第十三章基因組學

第一節基因組學概述

基因組學(genomics):主要研究生物體全基因組(genome)的分子特征。基因組學強調的是以基因組為單位，而不是以單個基因為單位作為研究對象基因組學的研究目標:1.獲得生物體全部基因組序列2.注解基因組所含的全部基因3.鑒定所有基因的功能及基因間相互作用關系4.闡明基因組的復制及進化規律

酵母1.5

107bp擬南芥1.0

108水稻4.3

108人類3.3

109玉米

5.4

109

小麥1.6

1010

1986年首次提出基因組學的概念1990年開始基因組計劃,美國國立衛生研究院(NIH)和能源部(DOE)聯合啟動了被譽為“人體阿波羅計劃”的“人類基因組計劃”(humangenomeproject，HGP)

美國提出人類基因組計劃后，英、法、日、前蘇聯、中等，也相繼啟動了類似項目2000年6月26日，各國科學家公布了人類基因組工作草圖2001年8月26日，人類基因組計劃中國部分測序項目匯報及聯合驗收會在京召開，標志人類基因組“中國卷”通過驗收

1992年8月，中國根據國情正式宣布實施自己的“水稻基因組研究計劃”

2002年4月5日，《Science》以14頁的篇幅刊登和宣布中國科學家獨立繪制完成的水稻基因組草圖序列水稻全基因組物理圖基因組學的重要組成部分是基因組計劃，如人類、水稻基因組計劃，大體可分為：1、構建基因組的遺傳圖譜2、構建基因組的物理圖譜3、測定基因組DNA的全部序列4、構建基因組的轉錄本圖譜5、分析基因組的功能第二節基因組圖譜的構建

在進行大規模序列測定之前，構建基因組圖譜,錨定測知的核酸序列在染色體上的位置人類基因組計劃：首先用6年時間構建高密度的基因組圖譜，然后才進入測序工作

一、遺傳圖譜構建

遺傳作圖：采用遺傳學分析方法將基因或其他DNA順序標定在染色體上構建連鎖圖

1、圖譜標記

形態標記：可以觀察到的一些性狀,如種皮顏色、眼色、株高等細胞學標記：能明確顯示遺傳多態性的細胞學特征。染色體的結構特征和數量特征是常見的細胞學標記生化標記：同工酶及種子貯藏蛋白,有時又稱蛋白質標記分子標記：DNA水平上的標記。RFLP,RAPD,SSR,STS,AFLP,CAPS,SNP

2、遺傳圖譜的構建

人類基因組遺傳圖譜的構建人類的遺傳圖譜是利用家系分析法，在對8個家系的134個成員的分析中，主要根據5264個STR標記繪制而成。利用這些家系的資料繪制第1至22號染色體圖譜。對于X染色體圖譜，還利用了來自另外12個家系，170個成員的資料繪制而成。將5264個標記定位在2335個位點，據此構建的人類基因組遺傳圖譜的密度為每個標記599kb。植物基因組遺傳圖譜的構建選擇親本產生作圖群體遺傳標記的染色體定位標記間的連鎖分析

1994年繪制的第一張水稻高密度遺傳圖譜，僅有927個位點，含有1383個標記1998年將2275標記定位到1157個位點上2000年最終的水稻高密度遺傳圖標記為3267個，用于指導水稻基因組測序

二、物理圖譜

由于遺傳圖譜的分辨率有限、精確性不高，所以要構建物理圖譜

基因組物理圖譜的構建主要有4種途徑：①限制酶作圖：比較不同限制酶產生的DNA片段的大小酵母第3染色體遺傳圖（A）與物理圖（B）

②基于克隆的基因組作圖：根據克隆的

DNA片段之間的重疊順序構建重疊群

(contig),繪制物理連鎖圖重疊群：相互重疊的DNA片段組成的物理圖。克隆重疊群的組建采用染色體步移法③熒光標記原位雜交(FISH)：將熒光標記的探針與染色體雜交確定分子標記所在位置的方法

④順序標簽位點(STS)：STS是長度在100～500bp的DNA順序，每個基因組僅1份拷貝，很易分辨當兩個片段含有同一STS時，可以確認這兩個片段彼此重疊兩個不同的STS出現在同一片段的機會取決于其在基因組中的位置。如果彼此鄰接，這兩個STS總會同時出現在相同片段上。如果相距甚遠，有時會在同一片段，有時則在不同片段

三、基因組測序策略

①鳥槍法測序用限制酶或超聲波處理待測序基因組②克隆重疊群法1.將基因組切割成長度為0.1-1Mb的大片段，構建BAC文庫2.用STS-PCR反應池方案篩選種子克隆3.用指紋圖譜法或末端序列步行法對種子克隆進行延伸4.根據相互位置關系及STS路標順序關系有序地將種子克隆及延伸克隆繪制到基因組的相應區域上，形成重疊克隆群5.用鳥槍法分別將每個克隆測序，組裝到染色體上

四、基因組圖譜的應用1、基因組序列測定2、基因定位3、基因的克隆與分離4、分子標記輔助選擇5、比較基因組研究第三節生物信息學

1、生物信息學(Bioinformatics)采用計算機技術和信息論方法對蛋白質及其核酸序列等多種生物信息采集、加工、儲存、傳遞、檢索、分析和解讀，旨在掌握復雜生命現象的形成模式和演化規律的科學2、基因芯片(genechip),

又稱DNA微陣列(microarray)是由大量DNA或寡核苷酸探針密集排列所形成的探針陣列,其基本原理是通過雜交檢測信息。利用基因芯片,可以實現基因信息的大規模檢測

3、生物信息學的應用1、發現新基因和新的單核苷酸多態性2、分析基因組中非編碼蛋白質區域功能3、在基因組水平上研究生物進化4、完整基因組比較研究

第四節蛋白質組學

1、概念及研究內容

蛋白質組:

細胞、器官或組織的蛋白質成分的總稱蛋白質組學:

研究這些成分在指定的時間或特定的環境條件下的表達研究內容：蛋白質表達模式，蛋白質組功能模式

2、蛋白質的分離蛋白質組學研究的第一步是蛋白質的分離雙相凝膠電泳是蛋白質組研究中的首選分離技術

3、蛋白質的鑒定鑒定蛋白質組份的性質、結構和功能及其各蛋白質間的相互作用關系,從而研究蛋白質組表達模式和功能模式蛋白質表達模式的鑒定技術:以質譜為核心的技術蛋白質微測序氨基酸組成分析蛋白質芯片分析

4、蛋白質間的相互作用

研究方法：酵母雙雜交系統表面