比较基因组学研究内容ppt课件

从下到上依次读出DNA 片段的核苷酸序列
断裂产物分 别在4个泳 道电泳
G G+A T+C C
化学法测序实例
哌啶
改进的特异化学切割反应
1.基本原理
与链终止法测序原理相同,只是用不同 的荧光色彩标记ddNTP,如ddATP标记红 色荧光,ddCTP标记蓝色荧光, ddGTP标 记黄色荧光, ddTTP标记绿色荧光.由于 每种ddNTP带有各自特定的荧光颜色,而 简化为由1个泳道同时判读4种碱基.
②该酶能够用2‘，3’--双脱氧核苷三磷酸作底物并将 其聚合到新生寡核苷酸链的3‘-末端，从而终止其延 伸反应。
在DNA测序反应中，加入模板DNA，引物（特异 性引物），DNA聚合酶，dA，dT，dG，dC和一 种ddNTP。常用Klenow大片段，无5'→3'外切酶 活性。
制备单链模板
A 克隆于质粒中DNA→用碱或热变性 B M13克隆单链DNA C 噬粒克隆DNA D PCR产生单链DNA
C 参考人类基因组图,特别是大量的STS位标作为基点,进行
序列组装，排成重叠克隆群.
基于克隆群(contig-based)
鸟枪法策略
指导测序策略
遗传、物理图谱
人们对感兴趣的基因或与疾病相关的 基因优先测序.
如:人类主要组织相容性复合区位于第6号 染色体,与人类免疫系统有关，因而优先 测序.
EST是一种重要的基因组图分子标记,以EST为探针很 容易从 cDNA中筛选全基因,又可从BAC克隆中找到其
2. 人类基因组草图的完成
2000年6月26日是人类 上值得纪念的一天。人 类基因组的工作草图已 经绘制完毕并于这天向 全世界公布。最终完成 图要求测序所用的克隆 能忠实地代表常染色体 的基因组结构，序列错 误率低于万分之一。

意外的发现
• 另外，此前科学界一致认为鸡没有嗅觉 ，但是分析结果表明鸡具有大量的嗅觉 基因，味觉基因却很缺乏。
• 分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生 乳汁、唾液和牙齿的基因。
鸡基因组研究的意义
• 鸡是研究低等脊椎动物和人类等哺乳动物 的一种比较理想的中介。
• 将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进 行比较，有助于更深入理解人类基因的结 构和功能，进而开发治疗疾病的新手段， 对于培育优质鸡种、改善食品安全、控制 禽流感病毒的蔓延也有重要意义。
1. 原核生物基因组的大小--基因组较大的原
• 1997 年9 月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成 功, 基因组全序列完成, 全长为5Mb ,共有4 288 个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序 列.
• 人们常说，每个分子生物学家都对两种生物感 兴趣，一种是所研究的物种，另一种就是E. coli。研究人员可以利用实验室中的E. coli菌株 克隆DNA、表达蛋白质、分离目的基因等，如 果没有E. coli，实验室将无法工作。
测序微生物的类别
• 几乎所有类别的病毒 • 模式微生物 • 极端环境微生物 • 病原原核生物 • 环境降解微生物 • 其他
Viruses
微生物基因组的特点
类别
特征
染色体结构 基因组大小 编码序列
多为一条环状闭合双链DNA 从0.16-13Mb 占基因组总长度的90%，平均为1Kb左 右
GC含量
鸡的进化研究
• 鸡是种常见的家禽，长期受到进化生物学家的 青睐。它的基因序列也有助于科学家了解农业 和进化学上重要特性的遗传学基础。
转基因小鸡
• 对鸡和人类的基因组进行比较后发现约 七千万个碱基对是共有的。
• 这暗示着在大约三亿一千万年前二个物 种从共同祖先分化出来的时候，遗传物 质具有守恒性。

在此基础上构建覆盖每条染色体的大片 段DNA克隆
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如： CHENLI
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● 酵母人工染色体
（yeast artificial chromosome,YAC）
● 细菌人工染色体
（bacterial artificial chromosome,BAC）
● 人工附加染色体
（human artificial episomal chromosome,HAEC）
Chapter 10
基因组学研究技术
Capter 1
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CHENLI
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主要内容
物理图谱 基因转录图谱 基因组功能分析技术 生物信息学技术
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CHENLI
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CHENLI
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物理图谱（physical map）
测定DNA分子，
绘制构成基因组的全部基因的排列和间距。
主要是把含有STS对应序列的DNA的克隆片段 连接成相互重叠的“片段重叠群（contig）
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1.1 限制酶作图(Restriction Mapping)基本原理
H
待检的DNA
H
EcoR I
H
E
B
E 6Kb
E 9Kb
H
BamHI
H
B 5Kb
B 10Kb
H
E
6Kb
E+B
B
比较
排出酶切片段
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完整的物理图谱应包括
基因组的不同载体DNA克隆片段重叠群图
大片段限制性内切酶切点图

二、单核苷酸多态性与单体型
人类基因组计划揭示了个体之间DNA序列约有 0.1%的差异，这些差异是导致药物个体差异的 遗传基础。
单核苷酸多态性主要是指在基因组水平上由单 个核苷酸的变异【转换(transition)或颠换 (transversion)】所引起的DNA序列多态性。它 是人类可遗传的变异中最常见的一种。
巴比妥类药物在一般催眠剂量时，对大多数人 可产生催眠作用，但对个别人不但不催眠甚至 引起焦躁不安、不能入睡。吗啡也有类似情况， 对个别人不表现抑制作用，而是兴奋作用。过 敏反应和特异质反应即是个体差异的表现。
（二）遗传药理学与药物基因组学
50年代以后，遗传因素对药物应答的影 响日益受到重视，诞生了遗传药理学。 既研究个体遗传差异与药物应答的关系。
特异质反应：红细胞6-磷酸葡萄糖脱氢 酶缺乏是一种遗传性生物化学缺陷，这 种病人服用有氧化作用的药物如磺胺等 就可能引起溶血。
药物应答的个体差异
药物应答的个体差异：不同个体对同一 药物同一剂量的反应存在量和质的差别。
影响药物效应差异的因素
典例
男性病人用水杨酸钠（止痛药和风湿药）治疗， 引起不良反应的剂量在不同个体中相差可达10 倍。
电影《我不是药神》。
药物基因组学：研究基因本身及其突变 体与药物效应相互关系的一门科学。
目的：个体化医疗和精准医疗。
（一）药物效应的个体多样性
药物不良反应（adverse drug reactions,ADR）:指正常治疗药物用量和正常 用法下出现的有害的、与用药目的无关的反应 （包括副作用、毒性反应、过敏反应等）。不 包括过量用药及用药不当引起的反应。
慢性粒细胞白血病：9号染色体与22号染色体之间发 生易位。95%的慢性粒细胞白血病患者中都伴随有 BCR-ABL的产生。

➢ 经典遗传学中，遗传多态性指等位基因的变异；现代遗传 学中，遗传多态性指基因组中任何座位上的相对差异或 DNA序列的差异；
➢ 遗传标记可用于连锁分析、基因定位、遗传作图、基因转 移、辅助选择育种等；
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形态标记 (morphological markers)
细胞学标记 (cytological markers)
➢ 用具染色体变异的材料与正常材料杂交，特定染色体上的 基因在减数分裂过程中的分离和重组发生偏离，由此可测 定基因所在染色体及其位置；
➢ 克服了形态标记易受环境影响的缺点，但标记材料的产生 需大量的人力物力进行培养选择；
➢ 有些物种对染色体变异的耐受性差，难以获得相应的标19 记 材料。
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➢ 形态标记简单直观、经济方便， 容易观察记载。
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形态标记的不足
➢ 可以观察到的标记非常有限，难以建立饱和的遗传图谱； ➢ 许多形态标记受环境、生育期等因素的影响； ➢ 复等位基因位点很难全部鉴定、标记出来。
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2.1.2 细胞学标记
➢ 指能明确显示遗传多态性的细胞学特征。染色体的结构和 数量特征是常见的细胞学标记；
20世纪80年代后期,人们开始应用微卫星序列(microsatellite,MS)绘制图谱。1994
年底，美、法完成了以RFLP及微卫星ＤＮＡ为标志的遗传图谱.图谱包含了
5826位点，覆盖4000cM，分辨率高达0.7cM．1996年法国报道了完全以微卫星
DNA标志构建的遗传连锁图，包含2335位点，分辩率为1.6cM
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RFLP标记的特征
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➢ 同一亲本及其子代相同位点上的多态性不变；

2021/3/7 The mechanisms of RNAi, RNA interference, RNAi 19
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Genetic interference following ingestion of dsRNA-expressing bacteria by C.elegans
正确剪接位点
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成熟 ( mRNA )结构
起始密码： ATG
N 5‘
外显子 64密码子
终止密码： TAA TAG TGA
C
3‘
蛋白质(20氨基酸)
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Promoter::GFP reporters reveal worm Cadherin gene expression
Worm cadherins: cdh-1, hmr-1a, hmr-1b, cdh-3, cdh-4, cdh-5, fmi-1, cdh-7, cdh-8, cdh-9, cdh-10, casy-1, cdh-12
1. Utilization of desirable regulatory sequence to drive the expression of your gene product
5’ control region protein coding region 3’ control region
2. Gene Silencing or Antisense approach to control the level of mRNA of a given gene
AT
genomic DNA PCR
G
GFP vector
3-5kb

☆基因的两个基本属性： 基因是世代相传的， 基因是决定遗传性表达的
现在所说的“基因是生物体传递遗传信息和表达遗传信 息的基本物质单位”，实际上就是孟德尔所阐明的基因观。
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7
1926年，摩尔根的巨著《基因论》出版，从而建 立了著名的基因学说。
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8
☆ 基因是染色体上的实体 ☆ 基因象链珠(bead)一样，孤立地呈 线状地排列在染色体上 ☆ 基因是
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2
第一节 基因与基因组的概念
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3
基因
是遗传信息的物理和功能单位，包含产生 一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸 序列。
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4
基因结构研究的历史
从遗传学史的角度看，基因概念大致分以下几个阶段：
泛基因 （或前基因）
孟德尔 （遗传因子）
摩尔根 （基因）
现代基因
操纵子
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顺反子
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遗传学的奠基人孟德尔 （Gregor Johann Mendel 1822～1884）
基因主要位于染色体上，还有染色体外遗传物质
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基因概念的发展
☆移动基因
DNA能在有机体的染色体组内从1个地方跳到另一个地方，它 们能从1个位点切除，然后插入同一或不同染色体上的另一个位置。 移动基因机构简单，由几个促进移位的基因组成。基因的跳动能够 产生突变和染色体重排，进而影响其他基因的表达。
one gene → one function
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根据其是否具有转录和翻译功能可以把基因分为三类： ☆编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编 码酶和结构蛋白的结构基因以及编码调节蛋白的调节基 因； ☆只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因 和rRNA基因； ☆不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括 启动子和操纵基因。启动子和操纵基因有时被统称为控 制基因。

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2000年-2014年测序植物基因组大小比较
/bbs/topic/30217258?from=recommend&mode=old
拟南芥 水稻 水稻 杨树 葡萄 衣藻
小立碗藓 番木瓜 百脉根
三角褐指藻 高粱 玉米 黄瓜 大豆
二穗短柄草 褐藻 团藻 蓖麻
小球藻 苹果
森林草莓 可可树
野生大豆 褐潮藻类
麻风树 卷柏
枣椰树 琴叶拟南芥
马铃薯 条叶蓝芥
白菜 印度大麻
木豆 蒺藜苜蓿
蓝载藻 谷子 谷子 番茄 甜瓜 亚麻 盐芥 香蕉
雷蒙德氏棉 大麦 梨 西瓜 甜橙 小麦
棉花（雷蒙德氏棉） 梅花
鹰嘴豆 橡胶树
毛竹 短花药野生稻
小麦A 小麦D
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2、植物基因组多倍体比较常见，而动物中极其罕见。
1、植物基因组往往比较大染色体数目变化范围大。
世界上现在公认的基因组最大的生物是Paris japonica，中文名 衣笠草，约150Gb，大约是人类（3.2Gb）的50倍，是具有40条 染色体的八倍体。已知的染色体数目最多的一个科叫 Ophioglossum，中文名瓶爾小草科，属于蕨类，该科物种最多 可有1260条染色体。
毛竹 短花药野生稻
小麦A 小麦D
桃树 丝叶狸藻
中国莲 挪威云杉 海洋球石藻
虫黄藻 油棕榈 枣椰树 醉蝶花
莲 桑树 猕猴桃 胡杨 八倍体草莓 康乃馨 甜菜 无油樟（互叶梅） 芝麻 辣椒 火炬松 棉花（亚洲棉） 萝卜 甘蓝 菜豆 野生大豆 普通小麦 野生西红柿 非洲野生稻 油菜 中果咖啡 茄子 多个野生大豆 绿豆 啤酒花 蝴蝶兰

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芯片特点
优点：
①微型化 ：平方厘米大小，实验所需试剂用量少
②高通量：一次检测数万个分子
③自动化
④标准化 ： 传统方法检测众多基因要经历多次实 验，因而每次实验之间是存在系统误差的。
缺点： 在同一温度下杂交，不同探针杂交效率不
同。
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生物芯片的应用
① 基因表达水平的检测
② 基因诊断
③ 药物筛选
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Northern的应用
检测样品中是否有基因的转录产物 及其含量。
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3 检测基因的表达水平---Northern的应用实例
WT SBEIII OX
SBEIII
WT
SBEIII OX
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三 种
分
子
杂
交 技
术
的
比
较
Southern
- Nor杂交(in situ hybridization)
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芯片发展历史
Southern & Northern Blot
Dot Blot
Macroarray
Microarray
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芯片种类
按固定分子：
基因芯片(Gene Chip) 蛋白质芯片(Protein Chip) 细胞（组织）芯片（Cell/tissue Chip）
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根据用途
信息生物芯片（information-biochip）和功能生物 芯片（function-biochip）。
1979，Towbin，Western blotting：蛋白质印记
基因芯片
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复性

基因与生物性状物体 的性状。
02 基因的表达水平可以影响生物体的表现型，如身 高、肤色、眼睛颜色等。
03 基因与环境因素的相互作用也可以影响生物体的 表现型，如饮食习惯、运动习惯等。
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基因工程和基因编辑
基因工程的定义和应用
基因工程的定义
基因工程是一种通过人工操作和 改变生物体的遗传物质来改变其 性状的技术。
基因工程的应用
基因工程在农业、医学、工业和 基础生物学研究中有着广泛的应 用，例如转基因作物、基因治疗 、基因检测和基因克隆等。
基因编辑技术及其应用
基因编辑技术的定义
基因编辑技术是一种能够精确地修改生物体基因组的工具，包括CRISPR-Cas9、 ZFNs和TALENs等。
基因编辑技术的应用
基因编辑技术被广泛应用于基础生物学研究、疾病治疗、作物改良和动物育种 等领域，例如用于治疗遗传性疾病、抗病抗虫作物的培育以及动物模型的构建 等。
DNA的分子结构
双螺旋结构
DNA由两条反向平行的链 组成，通过碱基配对形成 双螺旋结构。
碱基配对
A与T配对，G与C配对， 形成稳定的碱基对。
方向性
DNA的两条链方向相反， 一条链是5'到3'方向，另 一条链是3'到5'方向。
基因的组成和结构
基因定义
基因是遗传信息的基本单位，负责编码蛋白质或多肽。
基因结构
基因由编码区和非编码区组成。编码区包含有意义的核苷酸序列，负 责转录和翻译为蛋白质或多肽。非编码区则调控基因的表达。
基因复制
DNA复制是半保留复制，即亲代DNA的每一条链作为模板合成子代 DNA的一条链。
基因突变
基因突变是指基因序列的改变，可能导致遗传信息的改变，从而影响 生物体的表型。