基因组和比较基因组学
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。
基因组测序和比较基因组学的研究方法
基因组测序和比较基因组学的研究方法随着科技的发展，人类已经能够对基因组进行测序，这个技术也被称为基因组学。
基因组学的出现开辟了一个新的研究方向，比较基因组学。
在本文中，我们将探讨基因组测序和比较基因组学的研究方法。
一、基因组测序基因组测序是指将人类的基因组测量出来的过程，有两种方法：整个基因组测序和部分基因组测序。
整个基因组测序是指对人类的所有基因进行测序，而部分基因组测序是指选取一些特定的基因进行测序。
1.整个基因组测序整个基因组测序是一项庞大的工程，需要大量的资源和技术。
在整个基因组测序中，研究人员会将DNA从一个人的细胞中提取，并将其切成小片段，这些小片段会被一台仪器分别读出来。
研究人员会将这些小片段拼接起来，以重建整个基因组。
2.部分基因组测序与整个基因组测序不同，部分基因组测序只对一些特定的基因进行测序。
这种方法主要是为了研究一些特定功能的基因而采取的。
这种方法比整个基因组测序更加简便和便宜。
二、比较基因组学比较基因组学是指利用计算机技术研究两个或多个物种的基因组之间的差异和相似之处。
在比较基因组学中，基因组会被分为两类：同源基因和异源基因。
1.同源基因同源基因是指两个或多个物种中，产生相似蛋白质的基因。
这些基因之间的比较可以揭示相似和不同之处，这对研究物种之间的演化关系很有帮助。
2.异源基因异源基因是指各自物种中的产生不同蛋白质的基因。
异源基因通常意味着这些物种具有不同的生命体验，比如环境和生境等。
这些基因的比较可以揭示这些物种之间的差异和相似之处。
三、结论基因组测序和比较基因组学的引入开创了一个新时代，使研究人员能够更好地了解生物的结构和功能。
这些新技术的出现为研究人员提供了一种更深入，更直观的方式来观察和了解物种之间的关系。
分子生物学 基因组与比较基因组学
枝原体 Mycoplasma genitalium 580,070 bp，预计有500个基因
（5）细胞器基因组 线粒体基因组
在不同类型的生物（多细胞动物、高等植物、原生动 物、藻类、真菌）中变化很大
多细胞动物：细小、致密 高等植物：复杂、不均一 原生动物、藻类、真菌：或偏向于动物型， 或偏向于植物型，但又有其各自的独特之处
生物的复杂程度与基因组大小的关系
生物种类 真细菌
革兰氏阴性菌 革兰氏阳性菌 蓝细菌 枝原体
古细菌
原生生物 眼虫（裸藻） 纤毛虫 变形虫
真菌
各类生物中基因组大小的变化范围
基因组大小范围（kb） 650 ~ 13,200 650 ~ 7,800 1,600 ~ 11,600 3,100 ~ 13,200 650 ~ 1,800
物理图
以已知DNA序列片段(序列标签位点, STS)为路 标, 以碱基对(bp)为基本测量单位的基因组图.
STS只是基因组中单拷贝的短DNA序列.
建立物理图,需要得到5套该基因组的DNA片 段.(建立相互重叠的相连DNA片段群)
比较准确
序列图
序列图是指整个人类基因组的核苷酸序 列图，也是最详尽的物理图。
结构基因组学研究的主要目标 人类基因组计划（the Human Genome Project）之前，只测定过 一些病毒（X174、、T4等）的基因组全序列
Phage X174: 5375 nt
基因组全序列的测定
1995 嗜血流感菌（Haemophilus influenzae） 1,830 kb
又称染色体外DNA（extrachromosomal DNA）
（2）大小
基因组大小（genome size）一般以单倍体基因 组的核酸量来衡量，单位有pg（10-12 g）、 Dalton（道尔顿）、bp 或 kb 、Mb等
基因组学和比较基因组学研究
基因组学和比较基因组学研究基因组学和比较基因组学是近年来科学研究的重点之一。
随着科技的发展，人们对基因和基因组的认识也在逐渐完善。
基因是我们生命的基础单位，而基因组是一个生物所有基因的集合。
基因组包含了生物的各种遗传信息，其结构和功能对生物的生长、发育、适应环境和相互作用等方面都有影响。
基因组学研究是关于整个基因组的分析、注释和解读。
包括对基因组间的相互作用、序列、结构和功能的研究。
可以发现遗传物质可能存在的突变和变异，并且可以对个体、种群和物种发生的模式进行研究。
由于基因组的巨大、复杂和多样性，研究需要综合各种学科和技术手段。
目前，基因组学的研究内容包括：基因组序列分析、基因组结构与功能、基因组跨物种比较、基因组变异和多样性等。
比较基因组学是一门交叉学科，它主要研究不同生物间的遗传信息相似和差异。
通过比较基因组，可以研究物种间的进化和生物多样性，也可以发现表观遗传变化，对整个生物进化和遗传变化有很大意义。
在基因组和比较基因组学研究领域，研究者们使用各种不同的技术相互协作，进而取得了一系列重要的成果。
比如，通过测序和分析基因组序列，人们获得了人类基因组图谱，这个项目花费了耗时13年和30亿美元。
其中发现了主要基因、单核苷酸多态性、复杂性状等各种高度重要的分子信息。
这一重要的里程碑标志着人类基因组学的开端，不仅揭示了人类生命的基本规律，而且在生物医学科学、个体化医疗、生殖和疾病治疗等方面做出了重要的贡献。
同时，比较基因组学的研究也为揭示生物进化的分子机制提供了重要证据。
例如，通过比较基因组序列，可以发现不同物种间的基因表达差异，这有助于我们了解生物在演化过程中的适应能力和发展方向。
此外，基因组和比较基因组学的研究也为生物多样性和物种间相互作用的研究提供了重要的支持。
例如，基因组学的研究可以帮助我们了解生物种类、物种归属、种群结构和基因维持机制等。
同时，比较基因组学的研究可以发现不同物种间的遗传变异和性状差异，为我们了解物种间的相互作用模式提供了重要的依据。
基因组学与比较基因组学的研究进展
基因组学与比较基因组学的研究进展基因组学是研究组成生命的遗传信息的科学，它的本质是研究基因组。
基因组由基因和非编码区组成，其中大部分基因编码RNA或蛋白质，而非编码区域则具有高度保守性。
随着基因组测序技术的发展，越来越多的生物基因组被测序，这使得基因组学的研究成为现代科学领域中最受瞩目和热门的研究领域之一。
比较基因组学是指将不同生物的基因组进行比较和分析，从而研究生物进化、物种间的关系以及功能等方面。
比较基因组学的主要目标是从多种生物的遗传信息中找出它们的本质差异和相似之处，了解与分析形态与功能之间的关系。
基因组学和比较基因组学的研究进展，主要有以下几个方面。
一、基因组测序技术的发展随着基因组学的兴起，基因组测序技术也得到了突破性的发展。
第一次全人类基因组测序工程（HGP）完成后，随着次世代测序技术的出现，花费和时间成本大大降低，基因组测序进入了一个新的高峰期。
目前，全球各地的研究人员在基因组测序和比较方面展开了大量的工作，大量基因组的信息得到了揭示，这一点在疾病诊断和治疗等方面具有广泛的应用前景。
二、物种进化研究基于基因组信息的比较，可以研究不同物种的演化路径，并探究生物演化的机理和规律。
在动植物界的进化过程中，基因组经历了大量的复制、突变和选择。
通过比较物种间的基因组差异，研究人员可获得物种进化的信息，进一步探究为何生物分别分支，或群化，或间或出现交叉。
三、功能和结构的探究在基因组水平上，研究人员可以对RNA和蛋白质进行预测和分析，具体来说，可以根据基因组信息，了解编码基因的结构和功能、基因的调节、非编码RNA的作用、蛋白质的特征和作用等方面。
通过比较多种不同物种的基因组，研究人员可以找出相同的部分，进而推断出非编码区域的功能等。
此外，研究人员还可以通过比较不同物种基因组的特征来预测一些新的基因，并推断它们的可能的生物学功能。
四、疾病基因的筛查基因组学研究在医学领域中的应用前景广阔。
通过对基因组信息的分析和比较，可以确定与某疾病相关的基因和变异位点，为疾病诊断和治疗提供理论依据和精确思路。
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。
基因组学与比较基因组学研究
基因组学与比较基因组学研究随着科技日新月异的发展，我们的知识世界也变得越来越广泛而深入。
其中，基因组学和比较基因组学是当前科学领域中备受瞩目的领域。
它们不仅仅是关注人类的生命起源和进化方面的研究，而且还涉及到解决人类不同种类的疾病及其他遗传问题。
本文将介绍和探讨基因组学和比较基因组学的研究，以及研究它们所需的技术和工具。
一、基因组学的研究1.1 基因组学的概念基因组学是对一个组织、一个生物或一个群体中所有基因，以及它们的组成和功能进行研究的学科。
换句话说，基因组学是一种研究基因组及其相互关系的综合科学。
它是生物学、生化学、细胞学及遗传学等领域多学科的交叉发展，旨在揭示生物体内基因的编码组成和相互作用机制。
1.2 基因组学的研究方法基因组学通常使用分子生物学、生物信息学和计算机科学等方法进行研究。
其中，分子生物学主要是通过分离、克隆和研究DNA以及表达dNA时参与到的基因。
生物信息学则是将大量的基因数据对比、分类和注释，以便更好地理解基因组的功能和作用。
计算机科学是利用计算机技术帮助对基因组数据进行处理和解析。
1.3 基因组学的应用基因组学的应用十分广泛。
它被广泛用于生物信息学、遗传学、生物工程学、疾病诊断和治疗等领域。
例如，在基因组学的研究中，可以判断人类遗传性疾病是由哪些基因突变所引起，进而研究开发一些治疗方案和药物等。
二、比较基因组学的研究2.1 比较基因组学的概念比较基因组学是对不同基因组在结构、序列和功能上进行对比和研究的学科。
在比较基因组学中，通过比较不同物种基因组之间的差异，更好地理解每个物种的遗传性特征，以及它们之间的进化关系。
2.2 比较基因组学的意义比较基因组学在生物学上具有重要意义。
它可以更好地理解基因组的演化，尤其是生命起源和进化过程的研究。
根据不同物种基因组内的共同点和差异，可以对其进行分类和固定物种的地位。
同时，还可以通过比较不同物种基因组序列之间的差异，寻找新药物或其他生物产品。
第四章 基因组与比较基因组学研究
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。DNA合成的起始位点和 DNA复制起点(遗传位点)所需的Cis靶区常位于同 一段长约100bp的DNA上。
④ 研究空间结构对基因调节的作用。从三维空间的 角度来研究真核基因的表达调控规律。 ⑤ 发现与DNA复制、重组等有关的序列。 ⑥ 研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病 的分子机制，包括遗传性疾病、易感性疾病甚至 感染性疾病引发的分子病理学改变及其进程，为 这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。
STS是基因组中任何单拷贝的短DNA序列，长 度在100-500bp之间。建立STS物理图之前，首先要 得到至少5套包含相关染色体或整个基因组的DAN片 段。
图（10-4）用STS标签技术制作基因组的物理图
4 转录图 分离纯化mRNA（或cDNA），就是抓住了基因 组的主要成分（可转录部分）。人类的基因转录图 （expression profiling）（cDNA图），或者基因 的cDNA片段图，即表达序列标签图（EST， expressed sequence tag）是人类基因组图的雏形。 人类基因组中，只有1%-5%的序列编码了蛋白质， 最多可能有（5-7）万个蛋白质编码基因。
人类基因组计划的科学意义 确定人类基因组所携带的全部遗传信息， 认识自我，揭开人来生长发育的奥秘，追求健 康，战胜疾病，是人类基因组计划的最终目标。 人类基因组计划的科学意义在于：
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Contents
• 人类基因组计划 • ＤＮＡ的鸟枪法序列分析技术 • 比较基因组学及功能基因组研究
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这些模式生物全基因组测定的完成有重大 理论与现实意义。
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（3）DNA 测序技术飞速提高 2019.5.9. J.C. Venter 等宣布，组建商业
公司，投入 3 亿美元，3 年内完成。 接着又有若干家公司成立，总共投入资金约
几十亿美元，形成“公”“私”并进格局。
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的基因占2%
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2000年6月公共领域测序计划工作框架图
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2000 年 12 月美、英等国科学家宣布绘出拟 南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译 出一种植物的基因序列。
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2019年2月16日 人类基因组“精细图”完成(99%)。
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同时发表论文 美国 Science, Vol. 291, No.
一、人类基因组计划的启动
1986年，诺贝尔奖获得者R.Dulbecco（杜尔贝 科）提出人类基因组计划——测出人类全套基因组 的 DNA 碱基序列（ 3 × 109 bp ）。
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1975年，获诺贝尔生理医学奖
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美国政府决定于 1990年正式启动HGP，预计 用 15 年时间，投入 30 亿美元，完成 HGP。
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第二代多态性标记是短的串联重复序列 包括小卫星DNA和微卫星DNA，其多态性主要来自重 复序列拷贝数的变化
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小卫星DNA—由15-65bp的基本单位串联重复而成， 长度一般不超过20kb。 重复次数（小卫星DNA区的长度）在人群中是高度变 异的；按照孟德尔的规律遗传
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遗传图谱 0.7 cM 或
kb
物理图谱
转录图谱
四、HGP的主要任务
序列图谱
四张图： 物理图、 转录图 遗传图 、序列图
100 kb S2T02S0/5m/3 ap
１、 遗传图（连锁图） 指基因或DNA标记ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ染色体上的相对位置与遗传距离。 cM（基因或DAN片段在染色体交换过程中分离的频率）
由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基 因组研究所”
逐渐地，HGP 扩展为多国协作计划，参与者包 括：英、日、法、德和中国（1993年）。
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二、人类基因组计划的进展状况
（1）截至 2019 年 10 月，完成 1.8 × 108bp， 占计划的 6％。 （2）完成一系列模式生物全基因组测定。
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（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的 忠实复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提供 了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制 、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常 发育，因此，了解与人类DNA正常复制和重组有 关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传 与进化提供重要的结构上的依据。
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SNP与RFLP和STR标记的主要不同之处在于，它 不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接 以序列变异作为标记。
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2、物理图 以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点， sequence-tagged site,STS）为“路标”，以碱 基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。
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4、序列图（分子水平的物理图） 序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也是 最详尽的物理图。1m 既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转录序 列、调节序列和功能未知序列的总和。
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2000年6月公共领域测序计划工作框架图
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Contents
• 人类基因组计划 • ＤＮＡ的鸟枪法序列分析技术 • 比较基因组学及功能基因组研究
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（8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知 识可被广泛用于基因诊断、个体识别、亲子鉴 定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和 人类学的研究。此外，这些遗传信息还有助于 研究人类历史进程、人类在地球上的分布与迁 移以及人类与其他物种之间的比较。
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• 以人类基因组和拟南芥基因组为例说明你对生 物基因组全序测定工作的科学意义与社会意义 的认识（8分） 中国科学院2019年 硕士学位研究生入学分子遗传学试题
第十章 基因组与比较基因组学
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20世纪人类科技发展史上的三大创举
90年代人类基因组计划 60年代人类首次登上月球 40年代第一颗原子弹爆炸
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Contents
• 人类基因组计划 • ＤＮＡ的鸟枪法序列分析技术 • 比较基因组学及功能基因组研究
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第一节 人类基因组计划
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Sequence)
完成 总长度 年份 /Mp 2019 12 2019 96 2000 116 2000 115 2000 34 2019 34 2019 2693
已完成总长 的百分数/% 93 99 64 92 75 70 84
占常染色质 百分数/Mb
100
基因数 /Mb
483
100
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第三代多态性标记是单核苷酸的多态性 （single nucleotide polymorphism，SNP） SNP：是由于单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态。 第一军医大学2019年分子生物学
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人类99．9％的基因密码是相同的， 而差异不到0．1％，不同人群仅有 140万个核苷酸差异。这些差异是由 “单一核苷酸多样性”（SNP）产 生的，它构成了不同个体的遗传基 础。在整个基因组序列中，人与人 之间的变异仅为万分之一，从而说 明人类不同“种属”之间并没有本 质上的区别。
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二、DNA的鸟枪法测序的主要步骤
• 第一，建立高度序。 • 第三，序列集合。 • 第四，填补缺口。
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Shotgun法序列拼接
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Sequence Gap
三、ＤＮＡ的鸟枪法测序的优缺点
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• 多态性：人的DNA序列上平均每几百个碱基会出现 一些变异（variation），并按照孟德尔遗传规律 由亲代传给子代，从而在不同个体间表现出不同， 因而被称为多态性（Polymorphism）。
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第一代多态性标记是RFLP（restriction fragment length polymorphism，限制性片段长度多态性）
（2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置， 从整个基因组结构的宏观水平上理解基因转录 与转录后调节。
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（3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列 以及非转录“框架序列”的大小和组织，了解各种 不同序列在形成染色体结构、DNA复制、基因转录 及表达调控中的影响与作用。
（4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的 表达调控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎 相距甚远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰 恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从三维空间 的角度来研究真核基因的表达调控规律。
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3、转录图 以EST（expressed sequence tag ，表达序列 标签）为标记，根据转录顺序的位置和距离绘 DNA的5'或3'端序列称为表达序列 标签（EST），一般长300-500bp左右。
方法用的最多，技术最成熟。
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（2）基因敲除技术（gene knockout) 又称基因打靶（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。这种人为地把实验动 物某一种有功能的基因完全缺失的技术称为基因 敲除技术。
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第二节 DNA的鸟枪法序列分析技术
一、DNA的鸟枪法测序原理
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2019 年 12 月用“逐个克隆 法”获得第一条 人类染色体 —22 号染色体完成序 列
2020/5/3
2000 年3 月 用“全基因组 鸟枪法”获得 果蝇全基因组 序列。
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2000年6月公共领域测序计划工作框架图
197
97
117
100
221
100
7
97
16
90
12
2019 2654 83
99-93
15
二、功能基因组学研究 1. 概念：利用结构基因组学提供的信息，以高
通量，大规模实验方法及统计与计算机分析为 特征，全面系统地分析全部基因的功能。
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2. 基因功能的研究方法 （1）基因转导技术：导入细胞，观察功能。该
第三节 比较基因组学及功能基因组学研究
一、比较基因组学(Comparative Genomics) 概念：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。
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基本完成DNA序列分析的真核生物基因组比较
物种
酵母 线虫 果蝇 拟南芥 人类第21染色体 人类第22染色体 人类全基因组 (Public Sequence) 人类全基因组 (Celera