圖譜轉錄圖譜轉錄圖譜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、 轉錄圖轉錄圖遺傳圖遺傳圖 、序列圖、序列圖 四、四、HGPHGP的主要任務的主要任務、 遺傳圖（連鎖圖）指基因或D

8、NA標記在染色體上的相對位置與遺傳距離。cM（基因或DAN片段在染色體交換過程中分離的頻率） 多態性：人的DNA序列上平均每幾百個堿基會出現一些變異（variation），并按照孟德爾遺傳規律由親代傳給子代，從而在不同個體間表現出不同，因而被稱為多態性（Polymorphism）。 第一代多態性標記是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段長度多態性） 第二代多態性標記是短的串聯重復序列 包括小衛星DNA和微衛星DNA，其多態性主要來自重復序列拷貝數的變化小衛星DNA由15-65bp的基本單位串聯重復而成，長度一般不超過20kb。重

9、復次數（小衛星DNA區的長度）在人群中是高度變異的；按照孟德爾的規律遺傳微衛星DNA/簡短串聯重復（STR、STRP或SSLP）重復單元2-8bp，通常重復10-60次CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC 真核生物基因組中的DNA重復序列主要有哪些類型？簡要說明基因組重復序列可能的生物學意義以及基因組重復序列在分子標記研究中的應用 （12分）中國科學院2002年 碩士學位研究生入學分子遺傳學試題第三代多態性標記是單核苷酸的多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）SNP：是由于單個核苷酸改變而導致的核酸序列多態。第一軍醫

10、大學2003年分子生物學 人類999的基因密碼是相同的，而差異不到01，不同人群僅有140萬個核苷酸差異。這些差異是由“單一核苷酸多樣性”（SNP）產生的，它構成了不同個體的遺傳基礎。在整個基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬分之一，從而說明人類不同“種屬”之間并沒有本質上的區別。 SNP與RFLP和STR標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手段，而直接以序列變異作為標記。2、物理圖 以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標簽位點，sequence-tagged site,STS）為“路標”，以堿基對作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。3、轉錄圖 以EST（expresse

11、d sequence tag ，表達序列標簽）為標記，根據轉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 既包括可轉錄序列，也包括非轉錄序列，是轉錄序列、調節序列和功能未知序列的總和。2000年年6月公共領域測序計劃工作框架圖月公共領域測序計劃工作框架圖第二節的鳥槍法序列分析技術 的鳥槍法測序原理2000年年6月公共領域測序計劃工作框架圖月公共領域測序計劃工作框架圖二、DNA的鳥槍法測序的主要步驟 第一，建立高度隨機、插入片段大小為2kb左右的基因組文庫。 第二，高效、大規模的末端測序。 第三

12、，序列集合。 第四，填補缺口。 的鳥槍法測序的優缺點隨著所測基因組總量增大，所需測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序列，導致判斷失誤一、比較基因組學(Comparative Genomics) 概念：是基于基因組圖譜和測序基礎上，對已知的基因和基因組結構進行比較，來了解基因的功能、表達機理和物種進化的學科。 第三節比較基因組學及功能基因組學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數的百分數/%/%占常染色質占常染色質百分數百分數/Mb/Mb基因數基因數/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、功能基因組學研究1. 概念：利用結構基因組學提供的信息，以高通量，大規模實驗方法及統計與計算機分析為特征，全面系統地分析全部基因的功