基因组学的概念和原理
基因组学（Genomics）是研究生物体基因组的学科，包括基因的结构、功能、进化、调控和表观遗传学等方面的内容。基因组学旨在通过对基因组的信息分析，揭示基因组与生物体表型之间的关系，为提高生命科学和生物技术领域的研究水平提供新的理论依据和技术支持。
基因组学的概念：
基因组学是一门研究生物体遗传信息的学科，包括结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学等分支。结构基因组学关注基因组的物理图谱、基因组测序和基因定位等方面的研究；功能基因组学致力于基因组表达调控、基因功能、蛋白质相互作用等方面的研究；比较基因组学则通过比对不同物种的基因组信息，探讨基因组的进化、基因功能和生物多样性等科学问题。
基因组学的原理：
基因组学的研究方法是基于基因组信息分析的。通过对基因组DNA序列的分析，可以获得大量的遗传信息，如基因序列、基因表达调控元件、蛋白质相互作用网络等。通过对这些信息的整合与分析，研究人员可以揭示基因组的功能和结构，以及基因组与生物体性状之间的关系。此外，利用基因组编辑技术（如CRISPR/Cas9），研究人员可以在基因组水平对基因进行编辑和修饰，以研究基因功能或治疗遗传疾病。
基因组学的发展：
随着基因组测序技术的飞速发展，大量的基因组数据不断产生。这些基因组数据为我们理解生物体的遗传基础、生命活动规律和生物进化理论提供了新的启示。同时，基因组编辑技术的出现，也为生命科学和生物技术领域带来了革命性的变革。在未来，基因组学将继续在生命科学、医学、农业等领域发挥重要作用。
名词解释： 第一章基因组 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。单位是厘摩cM （基因或DNA片段在染色体交换过程中分离的频率）。 物理图：以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，sequence-tagged site, STS）为“路标”，以碱基对作为基本测量单位（图距）的基因组图。 转录图：以EST（expressed sequence tag ，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300-500 bp左右。 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。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。 基因：合成有功能的蛋白质或RNA所必需的全部DNA序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或RNA的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。 基因组（genome）：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。 基因组学（genomics）：涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科。 C值：单倍体基因组的DNA总量，一个特定种属具有特征C值 C值矛盾（C value paradox）：指一个有机体的C值和其编码能力缺乏相关性。 单一序列：基因组中单拷贝的DNA序列。 重复序列：基因组中多拷贝的DNA序列。 复杂性（complexity）：基因组中不同序列的DNA总长。
高度重复序列（highly repetitive sequence）：重复片段的长度单位在几个到几百个碱基对（base pair，bp）之间（一般不超过200 bp），串联重复频率很高（可达106以上），高度重复后形成的这类重复顺序称为高度重复顺序。 中度重复序列（intermediate repetitive sequence ）：重复长度300～7000 bp不等，重复次数在102～105左右。 断裂基因（split gene）：指基因的编码序列（外显子）在DNA分子上是不连续排列的，而是被不编码的序列（内含子）所隔开。 基因簇（gene cluster）：由一个基因产生多次拷贝，具有几乎相同的顺序，成簇地排列在同一条染色体上。 重叠基因(overlapping gene)：是指两个或两个以上的基因共有一段DNA序列。 持家基因（housekeeping gene）：几乎在一切体细胞中均能被表达的基因称之。 奢侈基因（luxury gene）：在高等生物不同组织里面特异性表达的基因称之。 假基因(pseudogene)：也称拟基因，指在多基因家族中，某些成员不产生有功能的基因产物，这些基因称为假基因，常用ψ表示。 第二章遗传图绘制 遗传作图（genetic mapping）：采用遗传学分析方法将基因或其他DNA分子标记标定在染色体上构建连锁图称之为遗传图或遗传连锁图（genetic linkage map）。 物理作图（physical mapping）：采用分子生物学技术直接将DNA分子标记、基因或克隆标定在基因组的实际位置所构建的位置图称之为物理图（physical map）。 基因组图（genome map)：遗传图和物理图通过共同的作图标记可以相互校正，由此获得的基因组连锁图。
基因组学与蛋白质组学 在科学研究领域中，基因组学和蛋白质组学是两个重要且密切相关的学科。基因组学研究基因组中的所有基因，而蛋白质组学则研究细胞或生物体内所有蛋白质的组成和功能。本文将从基因组学和蛋白质组学的原理和技术入手，分别介绍它们的研究对象和方法，并探讨二者之间的关系与应用。 一、基因组学 基因组学是研究基因组的学科，基因组是指一个生物体内的所有基因的总和。基因是遗传信息的基本单位，负责编码蛋白质和调控生物体的生理功能。通过基因组学的研究，我们可以了解到一个生物体的基因组组成、结构和功能等信息。 1.1 基因组的分类 基因组可以分为原核生物基因组和真核生物基因组。原核生物基因组比较简单，一般只有一个染色体，如细菌和古细菌。真核生物基因组相对复杂，由多个染色体组成，如人类和动物。 此外，还有一个概念是人类基因组。人类基因组是指人类体内的所有基因的总和，它是真核生物基因组的一种。 1.2 基因组研究的方法 基因组学的研究方法主要包括基因测序和基因表达分析。
基因测序是确定一个生物体基因组DNA序列的过程。早期的基因 测序技术采用Sanger测序法，但随着高通量测序技术的发展，如第二 代测序技术（NGS），基因测序的速度和效率大大提高。 基因表达分析是研究基因在特定条件下的表达水平和模式。常用的 方法有微阵列芯片和RNA测序。 1.3 基因组学的应用 基因组学的研究对于理解生命的发展和信号传递、疾病的诊断和治 疗等方面具有重要意义。 在生命科学领域，通过对基因组的研究，可以了解基因之间的相互 作用和调控关系，从而深入了解生命的本质。此外，基因组学也可以 帮助研究人类进化和种群遗传学问题。 在医学方面，基因组学为疾病的诊断和治疗提供了新的思路和方法。通过比较基因组，可以快速准确地诊断某些遗传性疾病，并开发个性 化治疗方案。 二、蛋白质组学 蛋白质组学是研究蛋白质组的学科，蛋白质组是指细胞或生物体内 所有蛋白质的总和。蛋白质是细胞内的重要功能分子，不仅可以作为 酶催化化学反应，还可以作为结构蛋白和信号传递分子等。 2.1 蛋白质组的分类
基因组学的原理及应用 1. 基因组学的定义 基因组学是研究生物体遗传物质DNA（或RNA）的组成、结构、功能、调控以及与表型之间的关系的学科。基因组学通过对生物体的全基因组序列进行研究，揭示了生命的起源、进化以及各种生物现象的基础。基因组学的发展对生物科学的研究起到了重要的推动作用。 2. 基本原理 基因组学的研究基于以下几个基本原理： •DNA序列：基因组学研究的核心是对DNA序列的测定和分析。DNA 是生物体遗传信息的载体，通过对DNA序列进行测定，可以获得生物体全部基因的信息。 •基因表达：基因组学不仅研究DNA序列，还关注基因的表达。基因的表达过程涉及到转录、翻译等复杂的分子机制，基因组学通过研究基因的表达模式和调控机制，揭示基因功能和调控网络。 •比较基因组学：比较不同物种之间的基因组序列，可以揭示物种进化和基因功能的保守性和多样性。 3. 基因组学的应用 基因组学作为一门综合性学科，具有广泛的应用领域。以下是一些基因组学在不同领域的应用示例： 3.1 医学研究 •疾病基因的鉴定：通过比较基因组测序分析，可以发现和疾病相关的基因突变。这些突变可能导致某些遗传性疾病的发生，通过研究这些突变，可以提供疾病的诊断、治疗和预防的依据。 •肿瘤基因组学：通过测定肿瘤细胞的基因组序列，可以发现肿瘤相关的基因突变。这些突变可以提供肿瘤诊断、治疗和预后判断的信息。 3.2 农业领域 •作物改良：通过基因组学的分析和基因编辑等技术手段，可以筛选和改良作物中特定性状的基因。这些基因可以提高作物的产量、耐病性或者适应特殊环境的能力。
•宠物育种：基因组学可以帮助宠物育种者选择繁殖动物时更好的基因组合，以提高宠物的体型、外貌、智力等性状。 3.3 生命起源和进化研究 •比较基因组学：比较不同物种之间的基因组，可以揭示物种的起源和进化关系。通过基因组的比较，可以发现共同的祖先和追溯物种的起源历史。 •宏基因组学：利用宏基因组学技术可以对自然环境中的微生物进行研究，揭示物种的多样性和生态功能。 4. 总结 基因组学作为一个重要的交叉学科，为我们揭示了生命起源和进化的奥秘，为医学、农业等众多领域的研究提供了新的方法和手段。基因组学的发展将进一步推动生物学领域的研究和应用，为人类的生活和健康带来福祉。
基因组：生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和,是指生物细胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因间区域。 基因组学：研究基因组结构和功能的科学。指以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。 C值：指一个单倍体基因组中DNA的总量，以基因组的碱基对来表示。每个细胞中以皮克(pg，10-12g)水平表示。 C 值矛盾：在结构、功能很相似的同一类生物中，甚至在亲缘关系十分接近的物种之间，它们的C值可以相差数10倍乃至上百倍。 序列复杂性：不同序列的DNA总长称为复杂性，复杂性代表了一个物种基因组的基本特征。隔裂基因：指基因内部被一个或更多不翻译的编码顺序即内含子所隔裂。 假基因：来源于功能基因但已失去活性的DNA序列。 微卫星序列：或称简单串联重复，重复单位较短。重复序列只有1-6个核苷酸，分布在整个基因组，10-50个重复单位. 重叠群：通过末端的重叠序列相互连接形成连续的DNA长片段的一组克隆称为重叠群。 指纹：指确定DNA样品所具有的特定DNA片段组成。 STS作图：根据STS序列设计引物，扩增文库当中的克隆，能扩出条带的克隆都含有序列重叠的插入子。 荧光原位杂交：指在染色体上进行DNA杂交，以便识别荧光标记探针在染色体上位置的方法。 辐射杂种群：通过放射杂交产生的融合细胞群称为辐射杂种群。 覆盖面（或深度）：每个核苷酸在完成顺序中平均出现的次数，或者说完成顺序的长度与组装顺序长度之比。 支架：一组已锚定在染色体上的重叠群, 内部含间隙或不含间隙. 同源性：基因系指起源于同一祖先但序列已经发生变异的基因成员。 一致性：指同源DNA顺序的同一碱基位置的相同的碱基成员, 或者蛋白质的同一氨基酸位置的相同的氨基酸成员, 可用百分比表示. 相似性：指同源蛋白质的氨基酸序列中一致性氨基酸和可取代氨基酸所占的比例。 转座子：一段DNA顺序可以从原位上单独复制或断裂下来，插入另一位点，并对其后的基因起调控作用，此过程称转座，这段序列称跳跃基因或转座子。 基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列，是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。 基因的化学本质是核酸而不是蛋白质 基因组学以整个基因组为研究对象，而不是以单个基因为单位作为研究对象。包括对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录图谱)，核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析。 基因组学包括3个不同的亚领域：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学
1.什么是SNP和SSLP？ SNP：即单核苷酸多态性，是由于基因组中等位位点上单个核苷酸改变而导致的核酸序列多态性(Polymorphism)。 SSLP：简单序列长度多态性，是一系列不同长度的重复序列，包括卫星DNA，小卫星，微卫星（STR）。 2．知识整理： 一．基因组介绍 1，Gene: A DNA segment containing biological information and hence coding for an RNA and/or polypeptide molecule. Genome: The entire genetic complement of a living organism. ?Prokaryocyte ?Eukaryocyte: nuclear genome + organelle(chloroplast, mitochondrion) genome 2，Transcriptome: Coding RNA; the product of genome expression 3，Proteome: The proteome comprises all the proteins present in a cell at a particular time. The proteome means all the proteins being made by the transcriptome 4,基因组学的发展和研究现状 二基因组作图 绘制遗传图谱的实验基础是什么？即连锁分析。 1,基因组做图的目的：利用鸟枪法测定含有重复序列的DNA大分子方面存在困难：①利用鸟枪法需要将DNA打成片段，进行测序后再进行拼接；这对于较大的基因组尤其是人的基因组来说是困难的，因为随着片段数的增加，所需要分析的数据越来越复杂；②鸟枪法存在的第二个问题是当分析基因组的重复区域时会发生错误，导致部分重复区域被遗遗漏或是将同一染色体或是不同染色体的两个片段错误的连接在一起。总而言之，在测序时需要首先建立一个图谱，通过标明基因和其他显著特征的位置，为测序提供引导。 2，基因组做图的类型：遗传图谱和物理图谱 3，遗传图谱的含义：应用遗传学技术构建的能在基因组上显示基因和其他序列特征位置的图谱。遗传学技术包括杂交育种技术实验。连锁分析是遗传做图的基础。 4,物理图谱的含义： 5，遗传图谱与物理图谱的比较： 遗传作图（Genetic mapping）也称连锁图谱(linkage map) 作图方法：“连锁分析（linkage analysis）”包括杂交实验(cross-breeding experiments)，家系(pedigrees)分析等。根据遗传实验计算标记间的相对距离。 标记：性状、基因或DNA分子标记。 图距单位：厘摩(centi-Morgan, cM), 每单位厘摩定义为1%交换率。 物理作图（Physical mapping） 作图方法：采用分子生物学技术测定标记间的绝对距离，直接将DNA分子标记、基因或克隆标定在基因组实际位置。 图距单位：物理图的距离依作图方法而异，如辐射杂种（radiation hybrid）作图的计算单位为厘镭(cR), 限制性片段作图与克隆作图的图距为DNA的分子长度，即碱基对(base pair)。 6，用于遗传学做图的DNA标记：
1 Structural genomics and function genomics 结构基因组学：经过基因作图、核苷酸分 析来确定基因的组成和基因定位。 功能基因组学：在结果基因组学所获得的 信息和产物的基础上，全面系统地分析基 因的功能。 2 orthologous and paralogous genes 直源基因：基因是那些不同种属生物间的 同源基因，它们的共同祖先早于种属分化。 旁源基因：基因存在于同种生物中，常识 多基因家族的成员，他们的祖先可能早于 或晚于种属分化。 4 Enhancer trap and promoter trap 增强子陷阱：将某报告基因与一个精巧的 启动子相连，组成一增强子陷阱重组体， 它不会自主起始转录，而需由被插入的细 胞基因组中的增强子帮助才可转录。若报 告基因最终表达，则可推知插入位点附件 有增强子或有基因，即实现了以增强子陷 阱重组体发现增强子的目的。 启动子陷阱：通过将报告基因插入到细胞 基因组的外显子上，一旦发现它与细胞基 因组基因共同转录或表达，则可知该报告 基因附件有启动子，从而起到了以之为诱 饵发现启动子的目的。 5 Ac/Ds transposon and T-DNA insertion T-DNA插入：农杆菌中细胞中分别含有Ti 质粒和Ri质粒，其上有一段T-DNA，农杆 菌通过侵染植物伤口进入细胞后，可将 T-DNA插入到植物基因组中。 Ac/Ds转座子：玉米中的一个转座子家族。 该家族的自主元件是Ac ,它包含和转座相 关的酶,能使Ac 、Ds 元件发生转座。而Ds 是一种非自主元件,它单独不能发生转座, 可以利用Ac 的转座酶发生转座。Ac/Ds 系 统的转座是通过剪切/粘贴的机制进行的。 请比较全基因组测序中克隆重叠群法 （clone by clone）和鸟枪法（shotgun method）测序的优缺点。 鸟枪法：将分子打成片段，得到每个片段 的序列，然后应用计算机搜索重叠区并构 建主序列。 优点：测序速度快，并且不需要遗传或物 理图谱。成本低，快速，易于自动化操作。 短期内完成大规模的基因组测序任务 缺点：从起始序列寻找重叠区域及构建序 列重叠群的复杂性和数据分析的限制。另 外，因为不连续的序列可能因为重复单位 而被错误连接在一起，所以要求所研究的 基因组中没有或只有很少的重复序列。主 要用于重复序列少、相对简单的原核生物 基因组，不适用于分析较大的、更复杂的 基因组。 克隆重叠群法：利用鸟枪法从基因组文库 中构建片段两端以测序的克隆文库（yac， bac，pac等）然后结合引物步查法和亚克 隆法进行克隆片段的测序,再将这些已测序 的克隆片段组装成整条染色体或整基因 组，它也是建立在鸟枪法构建重叠群的基 础上，结合引物步查法和亚克隆发进行更 精细的测序，适用于基因组全长序列的精 细测定， 优点：完成的序列质量高。 缺点。难以自动化分析，测序时间长。成 本高。 一、请叙述功能基因基因组学的研究 目标，以及完成这些目标的方法。 研究目标：在结构基因组学所获得的信息 和产物的基础上，全面、系统地分析基因 的功能。 方法：1、利用计算机分析基因功能 计算机预测基因功能的依据仍然是同源 性比较。根据同源性从数据库中查找已知 序列的同源基因。根据进化的相关性，和 已知的同源基因推测新基因的功能。 2、用实验分析确定基因功能 （一）DNA水平：T-DNA标签（失活标签、活化标签）；基因、启动子、增强子陷阱； 转座子插入；TILING；自然突变等。 （二）RNA水平：反义RNA；RNAi；过 表达 基因失活是基因功能分析的主要手段 如果我们找到某种方法，使该基因在生物体内失活，就可以从反面鉴别该基因的功能。 基因剔除（knock-out） 将一段无关的DNA片段用来取代目标基因 是最简单的基因失活方法。如果该基因所控制的表型变化了，就从反面验证了目标基因的功能。 基因的超表达用于功能检测 让基因过量表达，也能用于基因的功能检测。有两种技术可以使细胞中某一基因过量表达：增加基因的拷贝数；采用强启动子。 反义RNA技术 反义RNA由基因的负链（模板链的互补链）编码，可以与由功能基因转录而成的正义RNA形成双链结构，干扰mRNA的翻译，从而干扰基因的表达。分析表达的反义RNA在生理生化或形态发生中所起的作用，由此判别目标基因的功能。 转座子插入突变 将转座子随机插入功能基因内，使其失活，也可以用于基因功能研究。 酵母菌双杂交系统 在酵母菌双杂交系统中，将编码这2个功能域的DNA分别构建在2个独立的表达载体上。在一个表达载体中，与DNA结合功能域的基因片段与待测蛋白质的基因连接成融合 基因。在另一个载体中，RNA聚合酶激活功能域的基因片段与未知的DNA序列连接成融合蛋白基因。将这2个表达载体同时转化一个细胞，并在细胞内表达，如果DNA结合功能域蛋白与同RNA聚合酶激活功能域蛋白之间能够互作，就会启动报告基因的表达。 二、请简述植物中同根（orthologous） 基因克隆的原理和方法。 原理：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。 从数据库中查找已知序列的同源基因，根 据已知的同源基因的序列设计引物，设计 引物时可加入一些酶切位点，方便以后的 克隆。通过PCR法扩增出目的片段，回收 纯化后将其导入T载体转入大肠杆菌，筛 选后就得到该基因的克隆。orthologs的生 物信息预测方法主要有两类:系统发生方 法和序列比对方法。这两类方法都是基于 序列的相似性,但又各有特点。系统发生方 法通过重建系统发生树来预测orthologs,因 此在概念上比较精确,但难于自动化,运算 量也很大。序列比对方法在概念上比较粗 糙,但简单实用,运算量相对较小,因此得到 了较广泛的应用。 三、在功能基因组学研究中，一项重要 的工作就是构建突变体库，请比较插入突 变（如他T-DNA,AC-DS插入，基因陷阱 等）方法和TILLING（Targeting induced local lesions in genomes）方法在实验的流 程上的异同，并比较它们在基因功能分析 上的优缺点。 相同点： 不同点：插入突变需要构建载体，需要转基因，而TILLING不需要这些。 插入突变优点： 插入突变缺点：1多拷贝时无法做2易引起染色体重排3方向容易插错4不能移动，需要的转化数多5插入效率低 TILING优点：不需要转基因，高通量、大规模、高灵敏度和自动化 缺点：有时基因有几个拷贝，若只突变一个，因为可能存在互补，所以看不出其变化；有时突变后因为密码子的简并行，也看不出其变化；有时突变后，蛋白质是发生了变化，但可能不影响其功能。 四、通过map-based cloning把目标基 因限定在1个20kb的区段内，请给出鉴定 该区段中是否存在候选基因的方法。 1.筛选与目标基因连锁的分子标记。利 用目标基因的近等基因系或分离群体分组 分析法（BSA）进行连锁分析，筛选出目 标基因所在局部区域的分子标记。 2.构建并筛选含有大插入片段的基因 组文库。用与目标基因连锁的分子标记为 探针筛选基因组文库，得到阳性克隆。 3.构建目的基因区域跨叠克隆群 （contig）。以阳性克隆的末端作为探针基 因组文库，并进行染色体步行，直到获得 具有目标基因两侧分子标记的大片段跨叠 群。 4.目的基因区域的精细作图。通过整合 已有的遗传图谱和寻找新的分子标记，提 高目的基因区域遗传图谱和物理图谱的密 谱的密度。 5.目的基因的精细定位和染色体登陆。 利用侧翼分子标记分析和混合样品作图精 确定位目的基因。接着以目标基因两侧的 分子标记为探针通过染色体登陆获得含目 标基因的阳性克隆。 6.外显子的分离、鉴定。阳性克隆中可 能含有多个候选基因。用筛选cDNA文库， 外显子捕捉和cDNA直选法等技术找到这 些候选基因，再进行共分离，时空表达特 点，同源性比较等分析确定目标基因。当 然，最直接的证明是进行功能互补实验。 五、请简述对一个已经克隆的目的基 因进行功能及信号传导途径研究的思路和 方法。 基因功能的研究可以有如下途径，1.研究基 因的时空表达模式，确定其在细胞学或发 育上的功能，例如，在不同细胞类型，不 同发育阶段，不同环境条件下一级病原菌 侵染过程中mrna，蛋白质表达差异，2， 研究基因在亚细胞内的定位和蛋白质的翻 译后调控等，3利用基因敲除技术进行功能 丧失分析或通过基因的过量表达（转基因） 进行功能获得分析，进而研究目的基因与 表型性状间的关系，4 通过比较研究自发 或诱导突变体与其野生型植株在特定环境 条件下基因表达的差异，另外，有些用于 基因分离的技术。如mrna差别显示，抑制 性扣除杂交技术等也可用于功能分析。技 术如northern 印迹，rt-pcr 基因芯片 酵母双杂交基本原理 酵母双杂交系统由Fields和Song等首先在研究真核基因转录调 控中建立 i 。典型的真核生长转录 因子，如GAL4、GCN4、等都含有二 个不同的结构域: DNA结合结构域 (DNA-binding domain)和转录激活结 构域(transcription-activating domain)。前者可识别DNA上的特异 序列，并使转录激活结构域定位于 所调节的基因的上游，转录激活结构域可同转录复合体的其他成分作用，启动它所调节的基因的转录。二个结构域不但可在其连接区适当 部位打开，仍具有各自的功能。而且不同两结构域可重建发挥转录激 活作用。酵母双杂交系统利用杂交基因通过激活报道基因的表达探测蛋 白－蛋白的相互作用。主要有二类载体: a 含DNA -binding domain的载体; b 含DNA-activating domain的载体。上述二类载体在构建融合基因时，测试蛋白基因与结构域基因必须在阅读框内融合。融合基因在报告株中表达，其表达产物只有定位于核内才能驱动报告基因的转录。 酵母双杂交系统的建立与发展是基 于对真核生物转录调控起始过程的 认识。真核生物中存在一种上游激活序列(upstream activating sequence, UAS)，其作用是和激活蛋白结合并大大增加启动子的转录速度，从而在转录水平对靶基因表达进行调控。真核细胞转录起始需要反式转录激活因子的参与。很多真核生物的位点特异性转录激活因子是组件 式的，通常具有两个可分割开的结构域，即DNA特异性结合结构域(DNA-binding domain, BD)与转录激活结构域(transcriptional activation domain, AD)。这两个结构域即使分开时仍各具功能，互不影响。但一个完整的某个特定基因的转录激活因子必须同时含有这两个结 构域，否则无法完成激活功能。只有将这两部分通过适当的途径在空间 上接近才能恢复其激活转录的能力。不同来源的ＢＤ与ＡＤ结合后则特 异地激活ＢＤ结合基因的表达。基于这一特性，Fields等设计了一个检测蛋白质与蛋白质相互作用的系统。选择的转录激活因子是酵母细胞中的GAL4蛋白。分离GAL4蛋白N端的 1-147个氨基酸（BD）和C端的 768-881个氨基酸（AD），分别构建重组质粒。如果在BD上接上一个蛋白X，在AD上接一个蛋白Y，再将这二个质粒共同导入酵母菌中，若X，Y 蛋白在酵母内发生交互作用，则相当于将GAL4的BD和AD又连在一起，即可以转录激活下游报告基因的表达，通过测定报告基因的产物及活性来检测这种交互作用的发生。理论上，任何能在酵母中表达的基因均可作为报告基因，较为常用的是LacZ，和一些营养缺陷标记，这种报告基因只允许阳性克隆生长，最常用的是HIS3和LEU2。近来为了更灵敏、特异地筛选阳性克隆,常同时使用两种或两种以上的报告基因(如ADE2和URA3)，一则它可以允许用比单纯颜色筛选更大的菌落密度铺板，从而获得较丰富的表达产物，二则双重筛选相互验证，可以排除一些假阳性结果；三则转化体制造了大量的融合蛋白以保证基因产物满足生长需要，结果LacZ转录提高，从而β-半乳糖苷酶的活性亦增强。
基因组，Genome，一般的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组，或是 单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。可是基因组测序的结果发现基因编码序列只占整个基因组序列的很小一部分。因此，基因组应该指单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部DNA分子。说的更确切些，核基因组是单倍体细胞核内的全部DNA分子；线粒体基因组则是一个线粒体所包含的全部DNA分子；叶绿体基因组则是一个叶绿体所包含的全部DNA分子。 基因组学 基因组学（英文genomics），台湾译作基因体学，研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。 基因组学能为一些疾病提供新的诊断，治疗方法。例如，对刚诊断为乳腺癌的女性，一个名为“Oncotype DX”的基因组测试，能用来评估病人乳腺癌复发的个体危险率以及化疗效果，这有助于医生获得更多的治疗信息并进行个性化医疗。基因组学还被用于食品与农业部门。 基因组学的主要工具和方法包括：生物信息学，遗传分析，基因表达测量和基因功能鉴定 基因组学出现于1980年代，1990年代随着几个物种基因组计划的启动，基因组学取得长足发展。相关领域是遗传学，其研究基因以及在遗传中的功能。 1980年，噬菌体Φ-X174;(5,368 碱基对)完全测序，成为第一个测定的基因组。 1995年，嗜血流感菌（Haemophilus influenzae，1.8Mb）测序完成，是第一个测定的自由生活物种。从这时起，基因组测序工作迅速展开。 2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。 基因组学是研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学。基因组学、转录组学、蛋白质组学与代谢组学等一同构成系统生物学的组学（omics）生物技术基础。 “组学”的增长 “组”（来源于希腊语，意为…所有?，…每个?或…全部?）这个后缀最初用于基因组，意指一个物种的全部遗传组成。由于诸如基因组测序这样的大规模定量生物项目的成功，后缀“组”的使用已经扩展到其他相关领域。例如，蛋白质组指的是一个物种，组织或细胞内的全部蛋白质（表达的基因这里指被翻译成蛋白质）。蛋白质组学现在已经作为研究蛋白质组的专业术语。
基因组学和蛋白质组学 基因组学和蛋白质组学是现代生物学领域中两个重要的研究方向。它们分别研究基因组以及蛋白质组在生物体中的作用和功能，对于理解生命的基本原理和疾病的发生机制具有重要意义。 基因组学是研究生物体遗传物质（基因组）的组成、结构、功能和演化的学科。基因组是一个生物体内全部遗传信息的总和，包括DNA、RNA和蛋白质编码基因等。基因组学的发展离不开高通量测序技术的突破，这使得我们能够快速、准确地测序整个基因组。通过基因组学研究，我们可以揭示出不同物种之间的遗传关系，推断出它们的进化历史，还可以研究基因在发育过程和疾病发生中的作用。蛋白质组学则是研究生物体内所有蛋白质的组成、结构、功能和相互作用的学科。蛋白质是生物体中最重要的功能分子，它们参与几乎所有的生物过程，如代谢、信号传导、细胞结构和运动等。蛋白质组学的主要研究方法包括蛋白质分离、鉴定和定量。通过这些方法，我们可以了解到不同生物体内蛋白质的种类和数量，以及它们之间的相互作用关系。蛋白质组学在药物研发、疾病诊断和治疗等方面具有重要应用价值。 基因组学和蛋白质组学的研究相互关联，相辅相成。基因组学通过测序技术得到了大量的基因信息，为蛋白质组学提供了丰富的研究对象。蛋白质组学则通过研究蛋白质的表达、结构和功能，帮助我们理解基因组中的基因是如何发挥作用的。基因组学和蛋白质组学
的发展还推动了生物信息学的兴起，通过计算机技术对大量的基因组和蛋白质组数据进行分析和挖掘，加速了生物学的进展。 基因组学和蛋白质组学的研究在许多领域都有重要应用。在医学上，通过基因组学和蛋白质组学的研究，我们可以了解疾病的遗传基础和分子机制，为疾病的预防、诊断和治疗提供依据。在农业上，基因组学和蛋白质组学的研究可以帮助我们改良农作物的性状和产量，提高农作物的抗病虫害能力。此外，基因组学和蛋白质组学的研究还有助于环境保护、生物能源开发等领域的发展。 基因组学和蛋白质组学是现代生物学领域中的两个重要研究方向，它们通过研究生物体的遗传物质和蛋白质组成，帮助我们理解生命的基本原理和疾病的发生机制。基因组学和蛋白质组学的发展为生物学和医学等领域的研究和应用提供了重要支持，也为我们揭示生命的奥秘和推动科学进步提供了强大的工具和思路。
基因组学的定义有广义和狭义之分。广义的基因组学涉及到细胞学、遗传学、进化论和分子生物学的研究对象和范畴，可以称为是规模化的 生物学研究。狭义的基因组学主要是以各类物种的基因组为研究对象，形成复杂的概念、理论框架和研究命题。 基因内涵的最新发展 基因在分子生物学中占据了核心地位，基因概念的发展贯穿了分子生物学理论的整个发展历程。在某种程度上，基因内涵的更新与发展可以视为分子生物学发展阶段的标志。从最初孟德尔通过离散型表型抽象出的遗传因子（genetic factor）开始，在基因内涵的发展史上先后出现过遗传物质究竟是核酸还是蛋白质之争、DNA琴弦假说等早期探索性工作。目前，大家所熟知的基因形式包括顺反子、断裂基因、重复基因、重叠基因、跳跃基因、rRNA基因、tRNA基因、假基因等，近来又发现了以微小RNA基因为代表的多种非编码RNA基因（noncoding RNA gene）、跨染色体剪接基因、跨物种横向转移基因（即自然界的转基因）等多种新的基因形式。诺贝尔生理医学奖在历史上曾多次与基因的更新和发展有关。随着更多新的基因形式被不断发现，基因内涵也在不断发生变化。Gerstein等（2007）和Pesole（2008）分别对基因的概念做了较新的定义。他们给出的基因新概念主要在强调基因编码产物形式的多样性，其本质仍然是遗传信息的功能单位，而且细胞核基因组DNA也仍然是承载基因的主要物质载体。 在传统观念中，除了RNA编辑、剪接，以及蛋白质分子修饰之外，遗传信息从DNA到表型的传递过程几乎是完全线性的，至DNA以下的所有环节，包括中间分子信息和表型均最终受控于基因组DNA，生物的可遗传组分完全由基因组DNA的序列信息决定。但随着研究的不断深入，这种传统观点正逐渐被打破，目前已经知道表观遗传及其他“软”遗传（soft inheritance）机制也广泛参与了跨代遗传的调控过程。此外，已在细胞水平和整体水平上证明环境刺激引起的基因表达模式改变也可以在一定条件下实现跨代遗传，好像米丘林遗传学这一被扔进历史垃圾堆里的伪科学又死灰复燃了，在与孟德尔遗传学分道扬镳多年后又开始有了相互靠拢的新迹象（说不准某些曾经的伪科学还真有咸鱼翻身的机会）。由此大胆推测，与基因组DNA序列及其修饰无关的可跨代的“软”遗传现象暗示细胞质分子缓冲信息系统中可能存在游离于基因组DNA之外（extra-genomic）的遗传信息单位。这种现象提示可能存在更为新颖的基因形式，即在细胞质中可能存在不以基因组DNA序列为直接模版的新的基因形式。在此，本文将其暂称为游离基因（dissociative gene）。游离基因是指在细胞质以RNA cache为重要形式的分子缓冲系统中存在的不依赖于基因组DNA的独立遗传信息单位。Lolle 等（2005）认为细胞RNA cache系统中的分子序列可直接作为模板，这提示了游离基因的可能来源之一。目前只能间接推断游离基因的存在，游离基因的功能和作用机制等诸多细节尚不清楚，对于游离基因的来源、数量、维持机制、具体存在形式、游离基因如何复制、如何鉴定具体的游离基因、游离基因的进化机制等可能的科学问题均有待进一步研究。跨物种核移植胚胎可在早期发育但不能发育至更晚时期的可能原因之一就是因为游离基因的保守性较低、具有高度的物种特异性。 事实上，在超越单纯的基因组DNA层次上，遗传信息单位的形式已从概念上得到了极大的拓展，目前已出现从基于DNA序列信息的传统等位基因（allele）向广义生物等位基因（bioallele）发展的趋势，包括表观等位基因（epiallele）（Johannes et al., 2008）、转录等位基因（transcriptallele）、蛋白等位基因（proteallele）、代谢等位基因（metaboallele）以及 生理等位基因（physiallele）等一些广义生物等位基因的新概念。随着生命科学日新月异的发展，一些更新的基因形式将可能被发现或提出来，比如笔者认为，新出现的元基因组（metagenome）概念甚至可能催生跨个体、跨种的metagene出现。在可以预期的未来，生命科学的一个重要研究内容就是不断发现新的基因形式，并深入探索这些新的遗传信息单位（即新的基因形式）的特性及其参与生命过程的调控机制。 真核细胞的基因结构在遗传学上通常将能编码蛋白质的基因称为结构基因。真核生物的结构基因是断裂的基因。一个断裂基因能够含有若干段编码序列，这些可以编码的序列称为外显子。在两个外显子之间被一段不编码的间隔序列隔开，这些间隔序列称为内含子。每个断裂基因在第一个和最后一个外显子的外侧各有一段非编码区，有人称其为侧翼序列。在侧翼序列上有一系列调控序列(图3-3)，主要包括启动子、增强子、终止子等。 启动子启动子主要包括以下两个序列：①在5′端转录起始点上游约20～30个核苷酸的地方，有TA TA框(TA TA box)。TA TA框是一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为TA TAA TAA T。TA TA框是启动子中的一个顺序，它是RNA聚合酶的重要的接触点，它能够使酶准确地识别转录的起始点并开始转录。当TA TA框中的碱基顺序有所改变时，mRNA的转录就会从不正常的位置开始。②在5′端转录起始点上游约70～80个核苷酸的地方，有CAA T框(CAA T box)。CAA T框是启动子中另一个短的核苷酸序列，其碱基顺序为GGCTCAA TCT。CAA T框是RNA聚合酶的另一个结合点，它的作用还不很肯定，但一般认为它控制着转录的起始频率，而不影响转录的起始点。当这段顺序被改变后，mRNA的形成量会明显减少。增强子在5′端转录起始点上游约100个核苷酸以远的位置，有些顺序可以起到增强转录活性的作用，它能使转录活性增强上百倍，因此被称为增强子。当这些顺序不存在时，可大大降低转录水平。研究表明，增强子通常有组织特异性，这是因为不同细胞核有不同的特异因子与增强子结合，从而对不同组织、器官的基因表达有不同的调控作用。例如，人类胰岛素基因5′末端上游约250个核苷酸处有一组织特异性增强子。在胰岛素β细胞中有一种特异性蛋白因子，可以作用于这个区域以增强胰岛素基因的转录。在其他组织细胞中没有这种蛋白因子，所以也就没有此作用。这就是为什么胰岛素基因只有在胰岛素β细胞中才能很好表达的重要原因。 终止子在3′端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AA TAAA，这一顺序可能对mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚A)有重要作用。这个顺序的下游是一个反向重复顺序。这个顺序经转录后可形成一个发卡结构(图3-4)。发卡结构阻碍了
各种组学基本概念 一、基因组学 基因组学是指对生物体染色体上所有基因的研究，包括基因的结构、功能和相互关系等。它是生命科学的一个重要分支，可以用来研究生物体的遗传信息和进化历程。在人类基因组计划的推动下，人类基因组被测序完成，为人类疾病诊断和治疗提供了重要的依据。 二、转录组学 转录组学是指对生物体所有基因在特定时期内所表达的RNA分子进行系统性分析和研究。通过转录组学技术，可以了解细胞在不同状态下所表达的基因信息，为深入理解细胞功能提供了重要线索。 三、蛋白质组学 蛋白质组学是指对生物体内所有蛋白质进行系统性分析和研究。通过蛋白质质谱技术等手段，可以鉴定蛋白质种类和数量，并进一步探究其功能及相互作用关系等。 四、代谢组学
代谢组学是指对生物体内代谢产物进行高通量鉴定和定量分析，并探究其与生理状态、环境因素和疾病等的关系。代谢组学技术可以用于药物研发、疾病诊断和治疗等领域。 五、表观组学 表观组学是指对生物体基因组中不涉及DNA序列改变的遗传变异进行分析和研究，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等。表观组学技术可以用于深入理解基因调控机制及其在生理和病理过程中的作用。 六、微生物组学 微生物组学是指对微生物群体结构、功能和相互关系等进行系统性分析和研究。通过微生物组学技术，可以了解微生物在不同环境下的分布规律及其对宿主健康的影响，为预防和治疗微生物相关性疾病提供依据。 七、单细胞组学 单细胞组学是指对单个细胞进行高通量测序和分析，并探究其在细胞类型识别、发育进程和复杂性状形成等方面的作用。单细胞组学技术
可以帮助我们了解细胞异质性和细胞间相互作用，为疾病诊断和治疗提供新思路。 八、系统生物学 系统生物学是指对生物体内各种分子、细胞和组织等不同层次的信息进行整合和建模，并探究其在生理和病理过程中的相互作用关系。通过系统生物学技术，可以揭示复杂性状的形成机制，为药物研发和临床应用提供新思路。 九、人类遗传学 人类遗传学是指对人类基因组及其变异进行分析和研究，并探究其在人类健康和疾病中的作用。通过人类遗传学技术，可以了解人类群体的遗传多样性及其与环境因素的相互作用关系，为个性化医疗提供依据。 十、生物信息学 生物信息学是指运用计算机科学和数学等方法对生命科学数据进行处理、分析和解释，并开发新的算法和工具来支持各种组学技术。通过生物信息学技术，可以挖掘海量数据中隐藏的规律，为深入理解生命现象提供重要手段。
问：基因组学、转录组学、蛋白质组学、结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学研究有哪些特点？ 答：人类基因组计划完成后生物科学进入了人类后基因组时代，即大规模开展基因组生物学功能研究和应用研究的时代。在这个时代，生命科学的主要研究对象是功能基因组学，包括结构基因组研究和蛋白质组研究等。以功能基因组学为代表的后基因组时代主要为利用基因组学提供的信息。 基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学(struc tural genomics)和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学(functional genomics)。结构基因组学代表基因组分析的早期阶段，以建立生物体高分辨率遗传、物理和转录图谱为主。功能基因组学代表基因分析的新阶段，是利用结构基因组学提供的信息系统地研究基因功能，它以高通量、大规模实验方法以及统计与计算机分析为特征。 功能基因组学(functional genomics)又往往被称为后基因组学(postgenomics)，它利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。这是在基因组静态的碱基序列弄清楚之后转入基因组动态的生物学功能学研究。研究内容包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。 基因的功能包括：生物学功能，如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能，如参与细胞间和细胞内信号传递途径；发育上功能，如参与形态建成等采用的手段包括经典的减法杂交，差示筛选，cDNA代表差异分析以及mRNA差异显示等，但这些技术不能对基因进行全面系统的分析。新的技术应运而生，包括基因表达的系统分析，cDNA微阵列，DNA芯片等。鉴定基因功能最有效的方法是观察基因表达被阻断或增加后在细胞和整体水平所产生的表型变异，因此需要建立模式生物体。 功能基因组学
基因组学与转录组学 在现代生物学研究中，基因组学和转录组学是两个重要的分支领域。它们的发展和应用对于我们理解和探索生命的本质和机制具有重要意义。本文将介绍基因组学和转录组学的基本概念、方法和应用，旨在 帮助读者更好地理解这两个领域的相关知识。 一、基因组学 基因组学是研究生物体遗传物质基因组的学科，它主要关注的是基 因组的组成、结构、功能和演化等方面的研究。通过对基因组的分析，我们可以全面了解生物体的遗传基础，揭示基因与表型之间的关系。 基因组学的研究方法主要包括测序技术、比较基因组学和功能基因 组学等。其中，测序技术是基因组学研究的核心工具，它可以将生物 体的基因组序列进行高效准确地测定。比较基因组学则通过比较不同 物种的基因组序列，寻找共同的基因组特征和演化规律。功能基因组 学则研究基因组中的功能元件和调控网络，揭示基因的功能和相互作用。 基因组学的应用非常广泛，它在基础研究、医学和农业等领域都具 有重要作用。在基础研究方面，基因组学可以帮助科学家们更好地理 解生命的本质和进化规律。在医学领域，基因组学可以用于研究人类 基因组中的突变和变异，探索与疾病相关的基因。在农业方面，基因 组学可以用于优良基因的筛选和育种，提高作物的产量和品质。 二、转录组学
转录组学是研究生物体转录组的学科，它主要关注的是在一定条件 下生物体细胞中所有基因的转录情况，通过对转录产物的分析，揭示 基因的表达调控和功能。 转录组学的研究方法主要包括RNA测序技术和生物信息学分析等。RNA测序技术可以高通量地测定转录产物的序列和数量，从而了解基 因的表达水平和变化。生物信息学分析则通过对转录组数据的整合和 挖掘，寻找基因表达调控网络和功能模块。 转录组学的应用广泛涉及基础研究、医学和农业等诸多领域。在基 础研究方面，转录组学可以帮助科学家们了解基因的调控网络和功能 模块，揭示基因的表达调控机制。在医学领域，转录组学可以用于研 究疾病的发生和发展机制，发现新的治疗靶点和药物。在农业方面， 转录组学可以用于研究作物的逆境适应机制，提高作物的耐旱、抗病 能力。 三、基因组学与转录组学的关系 基因组学和转录组学都是生物学中重要的领域，它们密切相关但又 有所不同。基因组学主要关注的是生物体整个基因组的研究，包括基 因组的组成、结构、功能和演化等方面。而转录组学则是基因组学的 一个重要分支，主要关注的是在特定条件下基因的转录情况，通过对 转录产物的分析来了解基因的表达调控和功能。可以说，基因组学是 转录组学的基础，转录组学则是基因组学的延伸。 基因组学和转录组学的研究方法和技术也有许多的重叠和交叉。比如，测序技术是两个领域的核心工具，可以用于测定基因组和转录产