比较基因组学与分子进化3
基因组学中的比较基因组学方法
基因组学中的比较基因组学方法基因组学是研究生物体的基因组结构、功能、组成及其相互作用的一门科学，其研究对象广泛，涉及到生命科学、医学、生态学等多个领域。
而比较基因组学则是基因组学中的一个分支，它通过比较各物种的基因组序列，揭示各种生物之间的基因演化及其遗传规律，并且研究各种基因的功能、表达、调控等问题。
在这篇文章中，我们将探讨基因组学中的比较基因组学方法。
一、基因组序列比较基因组序列比较是比较基因组学的基础，其主要作用是把不同物种的基因组序列进行比较，找出相同的序列，并且对相同的序列进行分析，从而揭示物种种类关系，共同祖先及其遗传变化等问题。
此外，基因组序列比较还可以为基因组结构和功能阐明提供重要的信息。
基因组序列比较具有以下几个特点：首先，基因组序列比较的算法不断更新，现代的比对算法比以前的更高效和准确，如MAFFT，MUSCLE等。
同时，基于多序列比对的算法也越来越成熟，如PhyML，RAxML等。
其次，基因组序列比较也需要考虑不同物种之间的基因数目和基因的排列顺序的变化，比如基因重复、基因家族和基因结构的演变等问题。
这些问题可以通过整个基因组序列的比较和基因组控制区的分析得到解决。
最后，基因组序列比较还需要考虑序列保守性和易变性的问题，这也是基因组序列比较的难点之一。
在快速进化的物种中，内含子和基因区之间的序列变异率可能非常大，这也需要采用相应的算法和策略来解决。
二、基于基因家族的比较基因组学方法基因家族是指在不同物种中存在多个拥有同样结构或功能的基因，如酪蛋白基因家族和S100基因家族等。
在基因组中，基因家族在不同物种中的数量和序列有所不同，这反映了基因家族的演化过程，因此可以通过研究基因家族的变化来推测基因的演化和基因家族的起源。
基因家族比较的方法有：1. 基因簇的比较：基因簇是指在染色体上连续排列的基因序列，通常由一系列同源基因组成。
基因簇的比较可以揭示同源基因的演化，还可以发现基因家族的新增和丢失等信息。
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
比较基因组学与分子进化复习题
比较基因组学与分子进化复习题1．比较基因组学及分子进化的产生背景及其应用，请举例说明如何理解其意义？产生背景:随着1990年人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)的实施并取得巨大成就，同时模式生物(model organisms)基因组计划也在进行，并先后完成了几个物种的序列分析，研究重心从开始揭示生命的所有遗传信息转移到从分子整体水平对功能的研究上。
在HGP进行中完成一系列模式生物全基因组测定，如大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、小鼠。
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。
至此基因组的研究进入了后基因组时代（post genome era）。
它的研究内容可以概括为：比较基因组学、功能基因组学、蛋白质组学、转录物组学、代谢物组学等，是在全基因组水平上研究基因功能和基因之间互相作用及其调控机制的学科。
随着公共资源数据体系的大规模建立，面对海量数据，如何从这些数据中获得自己想要的知识，搜集、管理、处理、分析、释读能力的要求迅速提升，比较基因组学和分子进化已经成为生命科学研究的核心和不可分割的学科。
应用：比较基因组学能根据对一种生物相关基因的认识来理解、诠释甚至克隆分离另一种生物的基因。
远缘基因组间的比较为认识生物学机制的普遍性，寻找研究复杂生理和病理过程所需的实验模型提供了理论依据，而近缘基因组间的比较则为认识基因结构与功能等细节提供了参数。
比较基因组学与分子进化拓展了模式生物从测序的意义，不仅可以模式生物基因组研究模式生物本身，更重要的是利用模式生物研究进化上相近的其他物种；推动了物种起源和生物进化研究的发展；同时带来了研究方法的思路的突破，促进了反向遗传学等学科的发展。
举例：两种血吸虫完整基因组序列被确定两个国际联合课题组报告了曼氏血吸虫和日本血吸虫的完整基因组序列。
它们是引起血吸虫病（也称“裂体血吸虫病”）的三种主要病原体中的两种。
血吸虫病是一种“被忽视的”热带疾病，影响76个国家的超过2亿人。
分子生物学3作业
1)等位排斥：淋巴细胞中产生免疫球蛋白的基因位于两条同源染色体上，而免疫球蛋白基因的表达只发生在其中一条上，这种因为一条染色体上的基因表达而抑制另一条染色体上相同基因表达的现象称为等位基因排斥（allelic exclusion）。
2) 同型排斥（isotypic exclusion）：B淋巴细胞的轻链表达时，只生成一种链（κ链或是λ链），不可能同时表达κ链和λ链。
等位排斥和同型排斥保证了B淋巴细胞无性系只表达一种特异性抗体。
3) 母源影响基因（maternal effect genes）：从母源细胞输入到卵母细胞中的基因，卵母细胞自身的细胞核不具转录活性，而由母源抚育细胞、滤泡细胞和脂肪体细胞利用自身的基因和细胞资源提供遗传信息和营养物质，然后输入到卵母细胞中。
4)基因组（genome）：是指生物体全套遗传信息，包括所有基因和基因间的区域。
5)基因组计划（genome project）：以获得某物种基因组全序列为主要目标的科学计划。
6)人类基因组计划（The Human Genome Project，HGP）是二十世纪九十年代处开始启动的多国科学合作计划，对由少数人进行全基因组（即24条非同源染色体，共30亿碱基）的测序和拼接，绘制出人类基因的谱图。
7)遗传图（连锁图）：通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定它们的相对距离，一般用厘摩（cM，即每次减数分裂的重组频率为1%）表示。
8)物理图（physical map）：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。
物理图的主要内容是建立相互重叠连接的"相连DNA片段群"（contigs）。
9）序列图（Human Genome Sequence）：分子水平上最高层次、最详尽的物理图。
测定总长约1米、由30亿个核苷酸组成的全序列是人类基因组计划的最终目标。
比较基因组学
生物其中一个特征是进化，比较基因组学同样以进化理论作为理论基石，同时其研究结果又前所未有地丰富 和发展了进化理论。当在两种以上的基因组间进行序列比较时，实质上就得到了序列在系统发生树中的进化关系。 基因组信息的增多使得在基因组水平上研究分子进化、基因功能成为可能。通过对多种生物基因组数据及其垂直 进化、水平演化过程进行研究，就可以对与生命至关重要的基因的结构及其调控作用有所了解。
方法及思路
模式生物基因组研究揭示了人类疾病基因的功能，利用基因顺序上的同源性克隆人类疾病基因，利用模式生 物实验系统上的优越性，在人类基因组研究中的应用比较作图分析复杂性状，加深对基因组结构的认识。
“一个物种的不同器官之间的差异要比与另一物种的同一器官之间的差异大的多。” 相似性 (similarity) 同源性 (homology) 直系同源 (orthology) 旁系同源 (paralogy) 直系同源与旁系同源 直系同源的序列因物种形成（speciation）而被区分开（separated）：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复制（gene duplication）而被区分开（separated）：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。
种内比较
同种群体内基因组存在大量的变异和多态性,正是这种基因组序列的差异构成了不同个体与群体对疾病的易感 性和对药物与环境因子不同反应的遗传学基础。
单核苷酸多态性
单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism，SNP)是指在基因组水平上由于单个核苷酸位置上存 在转换或颠换等变异所引起的DNA序列多态性。根据SNP在基因中的位置，可分为基因编码区SNP(coding-region SNP，cSNP)、基因周边SNP(perigenic SNP，pSNP)以及基因间SNP(intergenic SNP，iSNP)等3类。2005年2月 17日公布的第一份人类基因多态性图谱是依据基因“连锁不平衡原理”，利用基因芯片在71个欧洲裔美国人(白 色人种)、非洲裔美国人(黑色人种)和汉族华裔美国人(黄色人种)中鉴别出了158万个单一核苷酸变异的DNA位点, 这个图谱将有助于预测某些疾病发生的可能性以及施以最佳治疗方案，在实现基于基因的个体化医疗目标的征途 上走出了重要的一步。
全基因组比较解析及其在进化研究中的应用
全基因组比较解析及其在进化研究中的应用随着生物学技术的快速发展，全基因组比较解析成为了研究生物进化的重要方法之一。
相较于传统的基因分析技术，全基因组比较解析可以获得更全面、更系统的信息，从而更准确地揭示生物的演化历程。
全基因组比较解析的概念全基因组比较解析，是指将两个或多个生物的基因组DNA序列进行比较，找出共同特征以及基因组之间的差异，以揭示生物间的演化历史。
在全基因组比较分析中，研究对象包括不同物种之间的基因组，也可以是同一物种不同基因组间的比较。
全基因组比较解析的技术全基因组比较解析的主流技术是比较基因组学（Comparative Genomics）。
这一技术主要利用计算机算法将不同个体或物种的DNA序列进行比对、注释以及功能鉴定，以揭示其演化关系和遗传多样性。
比较基因组学的具体步骤通常包括：基因组DNA序列读取和预处理、基因本体机、基因注释和功能鉴定等环节。
全基因组比较解析的应用全基因组比较解析已经成为了研究进化、发现基因型与表型之间关系、筛选候选基因以及快速鉴定病原体等领域中的重要技术手段之一。
1. 进化研究全基因组比较解析可以揭示生物族群间的演化历史，进而研究其生命活动与环境演化过程之间的关系。
比如，利用全基因组比较解析技术可以发现不同物种或亚种间的基因差异以及功能鉴定，进而分析该物种在不同环境下的适应性和进化过程。
2. 基因型与表型研究全基因组比较解析可以发现个体或群体内不同基因型的遗传差异，进而揭示不同基因型与表型（如性状、疾病等）之间的关系。
通过全基因组比较鉴定基因和组合对表型的影响，可以为个性化医学等研究提供重要参考。
3. 筛选候选基因全基因组比较解析是筛选基因组学里寻找候选基因的重要方法。
比如，利用全基因组比较解析，可以快速鉴定与某一疾病相关的基因位点，进而筛选潜在的治疗靶点和药物开发人员。
4. 病原体快速鉴定全基因组比较解析可以鉴定分离自临床样本的病原体的类型，进而提供更快速、更准确的临床诊断。
进化基因组学
进化基因组学
进化基因组学是一门研究基因组演化及其影响的学科。
其研究对象是各种生物的基因组，特别是不同物种之间基因组的演化历史和趋势。
通过对生物进化历史和基因组的比较分析，进化基因组学可以揭示生物进化的规律，推测生物的起源和演化过程，以及探索基因组变异与表现型变异之间的联系。
进化基因组学的研究方法主要包括比较基因组学、分子进化学和生物信息学等。
其中，比较基因组学是一种通过比较不同物种的基因组序列来揭示进化历史和基因功能的方法。
分子进化学是一种通过对分子序列分析来推测分子进化历史和系统发育关系的方法。
生物信息学则是一种利用计算机技术来处理和分析基因组数据的方法。
进化基因组学的发展对于了解生命的起源和演化过程，解决生物分类学争议，发掘新的生物资源等具有重要意义。
同时，进化基因组学也为人类的生物医学研究提供了新的思路和方法。
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比较基因组学与分子进化(1)
2021/3/7
20
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Genetic interference following ingestion of dsRNA-expressing bacteria by C.elegans
正确剪接位点
12
成熟 ( mRNA )结构
起始密码： ATG
N 5‘
外显子 64密码子
终止密码： TAA TAG TGA
C
3‘
蛋白质(20氨基酸)
2021/3/7
13
Promoter::GFP reporters reveal worm Cadherin gene expression
Worm cadherins: cdh-1, hmr-1a, hmr-1b, cdh-3, cdh-4, cdh-5, fmi-1, cdh-7, cdh-8, cdh-9, cdh-10, casy-1, cdh-12
1. Utilization of desirable regulatory sequence to drive the expression of your gene product
5’ control region protein coding region 3’ control region
2. Gene Silencing or Antisense approach to control the level of mRNA of a given gene
AT
genomic DNA PCR
G
GFP vector
3-5kb
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3 common ways to control where, when, and how much an active gene product in a cell
1. Utilization of desirable regulatory sequence to drive the expression of your gene product 5’ control region protein coding region 3’ control region
Golden rice - Three β-carotenoid (provitamin A) biosynthetic enzymes (two from plants and one
from bacteria) were engineered for simultaneous expression in rice endosperm. The resulting first generation transgenic rice produced yellow endosperm containing β-carotene at levels that would provide 10% of the recommended daily allowance with an average daily rice intake.
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2006 "for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA"
The transgenic kernels contained169-fold the normal amount of -carotene, 6-fold the normal amount of ascorbate, and double the normal amount of folate. (Naqvi et al., 12/5/2009, PNAS)
Why Reverse genetics: From gene to phenotype/function 1. Many unknown genes are sequenced due to the advancement of sequence technology 2. Can control where, when, and how much an active gene product to be made 3. Easy to design specific mutations into the gene product 4. Add TAGs to a gene product to simplify its study within the cell 5. Create mutation on gene that has no available mutation
比较基因组学与分子进化
Comparative genomics and molecular evolution
11/3/2010
比较基因组学与分子进化在生命科学研究中应用及贡献 1.模式生物测序的意义 • 模式生物 • DNA测序技术 2.新学科的快速诞生 2.新学科的快速诞生 3.推动物种起源和生物进化发展 推动物种起源和生物进化发展 4.研究思路和方法突破 研究思路和方法突破 Genetics VS Reverse genetics
How to identify Genes critical in a given development process
1. Genetics: What wrong with a mutant lacking a functional gene tells the normal role of the gene. Start with mutants, then the gene & how it works 2. Reverse genetics: Starting with a gene of known identity, modifying its expression or activity to reveal its development function
启动子
5‘ 外显子
3‘
2-5kb
25-30bp
内含子
tttcagATC
attcagGAT
GTTAGgt
ATTTCAgt
正确剪接位点
成熟 (mRNA) 结构 起始密码： 起始密码：ATG 外显子 N 5‘ 64 密码子 3‘
终止密码： 终止密码： TAA TAG TGA
C
蛋白质(20 氨基酸)
Promoter::GFP reporters reveal worm Cadherin gene expression
• What Genes involved in a given development process • How those genes (and proteins) work at cellular/molecular level • How those genes (and proteins) activities are regulated
How to Silencing a Gene
5’ control region mRNA
Form double stranded hairpin RNA (dsRNA)
3’ control region
The dsRNA results in formation of random 20-22 nts small RNA, which then triggers the degradation of the mRNA where the homologous derived from.
In the light
In darkness
Wild type
Wild type
Mutant
Why Reverse genetics (From gene to phenotype/function)
1. Many undefined genes are sequenced due to the advancement of sequence technology 2. Can control where, when, and how much an active gene product to be made 3. Easy to design specific mutations into the gene product 4. Add TAGs to a gene product to simplify its study within the cell 5. Create mutation on gene that has no available mutation or not feasible to have
Ye X. et al., 2000, Science
Transgenic multivitamin corn through biofortification of endosperm with three vitamins representing three distinct metabolic pathways
Four model organisms
Mouse
Drosophila
C.elegans
Arabidopsis
Drosophila mutant affects WING development
Normal (wild type, WT)
Mutant
Arabidopsis seedling development
Worm cadherins: cdh-1, hmr-1a, hmr-1b, cdh-3, cdh-4, cdh-5, fmi-1, cdh-7, cdh-8, cdh-9, cdh-10, casy-1, cdh-12
genomic DNA
PCR
AT
GFP vector
3-5kb
Unc-4(e120)
Breakthrough and milestone for genomic era • New fields of biology open up • Genetics VS Reverse genetics
• Case analysis in model organism
Key Point of Understanding Development
1.起始步 沉默触发物被裂解，产生小 起始步 沉默触发物被裂解， 干扰性RNA 干扰性 （small interfering RNAs，siRNAs） ， ）
2.第二步：效应步 siRNAs与多种亚 第二步： 第二步 与多种亚 单位形成复合物—RNA诱导的沉默复 单位形成复合物 诱导的沉默复 合物（ ），然后以 合物（RISC），然后以 ），然后以RISC的方式 的方式 降解单链的靶mRNA. 降解单链的靶
3.第三步：沉默效应的放大和扩散 第三步： 第三步 整个生物体。 整个生物体。
The mechanisms of RNAi, RNA interference, RNAi
Genetic interference following ingestion of dsRNA-expressing bacteria by C.elegans a.General scheme for dsRNA production, bacterial strain(BL21/DE3). b. C.elegans show high GFP-fluorescence in body muscles c. 12% animals show a dramatic decrease in GFP Fire et al., 1998, Nature