现代生命科学与生物技术-02基因组学

2020/2/181现代生物技术导论主讲人：黄磊天津理工大学化学化工学院2020/2/182基因组学2020/2/183本专题的主要内容：基因是什么？基因组是什么？人类基因组计划（HGP）是什么？后基因组时代的生命科学有哪些新的发展？2020/2/184一、什么是基因？1、基因的定义：基因的功能是什么？基因决定生物性状、生长、发育、代谢、衰老、生病、和免疫状态等。2020/2/185一、什么是基因？1、基因的定义：基因是携带有遗传信息的DNA序列。基因能编码某种特定的多肽链、tRNA、rRNA的DNA区段，是DNA上的功能单位。2020/2/186一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（1）DNA的本质及其组成：DNA的本质是脱氧核糖核苷酸。核酸脱氧核糖核苷酸脱氧戊糖碱基磷酸2020/2/187一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（2）DNA的碱基组成：共有4种腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)2020/2/188一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（3）DNA的一级结构：是指DNA分子中单核苷酸的连接方式和排列顺序。连接方式：磷酸二酯键排列顺序：方向性5…TCAGCATG…32020/2/189一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（4）DNA的二级结构：DNA双螺旋模型两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴形成右旋的双螺旋结构；碱基位于双螺旋的内侧，垂直于中心轴；磷酸和核糖在外侧，平行于中心轴；2020/2/1810一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（4）DNA的二级结构：DNA双螺旋模型每个碱基都与另一条链上的一个碱基配对，配对原则是：A=T，形成二个氢键；G≡C，形成三个氢键；2020/2/1811一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（4）DNA的二级结构：DNA双螺旋模型螺旋参数：每螺旋10对碱基，螺距为3.4nm；双螺旋直径为2.0nm。2020/2/1812一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（5）遗传信息的传递：遗传学中心法则遗传信息从当代传递给下一代：遗传信息在当代表现：2020/2/1813一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（5）遗传信息的传递：遗传学中心法则遗传信息从当代传递给下一代：DNA的复制：半保留复制ＤＮＡ复制2020/2/1814底物:dNTP(dATP、dGTP、dCTP、dTTP)聚合酶:DNA聚合酶(DNA聚合酶I、聚合酶III)模板:解开成单链的DNA母链引物:提供3‘-OH末端的寡核苷酸（RNA）其他酶和蛋白质因子:拓扑异构酶、解螺旋酶、单链DNA结合蛋白、引物酶、连接酶2020/2/1815DNA复制起始过程拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物DNA双链′5′3′5′32020/2/1816拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物拓扑异构酶与DNA双链结合，解开超螺旋。′5′3′5′32020/2/1817拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物解链酶解开DNA双螺旋′5′3′5′32020/2/1818拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物单链结合蛋白防止复螺旋′5′3′5′32020/2/1819拓扑异构酶解链酶单链结合蛋白DNA聚合酶引物酶及引发体DNA连接酶引物引物酶合成引物′5′3′5′32020/2/1820三、复制的半不连续性semi-discontinuousreplication35领头链/前导链(leadingstrand)随从链/滞后链(laggingstrand)DNA两条链都可作模板DNA链合成方向：5353解链方向冈崎片段okazakifragment2020/2/1821冈崎片段冈崎用电子显微镜看到了DNA复制过程中出现一些不连续片段，这些不连续片段只存在于DNA复制叉上其中的一股。后来就把这些不连续的片段称为冈崎片段。2020/2/18225’3’复制叉的移动方向ATPADP＋PiDNA拓扑异构酶解旋酶SSB引物体RNA引物DNA聚合酶III复合物DNA聚合酶III在RNA引物上开始作用DNA聚合酶IRNA引物的去处和被脱氧核苷酸取代被DNA连接酶拼接3’5’3’5’前导链后随链SSB复制2009年诺贝尔生理或医学奖2020/2/18232020/2/1824一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（5）遗传信息的传递：遗传学中心法则遗传信息在当代表现：DNA→RNA：转录2020/2/1825一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（5）遗传信息的传递：遗传学中心法则遗传信息在当代表现：mRNA→蛋白质：翻译蛋白质的合成除了需要mRNA以外，还需要tRNA和rRNA的参与。2020/2/1826tRNA局部为双链的三叶草结构在3′和5′端相反一端的环上具有由3个核苷酸组成的反密码子。tRNA起识别密码子和携带相应氨基酸的作用2020/2/1827遗传密码子1966年，Nirenberg和Khorana破译遗传密码，1968年获诺贝尔奖。三联密码子：mRNA分子中每三个核苷酸序列决定一个氨基酸。共64个遗传密码子，61个负责20种氨基酸翻译，3个无义密码子。2020/2/1828rRNArRNA和蛋白质共同组成的复合体就是核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体的大小亚基在行使翻译功能即肽链合成时聚合成整体。核糖体上具有附着mRNA模板链的位置，还有两个tRNA附着的位置，分别称为A位和P位。2020/2/1829翻译2009年诺贝尔化学奖2020/2/1830一、什么是基因？2、基因的载体－DNA（5）DNA的复制、转录和翻译：遗传学中心法则：DNA复制转录RNA逆转录翻译蛋白质调控调控2020/2/1831二、什么是基因组？基因组的定义:（1）基因组：基因组是指一种生物体或个体细胞所具有的一套完整的基因及其调控序列。2020/2/1832二、什么是基因组？（2）基因组的特点:原核生物基因组：真核生物基因组：2020/2/1833二、什么是基因组？（2）基因组的特点:原核生物基因组：1）原核生物的基因组比较小，大小为106bp左右.物种基因数基因组大小（Mb）真细菌初级内共生菌德氏乳杆菌嗜热链球菌结核分枝杆菌大肠杆菌苏云金芽孢杆菌农杆菌恶臭假单胞菌天蓝色链霉菌纤维堆囊菌2131688179342374384534354365446824097030.1601.8651.9784.4044.6465.2775.6506.1829.08713.034古细菌骑行纳古菌甲烷八叠球古菌58034360.4904.1002020/2/1835二、什么是基因组？（2）基因组的特点:原核生物基因组：2）一般含有一条染色体，呈环状，具有单个复制起始位点（ORI）。2020/2/1836二、什么是基因组？（2）基因组的特点:原核生物基因组：3）原核DNA分子的绝大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不转录；2020/2/1837二、什么是基因组？（2）基因组的特点:原核生物基因组：4）原核生物DNA序列中与功能相关的RNA和蛋白质基因往往聚集在基因组的一个或几个特定部位，形成一功能单位或转录单元－操纵子。ipoZYA结构基因调节基因操纵位点操纵子2020/2/1838二、什么是基因组？（2）基因组的特点:真核生物基因组：分子量大：107～1011bp，比原核大10倍以上；具有多条染色体；物种染色体数基因组大小（Mb）真菌棉阿舒囊霉酿酒酵母7168.7412.1原生动物单细胞红藻恶性疟原虫20141623无脊椎动物秀丽隐杆线虫黑腹果蝇64100180脊椎动物人类家鼠232032003300植物拟南芥水稻512119.24302020/2/1840二、什么是基因组？（2）基因组的特点:真核生物基因组：基因组DNA大量为非编码序列，有大量重复序列；2020/2/1841二、什么是基因组？（2）基因组的特点:真核生物基因组：多数基因含有内含子，基因编码区是不连续的；具有多个复制起始位点（ORI）；2020/2/1842三、什么是人类基因组计划(HGP)？1、HGP概述：人类科学史上的三大工程阿波罗登月计划1961-1972人类基因组计划曼哈顿原子弹计划1942-19452020/2/1843诺贝尔奖获得者RenatoDulbecco于1986年发表短文《肿瘤研究的转折点：人类基因组测序》（Science,231:1055－1056）。文中指出：如果我们想更多地了解肿瘤，我们从现在起必须关注细胞的基因组。……从哪个物种着手努力？如果我们想理解人类肿瘤，那就应从人类开始。……人类肿瘤研究将因对DNA的详细知识而得到巨大推动。”2、HGP的诞生2020/2/1844为什么选择人类的基因组进行研究？•人类是在“进化”历程上最高级的生物•认识自身•掌握生老病死规律•疾病的诊断和治疗•了解生命的起源•在人类基因组计划中，包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。2、HGP的诞生2020/2/18452、HGP的诞生1985年6月，在美国加州举行了一次会议，美国能源部提出了“人类基因组计划”的初步草案。1986年6月，在新墨西哥州讨论了这一计划的可行性。随后美国能源部宣布实施这一草案。1987年初，美国能源部与国家医学研究院（NIH）为“人类基因组计划”下拨了启动经费约550万美元，1987年总额近1.66亿美元。同时，美国开始筹建人类基因组计划实验室。2020/2/18462、HGP的诞生1989年美国成立“国家人类基因组研究中心”。诺贝尔奖金获得者J.Waston出任第一任主任。1990年，历经5年辩论之后，美国国会批准美国的“人类基因组计划”于10月1日正式启动。美国的人类基因组计划总体规划是：拟在15年内至少投入30亿美元，进行对人类全基因组的分析。2020/2/18473、HGP的目标：是测定基因组的全部序列，弄清整个基因组的的结构、功能及其表达产物，彻底了解人类生命活动本质。2020/2/18484、HGP的研究内容：四张图：物理图转录图遗传图序列图2020/2/18494、HGP的研究内容：遗传图(又称连锁图谱):它是以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离为图距的基因组图。2020/2/18504、HGP的研究内容：物理图谱（physicalmap）:是指有关构成基因组的全部基因的排列和间距的信息，它是通过对构成基因组的DNA分子进行测定而绘制的。2020/2/18514、HGP的研究内容：转录图：转录图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。2020/2/18524、HGP的研究内容：序列图：随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之重的工作。DNA序列分析技术是一个包括制备DNA片段化及碱基分析、DNA信息翻译的多阶段的过程。通过测序得到基因组的序列图谱。2020/2/18535、HGP的参与国：美国：WASH＆MIT等研究中心，贡献率为54％；英国：SANGER等研究中心，贡献率为33％；日本：RIKEN等研究中心，贡献率为7％；法国：GENOSCOPE研究中心，贡献率为2.8％；德国：IMB等研究中心，贡献率为2.2％；中国：北京华大研究中心、国家南北方基因研究中心等三家，贡献率为1％；2020/2/18546、HGP的进展：1999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。2020/2/18557、非营利研究机构和生物技术公司的竞争：塞莱拉基因组有限公司（CeleraGenomics）英国韦尔科姆基金会……..2020/2/18568、HGP的完成：2000年6月26日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成。2020/2/18578、HGP的完成：2001年2月，世界最权威的两个杂志《Nat