《全基因组测序》PPT课件
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细菌全基因组测序 ppt课件
基因家族（gene family） 和基因簇（gene cluster）分析
基因组中来源相同，结构和功能相关的基因 聚集在一起形成基因家族。
基因家族的各个成员紧密成簇排列成大段的串联 重复单位，分布在某一条染色体的特殊区域
genefamily.xls
基因家族聚类结果
genefamily.stat
各基因家族统计信息
培养条件① 培养条件②
或活性较低
测定转录 组mRNA
细菌全基因组测序
比较 新 差异 基因
其他方面的应用研究
❖ 应用NMR、FTIR、UV， 14C标记的木质 素降解机理方面的研究； ❖农药残留物以及其他一些难降解有机物的 降解； ❖ 重金属有机物化合物的降解。
② 木质素降解过程中涉及到的细胞外酶主要有：木质素过氧化物酶
（LiP）和锰过氧化物酶（MnP），以及漆酶（Lac）。此外，一 些附属酶参与过氧化氢的产生，乙二醛氧化酶（glyoxal oxidase， 缩写作GLOX）和芳基醇氧化酶（aryl alcohol oxidase，缩写作 AAO）属于这类酶。
对4株菌的亲缘关系进行分析，确定菌株之间的相互关 系；
通过对4株菌进行进化分析，判定是否为古菌或新的菌 种。
细菌全基因组测序
基因分离
下一步的实验安排
对已注释出的基因进行验证
载体
酶切
酶切
连接
转化
筛选 表达
细菌全基因组测序
未注释出功能的基因鉴定，挖掘新基因
DNA 转录 RNA 翻译 Protein
细菌全基因组测序
“一个物种基因组计划的完成， 就意味着这一物种学科和产业 发展的新开端”
向仲怀院士
谢谢！！
细菌全基因组测序
细菌全基因组测序
细菌全基因组测序
• 细菌全基因组测序概述 • 细菌基因组的组成与结构 • 细菌全基因组测序的应用 • 细菌全基因组测序的挑战与前景 • 案例分析
01
细菌全基因组测序概述
定义与目的
定义
细菌全基因组测序是指对细菌的全基 因组进行测序，获取其完整的DNA序 列信息。
目的
细菌全基因组测序主要用于细菌种属 鉴定、基因功能研究、药物靶点发现 和抗药性分析等。
基因组的复制与表达
01
复制机制
细菌基因组的复制开始于特定的起点，称为复制原点。复制过程中，
DNA聚合酶沿着DNA链移动，并合成新的DNA互补链。
02
转录过程
在细菌中，DNA的转录过程由RNA聚合酶催化。转录从启动子开始，
沿着DNA模板链移动，直到遇到终止子并结束转录过程。
03
翻译过程
细菌中的mRNA通过核糖体进行翻译，生成蛋白质。每个核糖体都沿着
04
细菌全基因组测序的挑战与前景
数据解析与存储的挑战
1 2
数据量庞大
细菌全基因组测序产生大量数据，需要高效的数 据解析和存储技术，以确保数据准确性和完整性。
算法优化
针对基Байду номын сангаас组数据的算法需要进行优化，以提高数 据处理速度和准确性，满足实时分析的需求。
3
云计算平台
利用云计算平台，可以实现数据的高效存储、计 算和分析，为细菌全基因组测序提供强大的计算 资源。
通过比较病原菌基因组序列与已知病原体基因组数据库，可以发现新的病 原菌或变异株，提高疾病诊断的准确性。
病原菌基因组测序还可以帮助了解病原菌的传播途径和流行病学特征，为 防控措施的制定提供科学依据。
案例二
• 细菌全基因组测序概述 • 细菌基因组的组成与结构 • 细菌全基因组测序的应用 • 细菌全基因组测序的挑战与前景 • 案例分析
01
细菌全基因组测序概述
定义与目的
定义
细菌全基因组测序是指对细菌的全基 因组进行测序，获取其完整的DNA序 列信息。
目的
细菌全基因组测序主要用于细菌种属 鉴定、基因功能研究、药物靶点发现 和抗药性分析等。
基因组的复制与表达
01
复制机制
细菌基因组的复制开始于特定的起点，称为复制原点。复制过程中，
DNA聚合酶沿着DNA链移动，并合成新的DNA互补链。
02
转录过程
在细菌中，DNA的转录过程由RNA聚合酶催化。转录从启动子开始，
沿着DNA模板链移动，直到遇到终止子并结束转录过程。
03
翻译过程
细菌中的mRNA通过核糖体进行翻译，生成蛋白质。每个核糖体都沿着
04
细菌全基因组测序的挑战与前景
数据解析与存储的挑战
1 2
数据量庞大
细菌全基因组测序产生大量数据，需要高效的数 据解析和存储技术，以确保数据准确性和完整性。
算法优化
针对基Байду номын сангаас组数据的算法需要进行优化，以提高数 据处理速度和准确性，满足实时分析的需求。
3
云计算平台
利用云计算平台，可以实现数据的高效存储、计 算和分析，为细菌全基因组测序提供强大的计算 资源。
通过比较病原菌基因组序列与已知病原体基因组数据库，可以发现新的病 原菌或变异株，提高疾病诊断的准确性。
病原菌基因组测序还可以帮助了解病原菌的传播途径和流行病学特征，为 防控措施的制定提供科学依据。
案例二
8-第4章-2 全基因组测序
人类参考基因組
参考基因组(Reference Genome)是一个基因组核酸序列数 据库。由于用于组装的序列常常来自物种的许多不同 个体，因此参考序列并不代表某个确定的个体基因组。
人类参考基因组（HumanReference Genome）版本 GRCh37来自纽约水牛城（Buffalo, New York）13个自 愿的匿名个体提供的基因组序列组装而成的。人体血 液有ABO三种血型，但在参考基因组中只含有一种基因 型，即O型等位基因的序列。
或间隙。
依据基因组图谱的测序
1）大肠杆菌基因组测序 2）酵母基因组测序 3）线虫基因组测序 3）人类基因组测序 4）拟南芥基因组测序
大肠杆菌基因组测序（1）
线虫基因组测序
注: 线虫为单性(X或Y)或雌雄同体(XX), Y染色体未测序.
全基因组鸟枪法测序的物种
1）流感嗜血杆菌基因组测序 2）人类基因组测序 3）水稻基因组测序
见：Wikipedia, the free encyclopedia
基因组测序顺序的精度—
百慕大标准
World standards for sequence fidelity (known as the Bermuda Standards, 百慕大标准) were established at the meeting of HGP principal investigators (PI) in 1997. These standards stated that finished sequence should contain less than one error per 10,000 DNA bases (99.99% accuracy), and that the sequence should be contiguous (without gaps). Nature 429：365-368，2004
基因组测序技术PPT课件
1 ATACGTTA
2 2GCTGTATGTAAGTCAT
4 C4GATCTGATGTAATGA
3 3TACGTTAG A
5 GTTAGATC
1 ATACGTTA
3 TACGTTAG
4 ACGTTAGA
2
CGTTAGAT
5
GTTAGATC
计算机分析杂交图象 并由探针的重叠情况 推导样品的核酸序列
互补序列为：ATACGTTAGATC 样品序列为：TATGCAATCTAG
在人类基因组进入测序组装阶段就采用此方法， 其基本步骤如下 参考人类基因组图,特别是大量的STS位标作为基点, 进行序列组装，排成重叠克隆群.
先将染色体打成比较大的片段(几十-几百Kb), 利用 分子标记将这些大片段排成重叠的克隆群(Contig), 分别 测序后拼装. 这种策略叫基于克隆群(contig-based)的策 略.
2000年 12 月，第一个植物基因组—— 拟南芥（Arabidopsis thaliana）基因组 被全部测序 ，大小为125 Mb.
一、测序流程1.构建生物基因组或cDNA DNA的提取和制备→酶切制备克隆用DNA片段 →与载体连接→转化受体细胞 →筛用超声波（或限制性内切酶）切成能够测序 的小片断(200-500bp)→小片断和载体结合，植入 细菌中进行扩增（或用PCR扩增） →从细菌中提 取出繁殖好的质粒→ 酶切，制取测序的DNA片段
A
B
C
大片段contig
小片段测序拼装
A
B
C
两种策略的比较
鸟枪法策略
指导测序策略
不需背景信息
时间短 需要大型计算机 得到的是草图(Draft)
构建克隆群 (遗传、物理图谱) 需要几年的时间
基因组测序基本原理ppt课件
基因组测序基本原理
大纲
I. 核酸DNA的发现以及测序历史简介 II. 双脱氧化(Sanger dideoxy method)测序 III.大片段的DNA测序与基因组测序的大发展 VI.人类基因组 V. 1000美元个体化基因组测序计划(The “$1,000 dollar genome)
On WebCT -- “The $1000 genome” -- review of new sequencing techniques by George Church
Part I.核酸测序原理
核酸发现与测序简史
DNA测序的简史
MC chapter 12
DNA测序的方法
A. 双脱氧法 (Sanger dideoxy) (primer extension/chaintermination) method: 最流行也是最广为接受的方法。
Maxam-Gilbert化学剪切法(chemical cleavage method): DNA is labelled and then chemically cleaved in a sequence-dependent manner. This method is not easily scaled and is rather tedious 焦磷酸测序(Pyrosequencing): measuring chain extension by pyrophosphate monitoring。焦磷酸测序技术是新一代 DNA序列分析技术，该技术无须进行电泳，DNA片段也无 须荧光标记，操作极为简便，可以快速、准确地确定DNA 序列。
测序的趋势
相对而言一般很少实验室会自己做测序，一则自身测序费用比较高，而且荧光试剂容 易粹灭，同时也比较消耗时间，另外可能出现一些其它问题引起结果不成功。所以大 部分的测序都是送到相关的测序中心或者公司完成:
大纲
I. 核酸DNA的发现以及测序历史简介 II. 双脱氧化(Sanger dideoxy method)测序 III.大片段的DNA测序与基因组测序的大发展 VI.人类基因组 V. 1000美元个体化基因组测序计划(The “$1,000 dollar genome)
On WebCT -- “The $1000 genome” -- review of new sequencing techniques by George Church
Part I.核酸测序原理
核酸发现与测序简史
DNA测序的简史
MC chapter 12
DNA测序的方法
A. 双脱氧法 (Sanger dideoxy) (primer extension/chaintermination) method: 最流行也是最广为接受的方法。
Maxam-Gilbert化学剪切法(chemical cleavage method): DNA is labelled and then chemically cleaved in a sequence-dependent manner. This method is not easily scaled and is rather tedious 焦磷酸测序(Pyrosequencing): measuring chain extension by pyrophosphate monitoring。焦磷酸测序技术是新一代 DNA序列分析技术，该技术无须进行电泳，DNA片段也无 须荧光标记，操作极为简便，可以快速、准确地确定DNA 序列。
测序的趋势
相对而言一般很少实验室会自己做测序，一则自身测序费用比较高，而且荧光试剂容 易粹灭，同时也比较消耗时间，另外可能出现一些其它问题引起结果不成功。所以大 部分的测序都是送到相关的测序中心或者公司完成:
全基因组测序ppt课件
测序数据的生成与分析
01
数据质量控制
去除低质量、污染
和重复序列数据。
02
序列比对
将测序数据与参考 基因组进行比对。
04
注释与解读
对变异进行功能注
03
释和临床意义解读
。
变异检测
识别基因组中的单 核苷酸变异、结构
变异等。
03
全基因组测序的实际应用
人类健康与疾病研究
遗传性疾病诊断
人类进化研究
全基因组测序可以检测出人类基因中 的突变位点，有助于遗传性疾病的诊 断和预防，如罕见病、癌症等。
02
全基因组测序技术原理
测序平台与技术分类
平台类型
基于Sanger的测序、基于焦磷酸测 序、基于纳米孔的测序和基于合成测 序等。
技术分类
长读长测序和短读长测序，单分子测 序和合成测序等。
测序的基本步骤
样本准备焦磷酸酶反应。 通过测序平台产生原始的测序数据。
测序技术的发展历程
1 2
3
第一代测序技术
基于Sanger的DNA测序方法，测序读长较短，通量较低。
第二代测序技术
基于高通量测序技术，如Illumina平台，实现了高通量、高 灵敏度和高精度。
第三代测序技术
基于单分子测序技术，如PacBio和Nanopore平台，具有超 长读长和实时测序能力。
全基因组测序的应用领域
癌症基因组研究
目的
01
通过对癌症患者的基因组进行测序和分析，了解癌症的发生、
发展和转移机制，为癌症的诊断、治疗和预防提供依据。
成果
02
发现了许多与癌症发生、发展相关的基因突变和变异，为个性
化治疗和精准医学提供了有力支持。
NGS简介ppt课件
Illumina测序原理
15
Ilumina测序原理
cBot
17
测序芯片—Flowcell
Lane：八条相对独立通道 两端小孔：进液孔与出液孔 Oligo：DNA小片段，通过化
学键连接在Flowcell上， 能与两端碱基互补配对oligo
Illumina测序原理
18
杂交
Illumina测序原理
变性：双链DNA变 为单链DNA， 杂交在Flowcell上
Index
结合方式：碱基互补配对原则
19
延伸
RCR扩增
模版：杂交结合链 引物：Oligo
Illumina测序原理
20
变性
Original template： 与Flowcell 氢键连接， 不稳定
Newly synthesized strand： 与Flowcell 磷酸二酯键 连接，稳定
3
4
第一代DNA测序技术用 的是1975年由桑格（Sanger） 和 考 尔 森 （ Coulson ） 开 创 的 链 终 止 法 ， 以 及 19761977 年 由 马 克 西 姆 （ Maxam ） 和 吉 尔 伯 特 （ Gilbert ） 发 明的化学法（链降解）。
在 1977 年 ， 由 桑 格 老 人家测定了第一个基因组序 列——噬菌体phiX-174。
36
37
基因测序技术简介
主讲人：徐德阳
1
目录
一、测序技术发展与比较 二、illumina测序原理 三、Pacbio测序原理
2
全基因组测序的英文是Whole Genome Sequencing，简称WGS，目前默认指的 是人类的全基因组测序。 所谓全（Whole），指的就是 把物种细胞里面完整的基因组序列从第1个DNA开 始一直到最后一个DNA，完完整整地检测出来，并排列好，因此这个技术几乎 能够鉴定出基因组上任何类型的突变。
第一讲 基因组测序和序列组装ppt课件
几乎所有基因〔或操纵子〕上游都有调控序列， 它们可与DNA结合蛋白作用，控制基因表达。
通过同源性比较来预测mRNA的5’端，最常用的 与转录起始位点相关的数据库是真核启动子数据库 (The TRADAT Project , Eukaryotic Promoter Database, EPD. epd.unil.ch/ )。
G 外显子－内含子边界
外显子和内含子的边界有一些 明显的特征，
如:内含子的5‘端或称供体位 〔donor site〕常见的顺序为 5’－ AG↓GTTAAGT-3’；
3’端又称受体位〔acceptor site), 多为5‘PyPyPyPyPyPyCAG3’(“Py〞嘧啶核苷酸，T或C)；
H 上游控制顺序
第二讲 基因组序列诠释
问题
基因组序列所包含的全部遗传信息是什 么？
基因组作为一个整体如何行使其功能？ 用什么方法寻找基因，研究基因地功能
呢？
1. 寻找基因
1.1 根据开放读码框预测基因 A 起始密码子 ATG 第一个ATG的确定(依据Kozak规则);
Kozak规则是基于已知数据的统 计结果.
同源有如下几种情况：
A DNA序列某些片段完全相同； B 开放读码框〔ORF〕排列类似，如有长
外显子； C 开放读码框翻译成氨基酸序列的相似性； D 模拟多肽高级结构相似
1.3 试验分析
Northern 杂交确定DNA片段是表达 序列.
本卷须知： a 当某一基因的转录产物进行可变 剪接时，由于连接的外显子不同， 会产生好几条长度不一的杂交带;
反义表达载体
Nc o I Bst EII
35S pro
HbR
300bp p3301-HbR(11030bp)
通过同源性比较来预测mRNA的5’端，最常用的 与转录起始位点相关的数据库是真核启动子数据库 (The TRADAT Project , Eukaryotic Promoter Database, EPD. epd.unil.ch/ )。
G 外显子－内含子边界
外显子和内含子的边界有一些 明显的特征，
如:内含子的5‘端或称供体位 〔donor site〕常见的顺序为 5’－ AG↓GTTAAGT-3’；
3’端又称受体位〔acceptor site), 多为5‘PyPyPyPyPyPyCAG3’(“Py〞嘧啶核苷酸，T或C)；
H 上游控制顺序
第二讲 基因组序列诠释
问题
基因组序列所包含的全部遗传信息是什 么？
基因组作为一个整体如何行使其功能？ 用什么方法寻找基因，研究基因地功能
呢？
1. 寻找基因
1.1 根据开放读码框预测基因 A 起始密码子 ATG 第一个ATG的确定(依据Kozak规则);
Kozak规则是基于已知数据的统 计结果.
同源有如下几种情况：
A DNA序列某些片段完全相同； B 开放读码框〔ORF〕排列类似，如有长
外显子； C 开放读码框翻译成氨基酸序列的相似性； D 模拟多肽高级结构相似
1.3 试验分析
Northern 杂交确定DNA片段是表达 序列.
本卷须知： a 当某一基因的转录产物进行可变 剪接时，由于连接的外显子不同， 会产生好几条长度不一的杂交带;
反义表达载体
Nc o I Bst EII
35S pro
HbR
300bp p3301-HbR(11030bp)
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7
顺序复杂性
❖ DNA 的复性 遵循二级反应动力学，可表述为： dCt / dt = -KC02 反应达 t 时，单链DNA浓度 = Ct C0 = 单链 DNA起始浓度 K＝ 复性速度常数
Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L) 常数
Ct/C0 1
1
0
C0t(1/2)
E2f1
E2F1
E2f2
E2F2
E2f3
E2F3
E2f4
E2F4
E2f5
E2F5
E2f6
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E2F6
12
假基因(Pseudogene)
来源于功能基因 但已失去活性 的DNA序列
产生假基因的原因有:
1. 由重复产生的假基因;
2. 加工的假基因, 由RNA反转录为cDNA 后再整合 到基因组中;
ATGCCN----NNATAA
B
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15
*部分重叠 如： K和C
*两个基因共用少数 碱基对
如： D和J
D 终止密码子
-------TAATG-------
J 起始密码子
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16
3. DNA测序的方法
链终止法测序 化学降解法测序 自动化测序 非常规DNA测序
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17
3.1 链终止法测序(the chain termination method)
第一讲 基因组测序与序列组装
任科教师: 余爱丽
生命科学院 分子生物 学与生物信息学系
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1
主要内容:
什么是基因组 什么是基因 DNA测序的方法 DNA序列的组装 人类基因组计划 水稻基因组计划 后基因组学
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2
1. 什么是基因组
基因组就是一个物种中 所有基因的整体组成。
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19
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20
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21
3.2 化学降解法测序
基本原理: 在选定的核苷酸碱基中引入化学集
团,再用化合物处理,使DNA分子在被修 饰的位置降解.
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22
技术路线
将双链DNA样品变为单链
↓ 每个单链的同一方向末端都用放射性同位素 标记,以便显示DNA条带
↓ 分别用不同方法处理,获得只差一个核苷酸的 降解DNA群体
动物
真菌 等
细菌
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6
重复顺序
➢ 高度重复顺序： 长度：几个——几千个bp 拷贝数：几百个——上百万个 首尾相连，串联排列
集中分布于染色体的特定区段（如端粒，着丝粒等）
也称卫星DNA
➢ 中度重复顺序： 一般分散于整个基因组中； 长度和拷贝数差别很大
➢ 单一顺序： 基因主要位于单一顺序
动物中单一顺序约占50％ 植物中单一顺序约占20％
↓ 电泳,读取DNA的核苷酸顺序
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23
Maxam-Gilbert 法所用的化学技术
碱基 G
A+G
C+T C
特异修饰方法
Ph8.0,用硫酸二甲酯对 N7进行甲基化,使 C8-C9键对碱基裂解有特殊敏感性
pH2.0 哌啶甲酸可使嘌呤环的N原子化,从 而导致脱嘌呤,并因此消弱腺嘌呤和鸟嘌呤 的糖苷键
大多数真核生物蛋 白质基因的编码顺 序(Exon)都被或长 或短的非编码顺序 (Intron)隔开
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11
基因家族
一群具有一致的或相似顺序的基因,有的还担负 类似的生物学功能, 可以相互补偿, 比如:E2f transcription factor
Mouse symbol Human Ortholog
基本原理: 通过合成与单链DNA互补的多核苷酸链，
由于合成的互补链可在不同位置随机终止反 应，产生只差一个核苷酸的DNA分子，从而 来读取待测DNA分子的顺序。
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18
技术路线与要求
制备单链模板 ↓
将单链模板与一小段引物退火 ↓
A 克隆于质粒中DNA→用碱或热变性 B M13克隆单链DNA C 噬粒克隆DNA D PCR产生单链DNA
8,000 3,000 400 165
100 12 4.6
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4
什么是C 值？
▪通常是指一种生物单倍体基因组DNA的 总量.
在真核生物中，C值一般随着生物的进化而 增加，高等生物C值一般大于低等生物。
C值悖理：
生物的复杂性与基因组的大小并不完全成比 例增加
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5
阴影部分为一个门内ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-值的范围
基因组有两层意义：遗 传物质和遗传信息。
要揭开生命的奥秘， 就需要从整体水平研究 基因的存在、基因的结 构与功能、基因之间的 相互关系。
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3
Genome Size (Mb)
Zea mays Homo sapiens Oryza sativa Drosophila melanogaster Arabidopsis thaliana Saccharomyces cerevisiae E.coli
加入DNA多聚酶 4种脱氧核苷酸
A 高酶活性 B 无5’→3´外切酶活性 C 无3´→5´外切酶活性
分别加入少量4种双脱氧核苷酸 ↓
将4种反应产物分别在4条泳道电泳 ↓
ddATP/ddCTP/ddGTP/ ddTTP 的3’碳原子连接 的是氢原子,不是羟基
根据4个碱基在4条泳道的终止位置读出基因序列
肼可打开嘧啶环,后者重新环化成五元环后 易除去
1.5mol/L NaCl存在时,可用肼除去胞嘧啶
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24
化学法测序实例
哌啶
3.3 自动化测序
基本原理
与链终止法测序原理相同,只是用不同 的荧光色彩标记ddNTP,如ddATP标记红 色荧光,ddCTP标记蓝色荧光, ddGTP标 记黄色荧光, ddTTP标记绿色荧光.由于 每种ddNTP带有各自特定的荧光颜色,而 简化为由1个泳道同时判读4种碱基.
3. 残缺的基因(Truncated gene)
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13
重叠基因: 同一段DNA 能携带两种不同蛋白的信息.
重迭基因有以下几种情况：
*一个基因完全在另一个基因内部 *部分重叠 * 两个基因共用少数碱基对
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14
*一个基因完全在另一个 基因内部
如：B和A， E和D 其读码结构互不相同
---ATG-----//------AATGCC ----//---ATAACG---//--TAA---A*
0 C0t(1/2)
C0t(1/2)值与基因组复杂性成正比。
2. 什么是基因？
是遗传信息的物理和功能单位，包含产生 一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸 序列。
基因分类： 编码RNA的基因，如rRNA基因，snRNA
基因等； 编码蛋白质的基因
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10
基因的不连续性
Intron 和Exon: