比较基因组学7-1
基于序列分析的比较基因组学研究
基于序列分析的比较基因组学研究随着生物技术的不断发展，比较基因组学研究也变得越来越重要。
比较基因组学研究是对不同物种基因组（DNA序列）结构、功能和演化的比较分析，以揭示生物种类之间的关系和演化过程。
而比较基因组学研究的核心技术就是序列分析。
序列分析是指将分子生物学实验中所得数据进行计算分析、生物信息学和许多分子工具下的处理、挖掘和解释。
序列分析包括序列比对、基因识别、序列注释、序列组装等多个方面，其中序列比对是比较基因组学研究中最为关键的步骤之一。
序列比对是将两个或多个不同物种的DNA序列进行比对，分析两个物种之间的差异，并揭示其演化关系。
序列比对是一种计算机程序，主要分为全局比对、局部比对和多序列比对三种。
全局比对是将整个序列进行比较，可检测出相互比较的序列中的相同或不相同的区域，但这种算法需要较多的计算资源和时间，适合较大的数据集。
局部比对则是从同一区域开始进行比较，可以更好地处理基因重复和重组的情况，尤其适合处理高基因拷贝数的基因组。
而多序列比对则是将多个序列进行比对，可以揭示不同物种基因组的演化关系和功能迁移事件，是揭示生物演化和物种关系的重要方法之一。
在序列比对的基础上，比较基因组学研究可以发现不同物种之间的保守基因和变异基因，进而突破物种界限，在功能和演化上进行更深入的研究。
此外，序列比对还可以揭示基因家族、新基因、不同组织表达差异等重要信息。
除了序列比对，比较基因组学研究中还有许多其他的技术，如基因功能注释、基因结构分析、基因演化分析等。
这些技术有助于研究基因组进化、分子机制和物种适应性等基本生物学问题，并可应用于新药发现、疾病诊断等实际应用中。
总之，基于序列分析的比较基因组学研究是生命科学研究中的重要分支之一。
它通过比较不同物种之间的基因组，为揭示生物种类之间的关系和演化过程提供了重要手段和数据支持。
未来，随着分子技术的不断发展和生物信息学算法的不断优化，我们相信比较基因组学研究将会在生命科学研究中扮演更加重要的角色。
比较基因组学原理及应用
比较基因组学原理及应用基因组学是研究生物个体或种群基因组的科学，通过对基因组的研究可以揭示生物的遗传信息和基因的功能。
基因组学的发展深刻地改变了我们对生命的理解，推动了医学、农业和环境领域的创新。
本文将比较基因组学的原理和应用，并探讨其在不同领域中的具体应用。
一、原理比较：1.基因组测序技术：基因组测序技术是基因组学的基石，它们能够高效、准确地测量一个生物个体或种群的基因组序列。
传统的测序方法包括Sanger测序和芯片测序，而后来的下一代测序技术则提供了更快、更便宜的测序方法，如Illumina测序、Ion Torrent测序和PacBio测序等。
2.基因组比较：基因组比较是研究不同个体或种群基因组之间的相似性和差异性。
它可以通过对比两个或多个基因组序列的方法，来发现在基因组层面上的差异。
比较可以从全基因组水平上进行，也可以通过比较特定基因家族或反复子来进行。
3.基因组注释：基因组注释是为了对基因组序列进行功能分析和解读。
它包括预测基因位置、鉴定基因功能以及预测非编码RNA序列等。
基因组注释可以通过比对到已知的基因、蛋白质和其他生物序列数据库来进行。
二、应用比较：1.人类基因组学：人类基因组学是基因组学中的一个重要领域，它研究人类基因组的功能和遗传变异与疾病之间的关系。
通过基因组测序和比较，我们可以发现人类基因组中的变异位点和致病基因，进而做出相关的临床诊断和治疗。
2.植物基因组学：植物基因组学主要研究植物基因组的结构和功能。
通过比较不同植物基因组之间的差异性，可以探索植物的进化历程、鉴定重要的功能基因以及改良作物品质和抗病能力。
3.动物基因组学：动物基因组学主要研究动物基因组的结构和功能。
通过比较不同动物基因组之间的差异性，可以推断不同动物物种的进化关系、鉴定重要的功能基因以及推动动物的遗传改良和保育工作。
4.微生物基因组学：微生物基因组学研究微生物种群的基因组结构和功能。
通过比较微生物基因组可以揭示微生物物种的分类与进化关系，研究微生物的代谢能力和环境适应性，以及开发新的微生物生物技术应用。
第10章 基因组-比较基因组学课件
基本完成DNA序列分析的真核生物基因组比较
物种 酵母
完成 年份
1996
线虫
1998
果蝇
2000
拟南芥
2000
人类第21染色体 2000
人类第22染色体 1999
人类全基因组
2001
(Public Sequence)
人类全基因组
2001
(Celera Sequence)
总长度 /Mp 12 96 116 115 34 34 2693
第二节 人工染色体构建
细菌人工染色体的构建
•riS和repE控制F质粒的复制 •parA和parB控制质粒拷贝数
第二节 人工染色体构建
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 10-100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。
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
➢ 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。
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
第二节 人工染色体构建
第四节 比较基因组学
1.通过基因组数据进行全局性分析
➢数据存放。 ➢碱基百分含量分析。无论是GC富含区还是AT富含区， 都可能是一些特殊功能的区域。 ➢ORF分析。首先要用多个不同的软件来要找到并估 测基因组中的每一个ORF。
开放阅读框（ORF，Open reading frame ）是基因序 列的一部分，包含一段可以编码蛋白的碱基序列，一个起始 和终止密码子之间的序列。
比较基因组学原理及应用
功能。 3、在现有的数据库中找不到任何相匹配的蛋
白质序列的新基因。
部分真核、原核生物基因组成成份分析
通过基因组数据进行比较基因组学研究
• 例子： • 尿殖道支原体带有已知最小的基因组，可
依此确定能自我复制的细胞必需的一套最 少的核心基因。
该学科的发展及所取得的成果与序列的积累相 同步，尤其是人类全基因组序列的分析与比较使 比较基因组学成为整个生物学领域最新、最重要、 进展最快和影响最大的学科之一。
1. 已完成的测序
比较基因组学从一开始就是人类基因组计划 的一部分。
人类基因组计划的原始计划是测定人类和一 部分模式生物（如细菌，酵母，果蝇，秀丽隐杆 线虫，小鼠等）的全基因组序列。
• 1 全基因组的比较研究 • 2 系统发生的进化关系分析
1.全基因组的比较研究
• 比较基因组学的基础是相关生物基因组的 相似性。两种具有较近共同祖先的生物， 它们之间具有种属差别的基因组是由祖先 基因组进化而来，两种生物在进化的阶段 上越接近，它们的基因组相关性就越高。 如果生物之间存在很近的亲缘关系，那么 它们的基因组就会表现出同线性(synteny)， 即基因序列的部分或全部保守。
比较基因组学 相关概念
韩柳
基因组学概念及范畴
基因组(genome) 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部
遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色 体（单倍体）DNA。
基因组学(genomics) 就是发展和应用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。
基因组学概念
Homo sapiens Pan troglodytes Mus musculus Rattus norvegicus Drosophila melanogaster Escherichia coli Saccharomyces cerevisiae Ciona intestinalis
比较基因组学
比较基因组学比较基因组学摘要：比较基因组学是在基因组图谱和测序的基础上, 利用某个基因组研究获得的信息推测其他原核生物、真核生物类群中的基因数目、位置、功能、表达机制和物种进化的学科。
该学科在后基因组时代是一门重要的工具学科。
通过不同物种间的基因组序列比较, 可以发现生物体中蕴涵的大量生物学信息,其发展及所取得的成果与序列的积累相同步, 尤其是人类全基因组序列的分析与比较使比较基因组学成为整个生物学领域最新、最重要、进展最快和影响最大的学科之一。
关键词：比较基因组学；同源性；单核苷酸多态性；拷贝数多态性世界范围内的多物种基因组计划和各类测序工作已经形成了海量的序列数据资源，它们正在使基因组研究发生革命性变化，信息和新技术的迅速发展也表明：分子遗传革新将是今后几十年的发展方向。
尤其是从整体上而不是仅仅从某个或少数几个基因入手来研究生物体基因组的机能，己经在短短几年迅速发展壮大起来，比较基因组学已成为解读海量基因组序列数据及其相关生物学含义的强有力工具。
通过物种之间的一比较能够了解基因组的进化，从而加速对人类基因结构和功能的了解。
为阐明基因表达机制提供重要线索。
达到从根本上了解认识生命的起源，物种及个体差异的原因，疾病产生的机制以及长寿、衰老等困扰着人类的最基本的生命现象，最终解析生命奥秘。
比较基因组学是通过对不同物种的基因组数据进行比较分析，揭示彼此的相似性和差异性，以了解不同物种进化上的差异，综合这些信息能进一步帮助我们了解物种形成的机制、基因或基因组上非编码区的功能。
1、种间比较基因组学比较基因组学的基础是相关生物的相似性，序列间有显著的相似性即意味着序列之间有同源关系。
同源是指被比较的物种是由共同的祖先经过自然选择进化而来。
同源又可分为两种：直系同源和旁系同源直系同源的序列因物种形成而被区分开，若一个基因原先存在于某个物种，而该物种分化为了两个物种，那么新物种中的基因是直系同源的;旁系同源的序列因基因繁殖而被区分开，若生物体中的某个基因被复制了，那么两个副本序列就是旁系同源的。
第十章基因组与比较基因组学
22
➢第三代DNA遗传标记，可能也是最好的遗传标记，是 分散于基因组中的单个碱基的差异。这种差异包括单 个碱基的缺失和插入，但更常见的是单个核苷酸的替 换，即单核苷酸的多态性（SNP，single nucleotide polymorphism）。
酵母遗传分析中最常用的生物化需加入腺苷酸
CAN1 对刀豆氨酸有抗性
CUP1 对铜离子有抗性
CYH1 对环己酰亚胺有抗性
LEU2 培养基中需加入亮氨酸
SUC2 能进行蔗糖发酵
筛选方法 只能在加入腺苷酸的培养基上生长 能在含有刀豆氨酸的培养基上生长 能在含有铜离子的培养基上生长 能在含有环己酰亚胺的培养基上生长 只能在加入亮氨酸的培养基上生长 能在以蔗糖作为唯一碳源的培养基上生长
4
1990年10月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组
计划启动。
1998年 一批科学家在美国罗克威尔（Rockville）组建塞莱拉遗传公
司，与国际人类基因组计划展开竞争。
1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成，这是
科学家第一次绘出多细胞动物的基因组图谱。
1999年9月 中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全
当在某一家庭中，观察到了指甲髌骨综合征与A型 血相伴遗传时，科学家就认为，这种病的致病基因NP与 IA基因相连锁，也位于9q34区段。进一步的观察发现， 这个家庭的后代中，有1/10为A型血而无指甲髌骨综合 征，这表明基因IA和NP发生了交换，交换率（重组率） 为1/10。这时就可说，基因IA和NP相距较近，连锁图上 的距离为10厘摩（重组率1％即为1厘摩）。
基因组学中的基因比较分析
基因组学中的基因比较分析在基因组学研究中，基因比较分析是一项非常重要的工作。
通过比较不同生物的基因组来发现它们之间的差异，这有助于我们深入了解基因演化和生物进化的过程。
比较分析也是开展基因功能和表达研究的基础。
本文将着重介绍基因比较分析的相关概念、方法以及应用。
一、基因比较分析的基本概念基因比较分析的核心是比较两个或更多基因组之间的异同。
相当于检查生物体之间的遗传信息，寻找结构、序列以及基因区间的差异。
这种比较分析可以帮助研究人员发现新的基因家族，预测新的基因功能，并对生物演化做出更加深入的理解。
1、同源基因同源基因是指由共同祖先的基因演化而来、但可能已经出现不同的序列和功能的基因，即可能来自于不同种类的生物，但功能与同一个原始基因相同或相似。
比如，不同生物中的胰岛素基因就具有相同的祖先基因。
在基因比较分析中，大多数研究都集中在同源基因上，即找到多个物种中同一基因的同源序列并进行比较。
2、基因家族基因家族是指有相似结构和功能的基因，这些基因通常来自于同一个原始的家庭基因。
在不同物种的基因组中，基因家族的大小、种类和组织形式都可能有所不同。
比如拼图游戏中的拼图，一组相似的拼图可能组合出一幅完整的画面，而基因家族也是如此。
通过比较不同物种中基因家族的差异，可以进一步研究基因的进化过程。
3、基因组差异不同形态生物之间虽然基因的种类和数量不尽相同，但基因的总体规模和排布都有相似之处。
研究人员通过比较同一物种中不同个体之间的基因组、或比较不同物种之间的基因组，不同基因的特征会显露出来，包括基因长度、编码区间，基因组结构的异同等等。
这种比较和分析有助于进一步了解生物的遗传演化机制。
二、基因比较分析的主要方法基因比较分析是一项复杂而繁琐的工作，需要运用各种计算机工具和算法来完成。
目前，主要的方法包括以下几种：1、序列比对方法序列比对是一种常见的基因比较分析方法，用于比较两个或多个序列之间的异同。
这种方法需要依赖于一些比对算法，并进行序列对齐、确定区间匹配度、确定插入、删除和替换的位置。
第十一讲 基因组与比较基因组学
10. 1. 1 人类基因组计划的科学意义 到目前为止，已经完成了酵母、线 虫、果蝇、拟南芥、人类、小鼠和 水稻等7个真核生物基因组以及大肠 杆菌等上百个原核生物基因组。
图10-1主要基因组计划到2001年2月为止的进展情况总结
人类基因组计划的科学意义在于： （1）确定人类基因组中约3-4万个编 码基因的序列及其在基因组中的物理 位置，研究基因的产物及其功能。 （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。
产生配子的减数分裂过程中，亲 代同“号”的父源或母源染色体既能 相互配对也可能发生片段互换，而 父母源染色体等位基因互换导致子 代出现DNA“重组”的频率与这两个 位点之间的距离呈正相关，所以， 用两个位点之间的交换或重组频率 来表示其“遗传学距离”。
图10-2 遗传距离图的基本数据来自基因的重组。 注：上述4个基因都位于果蝇的X染色体上。
STRP的优点是 “多态性”与“高频 率”。由于(A)n，(CA)n，(CGG)n等 短重复序列在进化上不受选择，在 同一位点上可重复单位数量变化很 大，配对时又容易产生“错配”，使 这样的位点遍布于整个基因组。
表10-2 人类基因组中的各种主要卫星DNA比较
卫星DNA分 类 特 征
卫星DNA： 串联重复的基本单位首尾相接，在基因组中呈不均匀 分布，但主要集中于着丝粒、端粒等特定部位，高度 或中等重复，分属三个大家族。 α卫星DNA 中等重复，基本单位长171bp。 小卫星DNA 微卫星DNA 中等重复，基本单位长15~65bp。 中等重复，基本单位长2~8bp
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1、比较基因组学定义及其研究意义：
定义:比较基因组学是在基因组学水平上研究不同
物种和品系之间在基因组结构与功能方面的亲源
关系及其内在联系的一门新兴学科。
研究意义 (1) 指导在遗传与基因组信息较为缺乏的物种中 进行基因的克隆和功能研究。 (2) 通过研究生物进化过程中，基因组所发生的 倍增、缺失、重组，对于生物进化研究，具 有重大意义。
Murphy et al. Genome Research 1999 1 9 9 9
共线性与同线性
共线性（Colinearity）
在不同的基因组中基因
和基因的排列顺序的一
致性称为共线性，它反 应了一种同源关系。 同线性（synteny） 连锁的同源基因在不同 物种基因组中有相同连 锁关系。
遗 传 图 与 物 理 图 的 共 线 性
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• Drosophila melanogaster (fruit fly) — model insect
• Danio rerio (zebrafish) — a good model for vertebrate developmental biology • Mus musculus (mouse) — model mammal, important for the study of human genome • Arabidopsis thaliana (thale cress ) — model dicot plant • Oryza sativa (rice) — model cereal and monocot plant
Gene comparison provides a possible way to predict gene association and protein interaction
• Gene association: Genes involved in the same metabolic pathway tend to appear together in a genome. Hence, by examining whether two genes are correlated in many genomes,
Sequence-based comparison
• Comparison of overall statistics of nucleotide sequence • Comparison of coding sequence (genes) • Comparison of segmental sequence or whole
物种间物理图距的保守性
禾本科类受体激酶LrK基因簇中的基因间距在大麦 (A)、水稻(B)和玉米(C)中几乎完全相同，约为4—5 kb， 并保持很好的共线性。
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Genome alignment
Long sequence alignment is problematic due to rearrangement. Presently, almost all of the alignment algorithms first identify large conserved sequence elements between the two genome sequences, and then generate the overall alignment. In general, similar genomes may result in better alignment.
– genome size
– overall (G+C) content
– regntent – genome signature
• codon usage biases • amino acid usage biases • the ratio of observed dinucleotide frequency and the expected frequency given random nucleotide distribution
比较基因组学 Comparative Genomics
Xiaofang Xie E-mail:xxf317@
Some well-known model organisms
• Escherichia coli — model prokaryote • Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast) — model unicellular eukaryote • Caenorhabditis elegans (nematode) — an excellent model for multicellular developmental biology
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宏观共线性和微观共线性
• 宏观共线性（macrosynteny） ：
• 指遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致性。
• 微观共线性(microsynteny) ：
• 是指物理图上基因顺序的一致排列。
Approaches for genome comparison
figure, two chromosome maps
(I and 1) are shown, which are completely colinear.
Comparative maps of the wheat genome described in terms of the rice genome (A) and the Ae. umbellulata genome (B)
What the genomes of model organisms tell us
Almost every human gene has a counterpart in the mouse and some blocks of DNA are proving impossible to tell apart
Ortholog vs. Paralog
• Ortholog（直向同源物）: homologous genes
or DNA sequences in different genomes
(species)
• Paralog（横向同源物）: homologous genes
or DNA sequences in the same genome
(species)
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paralogs
orthologs
Colinearity vs. Synteny
• Colinearity: conservation of
gene content and order in
different genomes, which is a reflection of homology • Synteny: conserved linkage among genes in different genomes regardless of order • macrosynteny vs. microsynteny
Similarity vs. Homology (相似性与同源性)
• Similarity: a phenomenon that different genes or genome segments show similar sequences.
• Homology: a phenomenon that different
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Comparison of genes
• Gene number • Gene homology • Gene category • Gene structure • Gene functional relationship and interaction
it could be deduced that the proteins coded by genes A and B might interact either functionally Sequence-based comparison
or physically.
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then compare the order of orthologs in those
species. • The comparison will show the macro-colinearity among the species being tested.
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Comparative genetic
maps of five
grass species: rice, foxtail millet, sorghum,
maize and
barley
Five grass genomes, one consensus map.
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genes or genome segments have the same ancestor.
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相似性与同源性
相似性(similarity)： 是指一种很直接的数量关系，比如部分相 同或相似的百分比或其它一些合适的度量。 同源性(homology)： 指从一些数据中推断出的两个基因或蛋白 质序列具有共同祖先的结论，属于质的判断。
genome (genome alignment)
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Comparison of overall nucleotide statistics