细菌全基因组测序 ppt课件
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第十章 细菌基因组学课件
能源部手中抢走了领导权，开始领导负责人类基因组计划， 由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所 (NHGIR)”； ➢ 1990，美国政府决定正式启动HGP，预计用 15 年时间，投入 30 亿美元，完成 HGP ➢ 逐渐地，HGP 扩展为多国协作计划。参与者包括：欧共体、 日本、加拿大、俄罗斯、巴西、印度和中国等国的科学家。
•而随着家蚕丝腺特异基因研究的深入， 中国将很快在改造丝蛋白质结构，克服 丝绸天然加工弱点等重要产业技术的研 发方面取得突破。
微生物基因组相对较小，易于操作，它的研究比人类基因 组计划先行一步，起到了“开路先锋”的作用
微生物基因组学所取得的理论和技术进展，为人类基因组
两者的发展相互 计划提供了及有益的借鉴
3、基因组学的发展历程
• 流感嗜血杆菌( haemophilus influenzae)
1995 年7 月第一个细菌基因组全序列发表,大 小为1.8 Mb。含1703 个基因或开放阅读。这是 微生物乃至整个生物学领域的一个里程碑 .(Science)
• 1997 年9 月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成 功, 基因组全序列完成, 全长为5Mb ,共有4 288 个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序 列.
测序微生物的类别
• 几乎所有类别的病毒 • 模式微生物 • 极端环境微生物 • 病原原核生物 • 环境降解微生物 • 其他
Viruses
微生物基因组的特点
类别
特征
染色体结构 基因组大小 编码序列
多为一条环状闭合双链DNA 从0.16-13Mb 占基因组总长度的90%，平均为1Kb左 右
GC含量
• 2002年4月，水稻基因组图谱公布。
• 2002年 小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成
•而随着家蚕丝腺特异基因研究的深入， 中国将很快在改造丝蛋白质结构，克服 丝绸天然加工弱点等重要产业技术的研 发方面取得突破。
微生物基因组相对较小，易于操作，它的研究比人类基因 组计划先行一步，起到了“开路先锋”的作用
微生物基因组学所取得的理论和技术进展，为人类基因组
两者的发展相互 计划提供了及有益的借鉴
3、基因组学的发展历程
• 流感嗜血杆菌( haemophilus influenzae)
1995 年7 月第一个细菌基因组全序列发表,大 小为1.8 Mb。含1703 个基因或开放阅读。这是 微生物乃至整个生物学领域的一个里程碑 .(Science)
• 1997 年9 月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成 功, 基因组全序列完成, 全长为5Mb ,共有4 288 个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序 列.
测序微生物的类别
• 几乎所有类别的病毒 • 模式微生物 • 极端环境微生物 • 病原原核生物 • 环境降解微生物 • 其他
Viruses
微生物基因组的特点
类别
特征
染色体结构 基因组大小 编码序列
多为一条环状闭合双链DNA 从0.16-13Mb 占基因组总长度的90%，平均为1Kb左 右
GC含量
• 2002年4月，水稻基因组图谱公布。
• 2002年 小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成
细菌全基因组测序
测序数据的解读与分析
解读策略
① 木质素基质是非常巨大的非均性高分子，会受到细胞外酶或试剂
的作用；木质素不含有可水解的化学键，这就意味着木质素降解 所参与的酶必须具有氧化性；木质素具有立体结构不规整性，与 许多其他天然高分子相比，木质素降解要求更具非特异性的作用。
② 木质素降解过程中涉及到的细胞外酶主要有：木质素过氧化物酶
木质素降解有关主要的酶和它们催化的主要反应
酶，简写
木质素过氧 化物酶，
LiP 锰过氧化物
酶，MnP
漆酶，Lac
辅助因子或基质“介 体”
主要效应和参与催化的反应
H2O2，黎芦醇
催化木质素非酚型亚结构β-O-4模型中丙基侧链 上的C α-C β键的断裂反应、开环以及其他的反
应
H2O2，Mn，有机酸作 形成苯氧自由基，引起芳香环和C α之间化学键 为螯合剂，硫醇，不 的断裂；MnP-脂质体系可使非酚型β-O-4木质素
基因组测序 和组装流程
生物信息学分析流程图
基因功能注释
基因注释主要基于蛋白序列比对，将基因的 序列与各数据库进行比对，得到对应的功能注 释信息。 注释的蛋白库为：KEGG、COG、SwissProt、 TrEMBL、NR。
B-6 KEGG代谢通路二级分类图
B-9 KEGG代谢通路二级分类图
⑤ 木质素单体化合物降解相关酶。
木质素
Lac MnP LiP
聚合木质素
单体 二聚体 寡聚体
其他酶
Lac MnP LiP
C1C2C3片段 CO2 开环产物 CO2
芳香醛酸
醌 + 氢醌 CO2
木质素 聚合木质素
运用测序数据构思文章
C1C2C3片段 CO2
细菌全基因组测序
应
H2O2，Mn，有机酸作 形成苯氧自由基，引起芳香环和C α之间化学键 为螯合剂，硫醇，不 的断裂；MnP-脂质体系可使非酚型β-O-4木质素
饱和脂质
模型中的C α-C β键和β-芳基-醚键降解
O2，介质（如羟基苯 并三唑或ABTS）
通过氧化C α键和使芳基烷基键断裂，催化β-1和β-O-4-木质素模型化合物中的C α-C β键的断裂； 在“介体”分子存在下，可氧化非酚型β-O-4木
松脂酚
苯基香豆满 二联苯愈创木基丙烷
二芳基（愈创木基）联丙 烷
愈创木基-β-芳基丙烷
木质素降解有关主要的酶和它们催化的主要反应
酶，简写
木质素过氧 化物酶， LiP
锰过氧化物 酶，MnP
漆酶，Lac
辅助因子或基质“介 体”
主要效应和参与催化的反应
H2O2，黎芦醇
催化木质素非酚型亚结构β-O-4模型中丙基侧链 上的C α-C β键的断裂反应、开环以及其他的反
C1C2C3片段 CO2
Lac MnP LiP
单体 二聚体 寡聚体
其他酶
Lac MnP LiP
开环产物 CO2 芳香醛酸
醌 + 氢醌 CO2
α βγ
HO
C C C HO
H3CO C C C HO
CCC
对羟苯基结构（10%）
H3CO
愈创木基结构（70%）
H3CO
紫丁香基结构（20%）
β-O-4型连接
基因组中来源相同，结构和功能相关的基因 聚集在一起形成基因家族。
基因家族的各个成员紧密成簇排列成大段的串联 重复单位，分布在某一条染色体的特殊区域
genefamily.xls
基因家族聚类结果
H2O2，Mn，有机酸作 形成苯氧自由基，引起芳香环和C α之间化学键 为螯合剂，硫醇，不 的断裂；MnP-脂质体系可使非酚型β-O-4木质素
饱和脂质
模型中的C α-C β键和β-芳基-醚键降解
O2，介质（如羟基苯 并三唑或ABTS）
通过氧化C α键和使芳基烷基键断裂，催化β-1和β-O-4-木质素模型化合物中的C α-C β键的断裂； 在“介体”分子存在下，可氧化非酚型β-O-4木
松脂酚
苯基香豆满 二联苯愈创木基丙烷
二芳基（愈创木基）联丙 烷
愈创木基-β-芳基丙烷
木质素降解有关主要的酶和它们催化的主要反应
酶，简写
木质素过氧 化物酶， LiP
锰过氧化物 酶，MnP
漆酶，Lac
辅助因子或基质“介 体”
主要效应和参与催化的反应
H2O2，黎芦醇
催化木质素非酚型亚结构β-O-4模型中丙基侧链 上的C α-C β键的断裂反应、开环以及其他的反
C1C2C3片段 CO2
Lac MnP LiP
单体 二聚体 寡聚体
其他酶
Lac MnP LiP
开环产物 CO2 芳香醛酸
醌 + 氢醌 CO2
α βγ
HO
C C C HO
H3CO C C C HO
CCC
对羟苯基结构（10%）
H3CO
愈创木基结构（70%）
H3CO
紫丁香基结构（20%）
β-O-4型连接
基因组中来源相同，结构和功能相关的基因 聚集在一起形成基因家族。
基因家族的各个成员紧密成簇排列成大段的串联 重复单位，分布在某一条染色体的特殊区域
genefamily.xls
基因家族聚类结果
细菌全基因组测序
C1C2C3片段 CO2
Lac MnP LiP
单体 二聚体 寡聚体
其他酶
Lac MnP LiP
开环产物 CO2 芳香醛酸
醌 + 氢醌 CO2
α βγ
HO
C C C HO
H3CO C C C HO
CCC
对羟苯基结构（10%）
H3CO
愈创木基结构（70%）
H3CO
紫丁香基结构（20%）
β-O-4型连接
应
H2O2，Mn，有机酸作 形成苯氧自由基，引起芳香环和C α之间化学键 为螯合剂，硫醇，不 的断裂；MnP-脂质体系可使非酚型β-O-4木质素
饱和脂质
模型中的C α-C β键和β-芳基-醚键降解
O2，介质（如羟基苯 并三唑或ABTS）
通过氧化C α键和使芳基烷基键断裂，催化β-1和β-O-4-木质素模型化合物中的C α-C β键的断裂； 在“介体”分子存在下，可氧化非酚型β-O-4木
➢ 用CAZY数据库对这4株菌的代谢途径进行注释，寻找纤 维素、半纤维素降解家族基因。
对4株菌的亲缘关系进行分析，确定菌株之间的相互关 系；
通过对4株菌进行进化分析，判定是否为古菌或新的菌 种。
基因分离
下一步的实验安排
对已注释出的基因进行验证
载体
酶切
酶切
连接
转化
筛选 表达
未注释出功能的基因鉴定，挖掘新基因
genefamily.xls
基因家族聚类结果
genefamily.stat
各基因家族统计信息
distance_data/all.KaKs 各基因家族内基因两两间的 Ka/Ks结果
gene_families
包含各基因家族的序列等信息
细菌基因组结构与功能ppt课件
• 大肠杆菌染色体基因组中， 大多数 rRNA 基因集中于基因组的复制起点 （oriC ）的位置附近。 这一位置有利 于rRNA基因在早期复制后马上作为模 板进行rRNA的合成以便进行核糖体组 装和蛋白质的合成
.
细菌基因组结构与功能
.
细菌染色体基因组结构的特点（一）
1. 形成类核（nucleoid）： 由一条环状双链 DNA 分子组成细
菌的染色体，并相对聚集在一起， 形成一个较为致密的区域 类核无核膜与胞浆分开，类核的中 央部分由RNA和支架蛋白组成，外 围是双链闭环的.DNA超螺旋
细菌染色体基因组结构的特点（二）
• 再如：有关糖酵解的酶类的基因分布在染色 体基因组的各个部位
.
细菌染色体上的基因似乎没有固定的格 局，相对位置的改变不会影响其功能。
大肠杆菌和与其分类关系上相近的其他 肠道菌，如志贺氏杆菌属（Shigella）、 沙门氏菌属（Salmonella ）等具有相似 的基因组结构 伤寒沙门氏杆（Salmonellatyphimurium） 与大肠杆菌的基因组结构几乎相同，有 10％的基因组序列和大肠杆菌相比发生 颠倒，但其基因的功能仍正常
具有双向复制，但不能同时进行
• 被抑制
.
双向复制
.
大肠杆菌 染色体基因组的结构和功能—4
具有相关功能的基因在一个操纵子内， 由一个启动子转录 大多数基因的相对位置是随机分布的
• 如：控制小分子合成和分解代谢的基因，大 分子合成和组装的基因分布在大肠杆菌基因 组的许多部位，并不集中在一起
2. 染色体DNA通常与细胞膜相连： 连接点的数量随细菌生长状况和不
同的生活周期而异 在 DNA链上，与 DNA 复制、转录
有关的信号区域与细胞膜优先结合
.
细菌基因组结构与功能
.
细菌染色体基因组结构的特点（一）
1. 形成类核（nucleoid）： 由一条环状双链 DNA 分子组成细
菌的染色体，并相对聚集在一起， 形成一个较为致密的区域 类核无核膜与胞浆分开，类核的中 央部分由RNA和支架蛋白组成，外 围是双链闭环的.DNA超螺旋
细菌染色体基因组结构的特点（二）
• 再如：有关糖酵解的酶类的基因分布在染色 体基因组的各个部位
.
细菌染色体上的基因似乎没有固定的格 局，相对位置的改变不会影响其功能。
大肠杆菌和与其分类关系上相近的其他 肠道菌，如志贺氏杆菌属（Shigella）、 沙门氏菌属（Salmonella ）等具有相似 的基因组结构 伤寒沙门氏杆（Salmonellatyphimurium） 与大肠杆菌的基因组结构几乎相同，有 10％的基因组序列和大肠杆菌相比发生 颠倒，但其基因的功能仍正常
具有双向复制，但不能同时进行
• 被抑制
.
双向复制
.
大肠杆菌 染色体基因组的结构和功能—4
具有相关功能的基因在一个操纵子内， 由一个启动子转录 大多数基因的相对位置是随机分布的
• 如：控制小分子合成和分解代谢的基因，大 分子合成和组装的基因分布在大肠杆菌基因 组的许多部位，并不集中在一起
2. 染色体DNA通常与细胞膜相连： 连接点的数量随细菌生长状况和不
同的生活周期而异 在 DNA链上，与 DNA 复制、转录
有关的信号区域与细胞膜优先结合
基因组测序基本原理ppt课件
基因组测序基本原理
大纲
I. 核酸DNA的发现以及测序历史简介 II. 双脱氧化(Sanger dideoxy method)测序 III.大片段的DNA测序与基因组测序的大发展 VI.人类基因组 V. 1000美元个体化基因组测序计划(The “$1,000 dollar genome)
On WebCT -- “The $1000 genome” -- review of new sequencing techniques by George Church
Part I.核酸测序原理
核酸发现与测序简史
DNA测序的简史
MC chapter 12
DNA测序的方法
A. 双脱氧法 (Sanger dideoxy) (primer extension/chaintermination) method: 最流行也是最广为接受的方法。
Maxam-Gilbert化学剪切法(chemical cleavage method): DNA is labelled and then chemically cleaved in a sequence-dependent manner. This method is not easily scaled and is rather tedious 焦磷酸测序(Pyrosequencing): measuring chain extension by pyrophosphate monitoring。焦磷酸测序技术是新一代 DNA序列分析技术，该技术无须进行电泳，DNA片段也无 须荧光标记，操作极为简便，可以快速、准确地确定DNA 序列。
测序的趋势
相对而言一般很少实验室会自己做测序，一则自身测序费用比较高，而且荧光试剂容 易粹灭，同时也比较消耗时间，另外可能出现一些其它问题引起结果不成功。所以大 部分的测序都是送到相关的测序中心或者公司完成:
大纲
I. 核酸DNA的发现以及测序历史简介 II. 双脱氧化(Sanger dideoxy method)测序 III.大片段的DNA测序与基因组测序的大发展 VI.人类基因组 V. 1000美元个体化基因组测序计划(The “$1,000 dollar genome)
On WebCT -- “The $1000 genome” -- review of new sequencing techniques by George Church
Part I.核酸测序原理
核酸发现与测序简史
DNA测序的简史
MC chapter 12
DNA测序的方法
A. 双脱氧法 (Sanger dideoxy) (primer extension/chaintermination) method: 最流行也是最广为接受的方法。
Maxam-Gilbert化学剪切法(chemical cleavage method): DNA is labelled and then chemically cleaved in a sequence-dependent manner. This method is not easily scaled and is rather tedious 焦磷酸测序(Pyrosequencing): measuring chain extension by pyrophosphate monitoring。焦磷酸测序技术是新一代 DNA序列分析技术，该技术无须进行电泳，DNA片段也无 须荧光标记，操作极为简便，可以快速、准确地确定DNA 序列。
测序的趋势
相对而言一般很少实验室会自己做测序，一则自身测序费用比较高，而且荧光试剂容 易粹灭，同时也比较消耗时间，另外可能出现一些其它问题引起结果不成功。所以大 部分的测序都是送到相关的测序中心或者公司完成:
基因组测序的原理和方法PPT文档共127页
基因组测序的原理和方法
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作பைடு நூலகம்为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作பைடு நூலகம்为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
菌种鉴定-全基因组测序
细菌菌种鉴定 之
全基因组测序
菌种鉴定测序建议
测序平台：Illumina hiseq/miseq 测序深度：≥30倍覆盖
0ng/ul 核酸DNA总量：＞1.5ug
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
全基因组序列菌种鉴定理论依据
Average Nucleotide Identity（ANI）
难点
手工两两比对太过盲目，并且效率很低。在待测菌株种属 情况一无所知的情况下，ANI 比对需要对数据库中几万个 基因信息比对，手工操作几乎不太现实。
数据库的准确性要求比较高，并非所有的基因组信息都会 成为“标准基因组”参与比对过程。
解决方法
构建数据库，即“标准菌株基因组”的选择，首要选择权 威认证或公认的，其次选择最接近的“完成图” 构建编程算法，利用计算消耗代替人工消耗 已有的鉴定工具：MicrobeTrakr
鉴定原则
ANI＞96%：同种
ANI＜95%：不同种
95%≤ANI≤96%：可以区间 说明：ANI 计算是基于基因组数据库，对已有数据库中菌 种基因组序列进行比对计算得到结果
鉴定结果解读
同种：待检菌株与参考菌株是同种或同一亚种
不同种：待检菌株与参考菌株不同种
说明：如果待测菌株与所有种内菌株比对结果为“不同 种”，则可能是新种，也可能是数据库中没有该物种基因 组信息，待测菌株可上传至数据库作为信息补充。
第一讲 基因组测序和序列组装ppt课件
几乎所有基因〔或操纵子〕上游都有调控序列， 它们可与DNA结合蛋白作用，控制基因表达。
通过同源性比较来预测mRNA的5’端，最常用的 与转录起始位点相关的数据库是真核启动子数据库 (The TRADAT Project , Eukaryotic Promoter Database, EPD. epd.unil.ch/ )。
G 外显子－内含子边界
外显子和内含子的边界有一些 明显的特征，
如:内含子的5‘端或称供体位 〔donor site〕常见的顺序为 5’－ AG↓GTTAAGT-3’；
3’端又称受体位〔acceptor site), 多为5‘PyPyPyPyPyPyCAG3’(“Py〞嘧啶核苷酸，T或C)；
H 上游控制顺序
第二讲 基因组序列诠释
问题
基因组序列所包含的全部遗传信息是什 么？
基因组作为一个整体如何行使其功能？ 用什么方法寻找基因，研究基因地功能
呢？
1. 寻找基因
1.1 根据开放读码框预测基因 A 起始密码子 ATG 第一个ATG的确定(依据Kozak规则);
Kozak规则是基于已知数据的统 计结果.
同源有如下几种情况：
A DNA序列某些片段完全相同； B 开放读码框〔ORF〕排列类似，如有长
外显子； C 开放读码框翻译成氨基酸序列的相似性； D 模拟多肽高级结构相似
1.3 试验分析
Northern 杂交确定DNA片段是表达 序列.
本卷须知： a 当某一基因的转录产物进行可变 剪接时，由于连接的外显子不同， 会产生好几条长度不一的杂交带;
反义表达载体
Nc o I Bst EII
35S pro
HbR
300bp p3301-HbR(11030bp)
通过同源性比较来预测mRNA的5’端，最常用的 与转录起始位点相关的数据库是真核启动子数据库 (The TRADAT Project , Eukaryotic Promoter Database, EPD. epd.unil.ch/ )。
G 外显子－内含子边界
外显子和内含子的边界有一些 明显的特征，
如:内含子的5‘端或称供体位 〔donor site〕常见的顺序为 5’－ AG↓GTTAAGT-3’；
3’端又称受体位〔acceptor site), 多为5‘PyPyPyPyPyPyCAG3’(“Py〞嘧啶核苷酸，T或C)；
H 上游控制顺序
第二讲 基因组序列诠释
问题
基因组序列所包含的全部遗传信息是什 么？
基因组作为一个整体如何行使其功能？ 用什么方法寻找基因，研究基因地功能
呢？
1. 寻找基因
1.1 根据开放读码框预测基因 A 起始密码子 ATG 第一个ATG的确定(依据Kozak规则);
Kozak规则是基于已知数据的统 计结果.
同源有如下几种情况：
A DNA序列某些片段完全相同； B 开放读码框〔ORF〕排列类似，如有长
外显子； C 开放读码框翻译成氨基酸序列的相似性； D 模拟多肽高级结构相似
1.3 试验分析
Northern 杂交确定DNA片段是表达 序列.
本卷须知： a 当某一基因的转录产物进行可变 剪接时，由于连接的外显子不同， 会产生好几条长度不一的杂交带;
反义表达载体
Nc o I Bst EII
35S pro
HbR
300bp p3301-HbR(11030bp)