基因组学概述-文档资料
基因组学
基因组学的定义有广义和狭义之分。
广义的基因组学涉及到细胞学、遗传学、进化论和分子生物学的研究对象和范畴，可以称为是规模化的生物学研究。
狭义的基因组学主要是以各类物种的基因组为研究对象，形成复杂的概念、理论框架和研究命题。
基因内涵的最新发展基因在分子生物学中占据了核心地位，基因概念的发展贯穿了分子生物学理论的整个发展历程。
在某种程度上，基因内涵的更新与发展可以视为分子生物学发展阶段的标志。
从最初孟德尔通过离散型表型抽象出的遗传因子（genetic factor）开始，在基因内涵的发展史上先后出现过遗传物质究竟是核酸还是蛋白质之争、DNA琴弦假说等早期探索性工作。
目前，大家所熟知的基因形式包括顺反子、断裂基因、重复基因、重叠基因、跳跃基因、rRNA基因、tRNA基因、假基因等，近来又发现了以微小RNA基因为代表的多种非编码RNA基因（noncoding RNA gene）、跨染色体剪接基因、跨物种横向转移基因（即自然界的转基因）等多种新的基因形式。
诺贝尔生理医学奖在历史上曾多次与基因的更新和发展有关。
随着更多新的基因形式被不断发现，基因内涵也在不断发生变化。
Gerstein等（2007）和Pesole（2008）分别对基因的概念做了较新的定义。
他们给出的基因新概念主要在强调基因编码产物形式的多样性，其本质仍然是遗传信息的功能单位，而且细胞核基因组DNA也仍然是承载基因的主要物质载体。
在传统观念中，除了RNA编辑、剪接，以及蛋白质分子修饰之外，遗传信息从DNA到表型的传递过程几乎是完全线性的，至DNA以下的所有环节，包括中间分子信息和表型均最终受控于基因组DNA，生物的可遗传组分完全由基因组DNA的序列信息决定。
但随着研究的不断深入，这种传统观点正逐渐被打破，目前已经知道表观遗传及其他“软”遗传（soft inheritance）机制也广泛参与了跨代遗传的调控过程。
此外，已在细胞水平和整体水平上证明环境刺激引起的基因表达模式改变也可以在一定条件下实现跨代遗传，好像米丘林遗传学这一被扔进历史垃圾堆里的伪科学又死灰复燃了，在与孟德尔遗传学分道扬镳多年后又开始有了相互靠拢的新迹象（说不准某些曾经的伪科学还真有咸鱼翻身的机会）。
基因组学概念
基因组学概念
基因组学（Genomics）是一门研究基因组结构和功能的学科，它涵盖了生命科学、生物信息学、计算机科学等多个领域。
基因组学通过研究基因组的结构、组成、表达和调控，深入理解生命的本质、生物多样性和疾病发生机制，为新药研发、医学诊断和治疗提供基础支持和解决方案。
基因组学的主要研究对象是基因组，即生物体内部所有基因的集合体。
基因组由DNA序列组成，其中包括编码蛋白质和调节基因表达的基因，以及非编码DNA序列和重复DNA序列等。
基因组学的研究内容包括以下几个方面：
1. 基因组测序：通过高通量测序技术，对基因组进行大规模的测序分析，以获取基因组的详细序列和变异信息。
2. 基因组组装：通过对测序数据进行组装和分析，构建基因组的物理图谱和遗传图谱，以确定基因组的结构和组成。
3. 基因组注释：通过对基因组序列进行注释和分析，确定基因的编码区、调控序列和重复序列等信息，以揭示基因的功能和表达模式。
4. 基因组变异分析：通过分析基因组序列中的变异，包括单核苷酸变异（SNV）、插入和缺失（INDEL）、结构变异（SV）等，揭示基因组的遗传多样性和疾病发生机制。
5. 基因组学应用：将基因组学应用于医学、农业、环境科学等领域，包括新药研发、疾病诊断和治疗、生物多样性保护等。
基因组学的发展得益于现代科技的不断进步和创新，如高通量测序技术、生物信息学方法和计算机科学算法等。
随着技术的不断革新和完善，基因组学将在生命科学、医学和农业等领域发挥越来越重要的作用，为人类提供更加全面、深入和精准的知识和解决方案。
基因组学
基因组复习基因组（genome），又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传信息的总和基因组学研究的最终目标: 获得生物体全部基因组序列; 鉴定所有基因的功能; 明确基因之间的相互作用关系; 阐明基因组的进化规律。
经典遗传学：在20世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。
第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。
第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。
基因组学的研究内容结构基因组学：基因定位；基因组作图；测定核苷酸序列功能基因组学：又称后基因组学（postgenomics)基因的识别、鉴定、克隆；基因结构、功能及其相互关系；基因表达调控的研究蛋白质组学：鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式遗传图谱（genetic map）采用遗传分析的方法将基因或其它DNA序列标定在染色体上构建连锁图。
遗传标记：有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。
构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。
包括：形态标记；细胞学标记；生化标记；DNA 分子标记所有的标记都必须具有多态性！所有多态性都是基因突变的结果！形态标记：形态性状：株高、颜色、白化症等，又称表型标记。
数量少，很多突变是致死的，受环境、生育期等因素的影响控制性状的其实是基因，所以形态标记实质上就是基因标记。
细胞学标记明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征：染色体的核型、染色体的带型、染色体的结构变异、染色体的数目变异。
优点：不受环境影响。
缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利生化标记又称蛋白质标记就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。
如：同工酶、贮藏蛋白优点：数量较多，受环境影响小缺点：受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息DNA分子标记：简称分子标记以DNA序列的多态性作为遗传标记优点：不受时间和环境的限制遍布整个基因组，数量无限不影响性状表达自然存在的变异丰富，多态性好共显性，能鉴别纯合体和杂合体限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等位基因的差异。
基因组学概述
基因组学概述基因组学是研究生物体基因组结构、功能、调控及其相关技术的学科。
自生物学家完成第一批生物体基因组的测序以来，基因组学就迅速发展成为生命科学中一门重要的分支。
本文将对基因组学的研究内容、应用领域、技术手段以及未来发展进行概述。
一、基因组学的研究内容基因组学旨在研究基因组序列、构造和运作，进而发现基因与生物性状之间的关系。
基因组学的研究内容包括以下方面：1.基因组序列分析基因组序列分析是基因组学的核心。
测序技术的发展使得基因组数据的产生和处理变得更加高效和准确。
基因组序列分析涉及到对基因组的组成、大小、序列及其变异情况等方面的研究。
2.基因表达调控基因在细胞中的表达调控是维持生命的基本过程之一，也是基因组学研究的热点。
研究基因表达调控可以揭示基因的功能与调控网络，也能够为疾病诊断与治疗提供理论依据。
3.基因功能研究基因组学研究不仅关心基因本身的特性，也关注基因与其背后的生物学功能之间的联系。
基因功能研究可以帮助科学家更好地理解基因形成的背景及其在分子机制中的作用。
二、基因组学的应用领域基因组学的应用领域正在不断扩展，它对医学、农业、生命科学等领域都产生了重要影响。
1.医学基因组学可以协助医生对疾病的早期诊断、个性化治疗和药物研发提供帮助。
例如，根据基因组数据，可以为患者量身定制有效的药物，提高治疗效果，减少药物不良反应。
2.农业基因组学在农业领域的应用可以提高农作物的产量、耐病性、抗逆性等，帮助农民获得更高的经济效益和社会效益。
对动物的基因组研究也有助于培育出更高产、健康、适应力强的动物品种。
3.生命科学基因组学在生命科学领域的应用也为研究生命科学问题提供了新的思路和方法。
比如，研究基因调控网络，揭示生命体系的发育、进化和调节机制等。
三、基因组学的技术手段基因组学的技术手段逐渐成熟，如高通量测序技术、生物信息学技术、基因编辑技术等。
以下是部分基因组学的技术手段介绍：1.高通量测序技术高通量测序技术是目前最为先进的基因组学技术之一，它可以快速、准确地获得基因组的序列信息。
基因组学概论
基因组学概论一、基因组学定义及研究内容基因组学（genomics）是研究生物基因组和如何利用基因的一门学问，是对所有基因进行基因作图（包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱）、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门学科。
基因组学与传统遗传学或其他学科的差别在于基因组学主要是从整体水平分析基因组如何发挥作用，注重基因在整个基因组中所扮演的角色与功能，而非孤立地考虑基因的结构与表达。
基因组学是针对生物基因组所蕴藏的全部生物性状的遗传信息的解读与研究，因而基因组学涉及有关基因组DNA 的序列组成，全基因组的基因数目、功能和分类，基因组水平的表达调控及不同物种之间的进化关系的大范畴、高通量的收集和分析。
基因组学的概念是由美国科学家Thomas Roderick 于1986 年首次提出的，当时是指对于基因组的作图、测序及分析，随着基因组计划的深入开展，其研究内容也扩展至基因功能的研究。
基因组学是随着人类基因组计划提出的，随着人类基因组图谱及其分析结果的报道，以及多种细菌和酵母微生物，多种昆虫、动物以及水稻、拟南芥植物等模式生物基因全序列的完成，基因组学的研究已经从结构基因组学开始过渡到功能基因组学。
目前，基因组学研究的内容和主要目的有：（1）建立以互联网为平台的数据库；（2）组建基因组的物理图谱和遗传图谱；（3）确定基因及基因组的序列；（4）分析基因组的结构特点；（5）鉴定基因组中的所有基因，并且根据蛋白质序列来确定其功能或大致功能；（6）建立基因表达数据库；（7）建立基因与表现型之间的关系；（8）确定DNA序列的复杂性；（9）为比较不同生物的基因组提供资料，使一种生物的遗传数据可用来分析其他生物的基因和基因组。
二、基因组学发展历程基因组学形成比较完整的学科是近二十年的事，但它的孕育、产生和发展却经历了比较长的时间，大体可以划分为下列五个阶段：1.前遗传学时代（1900年以前）这时期主要的事件是1859 年Darwin 提出了物种进化的自然选择学说——达尔文进化论和1865年Mendel提出了分离定律与自由组合定律。
基因组学
第一章一、人类基因组计划1、主要任务：四张图：遗传图、物理图、序列图、转录图2、意义：对人类疾病基因研究的贡献对医学的贡献；对生物技术的贡献；对制药技术的贡献；对社会经济的重要影响；对生物进化研究的影响。
二、基因组学的基本概念1、基因：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。
2、基因组：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。
3、基因组学：涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科。
包括：结构基因组学功能基因组学比较基因组学三、基因组序列复杂性1、C值：单倍体基因组的DNA总量，一个特定种属具有特征C值2、C值反常/矛盾：指一个有机体的C值和其编码能力缺乏相关性。
3、基因组中单拷贝的DNA序列称为单一序列，多拷贝的序列称为重复序列，不同序列的DNA总长称为复杂性四、基因与基因家族1、基因的三种基本功能：可自体复制；决定性状；突变2、断裂基因：指基因的编码序列（外显子）在DNA分子上是不连续排列的，而是被不编码的序列（内含子）所隔开。
3、外显子：编码的序列称为外显子，对应于mRNA序列的区域，是一个基因表达为多肽链的部分。
4、内含子：编码的间隔序列称为内含子，内含子只转录，在前mRNA时被剪切掉。
5、断裂基因的意义：（1）有利于储存较多的遗传信息量；（2）有利于变异与进化；（3）增加重组机率；（4）内含子可能是调控装置。
6、多基因家族：多基因家族是真核生物基因组的共同特征，是指由一个祖先基因经过重复和变异形成的一组来源相同、结构相似、功能相关的基因。
Eg，细胞色素P450酶系7、异常结构基因：重叠基因：是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列；指调控具有独立性但部分使用共同基因序列的基因反义基因基因内基因8、持家基因：几乎在一切体细胞中均能被表达的基因称之。
9、奢侈基因：在高等生物不同组织里面特异性表达的基因称之。
第1章 基因组学概论
（三）基因组学的意义
生物学研究 医学 生物技术 制药工业 社会经济 生物进化 伦理，法律及社会
尤其是人类疾病基因的研究
(1)单基因病疾病基因研究,如血友病等
人类基因组计划使我们了解基因组序列。 现在采用定位候选克隆方法极大地提高了 发现疾病基因的效率。
（2）多基因病疾病基因研究， 例如心脏病，糖尿病，癌症等。
（一）1900年代以前:前遗传学时代
（1）1859 年C.Darwin 在《On the Origin of Species》这一名著中，提出了物种进化的自然选 择学说——达尔文进化论。
生物的来源——进化 生物的性状——遗传 进化的动力——选择
前遗传学时代
（2）1865年G.Mendel发表豌豆杂交实验结果，提出 了遗传学的两大遗传规律—分离规律和独立分配规律， 并认为是生物体内的遗传因子或遗传颗粒控制生物性状。
人的核基因组：30亿bp（最新资料说28.5亿） 2∼2.5万个蛋白编码基因
真核生物基因组： 核基因组 线粒体基因组 叶绿体基因组
原核生物基因组： 染色体 质粒
病毒基因组：病毒颗粒携带的遗传物质
3. 基因组学（genomics）
由美国科学家Thomas Roderick于1986年首创。
基因组学（genomics）： 就是对所有基因进行基因 作图、核苷酸序列分析、 基因定位和基因功能分析 的一门学科。
基因是生命体传递和表达遗传信息的基本单位。
2. 基因组（genome）
基因组(genome)一词系由德国汉堡大学H. Winkles 教授于1920年首创，从GENe和chromosOME组成。 于表示生物的全部基因和染色体组成的概念。
基因组（genome）：生物所具有的携带遗 传信息的遗传物质的总和,是指生物细胞中所 有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。
基因组学基本知识
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比较基因组学
1988年，发现番茄和马铃薯的遗传图谱很相似。 基于结构基因组学，对基因和基因组进行比较，以了解基
因的表达、功能和进化。 对同一物种不同个体以及不同物种的基因组进行比较，分
❖ 借助这些标记利用比较作图可以将遗传图和物 理图整合起来
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（三）基因组测序
利用现有DNA测序方法，每个测序反应通常 只能得到800个核苷酸的序列。
小基因组物种常用鸟枪法。
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鸟枪射击法
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大基因组测序存在两个问题： 片段数庞大，片段间连接和装配非常复杂 基因组中相同或相似的重复序列在连接和装 配时容易出错
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（3）研究目的 找出所有人类基因，破译出人类全部遗传信息， 使得人类在分子水平上全面认识自我 将基因用于改善人类的生活质量 解决人类疾病、健康的问题
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（4）研究意义
➢ 确定人类基因的序列、物理位置、产物及功能 ➢ 理解基因转录与转录后调节 ➢ 研究空间结构对基因调节的作用 ➢ 发现与DNA复制、重组等有关的序列 ➢ 研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分
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五、基因组学的研究方法
（一）遗传图谱的构建 （二）物理图谱的构建 （三）基因组测序 （四）基因鉴定 （五）基因功能研究
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（二）物理图谱的构建
为什么要构建基因组图谱？ ➢ 基因组计划的主要任务是获得全基因组序列 ➢ 但是，现在的测序方法每次只能测800～1000bp ➢ 大量的测序片段要拼接 ➢ 要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接 ➢ 基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱
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BAC的优点
1． 易于用电击法转化E.coli（转化效率比转化酵母高10100倍）； 2． 超螺旋环状载体，易于操作； 3． F‘质粒本身所带的基因控制了质粒的复制； 4． 很少发生体内重排。
有人把人类染色体端粒DNA上单个α-卫星DNA单 元多聚化形成1Mb左右的大片段并与人类基因组DNA 混合，产生了能被复制、能正常分裂并得到长期稳定 保存的人工合成的染色体，长度约为6-10Mb，称为
• 另外一种方法是对所有相互重叠的亚克隆进行测序，然后直 接通过计算机程序根据其重叠部分进行“拼装”。
精品jing
基因组学概述
11.1 人工染色体构建
1983年，美国的Dana-Farber癌症研究所和哈佛大学 医学院的教授首次在Nature上发表文章，报道了构建 YAC（Yeast Artificial Chromosome）库的过程。1987年， Burke等人发现，仅仅带有ARS序列(autonomous replicating sequence) 的载体虽然能够被复制，但极易在 有丝分裂时丢失。即使在选择培养基上，也只有5%20%的子代细胞带有ARS载体。加入Centromeres （CEN）能显著提高ARS质粒在有丝分裂时的稳定性， 90%以上子代细胞带有该载体。CEN还能显著降低拷贝 数，从20-50/细胞降为1-2/细胞。（Science, 236:806812）。
内含子
20~30% 中度至高度重复序列
约60%
串联重复序列/ 成簇重复序列
约40% 分散重复序列
11.2 高通量DNA序列分析技术
在大规模DNA测序中，目标DNA分子的长度可达上百万个bp。现 在还不能直接测定整个分子的序列，然而，可以得到待测序列 的一系列序列片段。
序列片段是DNA双螺旋中的一条链的子序列（或子串）。这些序 列片段覆盖待测序列，并且序列片段之间也存在着相互覆盖或 者重叠。在一般情况下，对于一个特定的片段，我们不知道它 是属于正向链还是属于反向链，也不知道该片段相对于起点的 位置。另外，这样的序列片段中还可能隐含错误的信息。序列 片段的长度范围300－1000 bp，而目标序列的长度范围是3100 万bp，总的片段数目可达上千个。
(1)<1kb (2)<10kb (3)<22kb (4)<50kb (5)0.1-0.4Mb (6)0.5-2Mb
克隆扩增或表达 √√ √
举例 PBR322 PCDN3
PUC8 PBUDCE41 YE
(1)M13 (2)plasmid (3)λphage (4)casmid (5)BAC (6)YAC
殖的调控。
• 复制起点： DNA复制通常由起始蛋白与特定的DNA 序列相互作用开始。
载体的概念：
1.要把一个有用的基因（目的基因——研究或应用基 因）通过基因工程手段送到生物细胞（受体细胞），需要 运载工具（交通工具）携带外源基因进入受体细胞，这种 运载工具就叫做载体（vector）。
2.凡来源于质粒或噬菌体的DNA分子，可以插入或克 隆DNA片段统称为vector。
DNA序列片段组装（sequence assembly)，又称序列拼接）的任务 就是根据这些序列片段，重建目标DNA序列。如果能够得到 DNA一条链的序列，那么根据互补原则，另一条链的序列也就 得到了。
• DNA测序不能从染色体进行，首先必须克隆化，构建基因组 的物理图谱。
• 先构建片段DNA克隆(以YAC或BAC为载体)，并把克隆依染 色体排序，这就是“染色体的克隆图”。依片段DNA克隆在 染色体上所在的位置排序，可以得到相互重叠的一系列克隆， 叫做“克隆重叠群”(contig)。选取有关的克隆进行DNA测 序，就可以“拼装”出整个染色体或基因组的DNA序列。如 果克隆片段太大仍不便于直接测序，则需通过亚克隆，构建 更小的片段。
说明：
1.穿梭载体（sbuttle vector） 指在两种宿主生物体 内复制的载体分子，因而可以运载目的基因（穿梭 往返两种生物之间，如：YEP,DIDB219
2.YAC Yeast Artificial Chromsome 由酵母基因和 PBR322质粒衍生物构成，对克隆大的真核基因十分 有用，在HGP中发挥主要作用。
3.BAC 细菌人工染色体。
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。
以细菌寄主系统为基础的克隆载体形成嵌合体的频 率较低，转化效率高，又易于分离。科学家用"染色体 建造"法用F质粒及其调控基因构建细菌载体，克隆大 片段DNA。该质粒主要包括oriS， repE（控制F质粒
3.基因工程所用的vector实际上是DNA分子，是用来 携带目的基因片段进入受体细胞的DNA。
载体的分类分类Leabharlann 据 1.按功能分成类别
（1）克隆载体 （2）表达载体
2.按进入受体细胞类 型分
3.按载体来源分 4.按克隆片段得大小 （克隆能力）分
（1）原核载体 （2）真核载体 （3）穿梭载体
病毒载体＋
• 人工染色体含有三种必需成分：着丝粒、端粒和复制 起点。
• 着丝粒(CEN)位于染色体中央，呈纽扣状结构，在有 丝分裂时结合微管并调控染色体的运动，也是姐妹染色 单体配对时的最后位点，接收细胞信号而使姐妹染色体 分开。
• 端粒（TEL）：主要功能是防止染色体融合、降解、
确保其完整复制。端粒酶以其自身RNA为模板，在染色 体端部添加上端粒重复序列，并参与端粒长度和细胞增
MAC或HAC。
人类基因组
核基因组(3200Mb)
约10% 基因和基因有关序列
约90% 基因外序列
线粒体基因组(16.6kb)
rRNA 基因
tRNA 基因
蛋白编码 基因
专一或中等重复序列
<10%
>90%
70~80%
专一的或低 拷贝数序列
Coding DNA Non-coding DNA
假基因
基因片段