第01讲 微生物基因组学
微生物基因组学
年份 Year
基因组学文章 Articles about Genomics
基因组学综述 Reviews about Genomics
转录组学文章 Articles about Transcriptomics
转录组学综述 Reviews about Transcriptomics
2000
微生物基因组的特点
类别
特征
染色体结构
多为一条环状闭合双链DNA
基因组大小
从0.16-13Mb
编码序列
占基因组总长度的90%，平均为1Kb左 右
GC含量
16.6%-74.9%
DNA链组成的非 GCskew、ATskew、基因方向性偏好、
对称分布
密码子使用偏好
Circular representation of the genome of T. tengcongensis MB4
2010
8986
1487
296
70
截至2011年4月24日，NCBI上记录了1534个细菌基因组, 包括了103个古细菌和1431个真细菌, 其中中国科学家 完成了44个
研究现况及内容
细菌
研究内容
病原菌
毒力因子、致病岛、 耐药基因、耐药机制 以及与寄主的关系等
极端环境 极端环境下的生存机
生长的细 制，如嗜热菌的热稳
tRNAs rRNA operons
Protein with known or predicted fuction
Conserved hypothetical proteins Hypothetical proteins
2171616 41.62
932 2059
生物学中的基因组学与微生物学
生物学中的基因组学与微生物学生物学在科学中独特的地位，众所周知，生物学研究的是生命，是探索生命的奥秘，而基因组学和微生物学是当前生物学中备受关注的两个热门领域。
基因组学是研究所有DNA序列以及与其相关的基因功能的科学，微生物学是研究微生物（细菌、病毒、真菌等）的科学。
本文将深入探讨基因组学与微生物学的交叉点，探究他们的各具特色，还有他们之间存在的联系和进一步发展的前景。
一、基因组学基因组学是研究所有DNA序列以及与其相关的基因功能的科学。
人类基因组计划的实施让人们对基因组学的重要性有了更深刻的认识。
基因组学研究的重点是一种生物体的基因组结构和功能，其研究内容包括基因的发现、定位、基因编码DNA区域和非编码DNA区域的分析、整个基因组的特征、功能、变异和进化等。
基因组学主要分为两个领域：基因组序列分析和基因组功能分析。
基因组序列分析是研究DNA序列的科学，它可以揭示生物性状的遗传规律，生物进化的历史以及新物种的形成机制。
随着技术不断的进步，基因组学在医学、农业、环境保护等领域中的应用日益广泛，譬如基因诊断、基因治疗、农业生产的引种育种、植物基因保护以及空气和水等环境污染的监测和治理等。
基因组功能分析是指在理解和检验基因的功能方面所做的研究和试验，它是通过不同试验和技术对基因组内的各个基因进行研究，以进一步探究这些基因对其所在生物行为和特征的形成与维持的作用，如基因调控、表达和打印等，从而深化对疾病发生、治疗以及卫生保健等问题的了解和解决。
二、微生物学微生物学是研究微生物的科学，这些微生物包括细菌、真菌、病毒、原生生物等。
微生物在生态系统、环境保护、医学等领域中具有不可忽视的重要作用。
微生物越来越广泛的运用于生物技术和生命科学领域，例如，微生物创造了许多具有巨大价值的生物活性物质：例如抗生素、单克隆抗体等，对于发展农业、改善环境、生产食品以及医学疾病的治疗都具有重要的作用。
近年来，由于微生物学技术的飞速发展，人们对于微生物及其功能的研究也日益深入。
微生物基因组学 ppt课件
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六、研究基因组功能的意义 1． 加速致病基因的研究 2． 寻找灵敏而特异性的病原分子标记 病原微生物的特异性DNA序列可以作为分子标记用于疾病的诊断。 3． 促进新药的发现和疫苗的发展 （1）促进新药的发现 （2）疫苗的研究 4． 促进微生物分类的发展
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5. 提高对人类相关基因功能的认识
（1）一些人类的遗传性疾病，如结肠癌、肝豆状核变性、肾上腺脑白质 营养不良等，在细菌的基因组分析中，也存在类似的蛋白物。
（2）可以利用微生物做模拟，去检测高等生物的基因性状和功能。 （3）从基因水平去揭发人类疾病与病原微生物之间关系，如发病机理， 人类与病原微生物之间相互作用的基因机理等。
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三．微生物基因组的注释 （一）概念：在微生物基因测序的基础上，对其基本 结构和部件进行认定，以进一步研究其功能。
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（二）微生物基因组注释的内容 1.碱基组成分析，即G+C Mol%测定。 G+C含量是物种的一个重要特征，在微生物的分类上具有重要意义，是 重要参数之一。 2．开放阅读框的鉴定： 3．编码序列分析
消化 （4）分子杂交 （5）Southern十字杂交法
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五、微生物基因组功能分析 1、根据目的基因组的性状而推测可能的基因组功能。 如致病岛的G+C mol%与细菌本身的G+C mol%有很大差异。致病岛或耐 药岛等。 2、根据已知的数据库进行同源性搜索。 美国NIH的GenBank；欧洲的分子生物学实验数据库（FMBL）日本的 DNA数据库(DDBJ) 3、利用不同条件、不同作用因素的影响而鉴定未知基因的功能。 如用过氧化氢酶处理沙门氏菌而获得该菌的对H2O2氧化应激反应的基因。 4、采用基因敲除的方法来推测或确定基因的功能。
微生物的基因组学
微生物的基因组学：探究微小世界的奥秘微生物是我们周围无处不在的生物体，其中包括细菌、真菌、病毒等等。
它们既是人类的宝库，也是人类的健康威胁。
则是研究微生物基因组的科学，通过对微生物基因序列和表达的研究，揭示出微生物中各种基因的功能和相互关系，以及微生物与环境的互动关系。
本文将深入探究微生物基因组学这一领域的研究内容和应用，以期让读者更好地了解这一领域的研究进展和意义。
一、基因组学的基本概念基因组学是指对生命体系中基因组结构、组成、功能及相互关系等方面进行研究的学科。
它的出现起源于对基因的研究，随着生物信息技术的快速发展，基因组学成为了一个独立的学科，主要研究的是基因组结构、功能、演化和调节等方面。
基因组学既可以从宏观角度探究一个生物体所有基因的全貌，也可以从微观角度研究一个特定基因的结构和功能，因此在许多重要领域得到广泛应用。
二、微生物基因组学的研究内容微生物基因组学主要研究微生物的基因组结构、基因功能以及基因调控等方面。
下面我们将详细探讨这些内容。
1. 基因组结构研究微生物基因组的研究是从细胞的核酸分子开始的，通过分析细胞中的核酸分子，可以了解微生物的基因组结构和组成，从而探讨微生物的基因表达模式和调节机理。
微生物基因组的研究首先要进行测序，目前主要有两种测序方法：Sanger测序和高通量测序（HTP）。
Sanger测序是目前最传统的DNA序列测序技术，它能够测出长达1000bp的DNA序列。
而HTP测序由于技术的不断发展，能够测出14亿bp以上的DNA序列，因此应用越来越广泛。
2. 基因功能研究微生物基因功能的研究是通过基因表达分析、生物信息学分析等方法来了解基因的功能及相互关系。
随着生物信息学技术的不断发展，基因功能预测也变得越来越准确。
通过这些方法，可以对微生物中众多基因的功能进行深入研究，并对这些基因在微生物生长、代谢以及对环境应变等方面的作用做出解释。
3. 基因调节研究基因调节是指在不同的生物学条件下，通过某些因素对基因表达水平的调整，为基因表达提供信号。
微生物基因组学和细胞生物学
微生物基因组学和细胞生物学是两个紧密相关的领域。
微生物基因组学研究微生物的基因组结构和功能，而细胞生物学则研究细胞的结构和功能。
的研究成果对生物学和医学等多个领域具有重要意义。
微生物基因组学微生物基因组学是研究微生物的基因结构和功能的学科。
微生物是指生活在空气、水、土壤和其他生物体内的粒子物体或生物体。
微生物包括细菌、真菌、原生动物和病毒等一系列微小的生物体。
微生物是地球上最原始的生物，它们具有很高的生物多样性和广泛的生态分布。
微生物基因组学是通过分析微生物的DNA序列来了解它们的基因组结构和功能的学科。
DNA是指脱氧核糖核酸，是生物体内存储遗传信息的物质。
微生物基因组学的研究方法主要包括DNA测序、基因注释和代谢通路分析等。
DNA测序是利用现代生物技术对微生物DNA序列进行全面而深入的分析和研究。
基因注释是为DNA序列中的基因命名、定位和注释功能。
代谢通路分析是通过研究微生物内部代谢通路的途径和过程来了解其生化反应和产生的代谢产物。
微生物基因组学研究的内容非常广泛，主要包括微生物多样性、微生物遗传学、微生物基因组进化、微生物代谢反应和微生物应用等。
微生物多样性研究是研究微生物物种的类别、数量和分布概况。
微生物遗传学是研究微生物基因表达、遗传变异和遗传传递等。
微生物基因组进化是研究微生物基因组的起源、演化和多样性等。
微生物代谢反应是研究微生物代谢反应的途径、产物和影响因素等。
微生物应用是指利用微生物进行环境修复、食品加工和生物制药等领域。
细胞生物学细胞生物学是研究细胞的结构和功能的学科。
细胞是生物体的基本组成单位，是生物学的基础。
每个生物都是由一个或多个细胞构成的。
细胞包括原核细胞和真核细胞两类，其中原核细胞比较简单，只有一个细胞膜和一个细胞器（核），而真核细胞相对复杂，除细胞膜和细胞器外，还包括线粒体、内质网和高尔基体等。
细胞生物学是对细胞内部结构和功能的研究。
细胞内部结构包括细胞核、线粒体、内质网、高尔基体等。
微生物基因组学及其应用
微生物基因组学及其应用微生物是地球上最为广泛的生物群体之一，它们存在于各种环境中，包括地球表面、土壤、海洋、空气、食品和人类身体内。
微生物的存在对我们的生存和健康有重要的意义，因此微生物研究一直是生物学研究的重要领域之一。
随着科技的进步和生物学的发展，微生物基因组学逐渐成为微生物研究的重要方向，本文将介绍微生物基因组学的相关知识及其应用。
一、微生物基因组学简介微生物基因组学是指对微生物的基因组进行系统的研究，包括微生物基因组的测序、分析、注释、功能分析等方面。
微生物基因组学的研究主要依据分子生物学、生物信息学、计算机科学、统计学和生物化学等多个学科的知识。
通过对微生物基因组的研究，我们可以了解微生物的生命机制、代谢途径、营养来源、群体结构和进化过程等方面的信息。
此外，微生物基因组学还有助于解决微生物分类、鉴定和诊断等问题。
微生物基因组主要由DNA分子组成，DNA分子是由四个碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鳃嘧啶）组成的核苷酸序列。
微生物基因组大小不同，从几十KB到几百MB不等。
在微生物基因组中，存在编码蛋白质的基因、基因功能未知的开放阅读框（ORF）和控制基因表达的非编码区域等不同类型的区域。
此外，微生物基因组还包括重复序列和移动元件等不稳定的区域。
二、微生物基因组的测序技术微生物基因组的测序是微生物基因组学中的一项基础工作，是了解微生物基因组信息的前提和基础。
微生物基因组的测序技术主要包括Sanger测序、第二代高通量测序（NGS）和第三代单分子测序等不同类型的技术。
其中，Sanger测序是最早也是应用最广泛的测序技术，它可以精确地测序数百个到数千个碱基，但其测序速度相对较慢。
第二代高通量测序技术（NGS）是目前最常用的测序技术，它可以快速高效地对微生物基因组进行测序，且测序精度较高。
第三代单分子测序技术是一种新兴测序技术，该技术可以高速测序整个微生物基因组，且测序精度与NGS相当。
此外，低成本的oxford nanopore技术得以涌现。
第01讲微生物基因组学102页PPT
• Genomics is the study of the molecular organization of genomes, their information content, and the gene products they encode.
－－Prescott-Harley-Klein: Microbiology, Fifth Edition
关于基因组学的范畴
• 随着基因组和基因组学这两个术语变得流行起来，一系列 新的术语也被创造出来，每个新的研究领域都冠以“…… 组学”（-omic)的名称，而被研究的对象则被称为“ …… 组”(-ome)。例如蛋白质组和蛋白质组学。
• 一个蛋白质组（proteome)表示某个时刻在一个细胞或生 物体中全部的蛋白质组成。其它类似的词还有转录组、代 谢组、糖组和变异组。这些新兴的领域能否归到“基因组 学”之下，尚有较大的争议。
• 1987年，Victor Mckusick 和 Frank Ruddle 一起创 办了“genomics”杂志，这是第一次“genomics” 这个词在科学界得到广泛的应用。
• 基因组学领域包括DNA测序、在物种内进行基因组多 样性的采集以及基因转录调控的研究，即基因组学覆 盖了从DNA序列分析到研究生物体对环境干扰的响应 这样比较广的范围。
“基因是迄今为止最为复杂的程 序”
——Bill Gates
（二）DNA测序技术的诞生与发展
1975，Frederick Sanger双脱氧链终止法； 1977，Maxam和Gilbert 氧化法
（1976年，在英国的Gordon会议 上两个小组同时宣布， 但Maxam和Gilbert直到1980年才正式发表研究结果）
基因组基 学因 研组 究学 的研 究3大的 主3 题大 和主 题6个和 层6 面个 层 面
微生物基因组学的发展和应用
微生物基因组学的发展和应用微生物基因组学是当代生物学领域的重要分支之一，其研究对象是微生物这一广泛存在于自然界中的生物种群。
微生物基因组学在微生物的分类、演化、代谢、致病等方面都有着不可替代的作用。
本文将主要介绍微生物基因组学的发展历程、技术手段以及相关应用，并分析其在未来的发展趋势。
一、微生物基因组学的发展历程微生物基因组学的发展史可以追溯到20世纪70年代，当时的研究主要集中在一些简单的单细胞生物体比如细菌和酵母菌等的基因组序列的分析上。
但随着人类基因组计划的启动，微生物基因组学研究也得到了更广泛的关注。
1995年，哈尔滨工业大学及其合作者首次报道了人类、果蝇、酵母、细菌等生物的基因组样品测序技术，这标志着微生物基因组学研究进入了一个新的发展阶段。
进入21世纪后，微生物基因组学在技术和理论方面都取得了长足的进步。
2000年，人类基因组计划顺利完成，人类基因组测序技术也随之成熟。
随后，细菌、真菌、病毒等微生物基因组测序也进入了高通量时代，大规模测序技术的应用极大地加速了微生物基因组学的发展速度。
到2019年，全球已有数百种微生物的基因组被测序，并不断有新的微生物基因组完成。
二、微生物基因组学的技术手段微生物基因组学的研究手段主要包括测序技术、比较基因组学以及元基因组学等。
测序技术是微生物基因组学的核心技术之一，其主要包括传统测序技术、Sanger测序高通量二代测序和三代测序等不同阶段的技术。
其中，高通量二代测序技术是目前应用最为广泛、成本最低、效率最高的微生物基因组测序技术。
该技术适用于癌症、遗传病、病毒、细菌、真菌等各种微生物的基因组测序。
比较基因组学则是微生物基因组学的重要分支之一，其主要研究不同物种之间的遗传差异、共同进化等问题。
比较基因组学的主要技术手段包括多序列比对、系统发育分析以及进化时间和特征基因筛选等。
元基因组学则是微生物基因组学的新兴分支之一，主要研究微生物群落中各个成员的生态角色、代谢能力以及与宿主、环境等之间的相互作用。
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1977，Sanger及其同事改进了双脱氧法，在一块4泳道
超薄胶上1次可以读出几百个碱基序列； 1977，Sanger研究组完成了第一个全基因组－X174噬
菌体基因组（5386 bps）测序 ；
1982，该室又完成了噬菌体基因组（48502 bps）测序， 这是当时最大的测序工程 ; 而同时期，Maxam和Gilbert的化学法不如Sanger及其同 事的酶法简便，很快就被淘汰了。
1985年，加州理工学院（CIT）Hood和Smith用四种荧
光染料标记DNA的方法，从而建立了用自动激光仪读取测 序胶的结果。
The Sanger Method for DNA Sequencing
1986年6月，第一台自动DNA测序仪在CIT诞生 ； 1987年底，美国Applied Biosystems Inc.采用Hood的技
Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid.
WATSON JD, CRICK FH
Nature, 1953 May 30; 171(4361): 964-967
Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid.
1975，Frederick Sanger双脱氧链终止法； 1977，Maxam和Gilbert 氧化法 （1976年，在英国的Gordon会议 上两个小组同时宣布， 但Maxam和Gilbert直到1980年才正式发表研究结果）
1958
1990
1991
1999
Structure of Insulin
are compared to look for significant differences and similari ties. This helps identify important, conserved portions of the genome and discern patterns in function and regulation. The data also provide much information about microbial evolution, particularly with respect to phenomena such as horizontal gene transfer.
• 1987年，Victor Mckusick 和 Frank Ruddle 一起创 办了“genomics”杂志，这是第一次“genomics”这 个词在科学界得到广泛的应用。
• 基因组学领域包括DNA测序、在物种内进行基因组多 样性的采集以及基因转录调控的研究，即基因组学覆 盖了从DNA序列分析到研究生物体对环境干扰的响应 这样比较广的范围。 • 到1990年，E. coli、鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typ
• 基因组时代的奠基石： DNA双螺旋结构的提出 Sanger双脱氧末端终止法测序 和DNA自动测序仪的发明 PCR技术 生物信息学软硬件设施的发展 ……
（一）近代分子生物学理论与技术的发展
1940S－1970S 理论上的三大发现： （1）DNA是遗传物质； （2） DNA的双螺旋结构；
微生物基因组学
•主讲教师: 李林 博士/副教授 •Phone: 87286952 •Email: lilin@
教学内容
第一部分 微生物基因组学的发展历史和意义
1、基因组和基因组学的定义； 2、从DNA双螺旋到微生物基因组； 3、微生物基因组计划概况和重要意义；
4、几种重要微生物基因组的测序；
术开发了第一台市售的自动测序仪，每台仪器每天可以测
一万到两万个碱基粗序列（raw sequence） ； 近年来，自动毛细管电泳测序仪（Fully automated cap illary electrophoresis sequencer），如ABI Prism 3700 ， 每台仪器每天可以测出五十万个碱基粗序列 。
1010101010101001010101010011010101 0101010010101010100101001110000111 0000011100000110001010101010100101 0101010101010010101010100101001110 0001110000011100000110001001010101 0010101010101010100101010101001010 0111000011100000111000001100010101 0101010010101010101010100101010101 0010100111000011100000111010011100 0011100000111000001100010101010101 0010101010101010100101010101001010 0111000011100000111000001100010010 1010100101010101010101001010101010 0101001110000111000001110000011000 1010101010100101010101010101001010 1010100101001110000111000001110000 0110001010101010100101010101010101 0010101010100101001110000111000001 1100000110001010101010100101010101 0101010010101010100101001110000111 0000011100001100010101100001110000 0111000001100010101010101001010101 0101010100010101010101001010101010 1000101010101010010101010101010100 1010101010010100111000011100000111 0000110001010110000111000001110000 0110001010101010100101010101010101 1100101100101010101010101010101010
什么是“基因组学”？
• 基因组学(genomics)来源于“genome”这个词,是一门 对生命有机体全基因组序列进行分析、比较和注释的新 兴学科。 • 基因组（genome）序列为我们提供了有机体的最基本信 和“运行指令”，同时它还提供该有机体进化方面的线 索，序列就自然而然地成为研究诸多新物种的出发点。 • 基因组学是二十世纪医学和生物学飞跃发展中最激动人 心的成果之一，并将为二十一世纪的医学和生物学打下
himurium）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的遗传
图谱已相当详细，包括成百上千个定位基因，靠这些 图谱几乎可以诞生低精确度的比较基因组学了。 • 1990S中期，对上述细菌的基因组进行了全序列测定， 标志着基因组学时代的到来。
• Genomics is the study of the molecular organiza-
“The precise sequence of the bases is the code which carries the genetic information.”
“碱基的排列 顺序就是携带遗传信息 的密码”
“基因是迄今为止最为复杂的程 序”
——Bill Gates
（二）DNA测序技术的诞生与发展
组”(-ome)。例如蛋白质组和蛋白质组学。
• 一个蛋白质组（proteome)表示某个时刻在一个细胞或生
物体中全部的蛋白质组成。其它类似的词还有转录组、代
谢组、糖组和变异组。这些新兴的领域能归到“基因组 学”之下，尚有较大的争议。
Genomics is a broad discipline, which may be divided into at least three general areas.：
基因组学带来研究问题的新视角 目的是理解细胞各个部分如何协同工作？ 一个正在行使功能的基因组是如何 响应环境变化的？ 体内哪些蛋白质发生着相互作用？ • 新技术的出现伴随着全新的问题以及人类认识 这些问题带来了对生命现象的新认识！ 生命的新途径。
• 许多年来，分子生物学方法一直作为一个“还 原论”的工具，被用来剖析细胞、理解细胞中 各个部分的独立工作方式。 • 基因组学的研究领域则提出了“综合论”的研 究方法。 • 实际上，今天的分子生物学主要是由基因组测 序和功能分析推动的。
基因组学研究的 3 大主题和 6 个层面 基因组学研究的3大主题和6个层面
3大主题：
1、基因组学与生物学：阐明基因组的结构和功能； 2、 基因组学与健康： 把基于基因组的知识转化为人类健康的福祉； 3、 基因组学与社会： 促进基因组学的应用， 最大程度地发挥效益， 将危害降到最低
6个层面：
1、资源； 2、技术发展； 3、计算生物学； 4、培训； 5、伦理、法律和社会应用（ELSI）； 6、教育
（3）遗传信息的传递方式
技术上的三大发明： （1）限制性核酸内切酶； （2）载体技术（i.e., YAC）； （3）逆转录酶
James Watson and Francis Crick
Maurice Wilkins
Nature, 1953 Apr 25; 171(4356): 737-738
息，序列中的基因和调控位点就是该有机体的“零部件”
了坚实的基础。
基因组学的定义
• 基因组一词是1920年由Winkler引入学术界的，它由 基因（GENe）和染色体（chromosOME）两个词组 合而成，代表完整的单套染色体和基因； • 1986年，Jackson Laboratories的Tom Roderick提 议用它来命名旨在研究全基因组序列及与之相关高通 量（high-throughput）技术的新兴学科；