關于功能基因組學及其研究方法第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因組(genome)是德國遺傳學家H.Winkler在1920年將gene（基因）和chromosome(染色體)兩個詞縮合而創造的一個新詞，意思是指染色體上的全部基因。幾十年來，隨著分子生物學的發展，其含義擴展為在個體水平代表一個個體所有遺傳性狀的總和，在細胞水平代表一個細胞所有不同染色體（單倍體）的總和，在分子水平代表一個物種所有DNA分子的總和。

一、基因組學概念第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因組學（genomics）研究生物基因組的結構和功能的科學，即從整體水平上來研究一個物種的基因組的結構、功能及調控的一門科學。1986年提出，至今20年，已經發展成為遺傳學中最重要的分支學科。第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因組學研究的最終目標獲得生物體全部基因組序列;鑒定所有基因的功能;明確基因之間的相互作用關系;闡明基因組的進化規律.

第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因組學包括2-3個亞領域亞領域內容結構基因組學整個基因組的遺傳制圖、物理制圖、DNA測序；

功能基因組學認識、分析整個基因組所包含的基因、非基因序列及其功能；蛋白質組學

研究細胞內蛋白質的組成及其活動規律。第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三結構基因組學結構基因組學，顧名思義，就是研究生物基因組結構的科學。它是基因組研究的第一階段的工作，建立功能基因組學的基礎。其主要目標是繪制生物的遺傳圖（geneticmap）、物理圖（physicalmap）、轉錄圖（transcriptmap）和序列圖（sequencemap）。基因組測序是結構基因組學最基本的研究工作。結構基因組學(structuralgenomics)是通過人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)的實施來完成的。結構基因組學第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三HGP的內容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組DNA序列測定。自1990年開始實施人類基因組計劃以來，在它的影響下，迄今已完成了400多個物種的基因組DNA序列的測定，其中包括流感嗜血桿菌、大腸桿菌、酵母、秀麗線蟲等多個病原微生物和模式生物以及人類基因組的測序。結構基因組學第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三模式生物是指一類被深入研究旨在揭示特定生命現象普遍規律的生物物種。大多數生物學過程在長期的進化過程中是高度保守的，因此，許多生物學過程在大多數或所有的模式生物中都是類似的，模式生物也因此在生物學研究中具有不可替代的重要作用。第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

人類基因

組計劃第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因定位基因組作圖測定核苷酸序列結構基因組學第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三TheE.coligenome第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三AportionoftheE.colichromosomeshowinggenesandoperons.

Adotindicatesthepromoterforeachgeneoroperon.Arrowsandcolorindicatethedirectionoftranscribtion:darkbluegenesaretranscribedlefttoright,lightbluearetranscribedrighttoleft.Overlappinggeneareshowningreen.第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三功能基因組學

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能的學科。近年來應用計算機生物信息技術，分析研究已測序完DNA序列的生物基因組后，發現了未知功能的許多基因，這促進了基因定位和基因表達調控的研究。但目前功能基因組學的研究，還只局限于RNA水平。今后隨著蛋白質分析技術的發展，例如，高效和超高靈敏度的雙向凝膠電泳、色譜儀的出現，人們有可能在蛋白質水平上，分析基因組中基因間的相互作用，進而進一步地豐富和發展功能基因組學。第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三主要具體內容包括以下方面（一）鑒定DNA序列中的基因（二）同源搜索預測基因功能（三）實驗性研究基因功能（四）描述基因表達模式（五）蛋白質相互作用的模式第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三（一）鑒定DNA序列中的基因計算機對基因組序列(DNA序列)進行分析，包括鑒定和描述推測的基因、非基因序列及其功能。

第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三根據序列分析搜尋基因

查找開放閱讀框（openreadingframe,ORF）開放閱讀框都有一個起始密碼子，ATG，還要有終止密碼子。從ATG開始，然后向下游尋找終止密碼子。起始密碼子和終止密碼子之間的堿基數目要能夠被3整除每一條鏈都有3種可能的閱讀框，2條連共計有6種可能的閱讀框.第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三（二）同源搜索設計基因功能同源基因在進化中來自共同的祖先，通過核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比較推測基因組內相似功能的基因。同源基因起源于同一個祖先，在不同的物種中結構和功能相同或相似的基因。第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三同源查詢的依據有親緣關系的物種，基因組可能存在某種程度的相似性：存在某些完全相同的序列；ORF演繹的氨基酸序列相似；ORF的排列相似，如等長的外顯子；模擬的多肽鏈的高級結構相似，等。第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三生物信息學(bioinformatics)是運用計算機技術和信息技術開發新的算法和統計方法，對生物實驗數據進行分析，確定數據所含有的生物學意義，并開發新的數據分析工具以實現對各種信息的獲取和管理的學科。利用生物信息學能夠分析從微生物、動物、植物以及人類基因組序列測定產生的大量資料，闡明遺傳信息。

研究內容兩大類：DNA數據分析；蛋白質數據分析。第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三DNA序列分析基因結構域分析，包括啟動子、轉錄因子結合序列、內含子、外顯子、重復序列、開放讀碼框架等。同源分析和檢索，包括DNA數據庫、EST數據庫、STS數據庫、Unigene數據庫、Swissprot數據庫等。第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質的數據分析蛋白質一級結構分析：結構特點分析，包括等電點、信號肽、穿膜區、DNA結合序列等同源分析和檢索，包括Nr數據庫、Swissprot數據庫等功能區分析，包括Prosite、Emotif、Identify分析等。蛋白質空間結構分析：蛋白質晶體結構數據庫檢索，如PDB數據庫。蛋白質空間結構預測，如Homology等軟件分析。第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三（三）實驗性研究基因功能基因克隆基因敲除（knock-out）

轉座子插入突變

基因的超表達反義RNA技術RNAi

第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因克隆的策略基因文庫—傳統方法PCR擴增–后基因組時代第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因敲除技術（geneknockout)通過基因工程的方法將一個結構已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又稱基因敲入,基因替換），然后從整體觀察生物體，從而推測相應基因的功能。這種人為地把生物體某一種有功能的基因完全缺失的技術稱為基因敲除技術。第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因替換轉座子誘變整合突變自殺質粒介導的缺失突變第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三（四）描述基因表達模式采用DNA微點陣進行整體基因表達譜--轉錄組分析；采用蛋白質或多肽微點陣、改進的雙向電泳結合飛行質譜技術分析蛋白質表達譜--蛋白質組分析。第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三轉錄組(transcriptome):一個細胞內的一套mRNA轉錄物，包含了某一環境條件、某一生命階段、某一生理或病理(功能)狀態下，生命體的細胞或組織所表達的基因種類和水平。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三轉錄組學的研究方法－DNA芯片技術第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因表達譜類型:1，組織、細胞表達譜2，差異的組織、細胞表達譜3，誘導的細胞表達譜表達譜專用技術:1，SAGE分析2，生物芯片技術(基因芯片，細胞芯片，組織芯片)3，其它第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三SerialAnalysisofGeneExpression(SAGE)用于定量地、平行地分析大量的轉錄本。若要知道一種組織，器官或細胞的基因表達譜，首先從組織細胞里分離出短的診斷性Tags，歸類并克隆。測定數千個克隆的DNA序列就可以了解代表這種組織、器官或細胞的功能的基因表達譜。所以SAGE提供了一種廣泛應用的工具，定量地分析比較各種正常組織細胞，各種發育狀態和各種病理狀態下的基因表達譜。/網站搜集了大量的SAGE供研究者檢索。SerialAnalysisofGeneExpression(SAGE)第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三SequencingthausandstagsLivercDNAExpresssequencetagcloningDeterminingageneexpressionpatterncharacteristicofliver’sfunctionmRNA第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因芯片技術信息時代的產物90年代興起的一項前沿生物技術橫跨：生命科學、物理學、計算機科學、微電子技術光電技術、材料科學等現代高科技高度集約化高靈敏度大通量平行分析第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三DNA微列陣(DNAmicroarrays)是利用DNA芯片技術，同時進行大量分子雜交，以分析比較不同組織或器官的基因表達水平，篩選突變基因，從核酸水平分析基因表達模式。是后基因組學研究中的重要方法之一。第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三基因芯片發展歷史Southern&NorthernBlotDotBlotMacroarrayMicroarray第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三其基本原理是將一系列的核酸片段固定在芯片載體上作為固相靶片段（target），待測的核酸片段人工標記上不同的熒光、或同位素等作為探針（probe），一定條件下兩者雜交，根據雜交后不同的信號即可獲得靶片段的信息，進行計算機分析。第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三制備靶片段結果觀察，信息分析制備固相探針對照組（組織，細胞）實驗組（組織，細胞）提取mRNA提取mRNACy5標記Cy3標記雜交第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三掃描圖第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質組(proteom)：一個細胞內的全套蛋白質，反映了特殊階段、環境、狀態下細胞或組織在翻譯水平的蛋白質的表達譜。基因是遺傳信息的攜帶者,而全部生物功能的執行者卻是蛋白質,僅僅從基因的角度來研究是遠遠不夠的。第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質組學(proteomics)研究細胞內蛋白質組成及其活動規律。旨在闡明生物體全部蛋白質的表達模式及功能模式,內容包括鑒定蛋白質表達、存在方式、結構、功能和相互作用方式等。第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質組學比基因組學更為復雜：DNA線狀結構與二級結構的功能差異不大，但多肽鏈需折疊成一定的三維空間結構才形成有功能的蛋白質；同一種蛋白質經不同的加工修飾可形成不同的功能，因此蛋白質的多樣性遠復雜于基因本身。第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質組學的研究方法雙向電泳（twodimensionelectrophoresis,2-DE）：蛋白質具有等電點和分子量的特異性，將蛋白質混合物在電荷（等電聚焦，IEF）和分子量（變性聚丙烯酰胺凝膠電泳，SDS）兩個水平上進行分離。第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三MolecularsIons

生物質譜技術MassSpectrometry：通過測定樣品離子的質荷比（m/z）來進行成分和結構分析。第45頁，共51頁，202