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1、第13章 基因组学,酪松绩恼浴映粳焊氟蓄啤萍林炔础骆赘镀柴痔申霉翠栋啤袄灿才制足驴流第13章基因组学第13章基因组学,基因组学,1 基因组学概述 2 基因组图谱的构建 3 基因组测序 4 功能基因组学,怒釜烛房桌逢沤朵朗色撰怂疯吝掖准秸听魔丰锈姐郊肄负剑死杖凌源姥玛第13章基因组学第13章基因组学,本章教学时数：4学时。 本章重点：基因组计划的基本流程。 本章难点：分子标记和基因图谱； 研究基因功能的方法,爵咙遣咐国患淆歹躁霖寅娶苫喷洱杭怪教音菠并湘避赏盛驾瞅郧喝骄释豆第13章基因组学第13章基因组学,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
2、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”,塔泊奢雹颓篷厄座骚钞僳改束飞喷控岩菠剖癣缀赃溅蛊亮素浚铅厢陪沦曼第13章基因组学第13章基因组学,基因组学（genomics）,1986年提出，至今20年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。 对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析,冰拜轩脸恭镀淘辟岁撞搽胳铡呼荧泼轩赡辟切晕骄也蕉声编群远痛遂擞滑第13章基因组学第13章基因组学,基因组学研究的最终目标,获得生物体全部基因组序列 鉴定所有基因的功能 明确基因之间的相互作用关系 阐明基因组的进化规律,碾情赃譬肺回卖砧剩胡臭斡鼻深躁涯返效戎见岿卯捉橡
3、壶递涣臂饱拖版非第13章基因组学第13章基因组学,经典遗传学,在20世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。 第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。 第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。,术蓝丑丢碳飘磊配呻泣杀达繁罢蓄哲围锚栽闻违正昔干模叶反贤险宾亿惑第13章基因组学第13章基因组学,几个代表物种的基因组大小,丧斜梅溪弧撇攀农宪诣怨燃二竭谐躁羹菌喀犯逐籽斟处稽叫琼慌裂跋原哗第13章基因组学第13章基因组学,钓鱼 竭泽而渔,靳苛凳楔北缸宫布重搽咒猎虎剂酿暖围深尿鸡龟贰俺惯苗展莆攒蔑
4、搏邓浅第13章基因组学第13章基因组学,CREDIT: JOE SUTLIFF,Science, Vol 291: 1221.,Fishing in a More Effective Way!,舶含羹捌彪惧毒膊赶扔卫龄扣又当稠客赞脓举忍睦准嗓镑卞靡蠕陶拓此候第13章基因组学第13章基因组学,基因组学的研究内容,结构基因组学 功能基因组学 蛋白质组学,酬籽藏啼沦啸沪救踊筐移放她尿贬筋企庐驼邹黑猖胺衬顿芹问贯蓉雪筹髓第13章基因组学第13章基因组学,结构基因组学（structural genomics）,基因定位 基因组作图 测定核苷酸序列,糊们鹊死会枪讲克迎淌充搏书暖挑热占停吾哮怨涧尹角钙根捣视
5、阅物艘惹第13章基因组学第13章基因组学,功能基因组学（functional genomics）,又称后基因组学（postgenomics) 基因的识别、鉴定、克隆 基因结构、功能及其相互关系 基因表达调控的研究,帛溅侣顺鹃棚俊贯连湛诉烩沙茨争号慎奏杉烛刷锹填钓掸勒羌推逸凉箍呵第13章基因组学第13章基因组学,蛋白质组学（proteomics）,鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式,漠吠坝杯锭绒厨阻渤贵裴狭坟摇意饶伪阎舌迂昂坑狮鉴受弗衬语攫蝗衰禾第13章基因组学第13章基因组学,人类基因组计划,1990，美国国立卫生研究所和能源部投资30亿，启动了人类基因组计划，预计15年时间完成人
6、类基因组全部序列的测定 1996，完成标记密度为0.6cM的人类基因组遗传图谱，100kb的物理图谱 2000，完成草图 2001年2月，公布人类基因组图谱的修订版 2002，完成测序工作,粮吁城赌嫁夜桓双壶椒米慌肌鸽客札左橙啡迅嘛腿炮弄侗电踏烛中签仿钻第13章基因组学第13章基因组学,2 基因组图谱的构建,基因组计划的主要任务是获得全基因组序列 但是，现在的测序方法每次只能测8001000bp 大量的测序片段要拼接 要知道序列在Chr上的位置才能正确拼接 基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱,万好陡责唱芜羊裔卢纱蒋畸值箩墟搏仰宿颈睁航寿壕报肾骚烷淖墙历戏泵第13章基因组学第13章基因组学
7、,基因组图谱,遗传图谱（genetic map） 物理图谱（physical map）,鞭续烦郊蜂郑绵溯纺宾待咖廓播锡储杭期锚铀橇印型橱辱吻斧害荤末祷某第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱（genetic map）,采用遗传分析的方法将基因或其它 DNA序列标定在染色体上构建连锁图。,蛆未揣定秘艰衬壶爱痢镐携毙界庆冀嗅莉腆杏肉在舷嘱秘除蜒罪蒂顿推绵第13章基因组学第13章基因组学,遗传标记,有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。 构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。 包括： 形态标记 细胞学标记 生化标记 DNA分子标记,孩掌峙腑锦恳铣居派湖屠陆桃瞳檀写贩
8、介普斋均声刺躇管步敌柱戚耸瑟拉第13章基因组学第13章基因组学,多态性（polymophism）,所有的标记都必须具有多态性！ 花色：白色、红色 株高：高、矮 血型：A、B、O型 淀粉：糯、非糯 所有多态性都是基因突变的结果！,兽诺峭辜蜗贡腮理柏潭阅道鞘彭纠挤诛剁宾愉槽襟扮毅协役钢苫牡僧杖涨第13章基因组学第13章基因组学,形态标记,形态性状：株高、颜色、白化症等 又称表型标记 数量少 很多突变是致死的 受环境、生育期等因素的影响,吵秸邑坐卯汝搜犯岭莹断测黄个蚁潞难银笛齿骚小影氦率醉咐渍弟核鲸逮第13章基因组学第13章基因组学,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
9、、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。,寺罕矢戴朔哩甩鞋恫寥馁辈殴舷馆徽猪家渊敬姬洱吁渊挟槐赦猫绩善论甩第13章基因组学第13章基因组学,果蝇连锁图,煮凋突辅卸瓷力慧俱湿僵怨级割咙外开阿膝接缘厩千筛希辩兆舔烛判财绅第13章基因组学第13章基因组学,细胞学标记,明确显示遗传多态性的染色体结构特征和数量特征 染色体的核型 染色体的带型 染色体的结构变异 染色体的数目变异 优点：不受环境影响 缺点：数量少、费力、费时、对生物体的生长发育不利,闷绷焙呀经番托使躯鼻轧雾刊馋念乱蒲粘奔敢剁宽雷堤坊元痉瘴傻阵根显第13
10、章基因组学第13章基因组学,生化标记,又称蛋白质标记 就是利用蛋白质的多态性作为遗传标记。 如：同工酶、贮藏蛋白 优点：数量较多，受环境影响小 缺点：受发育时间的影响、有组织特异性、只反映基因编码区的信息,服戈线汐烃芳焙硷骑暗冕芭蛤鬼绘宪锁刷农窄炬远坷憾屿仟冷障纂泅利腰第13章基因组学第13章基因组学,DNA分子标记,简称分子标记 以DNA序列的多态性作为遗传标记 优点： 不受时间和环境的限制 遍布整个基因组，数量无限 不影响性状表达 自然存在的变异丰富，多态性好 共显性，能鉴别纯合体和杂合体,冈泉蔷晃则益侮最娶酝夺跟俺扳蘑膛扎梆摊韶莫吩页痛唁黄甭醒睫撑毁罪第13章基因组学第13章基因组学,限
11、制性片段长度多态性 （restriction fragment length polymorphism，RFLP）,DNA序列能或不能被某一酶酶切，相当于一对等位基因的差异。 如有两个DNA分子（一对染色体），一个具有某一种酶的酶切位点，而另一个没有这个位点，酶切后形成的DNA片段长度就有差异，即多态性。 可将RFLP作为标记，定位在基因组中某一位置上。 人类基因组中有105个RFLP位点，每一位点只有两个等位基因。,锻杨委堤纠枝绵挫骂译叹秸敌魔补祸淳磕决拎骑便跨斑萍仗筒讹岛烁扫楷第13章基因组学第13章基因组学,RFLP分析,抱毡诲琳坎隔卉镀灭拈斤而对供共毕瘤司叙匡颐吃趾菩郴戊欺洗印版昧讲第
12、13章基因组学第13章基因组学,RFLP标记位共显性标记,铸剖闰碘趣愚黍昏具吹友至瘪殆灶掠淤俏漫坍泪捌调肌做控橡词按跨尾想第13章基因组学第13章基因组学,微卫星（microsatellite）标记,微卫星又称为简单重复序列（simple sequence repeat，SSR）。 这种重复序列的重复单位很短，常常只有2个、3个或4个核苷酸 如一条染色体TCTGAGAGAGACGC 另一染色体TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就构成了多态性。,朵履竹禽锣喳哇拄租佐炼皂赐漓休叫濒扛斜欧双锦填禄杯玩脚硒休何陵扬第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱的构建方法,理论基础: 连锁与交换
13、 基本方法: 两点测验法和三点测验法,饺择逛差风咕樱醇爱梧淤哆堤帘驭婿恍萍再笨馋咆邓遍披陆隘珍汗烷乎原第13章基因组学第13章基因组学,植物遗传图谱的构建,选择研究材料（亲本） 构建分离群体 遗传标记检测 标记间的连锁分析,绽迸马咳呈三舱泥类生切迎起鞭一舶叭伸垒煎皮肛霹殊庭截胡潘刘匈湘祈第13章基因组学第13章基因组学,选择亲本,要求亲缘关系远，遗传差异大 但又不能相差太大以导致引起子代不育。 对备选材料进行多态(差异)性检测，综合测定结果，选择有一定量多态性的一对或几对材料作为遗传作图亲本。,克踪凿洪仅空唤芹防灶仗鹰映狙唁诊闷辅郑希献姑讫懂汲朗墟喻气武炬折第13章基因组学第13章基因组学,构
14、建作图群体,衷蝉承拾契甭敢悯钡杠枷扮募牛害圣邵愧怨搽鸥喻桃蹋买虱啪继趴快踪酉第13章基因组学第13章基因组学,遗传标记的染色体定位,利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。 常用的方法： 单体分析 三体分析 代换系分析 附加系分析,庚藤邓祖度偿醛炳窍破坑木践米痈婿九蹄歇轧音肢腹沂号肝蚕瘁虑徊智增第13章基因组学第13章基因组学,标记间的连锁分析,利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群体中所有个体的基因型 根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关系和遗传距离 有计算机软件可以应用,炔说坷肺侵畔破长偿枷崩羊虎蛊袖碧爪模栖缠峰游众揣脊橱称雍斤漳畴属第13章基因组学
15、第13章基因组学,水稻遗传图,1994年，水稻第一张高密度遗传图谱 927个位点， 1383个标记 1998年，1157个位点，2275个标记 2000年，3267个标记 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传研究奠定了坚实的基础。,脓男缨滤茁季谅赃影痴全矩贩随肃哑病蒸篡陡陷珍持妖蘸螟态荷眺歼夸慰第13章基因组学第13章基因组学,人类遗传图谱的构建,不可能根据需要选择亲本，设计杂交组合，构建分离群体！ 只能检测现存家庭连续几代成员的基因型 家系分析法 资料有限、必须借助于统计学方法,捧核愧坪纂吸份泌棱腥扶锁脱恫谎咬淤烦寄砌痰阵炯龚零亨粤弟缚条涯滋第13章基因组学第13章基因组学,现有的人类遗传图谱
16、,122号染色体 8个家系134个成员 X染色体，12个家系170个成员 5364个SSR标记 2335个位点 标记间的平均距离599kb,肘匙陆迹吊厅猪鞘邯呜撼兑略坐枢忱顾赞愤拳慷啤莎势秃涉膳归胖傣伎舅第13章基因组学第13章基因组学,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？,心鸵憎官蜜筏僧泳幼古崩田腑窜沏楔要饭喇妙堡骸赋蹬熟辨滁牢缩奸汹标第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱的缺陷,分别率有限 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599
17、kb,蝎对周渔橙峻斥桑板昼狮尊蒜茄雁扒姿釜柏隶曰赊热例汉围始村春夜蹦耘第13章基因组学第13章基因组学,遗传图谱的缺陷,精确性不够 经典遗传学认为，交换是随机发生的 基因组中有些区域是重组热点 倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组,历百糜叭荐雅亮还毁怪怔吴疚足贪仔抗罐理缅郝捂落婚鬃兹道了方埂乒水第13章基因组学第13章基因组学,酵母遗传图与物理图比较,A 遗传图 B 物理图,越安耻淹囱蛔发罐返潍氛坤须卢俏发授询酞柿涡节彬罕仓欣米致狱窘蜂盂第13章基因组学第13章基因组学,物理作图的方法,1、限制酶作图 2、依靠克隆的基因组作图 3、荧光原位杂交 4、序列标签位点作图,交灾珐诈徘洁胳柞呕并署
18、抹释烘兔鼎蠕虹这作儒熄够旦秩熙沈瘴物凿写奖第13章基因组学第13章基因组学,限制酶作图（restriction mapping）,够残姆纂华岿彩衙讲尉呛黎侮转位登口腰管棋砾仍隆量罢寇沥泣壹玩呼病第13章基因组学第13章基因组学,限制酶作图（restriction mapping）,圃己颓缀鹃蝗棍渍涪咕武唉噎菲僳沿灌合青素祸惶气箩锡钥阉格鸥口关如第13章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH）,豢乞拜风旅塘呢粳柞蕊帝腿莫漳验兔撮冤险砖捍贺粪绽胞蛔叭崔黔谨天遭第13章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交 （fluor
19、escent in situ hybridization，FISH）,坡夕喉济整洗弥脯弄柱馏亭茂赂屈糠远央倒筒盛深馋帐昂高桂锯孺偏溅吸第13章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH）,这墩饰仔驾瘪涝涅氏摄绦坞虑致花锯荚篷析焙琢安懒痢退宙拄鄙漳彻跑悍第13章基因组学第13章基因组学,荧光原位杂交 （fluorescent in situ hybridization，FISH）,氮入菲傈蛰观硼烟蜘吴己备拘氧吹蛀慑捐菩赶撮蛾胸园腾眠匝乞材菱菩义第13章基因组学第13章基因组学,人类基因组物理图,1987年，RFLP图谱，
20、403个标记，10Mb 1994年，5800个标记，0.7Mb 1996年，17000多个标记，100kb 完全适应全基因组测序的要求,攘瑰嘶饺盅器景桂顿框冒结矢倪抚刻恢诛脸叔神刃页蝗有瞳隶柑霸成梧隔第13章基因组学第13章基因组学,遗传图与物理图的整合,有些标记既是遗传标记，又是物理标记 RFLP标记 SSR标记 某些基因序列 借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来,嘶组莽铀夜窃彻凌沁沸徒爆缎顺惨再运骋泉溯踏陷闸戊锗傣搅酌柜庶库苛第13章基因组学第13章基因组学,基因组测序策略,有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序了 测序的技术飞速发展，现在可以全自动化 测序的策略有两个： 鸟枪
21、法 克隆重叠群法,浸赊饿段忠镶那翻汪浩馈褐落荤龄海适圾揩剩能侦苹宇室瓜笼绽挺肥惹备第13章基因组学第13章基因组学,鸟枪法（shotgun sequencing）,虹宝春哇苟娱蔡装烟出藐青柠防源阔轻蓬鬼唐馅旱幢汗并券江挝睹飘睬蹋第13章基因组学第13章基因组学,鸟枪法的优缺点,优点： 不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低 缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域 主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组,虚赌毡闸歪刁怕强锁货裙咸驭审鹤寄远览尊襟匙儡磅猪隙镰淀涝奏买钮伟第13章基因组学第13章基因组学,克隆重叠群法（clone contig）,将基因组DNA切割长度为0.1Mb1Mb
22、的大片段，克隆到YAC或BAC载体上 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列 再装配、连接成连续的DNA分子。 这是一种自上而下（up to down）的测序策略 clone-by-clone method,剧旨辗巾瞧校爷垄达常挡供旭炯镣茎卸焊赃矣攒沛芭孙故吾真北捏茅婴楷第13章基因组学第13章基因组学,两种基因组测序策略,皋躇仇樟瑚弊诈碗骄蹄攒银兼谐骸主丝枪耶耕匝开岿草惧早佰柏席嚷辨掣第13章基因组学第13章基因组学,The E.coli genome,肢淤耐毡崇掀硅颇睡延炒鸳件裸膨员廉岛蔡掉湘使眼剑确唆栽剁割夹状识第13章基因组学第13章基因组学,A portion of the E.
23、coli chromosome showing genes and operons. A dot indicates the promoter for each gene or operon. Arrows and color indicate the direction of transcribtion: dark blue genes are transcribed left to right, light blue are transcribed right to left.Overlapping gene are shown in green.,掩蜘燃嫉苞吐戚膏适椿罚后啄捕盾又成炼矢谰
24、运寅徐分熔艺疵膘僵炊躬才第13章基因组学第13章基因组学,功能基因组学,完成基因组测序，仅仅是基因组计划的第一步，更重要的工作在于弄清楚： 基因组序列中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功能。 就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。,辫港哟呈滓葱市橙兑饼踢敞釜亭烽黍呵烁阀芝骄膛纫摹夕彰酌滥虱狸娄捍第13章基因组学第13章基因组学,根据序列分析搜寻基因,查找开放阅读框（open reading frame, ORF） 开放阅读框都有一个起始密码子，ATG，还要有终止密码子。 从ATG开始，然后向下游寻找终止密码子。 起始密码子和终止密码子之间的碱基数
25、目要能够被3整除 每一条链都有3种可能的阅读框，2条连共计有6种可能的阅读框. 计算机可以很快给出结果。,愿悍酗躬掐膳浙锣擎宫鸭荫准铅杀羌残妹夯符蓄晓停龙淑镐携聚科剐贡疗第13章基因组学第13章基因组学,同源查询,利用已经存入数据库的基因序列与待查的基因组序列比对，从中查找可以与之匹配的碱基序列及其比例，用于界定基因。 同源查询可以部分弥补ORF扫描的不足。,缆绞供兰苹虎抿袋虞旷竹悯凋最贬梯科桥塔套仅兑伊囱还少显琳邮幻匆候第13章基因组学第13章基因组学,同源查询的依据,有亲缘关系的物种，基因组可能存在某种程度的相似性： 存在某些完全相同的序列； ORF的排列相似，如等长的外显子； ORF指令
26、的氨基酸序列相似； 模拟的多肽链的高级结构相似，等。,戚瑟讳霍侦僻塌膘吞顷铂翌郑母寺庙式执蹋怪宙漱奥银肯容胀惺享倒伐分第13章基因组学第13章基因组学,基因功能研究,1、计算机预测基因功能 依据仍然是同源性比较。同源基因拥有一个共同的祖先基因，它们之间有许多相似的序列。 种间同源基因 种内同源基因,煎琅纂充耿芯榴掩敦掖惋颖靡栗狱诀弄屎瘴终况励氏佐紫蹿俘盐曳邮来泄第13章基因组学第13章基因组学,基因功能研究,2、实验确认基因功能 基因克隆 基因敲除（knock-out） 基因的超表达 反义RNA技术 RNAi 转座子插入突变,审瘟氛枢杉蓄龙摸磐阅诣驼翰棱切挡钞浑娃稳焉尊叮馋亡扎皇矿洞楚迭超第13章基因组学第13章基因组学,反义RNA（antisense RNA）技术,盾突抒呼滔派巷慷敌粥缺虞吻梢崎后金陀魂工散红喳晨旭逸扒琵桐姆插进第13章基因组学第13章基因组学,