分子生物学第11章+基因组与比较基因组学

第11章基因组与比较基因组学20世纪人类科技发展史上的三大创举90年代人类基因组计划40年代第一颗原子弹爆炸60年代人类首次登上月球•人类基因组计划•ＤＮＡ的鸟枪法序列分析技术•比较基因组学及功能基因组研究Contents一、人类基因组计划的启动1986年诺贝尔奖获得者R.Dulbecco（杜尔贝科）提出人类基因组计划——测出人类全套基因组的DNA碱基序列（3X109bp）第一节人类基因组计划1975年，获诺贝尔生理医学奖美国政府决定于1990年正式启动HGP，预计用15年时间，投入30亿美元，完成HGP。由国立卫生研究院和能源部共同组成“人类基因组研究所”逐渐地，HGP扩展为多国协作计划。参与者包括：英、日、法、德和中国（1993年）二、人类基因组计划的进展状况（1）截至1998年10月，完成1.8X108bp，占计划的6％。（2）完成一系列模式生物全基因组测定。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。（3）DNA测序技术飞速提高1998.5.9J.C.Venter等宣布，组建商业公司，投入3亿美元，3年内完成。接着又有若干家公司成立，总共投入资金约几十亿美元，形成“公”“私”并进格局2000.6完成并公布人类基因组工作框架图(90%)。二000年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯在介绍情况。人类基因组草图基本信息•由31.65亿bp组成•含3~3.5万基因•与蛋白质合成有关的基因占2%人类基因组人类蛋白质•61%与果蝇同源•43%与线虫同源•46%与酵母同源2000年6月公共领域测序计划工作框架图2000年12月美、英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱，这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。2001年2月16日人类基因组“精细图”完成，(99%),同时发表论文美国Science,Vol.291,No.5507英国Nature,Vol.409,p.860DAN测序胶图２００３年４月１４日，人类基因组序列图亦称“完成图”（99.99%），提前绘制成功。三、人类基因组计划的科学意义（1）确定人类基因组中约数万个编码基因的序列及其在基因组中的物理位置，研究基因的产物及其功能。（2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从整个基因组结构的宏观水平上理解基因转录与转录后调节。（3）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录“框架序列”的大小和组织，了解各种不同序列在形成染色体结构、DNA复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。（4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调节位置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。（5）发现与DNA复制、重组等有关的序列。DNA的忠实复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部DNA的推迟复制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类DNA正常复制和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构上的依据。（6）研究DNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。（7）确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列，研究其周围序列的性质。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。（8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、个体识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人类学的研究。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布与迁移以及人类与其他物种之间的比较。•以人类基因组和拟南芥基因组为例说明你对生物基因组全序测定工作的科学意义与社会意义的认识（8分）中国科学院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题遗传图谱转录图谱0.7cM或kb序列图谱物理图谱100kbSTSmap四张图：物理图、转录图遗传图、序列图四、HGP的主要任务１、遗传图（连锁图）指基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离。cM（基因或DAN片段在染色体交换过程中分离的频率）•多态性：人的DNA序列上平均每几百个碱基会出现一些变异（variation），并按照孟德尔遗传规律由亲代传给子代，从而在不同个体间表现出不同，因而被称为多态性（Polymorphism）。第一代多态性标记是RFLP（restrictionfragmentlengthpolymorphism，限制性片段长度多态性）第二代多态性标记是短的串联重复序列包括小卫星DNA和微卫星DNA，其多态性主要来自重复序列拷贝数的变化小卫星DNA—由15-65bp的基本单位串联重复而成，长度一般不超过20kb。重复次数（小卫星DNA区的长度）在人群中是高度变异的；按照孟德尔的规律遗传微卫星DNA/简短串联重复（STR、STRP或SSLP）重复单元2-8bp，通常重复10-60次CTAGCTTATATATATATATATATATATATAAGCTTGC•真核生物基因组中的DNA重复序列主要有哪些类型？简要说明基因组重复序列可能的生物学意义以及基因组重复序列在分子标记研究中的应用（12分）中国科学院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题第三代多态性标记是单核苷酸的多态性（singlenucleotidepolymorphism，SNP）SNP：是由于单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态。第一军医大学2003年分子生物学人类99．9％的基因密码是相同的，而差异不到0．1％，不同人群仅有140万个核苷酸差异。这些差异是由“单一核苷酸多样性”（SNP）产生的，它构成了不同个体的遗传基础。在整个基因组序列中，人与人之间的变异仅为万分之一，从而说明人类不同“种属”之间并没有本质上的区别。SNP与RFLP和STR标记的主要不同之处在于，它不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接以序列变异作为标记。2、物理图以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-taggedsite,STS）为“路标”，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。3、转录图以EST（expressedsequencetag，表达序列标签）为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。EST：通过从cDNA文库中随机挑选的克隆进行测序所获得的部分cDNA的5'或3'端序列称为表达序列标签（EST），一般长300-500bp左右。4、序列图（分子水平的物理图）序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也是最详尽的物理图。1m既包括可转录序列，也包括非转录序列，是转录序列、调节序列和功能未知序列的总和。2000年6月公共领域测序计划工作框架图第二节ＤＮＡ的鸟枪法序列分析技术一、ＤＮＡ的鸟枪法测序原理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2000年3月用“全基因组鸟枪法”获得果蝇全基因组序列。2000年6月公共领域测序计划工作框架图二、DNA的鸟枪法测序的主要步骤•第一，建立高度随机、插入片段大小为2kb左右的基因组文库。•第二，高效、大规模的末端测序。•第三，序列集合。•第四，填补缺口。Shotgun法序列拼接SequenceGap三、ＤＮＡ的鸟枪法测序的优缺点优点：速度快缺点：●随着所测基因组总量增大，所需测序的片段大量增加●高等真核生物（如人类）基因组中有大量重复序列，导致判断失误一、比较基因组学(ComparativeGenomics)概念：是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。第三节比较基因组学及功能基因组学研究物种完成年份总长度/Mp已完成总长的百分数/%占常染色质百分数/Mb基因数/Mb酵母19961293100483线虫19989699100197果蝇20001166497117拟南芥200011592100221人类第21染色体200034751007人类第22染色体199934709716人类全基因组(PublicSequence)20012693849012人类全基因组(CeleraSequence)200126548399-9315基本完成DNA序列分析的真核生物基因组比较二、功能基因组学研究1.概念：利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能。2.基因功能的研究方法（1）基因转导技术：导入细胞，观察功能。该方法用的最多，技术最成熟。（2）基因敲除技术（geneknockout)又称基因打靶（genetargeting）。这种技术是通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基因敲入），然后从整体观察实验动物，从而推测相应基因的功能。这种人为地把实验动物某一种有功能的基因完全缺失的技术称为基因敲除技术。