第十八章基因组学和后基因组学-生物探索
基因组与基因组学
人体细胞的核型（Spectral Karyotype)
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一些模式生物的基因组大小
基因组大小/bp T4噬菌体 2.0×10 5 大肠杆菌(Escherichia coli ) 4.2×10 6 酵母(Sccharomyces cerevisiae) 1.5×10 7 拟南芥(Arabidopsis thaliana ) 1.0×10 8 秀丽小杆线虫(Caenorhbditis elagans) 1.0×10 8 果蝇(Drosophila melanogaster) 1.65×10 8 水稻(Oryza sativa ) 3.89×10 8 小白鼠(Mus musculus ) 3.0×10 9 人类(Homo sapiens) 3.3×10 9 玉米(Zea mays ) 5.4×10 9 普通小麦(Triticum aestivum) 1.6×10 10
其DNA是与蛋白质结合，不形成染色体结构， 只是习惯上将之称为染色体。细菌染色体DNA在胞 内形成一个致密区域，即类核（nucleoid），类 核无核膜将之与胞浆分开。
2.功能相关的几个结构基因往往串联排列在一起 组成操纵子结构，受上游共同的调控区控制。 3.原核生物基因组中基因密度非常高,结构基因是 连续的多为单一拷贝。
3、编码序列只占基因组总DNA量的5%以下，非
编码区占95%以上，大量为重复序列。
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重复序列
1.高度重复序列：重复频率 >105，通常这些序列的 长度为6-200bp，如卫星DNA； 2.中度重复序列：重复频率 101-105,重复单位平均 长度约300bp占基因总量的35%。（rRNA gene, tRNA gene, 组蛋白gene )；
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二、基因组学概念及范畴
基因组学 教学大纲
基因组学一、课程说明课程编号：280311Z10课程名称：基因组学/Genomics课程类别：专业教育课程学时/学分：32/2先修课程：细胞生物学、生物化学、分子生物学适应专业：生物科学教材、教学参考书：1. 杨金水主编．基因组学（第三版）．北京：高等教育出版社．2013；2. 宋方洲主编．基因组学．北京：军事医学科学出版社．2011；3. 胡维新主编．医学分子生物学（第二版）．北京：科学出版社．2014．二、课程设置的目的意义基因组学是在基因组水平上研究基因组结构和功能的科学，是当代生命科学发展最为迅速的学科之一。
本课程的主要任务是使学生掌握基因组学的基本理论和基本知识，熟悉基因组学在医学中的应用，了解基因组学的主要新进展。
三、课程的基本要求基本理论和基本知识：1. 掌握基因组学的概念。
熟悉研究基因组学的意义；人类基因组计划。
了解基因组学的历史发展阶段；后基因组学。
2. 掌握遗传图与物理图的概念；遗传作图标记；连锁分析。
熟悉人类遗传图。
了解水稻遗传图。
3. 掌握辐射杂种作图。
熟悉限制性作图；基于克隆的基因组作图；原位染色体连锁图。
了解基因组整合图。
4. 掌握第二代和第三代DNA测序的原理；基因组测序的策略；作图法测序与序列组装；人类基因组测序与组装。
熟悉鸟枪法测序与序列组装；不同测序路线与序列组装策略的比较；基因组测序的其他路线。
5. 掌握根据基因结构特征搜寻基因；同源基因查询；实验确认基因；计算机预测基因功能。
熟悉蛋白质结构域在功能预测中的意义；根据协同进化注释基因功能；基因功能检测；高通量基因功能的研究方法。
了解基因的命名与分类；功能基因组学。
6. 掌握基因组的起源；基因与基因组加倍；外显子洗牌；DNA水平转移。
熟悉重复基因的命运；非编码序列的扩张。
了解比较基因组学。
7. 掌握分子系统发生学的概念；DNA系统发生树。
熟悉分子系统发生学与生物进化。
了解基因组与生物多样性。
8. 掌握疾病基因组研究策略。
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。
生物信息学与基因组学
HGP的意义
诞生了新学科、新领域
生物信息学 比较基因组学(comparative genomics) 以跨物种、跨群体的DNA序列比较为基础，利用模式 生物与人类基因组之间便码顺序和组成、结构上的同 源性，研究物种起源、进化、基因功能演化、差异表 达和定位、克隆人类疾病基因
人类基因组研究方向
基因组学（genomics）作为一门专门学科。它涵盖以下 几个方面： 结构基因组学，主要研究核酸或蛋白质的结构、定位、 功能及其相互作用；与蛋白质组学内容密切相关。 功能基因组学，主要研究基因的表达、调控、功能及 基因间的相互作用； 比较基因组学, 包括对不同进化阶段生物基因组的比 较研究，也包括不同人种、族群和群体基因组的比较研 究。 药物基因组学、疾病基因组学等分支学科也不断发展 起来。
2. 概念：从整体上研究一个物种的所有基因结构和功能的新科 学。
人类基因组计划（HGP）
人类基因组计划的主要目标是测定人类基因组全序列。人 类基因组DNA由四种核苷酸（A、T、C、G）按一定的顺 序排列而成，基因组所含核苷酸总数为30亿对。
４月末 我国科学家按照国际人类基因组计划的部署， 完成 了１％人类基因组的工作框架图。 ５月 国际人类基因组计划完成时间再度提前，预计 从原定 的２００３年６月提前至２００１年６月。 ５月８日 由德国和日本等国科学家组成的国际科研 小组宣 布，他们已经基本完成了人体第２１对染色体的测 序工作。 ６月２６日 各国科学家公布了人类基因组工作草图。 ２００1年 2月15日 公布了人类基因组全序列及其分析结果， 宣告人类有30,000 - 40,000条编码蛋白质的基因, 仅占人类基因 组序列的1％～5％，成人各种组织中又只有约10％的基因表达 为蛋白质。。
基因组学与后基因组学ppt课件
用原位杂交 in situ hybridazation和 荧光原位杂交 fluorescence in situ
hybridazation ,FISH 进行基因定位：
将DNA探针用同位素或荧光染料标记 ，按照碱基互补配对原则，与固定在 玻片上的中期染色体杂交后，在荧光 显微镜下呈现不同颜色的荧光。
1. 将基因定位于染色体 特定区段
2. 候选基因筛选鉴定
定位克隆的主要目的之一是将目 标基因定位于特定染色体上。
主要方法： 家系调查法 体细胞杂交法 核酸杂交技术 等等
A-1型短指（趾）症法拉比（Farabee） 1903年在他的哈佛大学医学院博士毕业论文 中首先报道了，即世界上第一例孟德尔常 染色体显性遗传病，以后作为遗传学的经 典例子被全世界的生物学和遗传学教材广 泛引用。
Hybridization，SSH） （3）cDNA代表性差异分析（cDNA Representational
Difference Analysis，cDNA-RDA）
（4）cDNA microarray
2. 差异性表达蛋白质
消减杂交（subtractive hybrization）
利用目的基因在两种组织或细胞中表达的差异 ，或者在不同发育阶段、不同状态下表达差异， 通过其mRNA或单链cDNA进行杂交，除去两 者之间相同的基因成分，使表达有差异的基因得 到充分富集。它的实质是对两组基因转录本全面 比较，去同存异，分离差异表达基因
CGH 利用同一种生物异常细胞的基因组 做探针，与正常细胞基因组杂交，通 过对杂交信号分析，发现不同，寻找 相关基因。
利用染 色体步 移确定
基因位 置
定位候选克隆
2014 第十一章 基因组学及后基因组学 (2)
–Transcriptome（转录组）
–Proteome（蛋白质组）
2.染色体的遗传图谱、细胞图谱和物理图谱
–Genetic mapping（遗传作图）
• Polymorphic marker（多态性分子标记）
–RFLP（restriction fraction length
polymorphism), VNTR (variable number
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tandem repeat), microsatellite
3. Map position-based cloning of genes (基于图谱的基因定位）
–Genetic mapping（遗传定位） –Physical mapping （物理定位）
• Chromosome walking （染色体步移） • Chromosome jumping （染色体跳跃）
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授内容
1. 基因组学
–Genome (基因组)
–Genomics (基因组学)
• Structure genomics（结构基因组学）
通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、进行基因 定位的科学。
• Functional genomics（功能基因组学）
利用结构基因组所提供的信息和产物，研究基因组功能表 达。
– 1.1%: exons – 24%: introns – 75%: intergenic
• 44% transposable genetic elements
Structure and function of the human proteomes Bioinformatic Comparative genomics
(A) Single Exon Gene
基因组学考试资料 整理版
基因组学考试资料整理版第一章一、基因组1、基因组：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。
2、基因组学：指以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。
基因组学包括3个不同的亚领域结构基因组学(structural genomics) ：以全基因组测序为目标功能基因组学(functional genomics)：以基因功能鉴定为目标比较基因组学(xxparative genomics)二、基因组序列复杂性1、C值是指一个单倍体基因组中DNA的总量，以基因组的碱基对来表示。
每个细胞中以皮克(pg，10-12g)水平表示。
C 值悖理：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。
3、异常结构基因分类重叠基因：编码序列彼此重叠的基因，含有不同蛋白质的编码序列。
基因内基因:一个基因的内含子中包含其他基因。
反义基因: 与已知基因编码序列互补的的负链编码基因，参与基因的表达调控，可以干扰靶基因mRNA转录与翻译。
4、假基因：功能基因但已失去活性或者改变原来活性功能的DNA序列. 四、基因组特征比较真核生物基因组的特征：复杂性较高的生物基因组结构松弛，在整个基因组范围内分布大量重复顺序；含有大量数目不等的线性DNA分子，并且，每个长链DNA都与蛋白质组成染色体结构；含有细胞器基因组原核生物基因组的特征 :原核生物基因数目比真核生物少，大小在5 Mb以下; 原核生物基因组结构更紧凑;第二章一、为何要绘制遗传图与物理图？1)基因组太大,必需分散测序,然后将分散的顺序按原来位置组装,需要图谱进行指导。
2)基因组存在大量重复顺序,会干扰排序,因此要高密度基因组图。
3)遗传图和物理图各有优缺点,必须相互整合校正。
二、基因组测序方法、原理及特点：1. 克隆重叠群法：先构建遗传图，再利用几套高度覆盖的大片段基因组文库获得精细的物理图，选择合适的BAC 或PAC克隆测序，利用计算机拼装。
吉林大学《遗传学》18基因组与后基因组-韩璐20141022
物理图谱的构建
用分子生物学方法直接检测DNA标 记在染色体上的实际位置绘制成的图谱 称为物理图谱。
有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？
2019/1/30
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遗传图谱的缺陷
分别率有限、精确性不够
人类只能研究少数减数分裂事件，不 能获得大量子代个体 测序要求每个标记的间隔小于 100kb， 实际是599kb
18. 基因组学与后基因组学
本章内容
• 1、基因组学 • 2、人类基因组计划 • 3、基因组图谱构建与应用
§1基因组学概述
• 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 • 物种遗传信息的“总词典” • 控制发育的“总程序” • 生物进化历史的“总档案”
专家共识
• • • • 1、用于治疗和预防疾病； 2、坚持贯彻知情同意和知情选择原则； 3、保护基因隐私，反对基因歧视 4、努力促进人与人之间平等、民族间和 睦及国家间的和平。
医学遗传学
2000 年及以后:
• 通过提供个体遗传缺陷的信息改变医学与健康 的面貌。 • 实施人群筛检, 以及用一种遗传方法对少见常 见病更加个体化的试验。
（1）基因标记
• 基因控制性状，利用可鉴别的表型性状作标记
• 根据连锁交换原理分析基因间连锁关系和遗传距离 • 绘制连锁图谱。
缺点：基因数目有限、所构建遗传图谱不详细、标记 间的遗传距离较大。
最早建立的果蝇连锁图，就是利用控制果 蝇眼睛的形状、颜色，躯体的颜色、翅膀 的形状等形态性状作为标记，分析它们连 锁关系及遗传距离，绘制而成的。 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。
• 实施药物基因学研究及其它更个体化的治疗。
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人类基因组的结构特点
1.大小 全长3.2 × 109bp（3200Mb） 基因序列1.2 × 109bp（1200Mb） 基因间序列2.0 × 109bp （2000Mb） 基因平均长27kb，平均9个外显子／基因，编码序列平均 1340bp ／基因 2.编码序列小 仅占1% 3.非编码序列大 占98%以上 4.重复序列多
RFLP标记（restriction fragment length polymorphism） 称为限制性片段长度多态性，是指一种限制性内切酶切 割来自不同个体基因组的DNA或某一个基因，会得到不 同长度的DNA片段，表明在这种被切割的不同个体的 DNA分子上，内切酶的识别序列有差异，这种差异反映 在酶切片段的长度和数目上。 AFLP标记 AFLP是扩增片段长度多态性（amplified fragments length polymorphism）,在AFLP分析 中显示多态性的 DNA片段不是由于限制性内切酶酶切基因组DNA产生的， 而是通过PCR扩增基因组DNA的模板产生的。
遗传标记
形态标记 细胞学标记 蛋白质标记 DNA标记 DNA标记的优点：
不受环境的影响，不受发育阶段的限制，不受个体和生物器官 的限制；基因组DNA变异丰富，可供选择的分子标记数量 大大超过形态标记、细胞学标记和蛋白质标记的数量；大多 数DNA分子标记是共显性的，符合孟德尔遗传规律可供遗 传标记作图。
点组成，以直线互邻接的两个片段间存在的重叠部分，推断出各 叠连群覆盖整个染色体的克隆片段在染色体上的顺序 。
基因组图谱的应用
1.寻找新的基因 2.基因的克隆与分离 3.基因功能的预测 4.比较基因组学研究 5.基因定位
nucleotide polymorphism）标记是同一物种不同 个体基因组的DNA的等位序列上单个核苷酸存在差 别的现象。
遗传图谱（genetic
map）：又称连锁图
（linkage map），是指确定基因或DNA 标记在染 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体上的相对位置与遗传距离
物理图谱（physical
map）：指各遗传标记之
间或DNA 序列两点之间，以物理距离来表示其在 DNA分子上的位置而构成的位置图，以实际的碱基 对或百万碱基对长度来度量其物理距离。
模式生物基因组研究
第二节 基因组测序与序列组装
基因组测序策略
1.自上而下（top-down mapping）
2.全基因组鸟枪法（whole-genome shotgun method）自下而上（Bottom-up approach mapping）
物理图谱的构建 细胞遗传学图谱（cytogenetic map）：是将基因或DNA片段 直观定位于染色体上的物理图图谱，也称染色体图谱
（chromosome map），它是把基因或其他被分离出的
DNA片段定位在它所在的染色体区域，并且粗略地测出他 们之间相聚的碱基长度。
限制酶切图谱是由一系列位置确定的多种限制性内切酶酶切位
抑制其表达的现象。
蛋白质组学(proteomics)
蛋白质组学是研究细胞内全部蛋白质组成、结构与功能及其
VNTRs标记：又称可变数目串联重复（variable
number of tandem repeats）标记，呈共显性遗 传，符合孟德尔传递规律。
STS标记：序列标签位点（sequence-tagged site）
是在染色体上定位的、序列已知的单拷贝DNA短片 段。
SNP标记：单核苷酸多态性标记（single
基因打靶：指通过转染的DNA序列与细胞内同源的基因组序
列（靶序列）之间进行同源重组，以改变靶序列来研究其结
构和功能或进行基因治疗的技术。
反义mRNA技术：通过向细胞导入一段与特定编码mRNA
互补的非编码RNA链，使其与该段mRNA特异性结合而定 向阻抑靶基因表达的技术。
RNA干扰：双链RNA特异性地作用于与其序列配对的基因而
建立精细的人类遗传图谱的关键是获得足够多的高度多态性的标记 第一代：RFLP （restriction fragment length polymorphism） 第二代：STR（short tandem repeat） 第三代：SNP （single nucleotide polymorphism）
基因组测序方法与组装
末端终止法 化学修饰法 荧光标记毛细管电泳测序 DNA芯片 杂交测序
第三节 基因组图谱构建与应用
人类基因组遗传图谱的构建
1.经典遗传图谱的构建
首先判断用来做图的基因是否连锁，然后估计基因座位的图距，并 排列出这些基因的相互远近关系，从而构建出一张基因的连锁图。
2.现代遗传学图谱的构建
第五节 比较基因组学和功能基因组学研究
比较基因组学(comparative
genomics)
是一门通过运用数理理论和相应计算机程序，对不同物种的基 因组进行比较分析来研究基因组大小和基因数量、基因排列 顺序、编码序列与非编码序列的长度、数量及特征以及物种 进化关系等生物学问题的学科。 功能基因组学 运用高通量技术来系统分析基因功能及基因间相互作用、基因 组的时空表达以及发现和寻找新基因。
基因组学和后基因组学
基因组学：是研究基因组的组成、结构和功能的
学科。
结构基因组学：着重研究基因组的结构并构建
高分辨率的遗传图、物理图、序列图和转录图以 及研究蛋白质组成的学科。
功能基因组学：主要是利用结构基因组学研究
所得到的各种信息在基因组水平上研究编码序列 及非编码序列生物学功能的学科。
第一节 人类基因组计划与基因组学
人类基因组计划
1990年正式启动；
2000年6月26日完成工作草图； 2001年2月12日中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国的 Celera公司联合公布了人类基因组图谱及初步分析结果； 2003年4月15日，上述6国又共同宣布了人类基因组序列图完成；
2004年10月，国际人类基因组测序联合体在nature周刊上发表了