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7解读基因组序列-1
6
• 三项改良 1、密码子偏倚
生物有时更加偏爱地使用一个或者一组密码子的现象。这 是在进化过程中基因复制的差异所产生的结果。如人类基 因中，亮氨酸大多被CUG编码，缬氨酸多由GUG编码。
7
2、外显子-内含子边界
外显子/内含子边界符合的GT-AG规则
3、上游调控序列
8
基因定位的实验技术
• 种属间印记
表型
基因型
• 同源重组可以灭活特定基因
目的基因的染色体 DNA与载体携带的破 坏基因重组，结果目 的基因失活。
17
缺失框
缺失框包括抗性基因和其前面 在酵母中表达所需的启动子序 列以及两侧的限制性位点。 目的基因的首尾两侧插入限制 性位点中，将载体导入酵母细 胞中。 载体上的基因片段与染色体目 的基因之间重组，使后者失活。 发生基因破坏的细胞可以鉴定， 因为它们表达抗生素抗性基因， 可以在含抗生素的琼脂糖培养 基中生长。
大肠杆菌基因平均长度：317个密码子 酿酒酵母基因平均长度：483个密码子
人类基因平均长度：450个密码子 • 最简单的ORF扫描方式是将100个密码子作为假定
基因长度的下限，并记录所有大于此值的ORF。
3
ORF扫描是细菌基因组基因定位的有效方法。此序列包含2个真基因—lacZ和 lacY，用直线表示。真基因比假ORF（波浪线）长得多。
20
RNA干扰(RNA interference)用于目的基因失活
与靶基因同源的双链RNA诱导的特异转录后基因沉默现象。其作用机制是 双链RNA被特异的核酸酶降解，产生干扰小RNA(siRNA)，这些siRNA与 同源的靶RNA互补结合，特异性酶降解靶RNA，从而抑制、下调基因表达。
21
基因过表达也可用来研究基因功能
• 三项改良 1、密码子偏倚
生物有时更加偏爱地使用一个或者一组密码子的现象。这 是在进化过程中基因复制的差异所产生的结果。如人类基 因中，亮氨酸大多被CUG编码，缬氨酸多由GUG编码。
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2、外显子-内含子边界
外显子/内含子边界符合的GT-AG规则
3、上游调控序列
8
基因定位的实验技术
• 种属间印记
表型
基因型
• 同源重组可以灭活特定基因
目的基因的染色体 DNA与载体携带的破 坏基因重组，结果目 的基因失活。
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缺失框
缺失框包括抗性基因和其前面 在酵母中表达所需的启动子序 列以及两侧的限制性位点。 目的基因的首尾两侧插入限制 性位点中，将载体导入酵母细 胞中。 载体上的基因片段与染色体目 的基因之间重组，使后者失活。 发生基因破坏的细胞可以鉴定， 因为它们表达抗生素抗性基因， 可以在含抗生素的琼脂糖培养 基中生长。
大肠杆菌基因平均长度：317个密码子 酿酒酵母基因平均长度：483个密码子
人类基因平均长度：450个密码子 • 最简单的ORF扫描方式是将100个密码子作为假定
基因长度的下限，并记录所有大于此值的ORF。
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ORF扫描是细菌基因组基因定位的有效方法。此序列包含2个真基因—lacZ和 lacY，用直线表示。真基因比假ORF（波浪线）长得多。
20
RNA干扰(RNA interference)用于目的基因失活
与靶基因同源的双链RNA诱导的特异转录后基因沉默现象。其作用机制是 双链RNA被特异的核酸酶降解，产生干扰小RNA(siRNA)，这些siRNA与 同源的靶RNA互补结合，特异性酶降解靶RNA，从而抑制、下调基因表达。
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基因过表达也可用来研究基因功能
基因组作图ppt课件
➢ 经典遗传学中，遗传多态性指等位基因的变异；现代遗传 学中，遗传多态性指基因组中任何座位上的相对差异或 DNA序列的差异；
➢ 遗传标记可用于连锁分析、基因定位、遗传作图、基因转 移、辅助选择育种等；
15
ppt课件.
形态标记 (morphological markers)
细胞学标记 (cytological markers)
➢ 用具染色体变异的材料与正常材料杂交，特定染色体上的 基因在减数分裂过程中的分离和重组发生偏离，由此可测 定基因所在染色体及其位置；
➢ 克服了形态标记易受环境影响的缺点，但标记材料的产生 需大量的人力物力进行培养选择；
➢ 有些物种对染色体变异的耐受性差，难以获得相应的标19 记 材料。
ppt课件.
➢ 形态标记简单直观、经济方便， 容易观察记载。
17
ppt课件.
形态标记的不足
➢ 可以观察到的标记非常有限，难以建立饱和的遗传图谱； ➢ 许多形态标记受环境、生育期等因素的影响； ➢ 复等位基因位点很难全部鉴定、标记出来。
18
ppt课件.
2.1.2 细胞学标记
➢ 指能明确显示遗传多态性的细胞学特征。染色体的结构和 数量特征是常见的细胞学标记；
20世纪80年代后期,人们开始应用微卫星序列(microsatellite,MS)绘制图谱。1994
年底，美、法完成了以RFLP及微卫星ＤＮＡ为标志的遗传图谱.图谱包含了
5826位点，覆盖4000cM，分辨率高达0.7cM．1996年法国报道了完全以微卫星
DNA标志构建的遗传连锁图，包含2335位点，分辩率为1.6cM
29
ppt课件.
30
RFLP标记的特征
ppt课件.
➢ 同一亲本及其子代相同位点上的多态性不变；
➢ 遗传标记可用于连锁分析、基因定位、遗传作图、基因转 移、辅助选择育种等；
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ppt课件.
形态标记 (morphological markers)
细胞学标记 (cytological markers)
➢ 用具染色体变异的材料与正常材料杂交，特定染色体上的 基因在减数分裂过程中的分离和重组发生偏离，由此可测 定基因所在染色体及其位置；
➢ 克服了形态标记易受环境影响的缺点，但标记材料的产生 需大量的人力物力进行培养选择；
➢ 有些物种对染色体变异的耐受性差，难以获得相应的标19 记 材料。
ppt课件.
➢ 形态标记简单直观、经济方便， 容易观察记载。
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ppt课件.
形态标记的不足
➢ 可以观察到的标记非常有限，难以建立饱和的遗传图谱； ➢ 许多形态标记受环境、生育期等因素的影响； ➢ 复等位基因位点很难全部鉴定、标记出来。
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ppt课件.
2.1.2 细胞学标记
➢ 指能明确显示遗传多态性的细胞学特征。染色体的结构和 数量特征是常见的细胞学标记；
20世纪80年代后期,人们开始应用微卫星序列(microsatellite,MS)绘制图谱。1994
年底，美、法完成了以RFLP及微卫星ＤＮＡ为标志的遗传图谱.图谱包含了
5826位点，覆盖4000cM，分辨率高达0.7cM．1996年法国报道了完全以微卫星
DNA标志构建的遗传连锁图，包含2335位点，分辩率为1.6cM
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ppt课件.
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RFLP标记的特征
ppt课件.
➢ 同一亲本及其子代相同位点上的多态性不变；
《基因组与基因组学》课件
第二代测序技术
总结词
第二代测序技术也称为高通量测序技术，可以实现大规模的基因组测序，提高了测序速度和通量。
详细描述
第二代测序技术的代表有Illumina的SBS技术和Life Technology的SOLiD技术等。这些技术通过将待 测DNA片段固定在固相基质上，利用边合成边测序或边连接边测序的方法对DNA进行标记和测序。 与第一代技术相比，第二代技术具有更高的通量、更低的成本和更短的时间。
基因组学研究揭示了个体之间的基因差异，有助于理解不同个
体对疾病的易感性和对治疗的反应差异。
精准预防
02
基于基因组学的研究成果，医生可以为患者提供精准的预防措
施，降低疾病发生的风险。
精准诊断
03
通过基因组学检测技术，可以更准确地诊断疾病，为后续治疗
提供依据。
05
基因组学的发展前景与挑 战
基因组学的发展前景
04
基因组学在医学中的应用
疾病诊断与预防
基因检测
通过基因检测技术，可以检测出 与遗传性疾病、肿瘤等相关的基 因变异，为疾病的诊断提供依据
。
遗传咨询
基于基因组学的研究成果，医生可 以为患者提供遗传咨询服务，帮助 其了解疾病风险、制定预防措施。
预测性药物研发
通过基因组学研究，可以发现与药 物代谢、疗效等相关的基因变异， 为新药研发提供指导。
疾病诊断和治疗
基因组学的研究有助于发现和了解人类疾病的病因和机制 ，为疾病的诊断和治疗提供新的方法和策略。
生物多样性和进化研究
基因组学的研究有助于深入了解生物多样性和进化的机制 和过程，为保护生物多样性和生态系统的可持续发展提供 科学依据。
农业和生物技术
基因组学的研究有助于发现和改良农作物和动物品种的优 良性状，提高农业产量和动物生产效率，为农业和生物技 术的发展提供新的思路和方法。
Genomics第章(共142张PPT)
tRNA的特征有助于为这些功 能RNA定位基因
所有的tRNA都折叠成三叶草 结构，该结构通过分子内碱基 配对结合在一起。
为了满足这些片段能相互形 成碱基配对的需要所必须具 有的序列限制因素提供了特 征，这些特征可通过设计好 的定位tRNA基因的计算机 程序进行寻找。
与tRNA一样，rRNA和一些小功能RNA也具有复杂 的二级结构，可以容易地鉴别出它们的基因。
4. 同源性搜索和比较基因组学为序列筛查提供了 一个特殊的方向
通过ORF扫描能有效定位基因的多数软件程序能够 识别真核基因组中95%的编码区，但即使是 最好的软 件在定位外显子-内含子边界时也容易出错，并且将假 的ORF识别成真正基因仍旧是一个主要问题。
（1）通过同源性搜索来检验一系列三联密码子是真 正外显子还是随机序列，在一定程度上可以弥补 ORF扫描的局限性。
当相关基因组进行比较时，同源基因由于它们的 序列相似性很高就很容易鉴别出来，而在相关基 因组中没有明确同源物的任何ORF都可以很肯定 地认为是随机序列。
相关种属的基因组序列具有从它们共同祖先继承来的相似性 ，并具有由于物种开始单独进化而产生的种属特异性差别。
运用同线性（synteny，基因顺序的保守性）可 以使同源性分析更加有力。
每个DNA序列有6个可读框，6个可读框中3个按一种 方向另外3个在互补链上按相反的方向。
双链DNA分子具有6个可读框
两条链都按5’-3’方向。每条链有三个可读框，依赖于选择哪个 核苷酸作为起始位置。
随机DNA不会表现出许多长度超过50个密码子的 ORF。
如果一段DNA具有随机序列且GC含量为50%, 那么 三个终止密码子中的每一个将平均每43-64bp出现一 次。
ORF开始于起始密码子，通常是（但不总是）ATG， 并结束于终止密码子（TAA、TAG或TGA）。因此，寻 找从ATG开始并结束于终止三联核苷酸的ORF序列时 寻找基因的一种方法。
基因的结构和功能PPT课件
基因与生物性状物体 的性状。
02 基因的表达水平可以影响生物体的表现型，如身 高、肤色、眼睛颜色等。
03 基因与环境因素的相互作用也可以影响生物体的 表现型，如饮食习惯、运动习惯等。
05
基因工程和基因编辑
基因工程的定义和应用
基因工程的定义
基因工程是一种通过人工操作和 改变生物体的遗传物质来改变其 性状的技术。
基因工程的应用
基因工程在农业、医学、工业和 基础生物学研究中有着广泛的应 用，例如转基因作物、基因治疗 、基因检测和基因克隆等。
基因编辑技术及其应用
基因编辑技术的定义
基因编辑技术是一种能够精确地修改生物体基因组的工具，包括CRISPR-Cas9、 ZFNs和TALENs等。
基因编辑技术的应用
基因编辑技术被广泛应用于基础生物学研究、疾病治疗、作物改良和动物育种 等领域，例如用于治疗遗传性疾病、抗病抗虫作物的培育以及动物模型的构建 等。
DNA的分子结构
双螺旋结构
DNA由两条反向平行的链 组成，通过碱基配对形成 双螺旋结构。
碱基配对
A与T配对，G与C配对， 形成稳定的碱基对。
方向性
DNA的两条链方向相反， 一条链是5'到3'方向，另 一条链是3'到5'方向。
基因的组成和结构
基因定义
基因是遗传信息的基本单位，负责编码蛋白质或多肽。
基因结构
基因由编码区和非编码区组成。编码区包含有意义的核苷酸序列，负 责转录和翻译为蛋白质或多肽。非编码区则调控基因的表达。
基因复制
DNA复制是半保留复制，即亲代DNA的每一条链作为模板合成子代 DNA的一条链。
基因突变
基因突变是指基因序列的改变，可能导致遗传信息的改变，从而影响 生物体的表型。
基因测序-ppt课件
Flowcell实物图 8
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
Flowcell表面微观示意图
每个泳道(LaP5接头)。这两种接头与泳道表面共价连接。
边合成边测序（来源：illumina官网）
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
Ion Torrent PGM半导体测序
芯片就是测序仪，4种dNTP依次流过半导体芯片PCRDNA聚合产生的氢离子直接检测，每 个碱基只需数秒
美国Illumina 公司的基因组测序仪（genome analyzer，GA）
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
Flowcell
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
SBS测序
特异荧光标记的4种dNTP，3’-OH叠氮基团被保护，每次只能添加一个dNTP，这就确保了在测序 过程中，一次只会被添加一个碱基，最后利用计算机分析将光学信号转化为测序碱基。
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第三部分
Oxford Nanopore纳米孔单分子技术
基因组学数据分析 ppt课件
基因组学数据分析
本地数据库的构建
• 查看db文件
由fasta格式的序列组成
基因组学数据分析
数据库的格式化
formatdb命令用于数据库的格式化： formatdb [option1] [option2] [option3]…
formatdb常用参数 -i database_name 需要格式化的数据库名称 -p T\F 待格式化数据库的序列类型 （核苷酸选F；蛋白质选T；默认值为T)
➢ 四个必需参数 -p program_name,程序名，根据数据库及搜索文件序列性质进行选择； -d database_name,数据库名称,比对完成格式化的数据库； -i input_file,搜索文件名称； -o output_file,BLAST结果文件名称；
➢ 两个常用参数 -e expectation，期待值,默认值为10.0，可采用科学计数法来表示，如2e-5； -m alignment view options:比对显示选项，其具体的说明可以用以下的比对实例
基于距离矩阵upgmaunweightedpairgroupmethodusinganathematicaverage将类间距离定义为两个类成员距离的平均值广泛应用于距离矩阵njneighborjoining把所有n个序列两两比对构建nj树起指导作用每个对比后的成对序列都可以跟第三条序列或者另一个新的alignment比对按照距离远近用来决定下一个参与比对的序列73最大简约法mp不需要处理大量核苷酸或者氨基酸替代存在较多的回复突变或平行突变而被检验的序列位点数又比较少的时候可能会给出一个不合理的或者错误的进化树推导结果upgma所有分支突变率相近突变率相差较大时现已较少使用邻接法nj远源序列对相似度很低的序列往往出现longbranchattractionlba长枝吸引现象严重干扰进化树的构建
本地数据库的构建
• 查看db文件
由fasta格式的序列组成
基因组学数据分析
数据库的格式化
formatdb命令用于数据库的格式化： formatdb [option1] [option2] [option3]…
formatdb常用参数 -i database_name 需要格式化的数据库名称 -p T\F 待格式化数据库的序列类型 （核苷酸选F；蛋白质选T；默认值为T)
➢ 四个必需参数 -p program_name,程序名，根据数据库及搜索文件序列性质进行选择； -d database_name,数据库名称,比对完成格式化的数据库； -i input_file,搜索文件名称； -o output_file,BLAST结果文件名称；
➢ 两个常用参数 -e expectation，期待值,默认值为10.0，可采用科学计数法来表示，如2e-5； -m alignment view options:比对显示选项，其具体的说明可以用以下的比对实例
基于距离矩阵upgmaunweightedpairgroupmethodusinganathematicaverage将类间距离定义为两个类成员距离的平均值广泛应用于距离矩阵njneighborjoining把所有n个序列两两比对构建nj树起指导作用每个对比后的成对序列都可以跟第三条序列或者另一个新的alignment比对按照距离远近用来决定下一个参与比对的序列73最大简约法mp不需要处理大量核苷酸或者氨基酸替代存在较多的回复突变或平行突变而被检验的序列位点数又比较少的时候可能会给出一个不合理的或者错误的进化树推导结果upgma所有分支突变率相近突变率相差较大时现已较少使用邻接法nj远源序列对相似度很低的序列往往出现longbranchattractionlba长枝吸引现象严重干扰进化树的构建
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单核李氏杆菌溶血素gln基因
基因无内含子ORF连续
高等真核生物DNA的ORF扫描
高等真核生物基因之间间隔太大发现家ORF的概率 增加
高等真核生物基因内有内含子导致ORF不连续，外 显子小于100个密码子 因此高等真核生物基因不会以长ORF形式出现 在基因组序列中,ORF无法扫描
内含子使ORF扫描复杂化
依据某种生物体的DNA特征进行具体 分析：如脊椎动物基因组包含着许多基
因上游都有的CpG（CpG island）岛
功能性RNA定位基因
搜寻编码RNA二级结构的特征碱基序列 搜寻DNA编码茎环或发夹结构的程序 搜索与功能RNA基因相关的调控序列 搜寻紧凑的较小基因组中蛋白质编码基因
间的空位置
相关物种的相似基因组
用同线性比较检测短ORF真实性
自动标注基因组序列
计算机方法从序列分析开始，运用能扫 描ORF、外显子-内含子边界及上游调控区 并能在数据库中检测同源基因ORF的程序进 行序列分析。这些程序同时也用于寻找重 复序列及功能RNA基因的特意性特征，而后 信息整合分析。
5.1.2.基因定位的实验技术
河豚鱼AF164138序列某段基因分析 内含子的基因图
ORF扫描的三项改良
密码子偏倚：特定生物体的基因中并不是所有密 码子使用频率都相等，真正外显子有所偏倚。
外显子——内含子边界 ：因为有特定的序列特征 而区分开
上游调控序列：调控序列有明显特点，可用来定 位基因起始区
外显子——内含子边界
5.2.1基因功能的计算机分析
同源性搜索是通过把被研究的DNA序列与数据库 中其他所有的DNA序列进行比较来定位基因。
同源性搜索的基础是相关的基因具有相似序列， 因此可以通过与不同物种中已测序的同源基因具 有相似性来发现新基因。
▲同源性反映出进化关系
同源基因具有共同的进化祖先，是通过基因之 间的序列相似性而发现的。（如图5.16) 同源基因分两类： ①定向进化同源基因orthologous gene 是那些不 同生物体间存在的同源物，它们的共同祖先早于物 种之间的分裂。同源基因通常具有相同的或很类似 的功能。Eg：人类和黑猩猩的肌红蛋白基因是同源 基因。
5 解读基因组序列
5.1在基因序列中定位基 因
基因测序的后续工作
弄清楚： 1.基因组顺序中所包含的全部遗传信息是什
么(查找基因) 2.基因组作为一个整体如何行使其功能
基因定位的两种常见方法：
其一，根据已知的序列人工判读或计算机 分析寻找与基因有关的序列（如：序列筛 查定位基因）
其二，实验研究，看其能否表达基因产物 及其对表型的影响，既实验分析
5.1.1通过序列筛查定位基因
细菌DNA的简单ORF扫描 高等真核生物DNA的ORF扫描 功能性RNA定位基因 同源性搜索和比较基因组学 自动标注基因组序列
基因可读框ORF
所有编码蛋白质的基因含有可读框(open reading frames ORF)：是由可编码氨基酸 的密码子组成
大多数基因定位的试验方法依赖于检测 由基因转录成的RNA分子。 杂交试验可以判断某一片段是否含有转录 序列 cDNA测序有助于在DNA片段中进行基因作图 精确定位转录物末端 可以准确定位外显子——内含子边界
杂交实验判断转录序列
如果用标记的基因组片段与细胞RNA进行 northern杂交，就可以检测到那个片段上的基因 所转录出的RNA。缺点： 一些单个基因有两个或更多长度不等的转录物 mRNA表达时期和部位的特异性
图5.16 定向进化同源基因和平行进化同源基因
②平行进化同源基因paralogous gene 存在于相同 生物体中，常是可识别的多基因家族的成员，它们 共同的祖先可能早于或晚于目前发现新基因的物种 分裂。eg：人类肌红蛋白和β –球蛋白基因是平行基 因：它们起源于5.5亿年前祖先基因的复制。
印 迹 杂 交
northern
种 属 间 印 迹
cDNA测序有助DNA片段基因作图
将cDNA序列与基因组DNA序列相比较，就可 以描述相应基因的位置找到外显子——内含子的 边界，两个决定此方法成功的因素：
所研究基因DNA片段表达水平的高低
cDNA分子的完整性
合 成
cDNA
精确定位转录物末端
将RNA做起始材料进行特殊类型的PCR 逆转录PCR（reverse transcriptase PCR,RTPCR）快速扩增cDNA末端
其他的转录物准确作图的方法包括异源双链分析 （heteroduplex analysis）
准确定位外显子——内含子边界
外显子捕获（exon trapping）：将一特殊类型 载体导入合适的真核细胞系中。根据已知的小基 因序列确定出插入的外显子其实和终止核苷酸的 位置，从而准确描述外显子
ORF起始于起始密码子（一般是ATG）终止 于终止密码子（TAA,TAG,TGA）
每个DNA序列有6种可读框
蛋白质编码基因是三联密码子的可读框
双链DNA分子具有6个可读框
寻找ORF(ORF scanning)
如果DNA序列CG碱基含量占50%则TAA，TAG，TGA每 一个将平均每64bp出现一次
tRNA
三 叶 草 结 构
一个大肠杆菌tRNA基因的序列
茎环结构
同源性搜索和比较基因组学
同源性搜索：查询DNA数据库来判断所检测序列是 否与已知基因的序列相同或者是相似
比较基因组学：当相关基因组进行比较时， Nhomakorabea源 基因由于它们的序列相似性很高就容易被鉴别出 来，而在第二个基因组中没有明确同源物的任何 ORF都可以很肯定的认为不是基因
如果GC含量大于50%那么含A和T碱基的终止密码子 出现的频率会相对比较少，但是预期每100— 200bp还会出现一次
寻找ORF的方式是将100个密码子作为一个基因长 度的下限
简单的ORF扫描细菌DNA
简单的ORF应用于细菌DNA序列的扫描 可以成功的定位大多数基因，因为细菌基 因间距非常小重叠基因较少，而且细菌基 因内无内含子，ORF连续。
外显子捕获
5.2 确定单个基因的功能
一旦一个新基因在基因组序列中获得定位，就 要探索它的功能问题。
大肠杆菌基因组序列中4288个蛋白质编码基因 中，以前已经鉴定出的基因只有1853个（占总数的 43%）。对于酿酒酵母，此数值只有30%。
像基因定位一样，也尝试着用计算机分析和实 验研究来确定未知基因的功能。