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1人类基因组计划授课人:张丽姝2主要内容•一、基因组•二、人类基因组计划–HGP简介–HGP的主要任务–HGP对人类的重要意义–我国对人类基因组计划的贡献–基因组计划所带来的问题–后基因组时代3一、基因组(genome)•基因组:细胞或生物体中,所有遗传信息的总和•人类基因组:核基因组+线粒体基因组•1-22号常染色体,X、Y染色体上遗传信息的总和。4真核生物基因组的特点•真核生物基因组远大于原核生物基因组–大肠杆菌的基因组4000kb–人类基因组约30亿个碱基对,估计编码3万个基因•基因组DNA与蛋白质形成染色体,储存于细胞核内•真核生物的转录产物一般为单顺反子•真核生物的大部分基因有内含子•真核基因组含少量单一顺序和大量重复顺序。•真核生物的基因组中存在一些可移动的DNA元素•真核生物除了核染色体以外,还存在细胞器DNA5真核生物DNA的主要类型•根据功能•基因DNA:可以表达的DNA•调节DNA:调节基因表达(如启动子、增强子)或调节DNA的功能(复制起始区等)•间隔DNA:内含子和分隔基因的DNA•简单顺序DNA:靠近着丝粒,端粒等位置的高度重复DNA,有些在染色体的功能中发挥作用•无用DNA:没有确切功能的DNA6DNA缠绕成的染色体末端,有称做端粒(telomere)的区域。对外:抵御核酸酶等外界对内:染色体DNA的因素的袭击末端复制问题端粒:保护染色体结构和功能的完整性染色体1978年首次发现四膜虫端粒的分子组成:端粒染色体DNA端粒n(CCCCAA)n(GGGGTT)3’5’(TTGGGG)n(AACCCC)nn(CCCTAA)n(GGGATT)3’5’(TTAGGG)n(AATCCC)n人端粒的分子组成:端粒帽染色体DNA端粒帽n(CCCCAA)(TTGGGG)nn(GGGGTT)(AACCCC)n3’5’端粒结合蛋白保护端粒不受核酸酶或化学修饰的作用一般是紧密的非共价键结合3’5’5’3’RNA引物水解端粒染色体DNA端粒端粒随着细胞分裂每次变短,短到某个程度,细胞将不再分裂。人的一生中,细胞大约能分裂50~60次。11•根据含量•单一顺序DNA(出现1次或很少次)–鸡溶菌酶基因,1个–果蝇有4个α微管蛋白和4个β微管蛋白•中等重复顺序DNA(10-104拷贝)–rRNA、tRNA、组蛋白串连重复基因–简单顺序DNA,5-10bp的串连重复•高度重复顺序(104-106拷贝)–Alu顺序,约300bp,106拷贝,现认为无功能12串连重复序列与身份识别•DNA指纹•可变数目串联重复序列(VNTR):–DNA重复序列(一般6-12bp),以串连的形式重复多次(几十次)•短串连重复顺序(STR)–2-6个核苷酸的重复,以串连的形式重复多次(几十次)•特点–重复的次数具有多态性,即因人而不同–高频率,即遍布基因组•可用于人的身份识别13VNTR和STR用于个体识别的原理14二、人类基因组计划•HGP(HumanGenomeProjects)简介•HGP的主要任务•HGP对人类的重要意义•我国对人类基因组计划的贡献•基因组计划所带来的问题•后基因组时代151、HGP简介•人类基因组计划是由美国科学家于1985年率先提出、于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一计划。•其核心内容是构建DNA序列图,即分析人类基因组DNA分子的基本成分及碱基的排列顺序,绘制成序列图。16曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划人类基因组计划17基因组计划产生的背景•基因的重要性逐渐得到了认识–不仅疾病与基因有关,人类的生存、出生、生长都与基因有关,都与DNA的序列有关。•寻找复杂疾病基因的进程缓慢•测序技术,基因操作技术日渐成熟18HGP的诞生•1984年12月犹他大学的魏特受美国能源部的委托,主持召开了一个小型会议,讨论DNA重组技术的发展及测定人类整个基因组的DNA序列的意义。•1986年3月,杜伯克(RenatoDulbecco1975年诺贝尔奖得主)–《癌症研究的转折点:测序人类基因组》,提出正确的选择是对人类基因组进行全测序,这样大的项目也应当由世界各国的科学家携手完成。•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。19总体规划•1990年,美国国会批准美国的“人类基因组计划”在10月1日正式启动。其总体规划是准备在15年内至少投入30亿美元,进行对人类的基因组分析。•1993年,美国对这一计划做了修订:–人类基因组的基因图的构建与序列分析;–人类基因的鉴定;–基因组研究技术的建立;–建立相应的数据库和信息系统–研究此计划可能带来的人种,伦理及社会问题–对一些模式生物的遗传组成进行研究,为分析人类基因组奠定基础20酵母大肠杆菌果蝇线虫小鼠模式生物21•1993年,科林斯(FrancisCollins)接替第一任主任沃森,担任美国国立卫生研究院人类基因组计划项目的负责人•中国、德国、法国、日本、英国与美国6个国家的16个中心组成国际协作组。•一直是美国乃至世界新闻媒体的报道热点22•2001年1、2月,HGP和美国塞莱拉(CeleraGenomics)公司将各自测定的人类基因组工作框架图分别发表在Nature和Science上,这表明人类基因组计划(HGP)进入了一个展新的阶段。•2003年4月14日,人类基因组计划最终完成,比原计划提前了2年232、HGP的主要任务•遗传图谱•物理图谱•转录图谱•序列图谱24遗传图谱•遗传图谱(geneticmap)又称连锁图谱(linkagemap),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。–遗传学距离:在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、重组的百分率,1%的重组率称为1cM)2526物理图谱•物理图谱(physicalmap)以一段已知核苷酸序列的DNA片段(sequencetaggedsite,序列标记部位STS)为路标,以Mb或kb为图距的基因组图•1996年10月,已建立了22000个STS的物理图,x染色体的物理图的平均分辨率已经达75kb27基因转录图谱•转录图谱,或称cDNA图,即在基因组上确定与已知mRNA相对应的DNA顺序位置。–表达序列标签:分离到的cDNA片断28序列图谱–最终目标•完成人类基因组3×109的核苷酸顺序图,也是最高层次和最详尽的物理图29HGP数据资源30染色体1,2.47×108bp31染色体1,0-3860kb32染色体1,0-60kb3334大规模测序基本策略•逐个克隆法:对连续克隆系中排定的BAC克隆逐个进行亚克隆测序并进行组装(公共领域测序计划)–细菌人工染色体容量300kb–酵母人工染色体200kb-2Mb–噬菌体几十Kb•全基因组鸟枪法:在一定作图信息基础上,绕过大片段连续克隆系的构建而直接将基因组分解成小片段随机测序,利用超级计算机进行组装(美国Celera公司)35全基因组鸟枪法:逐个克隆法36shotgun鸟枪法•DNA的提取和纯化•将DNA用超声波切成能够测序的小片断•克隆到相应的载体中•在细菌中扩增•测序:上测序仪测序37序列拼接38拼接错误:Repeat的存在39大规模基因组测序Megabace测序仪3700测序仪40运用计算机软件进行序列拼接413、HGP对人类的重要意义•HGP对医学的影响–发现新的致病基因–发展一些复杂疾病的早期基因诊断方法42•HGP对制药业的影响–筛选新的药物靶点–生产新的基因工程药物–分析药理过程–个体化的药物治疗:药物基因组学43•HGP对社会经济的重要影响•生物产业与信息产业是一个国家的两大经济支柱–转基因植物–转基因动物–农业生物技术、环境生物技术,酶工程、细胞工程、组织工程•人类基因组的研究将促进生命科学与信息科学相结合,刺激相关学科的发展。444、我国对人类基因组计划的贡献•1994年,我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动,最初由国家自然科学基金委和863高科技计划的支持下,先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”;•1998年在国家科技部的领导和牵线下,1998年在上海成立了南方基因中心;•1999年在北京成立了北方人类基因组中心;•1999年7月,中国科学院遗传研究所人类基因组中心注册参与国际人类基因组计划,45人类基因组1%测序计划•1999年9月1日:国际协作组接受了我国的申请,为我国划定了工作区域。我国承担的工作区域,位于人类3号染色体短臂上。由于该区域约占人类整个基因组的1%,因此简称“1%项目”。•1999年11月12日:科技部中国生物工程开发中心、中科院生命科学和生物技术局、“863”计划生物领域专家委员会召开“参加国际人类基因组计划并完成1%基因组测序工作”专家讨论会,决定“863”计划出资3000万元,中科院出资1000万元;46国际人类基因组测序任务分配情况6/1-8/31/99NoCenterRegionSize(Mb)ActualKGenbankKrProjectedKr4/1-11/30/99ProjAccum.Mr.4/99-3/001SangerCentre1,6,9,10,13,20,22,X85013009414200122WIBR(ClonesfromWashU)837296290083WashU2,3,4,7,11,15,18,Y90086555923007.94JGI5,16,1925068746121006.45Baylor1,2,3,X2304622616603.16Riken21,18,11q1601361955202.17IMB8,21,X50180321801.58GenoscopeMostof14851001183001.49U.Wash(Olson)10Beijing3p3012.512.51000.511GTC(Smith)105051500.4512MPIMG17,21,X6.94012400.313GBF21,regof96500.314Stanford(Davis)8231370.2915Keio2,6,8,22,213011751100.2316U.Wash(HoodLAB)14,15267127400.17Total2671Mb4663Kr2950Kr13687Kr32.64Mr47481%项目的意义•改变了国际人类基因组研究的格局,提高了人类基因国际合作的形象,受到了国际同行,特别是参与“人类基因组计划”的各个中心以及发展中国家的欢迎和称颂。49•“1%项目”,使我国理所当然地分享“人类基因组计划”的全部成果与数据、资源与技术,拥有有关事务的发言权。•建立了我国自己的、接近世界水平的基因组研究实力。50遗传病基因克隆重大突破夏家辉教授实验室1998年克隆了高频耳聋疾病基因512001年上海和北京科学家发现遗传性乳光牙本质II型基因52又一次成功!——水稻基因研究2002,4,5:以杨焕明为首的中国科学家在Science发表了水稻全基因组框架序列图。535、HGP所带来的问题54基因资源的争夺•基因是有限的资源•对基因的占有方式是“基因专利”•基因专利的商业价值?–促红细胞生成素EPO:美国Amgen公司依赖EPO基因专利的开发应用。从一个濒临破产的企业成为美国生物工程医药领域的领头羊,其EPO1998年的销售收入达到13.6亿美元,而EPO的全球市场现已达到34亿美元的销售额。–1997年,Amgen公司将FKBP神经免疫因子配体转让给Guilford公司,交易额高达3.92亿美元55•1998年,PE公司投资3亿美元组建赛莱拉(celera)公司,号称要在3年内用最新的测序仪和新的方法完成人类基因组计划的全部序列,并申请专利。–“速度就是一切,发现不能等待”。•“人类基因组计划”的所有资助者、所有参与的实验室,都一致同意并许诺:“人类基因组计划”的数据,应该“平等、免费”分享,并签订了“百慕大原则”:所有数据都应
本文标题:人类的基因组计划
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