探秘人類基因組學揭示生命密碼，探索基因奧秘課程概述基因組學基礎定義、結構、組成要素人類基因組計劃歷史、目標、成果測序技術與應用原理、發展、醫學應用倫理與未來第一部分：基因組學基礎1基因組概念生物體全部遺傳信息的總和2DNA結構雙螺旋結構，堿基配對規則3中心法則DNA→RNA→蛋白質的信息流4研究分支什么是基因組？定義生物體內全部遺傳物質的總和位置主要存在于細胞核染色體中功能包含構建和維持生物體的全部遺傳指令特點基因組的組成基因編碼蛋白質或RNA的DNA片段調控元件控制基因表達的DNA序列重復序列多次重復出現的DNA片段非編碼區不轉錄為RNA的DNA區域DNA結構回顧雙螺旋結構兩條互補鏈纏繞形成右手螺旋，直徑約2納米堿基配對腺嘌呤(A)配對胸腺嘧啶(T)鳥嘌呤(G)配對胞嘧啶(C)物理特性磷酸糖骨架堿基通過氫鍵連接中心法則：DNA→RNA→蛋白質DNA遺傳信息的儲存轉錄DNA→RNA，在細胞核中進行RNA信息的中間載體翻譯RNA→蛋白質，在核糖體上進行蛋白質執行生物功能基因組學的定義概念研究生物體基因組的結構、功能、進化和編輯的學科研究對象各種生物的基因組及其中所含的全部基因特點大數據、高通量、系統性、整體性方法測序、生物信息學分析、功能驗證實驗基因組學的研究內容應用醫學、農業、環境等領域應用功能基因表達、調控和互作變異多態性、突變與進化結構序列、組織與構架基因組學的分支結構基因組學研究基因組的物理結構功能基因組學研究基因的功能與表達比較基因組學比較不同物種基因組醫學基因組學研究疾病相關基因進化基因組學探究基因組演化過程第二部分：人類基因組計劃1啟動階段1990年正式啟動2初步完成2000年宣布完成草圖3全面完成2003年宣布基本完成4完善階段2022年宣布完整人類基因組測序人類基因組計劃簡介國際合作20多個國家參與的大科學計劃目標測定完整人類基因組序列周期1990年啟動，2003年基本完成投資耗資約30億美元人類基因組計劃的目標繪制人類基因組圖譜確定全部基因位置測定完整DNA序列解讀30億個堿基對建立基因組數據庫公開共享測序數據開發分析工具創建生物信息學方法人類基因組計劃的歷程1984構想提出美國科學家提出測序人類基因組的想法1990正式啟動美國能源部和國立衛生研究院聯合啟動2000草圖完成公布人類基因組工作草圖2003基本完成宣布完成計劃主要目標人類基因組計劃的主要成果基因組序列測定約30億個堿基對的完整序列基因注釋發現約2萬個蛋白質編碼基因變異圖譜識別數百萬個遺傳變異位點技術發展推動測序技術快速進步人類基因組的特點基因密度低只有約1.5%的序列編碼蛋白質基因分布不均重復序列多超過50%為重復序列包括轉座子、簡單重復等個體差異小人與人基因組序列相似度>99.9%差異主要為單核苷酸多態性人類基因組的大小人類基因組的基因數量~20,000蛋白質編碼基因數量遠少于最初預期的10萬個~22,000非編碼RNA基因包括轉運RNA、核糖體RNA等~14,000假基因失去功能的基因殘余人類基因組的重復序列長散在重復序列長端重復序列短散在重復序列簡單重復序列衛星DNA非重復序列第三部分：基因組測序技術第一代測序Sanger法，讀長長但通量低第二代測序高通量平行測序，讀長短第三代測序單分子實時測序，讀長超長未來發展納米孔測序，成本更低，速度更快基因組測序的原理DNA分離提取純化目標DNADNA片段化將長DNA切成可測序片段測序反應確定DNA片段的堿基順序數據分析使用生物信息學方法拼接序列第一代測序技術Sanger測序法1977年發明，人類基因組計劃主要使用鏈終止原理使用雙脫氧核苷酸終止DNA合成電泳分離根據DNA片段長度分離熒光檢測使用熒光標記識別不同堿基第二代測序技術大規模并行同時測序數百萬DNA片段橋式PCR在固相載體上擴增DNA合成測序邊合成邊測序，實時檢測信號成本優勢大幅降低測序成本，千美元基因組第三代測序技術單分子實時測序直接測定單個DNA分子不需要PCR擴增納米孔測序DNA通過納米孔時改變電流可便攜，實時分析主要優勢超長讀長(10-100kb)檢測DNA修飾測序技術的比較特點第一代第二代第三代讀長700-900bp50-300bp10-100kb通量低高中準確率99.9%99.9%85-99%成本高低中時間慢快最快基因組組裝讀段獲取獲得大量重疊的短DNA片段序列比對根據重疊區確定讀段相對位置拼接算法使用計算機算法將讀段拼接組裝驗證驗證組裝結果的準確性基因組注釋基因識別定位編碼區和非編碼區功能預測預測基因產物的功能結構注釋確定基因的起始、終止和外顯子結構調控元件識別啟動子和其他調控序列第四部分：人類基因組的結構功能單位基因及調控元件結構單位核小體、染色質組織單位染色體整體基因組染色體結構1DNA雙螺旋基本遺傳物質2核小體DNA纏繞組蛋白形成3染色質纖維核小體進一步盤繞4染色體高度凝縮的染色質基因結構啟動子區位于基因上游，控制轉錄起始外顯子編碼蛋白質的DNA片段內含子非編碼區，轉錄后被剪除非翻譯區基因兩端不翻譯成蛋白質的區域啟動子和調控序列核心啟動子RNA聚合酶結合位點增強子增強基因表達的元件沉默子抑制基因表達的元件絕緣子阻斷增強子或沉默子作用外顯子和內含子外顯子特點編碼氨基酸序列長度相對較短且穩定高度保守，變異少內含子特點轉錄后被剪除長度變化大變異豐富，保守性低選擇性剪接不同組合方式剪接增加蛋白質多樣性組織特異性表達非編碼DNA內含子調控序列轉座子假基因簡單重復序列其他非編碼序列重復序列串聯重復多次重復的DNA序列相鄰排列衛星DNA微衛星小衛星散在重復分散在基因組各處的重復序列轉座子逆轉錄轉座子功能意義參與染色體結構、基因調控基因組穩定性進化多樣性轉座子DNA轉座子不需RNA中間體，直接剪切粘貼1RNA轉座子通過RNA中間體，復制粘貼長散在重復序列占人類基因組約21%短散在重復序列包括Alu元件，占約13%端粒和著絲粒端粒染色體末端保護結構TTAGGG重復序列隨細胞分裂而縮短與衰老和癌癥相關著絲粒染色體中部結構紡錘絲附著位點確保染色體分離富含α衛星DNA第五部分：基因組功能研究功能基因組學研究基因組整體功能轉錄組學研究RNA表達譜蛋白質組學研究蛋白質表達與互作3表觀基因組學研究非序列依賴的調控4功能基因組學問題提出確定基因的功能是什么基因操作敲除、敲入、干擾等方法表型觀察檢測基因改變導致的表型變化功能確定通過表型變化推斷基因功能轉錄組學定義研究特定條件下全部RNA表達情況技術方法RNA測序、微陣列、單細胞測序研究內容基因表達水平、新型轉錄本、選擇性剪接應用領域疾病診斷、藥物研發、組織分型蛋白質組學定義研究全部蛋白質的表達、結構和功能核心技術質譜分析、蛋白芯片、蛋白互作圖譜主要內容蛋白表達譜、翻譯后修飾、蛋白互作網絡醫學應用生物標志物發現、藥物靶點識別表觀基因組學DNA甲基化胞嘧啶堿基上加甲基，通常抑制基因表達組蛋白修飾乙酰化、甲基化等改變染色質結構非編碼RNA調控基因表達的RNA分子染色質重塑改變染色質結構影響基因可及性基因表達調控1轉錄水平啟動子、增強子、轉錄因子2RNA加工剪接、修飾、運輸翻譯水平起始因子、核糖體結合4蛋白質水平修飾、降解、定位基因組進化進化機制點突變積累基因重復基因組重排選擇壓力正向選擇負向選擇中性進化人類特征與黑猩猩基因組相似度約98.8%關鍵基因功能差異調控元件快速進化比較基因組學定義比較不同物種基因組結構和功能保守區識別發現功能重要的序列元件進化研究重建物種進化關系功能推斷通過同源性預測未知基因功能第六部分：基因組學在醫學中的應用疾病研究揭示遺傳病和復雜病的分子機制基因診斷基于DNA測序的精準診斷基因治療靶向糾正致病基因變異3精準醫療個性化治療方案制定遺傳病研究單基因病由單個基因突變導致遵循孟德爾遺傳規律例如：囊性纖維化、亨廷頓病多基因病多個基因共同作用環境因素也起重要作用例如：高血壓、糖尿病基因組研究方法全基因組關聯分析全外顯子測序家系分析癌癥基因組學1精準治療基于基因組特征的靶向治療監測預后通過循環腫瘤DNA監測病情生物標志物發現診斷和預后標志物突變分析識別驅動突變和乘客突變藥物基因組學定義研究基因變異如何影響藥物反應研究內容藥物代謝酶基因變異藥物靶點基因變異藥物轉運體基因變異臨床應用藥物選擇個體化劑量調整精準化不良反應預測個體化醫療基因組分析測序獲取個體基因組信息風險評估評估疾病發生風險預防干預針對風險采取預防措施精準治療選擇最適合的治療方案基因診斷1基因檢測類型單基因檢測，全外顯子組測序，全基因組測序2應用場景出生前診斷，新生兒篩查，遺傳病診斷3新興技術液體活檢，單細胞測序，長讀長測序4挑戰與機遇數據分析，變異解讀，臨床轉化基因治療基因導入將正常基因導入患者細胞基因編輯修復患者體內的缺陷基因基因沉默抑制致病基因的表達細胞基因治療修飾患者細胞后回輸第七部分：基因組學的倫理問題隱私保護基因信息安全與保密基因編輯倫理特別是生殖細胞編輯的爭議3基因歧視就業、保險等領域的潛在歧視知情同意基因檢測的充分告知基因組信息的隱私保護特殊性唯一性、終身性、家族共享性保護措施數據加密、匿名化、訪問控制法律法規各國制定專門法規保護基因信息權衡科研需求與隱私保護的平衡基因編輯技術的倫理爭議體細胞編輯治療目的僅影響個體倫理爭議較小生殖細胞編輯改變可遺傳影響后代倫理爭議巨大關鍵問題安全性公平獲取人類進化干預基因歧視就業歧視基于基因信息拒絕雇傭保險歧視差別定價或拒絕承保教育歧視基于基因潛能篩選學生反歧視立法多國制定法律禁止基因歧視第八部分：基因組學的未來發展單細胞基因組學技術原理分離單個細胞進行基因組分析優勢揭示細胞異質性研究罕見細胞類型追蹤細胞發育歷程應用腫瘤異質性研究發育生物學神經元類型