分子生物学-15-1-基因组与比较基因组学
基因组学与比较基因组学
《分子生物学精要》基因组与比较基因组学教学目的掌握基因组学与比较基因组学的相关知识，了解人类基因组计划。
学习指导本章首先介绍了基因组学的概念和分类，分为功能基因组学和结构基因组学。
后介绍了比较基因组学的相关研究。
最后介绍了人类基因组计划的内容。
重点掌握基因组学与比较基因组学的概念，人类基因组计划的过程进展，基因测序的主要方法。
基本概念基因组（genome）指导一个生物物种的结构和功能的所有遗传信息的总和，包括全部的基因和调控元件等核酸分子。
基因组学（genomics）从整体水平上来研究一个物种的基因组的结构、功能及调控的一门科学。
基因组学可分为结构基因组学和功能基因组学两大部分。
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、基因定位的科学。
功能基因组学（functional genomics）利用结构基因组学所提供的生物信息和材料，全基因组或全系统地理解某种生物的遗传体系，即阐明DNA序列的功能。
基因打靶（gene targeting），这种技术是通过基因工程的方法将一个结构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（又称基因敲入），然后从整体观察实验动物，从而推测相应基因的功能。
比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。
人类基因组计划（human genome project ，HGP）于20世纪80年代提出的，由国际合作组织包括有美、英、日、中、德、法等国参加进行了人体基因作图，测定人体23对染色体由3×109核苷酸组成的全部DNA序列，于2000年完成了人类基因组“工作框架图”。
2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果。
其研究内容还包括创建计算机分析管理系统，检验相关的伦理、法律及社会问题，进而通过转录物组学和蛋白质组学等相关技术对基因表达谱、基因突变进行分析，可获得与疾病相关基因的信息。
基因组学和比较基因组学
基因组学和比较基因组学基因组学是研究生物体的基因组结构、组成和功能的科学领域。
它通过对基因组DNA序列的分析，探索基因与生物体性状之间的关系，以及基因组在进化过程中的变化。
而比较基因组学则是基因组学的一个重要分支，通过比较不同物种的基因组，揭示不同物种之间的共通性和差异性，从而深入研究生物体之间的进化关系和适应环境的机制。
1. 基因组学的发展在过去的几十年里，基因组学技术的飞速发展推动了该领域的迅猛发展。
创立了人类基因组计划（HGP）的里程碑式成果，将人类基因组的DNA序列测定完成并发布。
这项重大工作的完成催生了众多基因组学研究的突破，开辟了基因组学在疾病诊断、再生医学、进化生物学等领域的应用前景。
2. 基因组学的研究方法基因组学的研究方法主要包括测序技术和生物信息学分析两个方面。
测序技术利用高通量测序平台，可以快速、准确地获取生物体的整个基因组序列。
生物信息学分析则是对测序得到的海量数据进行筛选、比对、注释和解读，并通过构建基因组数据库和研发相应的算法，从中提取有意义的信息。
3. 基因组学的应用领域基因组学在医学研究中发挥着重要作用。
通过对疾病相关基因的研究，可以帮助诊断疾病、制定个体化治疗方案，甚至预测疾病的风险。
此外，基因组学在农业领域也有重要的应用。
比如利用基因组测序技术可以研究和改良作物的基因组，提高作物的产量和品质，并增强植物的抗病性和适应性。
4. 比较基因组学的研究意义比较基因组学通过比较不同物种的基因组，揭示物种之间的共通性和差异性，有助于研究生物体的进化关系和适应环境的机制。
通过比较不同种类的基因组，我们可以确定物种之间的亲缘关系，揭示不同物种之间演化的轨迹和速度。
同时，比较基因组学还有助于发现和理解基因组中的功能元件、非编码RNA等，进一步拓宽了我们对基因组的认识。
综上所述，基因组学和比较基因组学是两个相互关联的学科，它们以高通量测序技术为基础，通过分析基因组DNA序列的组成和功能，探究基因与生物体性状之间的关系，以及不同物种之间的共通性和差异性。
全基因组测序和比较基因组学的应用
全基因组测序和比较基因组学的应用随着科技的不断进步，全基因组测序和比较基因组学成为了分子生物学和生物信息学领域中的热门话题，为生物科学研究提供了更多的数据和思路。
本文将阐述全基因组测序和比较基因组学的相关概念及其应用，以及它们在疾病诊断和治疗中的贡献。
一、全基因组测序全基因组测序是指对一个生物体的全部基因组进行序列分析的方法，包括染色体的DNA序列以及其中的基因。
全基因组测序主要依赖于高通量测序技术，通过将DNA样本分解成小片段，进行高通量的脱氧核苷酸（dNTP）测序，并通过计算机程序将这些片段拼接成整个基因组的序列，从而实现对整个基因组的测序。
随着全基因组测序技术的发展，越来越多的生物体的基因组被测序。
全基因组测序为基因组学、遗传学、演化生物学等领域的研究提供了丰富的数据，也促进了许多新的领域的发展，如个性化医疗、生物工程等。
二、比较基因组学比较基因组学是研究不同生物体基因组之间相似性和差异性的学科。
它通常基于全基因组测序数据，通过对两个或多个基因组的比较，识别出它们之间的相似性和差异性。
比较基因组学主要研究生物体的基因组组成、基因结构、基因家族、基因密度、进化关系等方面的差异，以了解生物的进化、适应性和演化等问题。
比较基因组学的主要应用之一是生物分类学。
通过比较基因组数据，可以识别出不同物种的基因组之间的相似性或差异性，从而确定它们的进化关系和分类关系。
此外，比较基因组学还可以用于肿瘤学、人类学、微生物学等领域的研究。
三、1. 遗传病诊断和治疗全基因组测序和比较基因组学可用于遗传病的诊断和治疗。
全基因组测序可以帮助鉴定遗传病的致病基因，通过比较不同基因组之间的差异，找到突变、重复、缺失等异常，从而发现相关的基因型和表型。
这有助于鉴定患者的病因，为制定个性化治疗方案提供了基础。
比较基因组学也有助于研究遗传病的致病机理和治疗方法。
通过比较不同物种的基因组，可以鉴定致病基因、识别细菌的耐药性和病毒的突变，从而为制定新的治疗方法提供思路。
基因组与比较基因组学.PPT文档32页
谢谢！
基因组与比较基因组学.
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法Байду номын сангаас是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
基因组与比较基因组学
❖ Sanger 的双脱氧链终止法
基本必须的预 备工作。酵母人 工染色体技术（ YAC）为创制基 因组物理图提供 了极大的方便。 ARS序列（Ori ），CEN序列， TEL序列。
❖YAC的主要缺点：
1）存在高比例的嵌合体，即一个YAC克隆 含有两个本来不相连的独立片段； 2）部分克隆子不稳定，在转代培养中可能 会发生缺失或重排； 3）难与酵母染色体区分开，因为YAC与酵 母染色体具有相似的结构。 4）操作时容易发生染色体机械切割。
❖ Maxam-Gilbert化学修饰法： 1）基本原理：用化学试剂处理具有末端放射性标记的 DNA片段，造成碱基的特异性切割并产生一组具有不同长 度的DNA链降解产物，经凝胶电泳分离和放射自显影后， 可直接读出待测DNA片段的核苷酸序列。 2）基本步骤：（1）同位素标记DNA片段的5’端；（2） 在特殊位置上通过化学反应随机打断DNA链G,A(some G),T(some C)，C；（3）形成大小不一的DNA链；（4 ）电泳分离DNA链；（5）根据同位素标记自显影后读出 序列。 3）优点：不存在因DNA序列或结构引起DNA合成问题， 能测定用酶学方法不能正常测序的DNA序列。 4）缺点：需使用剧毒化学试剂。
11 基因组与比较基因组学
11.1 高通量DNA序列分析技术 11.2 人类基因组计划 11.3 其他基因组 11.4 比较基因组学及相关研究
❖20世纪人类科技发展史上的三大创举： 1940年代第一颗原子弹爆炸； 1960年代人类首次登上月球； 1990年代提出并1）使用荧光标记的dNTP；2）毛细管电泳；3）激光检 测读序。 PCR用于制备测序反应：1）测序反应实质就是DNA扩增 ，因而可以用PCR进行测序反应。 2）与典型PCR反应的不同：（1）只用一个引物；（2） 需用测序级的DNA聚合酶；（3）DNA模板量高，一般 0.5-1.0mg；（3）循环次数多，一般35-40个循环；（4 ）产物需纯化干燥。 实际工作中如要进行DNA测序，需要准备什么？ 1）克隆你的目的基因或其片段； 2）鉴定你所得到的含目的基因或片段的重组质粒； 3）将含重组质粒的细菌或质粒送测序公司； 4）等结果。
进化生物学中的基因组学和比较基因组学
进化生物学中的基因组学和比较基因组学进化生物学是研究生物进化的学科，而基因组学和比较基因组学则是进化生物学的两个重要分支。
基因组学研究的是生物基因组，也就是一个生命体系的全部遗传信息，而比较基因组学则是将不同生物基因组之间的相似性和差异性进行比较研究，以探究不同物种之间的进化关系和基因功能的演化。
基因组学的发展随着DNA测序技术逐渐成熟，基因组学也得到了长足的发展。
20世纪90年代，人类基因组测序计划的启动标志着基因组学从研究单个基因发展到以整个基因组为研究对象的新时代。
在这个时代，人们不再只关注一个基因的作用，而是开始探究整个基因组的结构、功能和演化。
当前，基因组学已成为现代生物学不可或缺的组成部分，不仅在生物医学研究中有着广泛应用，也被应用于种群遗传学、进化生物学和环境生物学等领域。
比较基因组学的研究比较基因组学的研究是通过比较不同物种的基因组，来探究它们之间的演化关系以及基因功能的演化。
比较基因组学的研究对象不止是不同物种之间的比较，还包括同一物种不同亚群或种群之间的比较，以及同一物种不同发育阶段之间的比较等。
通过比较基因组学的研究，人们可以发现：受到共同祖先的不同物种间基因组中存在各种遗传变异，这些变异体现了物种间的进化差异；不同物种间存在着广泛的共同基因，人们通过对它们的比较可以探究它们在不同物种中的作用、功能和演化等问题。
比较基因组学的应用比较基因组学在种群遗传学和进化生物学中有着重要的应用。
例如在演化树的构建中，人们通过比较两种不同物种共同的基因来推测它们的进化关系，从而建立起了一条条演化树的分支。
在种群遗传学中，比较不同亚群或种群基因组之间的差别帮助人们了解物种适应不同环境、形成不同种群的历史过程。
同时，比较基因组学也为环境污染和气候变化等环境问题的研究提供了一种新的角度。
总结进化生物学中的基因组学和比较基因组学是研究生物进化和基因演化的两个重要分支。
基因组学的发展推动了生物学基础研究的进步，而比较基因组学为了解进化关系和生物种群历史变迁提供了有力的工具。
基因组与比较基因组
人类基因组计划
2003年4月14日，国际人类基因组宣布：人 类基因组序列图--“完成图”提前绘制成功。
人类基因组包括24条染色体，约30亿对核苷 酸，编码5万～6万个基因，人类基因组中携 带了有关人类个体生长发育、生老病死的全 部遗传信息。
通过流感嗜血杆菌能量代谢类群 的ORF分析，了解到它缺乏三竣 酸循环(TCA)中必需的3个酶， 即柠檬酸合成酶基因、异柠檬酸
脱氢酶基因和顺乌头酸酶基因。 由此推断流感嗜血杆菌TCA缺失， 不能合成谷氨酸，因为谷氨酸的 供体是TCA的中间产生物α-酮 戊二酸。
3 功能基因组学研究
功能基因组学→在基因组水平上阐明DNA 序列的功能。许多基因和基因组的功能元 件只有整个DNA序列已知才能得以发现。 可用序列分析和比较的方式来判断不同基 因的功能，也可通过各种定点破坏结构基 因(gene knock-out)或在基因组内定位表达 目的基因(geneknock-in)的方法来研究新基 因的功能。
1、原核生物基因组：原核生物DNA 分布在整个细胞之中，有时相对集 中在类核体上。类核体上的DNA是 一条共价、闭合双链分子，类核体 通常也称为染色体。
原核生物中一般只有一条染色体。 原核细胞都是单倍的。 这条染色体 的DNA就是原核细胞的基因组。
2、真核生物基因组
一个物种的单倍体的各条染色体中的全 部DNA为该物种的基因组(genome)。例 如，人有23对染色体，配子－－单倍体 是23条染色体，这23条染色体中的全部 DNA就是人体基因组。
比较基因组学(comparative genomics)的 威力－－根据对一种生物相关基因的认 识来理解、诠释和克隆分离另一种生物 的基因。
基因组学与比较基因组学
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
重楼百合
Genlisea aurea：狸藻科的一年或多年生草本食虫植物
基因组学(genomics)
发展和应用DNA制图、测序新技术以 及计算机程序，分析生命体（包括人类） 全部基因组结构及功能的科学。
由美国科学家Thomas Roderick于1986年首创
基因组学发展小史
1980年，噬菌体（5,368 碱基对）完全测 序，成为第一个测定的基因组。 1990年，人类基因组计划开始实施。 2000年，人类基因组草图完成。 2003年，人类基因组计划完成。 目前，已完成基因组测序的模式生物包括 小鼠，果蝇，酵母等。
基因组学包括多个不同的亚领域
结构基因组学 功能基因组学 基因组学 比较基因组学
进化基因组学 毒理基因组学 环境基因组学 宏(元)基因组学 药物基因组学 生态基因组学 植物-病原物互作基因组学 动物-病原物互作基因组学 ？？？
结构基因组学
• 指整个基因组的遗传制图、物理制图 及DNA测序
• 现已发展到用结构生物学方法研究整 个基因组中所有的蛋白质和蛋白质复 合物的三维结构的学科。
功能基因组学
• 是指在全基因组序列测定的基础上,从整体 基因水平研究基因及其产物在不同时间、 空间、条件的结构与功能的关系及活动规 律的学科
功能分类 Functional Categories in Eukaryotic Proteomes
比较基因组学
比较基因组学(comparative genomics)涉 及比较不同物种的整个基因组，以便深入理解 每个基因组的功能和进化关系的基因组学。
3.掌握人类基因组计划 的四张图含义、目的
11.1 基因组学概念及范畴
基因组(genome)是德国遗传学家H. Winkler在1920年 将gene（基因）和chromosome(染色体)两个词缩合而创造 的一个新词，意思是指染色体上的全部基因。
几十年来，随着分子生物学的发展，其含义扩展为在 个体水平代表一个个体所有遗传性状的总和，在细胞水平代 表一个细胞所有不同染色体（单倍体）的总和，在分子水平 代表一个物种所有DNA分子的总和。
基因组(genome)的定义（GENE 8）： 生物体遗传信息的全部序列，它包括每一条染
色体和任何亚细胞器的DNA的序列。
原核生物基因组：
原核生物DNA分布在整个细胞之中，有时相对 集中在类核体上。类核体上的DNA是一条共价、闭合 双链分子，类核体通常也称为染色体。
原核细胞都是单倍的。原核生物中一般只有一 条染色体。这条染色体的DNA就是原核细胞的基因组。
Genome Size (base)
Zea mays Homo sapiens Largest human chromosome 1 Smallest human chromosome Y Oryza sativa Drosophila melanogaster Arabidopsis thaliana Saccharomyces cerevisiae Escherichia .coli
Carsonella ruddii 一种寄生细菌 160Kb
人类
Homo sapiens 300 Mb
细胞中碱基对 直线展开长度
328英尺 (100米)
0.04英寸 （1毫米）
6.5英尺 (1.98米)
一个人身上有约有1015-16个细胞 地球赤道周长4×104km 人身全部细胞中DNA碱基对直线展开长度约2×1012-14km 可绕赤道多少圈？
11 基因组与比较基因组学
Genomics and Comparative Genomics
主要内容
一 基因组 二 基因组学 三 HGP
目的、意义、内容 策略、结果
四 其他基因组 五 比较基因组
课程要求
1.掌握基因组及基因组 学的基本概念；
2.了解基因组学分支学 科的定义以及主要研 究内容； 功能基因组 比较基因组
基因组学发展趋势
• 基因转录及其调控的研究 解析控制整个发育过程或反应通路的基因 表达网络。
• 蛋白质组学研究 从整体上研究蛋白质的水平和修饰状态。 研究蛋白质之间的相互关系。
• 基因组多样性的研究 对人类DNA的再测序 对其它生物的测序
基因组学包括3个主要的领域 结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics) 比较基因组学(comparative genomics)
比较基因组学 （Comparative genomics）
原核生物基因组:
染色体 质粒
真核生物基因组
一个物种的单倍体的各条染色体中的全部DNA 为该物种的基因组(genome)。例如，人有23对染色 体，配子－－单倍体是23条染色体，这23条染色体 中的全部DNA就是人体基因组。
真核生物基因组的主要成分被核膜所包裹，与 细胞质分开。
真核生物基因组:
核基因组 线粒体基因组 叶绿体基因组
基因组大小 580 Kb 816 Kb 1.8 Mb 4.2 Mb 4.6 Mb 13 Mb 100 Mb 125 Mb 165 Mb 3 Gb
估计基因数 467 677 1709 4100 4288 6275
18891 25498 14113 约3.5万
物种
基因组大 小
重楼百合
1500 Mb
Paris japonica
8,000 Mb 3,000 Mb
250 Mb 50 Mb 400 Mb 165 Mb 100 Mb 12 Mb 4.6 Mb
不同模式生物基因组的比较
物种 尿殖道支原体 Mycoplasma genitalium 肺炎支原体 Mycoplasma pneumoniae 流感嗜血杆菌 Haemophilus influenzae 枯草芽孢杆菌 Bacillus subtilis 大肠杆菌 Escherichia coli 酿酒酵母 Saccharomyces cerevisiae 线 虫 Caenorhabditis elegans 拟南芥 Arabidopsis thaliana 果 蝇 Drosophila melanogaster 人 类 Homo sapiens