1、 第第13章章 基因組學(xué)基因組學(xué) 基因組學(xué)基因組學(xué) 1 1 基因組學(xué)概述基因組學(xué)概述 2 2 基因組圖譜的構(gòu)建基因組圖譜的構(gòu)建3 3 基因組測序基因組測序4 4 功能基因組學(xué)功能基因組學(xué)本章教學(xué)時數(shù)：本章教學(xué)時數(shù)：4 4學(xué)時。學(xué)時。本章重點：基因組方案的根本流程。本章重點：基因組方案的根本流程。本章難點：分子標志和基因圖譜；本章難點：分子標志和基因圖譜； 研討基因功能的方法研討基因功能的方法 1 1 基因組學(xué)概述基因組學(xué)概述 基因組基因組genomegenome，又稱染色體組，又稱染色體組 一個物種單倍體的染色體數(shù)目，物種全一個物種單倍體的染色體數(shù)目，物種全部遺傳信息的總和部遺傳信息的總和 物

2、種遺傳信息的物種遺傳信息的“總詞典總詞典 控制發(fā)育的控制發(fā)育的“總程序總程序 生物進化歷史的生物進化歷史的“總檔案總檔案基因組學(xué)基因組學(xué)genomicsgenomics19861986年提出，至今年提出，至今2020年，曾經(jīng)開展成為年，曾經(jīng)開展成為遺傳學(xué)中最重要的分支學(xué)科。遺傳學(xué)中最重要的分支學(xué)科。對物種的一切基因進展定位、作圖、測對物種的一切基因進展定位、作圖、測序和功能分析序和功能分析基因組學(xué)研討的最終目的基因組學(xué)研討的最終目的u 獲得生物體全部基因組序列獲得生物體全部基因組序列u 鑒定一切基因的功能鑒定一切基因的功能u 明確基因之間的相互作用關(guān)系明確基因之間的相互作用關(guān)系u 闡明基因組的

3、進化規(guī)律闡明基因組的進化規(guī)律經(jīng)典遺傳學(xué)經(jīng)典遺傳學(xué) 在在2020世紀初，遺傳學(xué)剛剛誕生的時候，遺傳世紀初，遺傳學(xué)剛剛誕生的時候，遺傳學(xué)家的任務(wù)主要是鑒別感興趣的基因，確定這學(xué)家的任務(wù)主要是鑒別感興趣的基因，確定這些基因在染色體上的位置。些基因在染色體上的位置。 第一個環(huán)節(jié)：尋覓自發(fā)突變體，或者利用物第一個環(huán)節(jié)：尋覓自發(fā)突變體，或者利用物理、化學(xué)要素誘發(fā)突變。理、化學(xué)要素誘發(fā)突變。 第二個環(huán)節(jié)：經(jīng)過連鎖分析確定新基因與知第二個環(huán)節(jié)：經(jīng)過連鎖分析確定新基因與知基因的相互關(guān)系，繪制遺傳連鎖圖。基因的相互關(guān)系，繪制遺傳連鎖圖。幾個代表物種的基因組大小幾個代表物種的基因組大小物種物種基因組大小/bp基因組

4、大小/bpT4噬菌體T4噬菌體2.0102.0105 5大腸桿菌(大腸桿菌(Escherichia coli) )4.2104.2106 6酵母(酵母(Sccharomyces cerevisiae) )1.5101.5107 7擬南芥(擬南芥(Arabidopsis thaliana) )1.0101.0108 8秀麗小桿線蟲(秀麗小桿線蟲(Caenorhbditis elagans) )1.0101.0108 8果蠅(果蠅(Drosophila melanogaster) )1.65101.65108 8水稻(水稻(Oryza sativa) )3.89103.89108 8小白鼠(小白鼠

5、(Mus musculus) )3.0103.0109 9人類(人類(Homo sapiens) )3.3103.3109 9玉米玉米(Zea mays) )5.4105.4109 9普通小麥(普通小麥(Triticum aestivum) )1.6101.6101010釣魚釣魚竭澤而漁竭澤而漁CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!基因組學(xué)的研討內(nèi)容基因組學(xué)的研討內(nèi)容q 構(gòu)造基因組學(xué)構(gòu)造基因組學(xué)q 功能基因組學(xué)功能基因組學(xué)q 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)構(gòu)造基因組學(xué)構(gòu)造基因組學(xué)structu

6、ral genomics 基因定位基因定位 基因組作圖基因組作圖 測定核苷酸序列測定核苷酸序列功能基因組學(xué)功能基因組學(xué)functional genomicsfunctional genomics 又稱后基因組學(xué)又稱后基因組學(xué)postgenomics)postgenomics) 基因的識別、鑒定、克隆基因的識別、鑒定、克隆 基因構(gòu)造、功能及其相互關(guān)系基因構(gòu)造、功能及其相互關(guān)系 基因表達調(diào)控的研討基因表達調(diào)控的研討蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)proteomicsproteomics 鑒定蛋白質(zhì)的產(chǎn)生過程、構(gòu)造、功能和鑒定蛋白質(zhì)的產(chǎn)生過程、構(gòu)造、功能和相互作用方式相互作用方式人類基因組方案人類基因組方案19

7、901990，美國國立衛(wèi)生研討所和能源部投資，美國國立衛(wèi)生研討所和能源部投資3030億，啟動了人類基因組方案，估計億，啟動了人類基因組方案，估計1515年時間完成人類基因組全部序列的測定年時間完成人類基因組全部序列的測定20192019，完成標志密度為，完成標志密度為0.6cM0.6cM的人類基因組的人類基因組遺傳圖譜，遺傳圖譜，100kb100kb的物理圖譜的物理圖譜20002000，完成草圖，完成草圖20192019年年2 2月，公布人類基因組圖譜的修訂版月，公布人類基因組圖譜的修訂版20192019，完成測序任務(wù)，完成測序任務(wù)2 基因組圖譜的構(gòu)建基因組圖譜的構(gòu)建基因組方案的主要義務(wù)是獲得

8、全基因組序列基因組方案的主要義務(wù)是獲得全基因組序列但是，如今的測序方法每次只能測但是，如今的測序方法每次只能測8008001000bp1000bp大量的測序片段要拼接大量的測序片段要拼接要知道序列在要知道序列在ChrChr上的位置才干正確拼接上的位置才干正確拼接基因組方案的第一個環(huán)節(jié)：基因組方案的第一個環(huán)節(jié)： 構(gòu)建基因組圖譜構(gòu)建基因組圖譜基因組圖譜基因組圖譜 遺傳圖譜遺傳圖譜genetic map 物理圖譜物理圖譜physical map遺傳圖譜遺傳圖譜genetic map 采用遺傳分析的方法將基因或其它采用遺傳分析的方法將基因或其它DNADNA序列標定在染色體上構(gòu)建連鎖圖。序列標定在染色體

9、上構(gòu)建連鎖圖。遺傳標志遺傳標志q有可以識別的標志，才干確定目的的方位有可以識別的標志，才干確定目的的方位及彼此之間的相對位置。及彼此之間的相對位置。q構(gòu)建遺傳圖譜就是尋覓基因組不同位置上構(gòu)建遺傳圖譜就是尋覓基因組不同位置上的特征標志。的特征標志。q包括：包括：q 形狀標志形狀標志q 細胞學(xué)標志細胞學(xué)標志q 生化標志生化標志q DNA DNA分子標志分子標志多態(tài)性多態(tài)性polymophism一切的標志都必需具有多態(tài)性！一切的標志都必需具有多態(tài)性！ 花樣：白色、紅色花樣：白色、紅色 株高：高、矮株高：高、矮 血型：血型：A、B、O型型 淀粉：糯、非糯淀粉：糯、非糯一切多態(tài)性都是基因突變的結(jié)果！一切

10、多態(tài)性都是基因突變的結(jié)果！形狀標志形狀標志形狀性狀：株高、顏色、白化癥等形狀性狀：株高、顏色、白化癥等又稱表型標志又稱表型標志數(shù)量少數(shù)量少很多突變是致死的很多突變是致死的受環(huán)境、生育期等要素的影響受環(huán)境、生育期等要素的影響q 最早建立的果蠅連鎖圖，就是利用控制最早建立的果蠅連鎖圖，就是利用控制果蠅眼睛的外形、顏色，軀體的顏色、果蠅眼睛的外形、顏色，軀體的顏色、翅膀的外形等形狀性狀作為標志，分析翅膀的外形等形狀性狀作為標志，分析它們連鎖關(guān)系及遺傳間隔，繪制而成的。它們連鎖關(guān)系及遺傳間隔，繪制而成的。q 控制性狀的其實是基因，所以形狀標志控制性狀的其實是基因，所以形狀標志本質(zhì)上就是基因標志。本質(zhì)上

11、就是基因標志。果果蠅蠅連連鎖鎖圖圖細胞學(xué)標志細胞學(xué)標志v明確顯示遺傳多態(tài)性的染色體構(gòu)造特征明確顯示遺傳多態(tài)性的染色體構(gòu)造特征和數(shù)量特征和數(shù)量特征v 染色體的核型染色體的核型v 染色體的帶型染色體的帶型v 染色體的構(gòu)造變異染色體的構(gòu)造變異v 染色體的數(shù)目變異染色體的數(shù)目變異v優(yōu)點：不受環(huán)境影響優(yōu)點：不受環(huán)境影響v缺陷：數(shù)量少、費力、費時、對生物體缺陷：數(shù)量少、費力、費時、對生物體的生長發(fā)育不利的生長發(fā)育不利生化標志生化標志v 又稱蛋白質(zhì)標志又稱蛋白質(zhì)標志v 就是利用蛋白質(zhì)的多態(tài)性作為遺傳標志。就是利用蛋白質(zhì)的多態(tài)性作為遺傳標志。v 如：同工酶、貯藏蛋白如：同工酶、貯藏蛋白v 優(yōu)點：數(shù)量較多，受環(huán)

12、境影響小優(yōu)點：數(shù)量較多，受環(huán)境影響小v 缺陷：受發(fā)育時間的影響、有組織特異缺陷：受發(fā)育時間的影響、有組織特異性、只反映基因編碼區(qū)的信息性、只反映基因編碼區(qū)的信息DNADNA分子標志分子標志簡稱分子標志簡稱分子標志以以DNADNA序列的多態(tài)性作為遺傳標志序列的多態(tài)性作為遺傳標志優(yōu)點：優(yōu)點： 不受時間和環(huán)境的限制不受時間和環(huán)境的限制 遍及整個基因組，數(shù)量無限遍及整個基因組，數(shù)量無限 不影響性狀表達不影響性狀表達 自然存在的變異豐富，多態(tài)性好自然存在的變異豐富，多態(tài)性好 共顯性，能鑒別純合體和雜合體共顯性，能鑒別純合體和雜合體限制性片段長度多態(tài)性限制性片段長度多態(tài)性restriction fragm

13、ent length polymorphismrestriction fragment length polymorphism，RFLPRFLPv DNA DNA序列能或不能被某一酶酶切，相當(dāng)于一對序列能或不能被某一酶酶切，相當(dāng)于一對等位基因的差別。等位基因的差別。 v 如有兩個如有兩個DNADNA分子一對染色體，一個具有分子一對染色體，一個具有某一種酶的酶切位點，而另一個沒有這個位點，某一種酶的酶切位點，而另一個沒有這個位點，酶切后構(gòu)成的酶切后構(gòu)成的DNADNA片段長度就有差別，即多態(tài)片段長度就有差別，即多態(tài)性。性。v 可將可將RFLPRFLP作為標志，定位在基因組中某一位作為標志，定位在基

14、因組中某一位置上。置上。v人類基因組中有人類基因組中有105105個個RFLPRFLP位點，每一位點只位點，每一位點只需兩個等位基因。需兩個等位基因。RFLPRFLP分析分析RFLP標志位共顯性標志標志位共顯性標志微衛(wèi)星微衛(wèi)星microsatellite標志標志v微 衛(wèi) 星 又 稱 為 簡 單 反 復(fù) 序 列 微 衛(wèi) 星 又 稱 為 簡 單 反 復(fù) 序 列 s i m p l e s i m p l e sequence repeatsequence repeat，SSRSSR。v這種反復(fù)序列的反復(fù)單位很短，經(jīng)常只需這種反復(fù)序列的反復(fù)單位很短，經(jīng)常只需2 2個、個、3 3個或個或4 4個核苷酸

15、個核苷酸v如一條染色體如一條染色體TCTGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGACGCv 另一染色體另一染色體TCTGAGAGAGAGAGAGAGACGCTCTGAGAGAGAGAGAGAGACGC，就構(gòu)，就構(gòu)成了多態(tài)性。成了多態(tài)性。遺傳圖譜的構(gòu)建方法遺傳圖譜的構(gòu)建方法 v 實際根底實際根底: 連鎖與交換連鎖與交換v 根本方法根本方法: 兩點檢驗法和三點檢驗法兩點檢驗法和三點檢驗法植物遺傳圖譜的構(gòu)建植物遺傳圖譜的構(gòu)建v 選擇研討資料親本選擇研討資料親本v 構(gòu)建分別群體構(gòu)建分別群體v 遺傳標志檢測遺傳標志檢測v 標志間的連鎖分析標志間的連鎖分析選擇親本選擇親本 要求親緣關(guān)系遠，遺傳差別大 但

16、又不能相差太大以導(dǎo)致引起子代不育。 對備選資料進展多態(tài)(差別)性檢測，綜合測定結(jié)果，選擇有一定量多態(tài)性的一對或幾對資料作為遺傳作圖親本。構(gòu)建作圖群體構(gòu)建作圖群體 遺傳標志的染色體定位遺傳標志的染色體定位v 利用遺傳學(xué)方法或其它方法將少數(shù)標志利用遺傳學(xué)方法或其它方法將少數(shù)標志錨定在染色體上，作為確定連鎖群的參錨定在染色體上，作為確定連鎖群的參照系。照系。v 常用的方法：常用的方法：v 單體分析單體分析v 三體分析三體分析v 代換系分析代換系分析v 附加系分析附加系分析標志間的連鎖分析標志間的連鎖分析v利用在兩個親本間有多態(tài)性的標志分析利用在兩個親本間有多態(tài)性的標志分析分別群體中一切個體的基因型分

17、別群體中一切個體的基因型v根據(jù)連鎖交換的情況，確定標志之間的根據(jù)連鎖交換的情況，確定標志之間的連鎖關(guān)系和遺傳間隔連鎖關(guān)系和遺傳間隔v有計算機軟件可以運用有計算機軟件可以運用水稻遺傳圖水稻遺傳圖v 1994 1994年，水稻第一張高密度遺傳圖譜年，水稻第一張高密度遺傳圖譜v 927 927個位點，個位點， 3 3個標志個標志v 2019 2019年，年，11571157個位點，個位點，22752275個標志個標志v 2000 2000年，年，32673267個標志個標志v 高密度的遺傳圖譜為基因組測序和遺傳高密度的遺傳圖譜為基因組測序和遺傳研討奠定了堅實的根底。研討奠定了堅實的根底。人類遺傳圖譜

18、的構(gòu)建人類遺傳圖譜的構(gòu)建v 不能夠根據(jù)需求選擇親本，設(shè)計雜交組合，構(gòu)建不能夠根據(jù)需求選擇親本，設(shè)計雜交組合，構(gòu)建分別群體！分別群體！v 只能檢測現(xiàn)存家庭延續(xù)幾代成員的基因型只能檢測現(xiàn)存家庭延續(xù)幾代成員的基因型v 家系分析法家系分析法v 資料有限、必需借助于統(tǒng)計學(xué)方法資料有限、必需借助于統(tǒng)計學(xué)方法現(xiàn)有的人類遺傳圖譜現(xiàn)有的人類遺傳圖譜v 1 12222號染色體號染色體v 8 8個家系個家系134134個成員個成員v X X染色體，染色體，1212個家系個家系170170個成員個成員v 5364 5364個個SSRSSR標志標志v 2335 2335個位點個位點v 標志間的平均間隔標志間的平均間隔5

19、99kb599kb物理圖譜的構(gòu)建物理圖譜的構(gòu)建v 用分子生物學(xué)方法直接檢測用分子生物學(xué)方法直接檢測DNADNA標志在標志在染色體上的實踐位置繪制成的圖譜稱為染色體上的實踐位置繪制成的圖譜稱為物理圖譜。物理圖譜。v 有遺傳圖譜為什么還要構(gòu)建物理圖譜？有遺傳圖譜為什么還要構(gòu)建物理圖譜？ 遺傳圖譜的缺陷遺傳圖譜的缺陷v 分別率有限分別率有限v 人類只能研討少數(shù)減數(shù)分裂事件，不能人類只能研討少數(shù)減數(shù)分裂事件，不能獲得大量子代個體獲得大量子代個體v 測序要求每個標志的間隔小于測序要求每個標志的間隔小于100kb100kbv 實踐是實踐是599kb599kb遺傳圖譜的缺陷遺傳圖譜的缺陷 準確性不夠準確性不

20、夠 經(jīng)典遺傳學(xué)以為，交換是隨機發(fā)生的經(jīng)典遺傳學(xué)以為，交換是隨機發(fā)生的 基因組中有些區(qū)域是重組熱點基因組中有些區(qū)域是重組熱點 倒位、反復(fù)等染色體構(gòu)造變異會限制交倒位、反復(fù)等染色體構(gòu)造變異會限制交換重組換重組酵酵母母遺遺傳傳圖圖與與物物理理圖圖比比較較A A 遺傳圖遺傳圖B B 物理圖物理圖物理作圖的方法物理作圖的方法1 1、限制酶作圖、限制酶作圖2 2、依托克隆的基因組作圖、依托克隆的基因組作圖3 3、熒光原位雜交、熒光原位雜交4 4、序列標簽位點作圖、序列標簽位點作圖限制酶作圖限制酶作圖restriction mappingrestriction mapping限制酶作圖限制酶作圖restri

21、ction mappingrestriction mapping熒光原位雜交熒光原位雜交fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH熒光原位雜交熒光原位雜交fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH熒光原位雜交熒光原位雜交fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH熒光原位雜交熒光原位雜交fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH人類基因組物理圖人類基因組物理圖v 1987 1987年，年，RFLPRFLP圖譜，圖譜，403403個標志，個標志，10Mb10Mbv

22、 1994 1994年，年，58005800個標志，個標志，0.7Mb0.7Mbv 2019 2019年，年，1700017000多個標志，多個標志，100kb100kbv 完全順應(yīng)全基因組測序的要求完全順應(yīng)全基因組測序的要求遺傳圖與物理圖的整合遺傳圖與物理圖的整合v有些標志既是遺傳標志，又是物理標志有些標志既是遺傳標志，又是物理標志v RFLP RFLP標志標志 SSR SSR標志標志 某些基因序列某些基因序列v借助這些標志可以將遺傳圖和物理圖整借助這些標志可以將遺傳圖和物理圖整合起來合起來基因組測序戰(zhàn)略基因組測序戰(zhàn)略v有了高密度的基因組圖譜，就可以開場全有了高密度的基因組圖譜，就可以開場全

23、基因組測序了基因組測序了v測序的技術(shù)飛速開展，如今可以全自動化測序的技術(shù)飛速開展，如今可以全自動化v測序的戰(zhàn)略有兩個：測序的戰(zhàn)略有兩個：v 鳥槍法鳥槍法v 克盛大疊群法克盛大疊群法鳥槍法鳥槍法shotgun sequencingshotgun sequencing鳥槍法的優(yōu)缺陷鳥槍法的優(yōu)缺陷v優(yōu)點：優(yōu)點：v 不需求高密度的圖譜不需求高密度的圖譜v 速度快、簡單、本錢低速度快、簡單、本錢低v缺陷：缺陷：v 拼接組裝困難，尤其在反復(fù)序列多的區(qū)域拼接組裝困難，尤其在反復(fù)序列多的區(qū)域v主要用于反復(fù)序列少、相對簡單的原核生物基主要用于反復(fù)序列少、相對簡單的原核生物基因組因組克盛大疊群法克盛大疊群法clo

24、ne contigv 將基因組將基因組DNADNA切割長度為切割長度為0.1Mb0.1Mb1Mb1Mb的的大片段，克隆到大片段，克隆到Y(jié)ACYAC或或BACBAC載體上載體上v 然后再進展亞克隆，分別測定單個亞克然后再進展亞克隆，分別測定單個亞克隆的序列隆的序列v 再裝配、銜接成延續(xù)的再裝配、銜接成延續(xù)的DNADNA分子。分子。v 這是一種自上而下這是一種自上而下up to downup to down的測的測序戰(zhàn)略序戰(zhàn)略 v clone-by-clone method clone-by-clone method兩兩種種基基因因組組測測序序戰(zhàn)戰(zhàn)略略The E.coli genomeA port

25、ion of the E.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.功能基因組學(xué)功能

26、基因組學(xué)v 完成基因組測序，僅僅是基因組方案的完成基因組測序，僅僅是基因組方案的第一步，更重要的任務(wù)在于弄清楚：第一步，更重要的任務(wù)在于弄清楚：v 基因組序列中所包含的全部遺傳信基因組序列中所包含的全部遺傳信息是什么；息是什么；v 基因組作為一個整體如何行使功能。基因組作為一個整體如何行使功能。v就是對基因組序列進展詮釋的過程，也就是對基因組序列進展詮釋的過程，也就是功能基因組學(xué)的研討內(nèi)容。就是功能基因組學(xué)的研討內(nèi)容。 根據(jù)序列分析搜索基因根據(jù)序列分析搜索基因 v 查找開放閱讀框查找開放閱讀框open reading frame, ORFopen reading frame, ORFv 開放閱讀框都有一個起始密碼子，開放閱讀框都有一個起始