基因组学
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基因组学概念
基因组学概念
基因组学（Genomics）是一门研究基因组结构和功能的学科，它涵盖了生命科学、生物信息学、计算机科学等多个领域。
基因组学通过研究基因组的结构、组成、表达和调控，深入理解生命的本质、生物多样性和疾病发生机制，为新药研发、医学诊断和治疗提供基础支持和解决方案。
基因组学的主要研究对象是基因组，即生物体内部所有基因的集合体。
基因组由DNA序列组成，其中包括编码蛋白质和调节基因表达的基因，以及非编码DNA序列和重复DNA序列等。
基因组学的研究内容包括以下几个方面：
1. 基因组测序：通过高通量测序技术，对基因组进行大规模的测序分析，以获取基因组的详细序列和变异信息。
2. 基因组组装：通过对测序数据进行组装和分析，构建基因组的物理图谱和遗传图谱，以确定基因组的结构和组成。
3. 基因组注释：通过对基因组序列进行注释和分析，确定基因的编码区、调控序列和重复序列等信息，以揭示基因的功能和表达模式。
4. 基因组变异分析：通过分析基因组序列中的变异，包括单核苷酸变异（SNV）、插入和缺失（INDEL）、结构变异（SV）等，揭示基因组的遗传多样性和疾病发生机制。
5. 基因组学应用：将基因组学应用于医学、农业、环境科学等领域，包括新药研发、疾病诊断和治疗、生物多样性保护等。
基因组学的发展得益于现代科技的不断进步和创新，如高通量测序技术、生物信息学方法和计算机科学算法等。
随着技术的不断革新和完善，基因组学将在生命科学、医学和农业等领域发挥越来越重要的作用，为人类提供更加全面、深入和精准的知识和解决方案。
基因组学
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。
1.基因组学简介
Mitochondrial genetic bottleneck（线粒体遗传瓶颈）
母亲体内只有一小部分线粒体DNA分子会遗传给下一代
Mitochondrial threshold effect（线粒体阈值效应）
大多数情况下，遗传缺陷的表型表现只有当超过阈值水平时才会发生
Haplotype（单体型）
一组相互关联的单核苷酸多态性基因(SNP)位点，往往一起出现
Mitochondrial genome
37genes (No introns) 高突变率 Maternal inheritance 母系遗传——extranuclear inheritance
Mitochondrial genome Heteroplasmy（异质性）
一个个体/细胞可以同时存在多种类型的线粒体DNA
同病同治→同病异治
Right patients Right drugs Right dosage(剂量) Right time
药物研发过程
1.计算机辅助药物设计CADD（3-5年） 2.Ⅰ期临床：安全性、耐受性、药代动力学（1年） 3.Ⅱ期临床：安全性、疗效、剂量（安慰剂/已上市药物 for 对照）（单盲2年） 4.Ⅲ期临床：安全性、疗效的确证阶段（足够样本量的随机双盲对照试验）（双盲3年） 5.Ⅳ期及Ⅴ期为非必要
Haplogroup（单倍群）
一组相似的单体型，源自一个SNP突变的祖先 #Y染色体单倍群
最常被研究的单倍群是Y染色体单群和线粒体DNA单倍群
4P医学
Predictive medicine（预测医学） Preventative medicine（预防医学） Personalized medicine（个体化、精准医学） Participatory （公众参与性）
母亲体内只有一小部分线粒体DNA分子会遗传给下一代
Mitochondrial threshold effect（线粒体阈值效应）
大多数情况下，遗传缺陷的表型表现只有当超过阈值水平时才会发生
Haplotype（单体型）
一组相互关联的单核苷酸多态性基因(SNP)位点，往往一起出现
Mitochondrial genome
37genes (No introns) 高突变率 Maternal inheritance 母系遗传——extranuclear inheritance
Mitochondrial genome Heteroplasmy（异质性）
一个个体/细胞可以同时存在多种类型的线粒体DNA
同病同治→同病异治
Right patients Right drugs Right dosage(剂量) Right time
药物研发过程
1.计算机辅助药物设计CADD（3-5年） 2.Ⅰ期临床：安全性、耐受性、药代动力学（1年） 3.Ⅱ期临床：安全性、疗效、剂量（安慰剂/已上市药物 for 对照）（单盲2年） 4.Ⅲ期临床：安全性、疗效的确证阶段（足够样本量的随机双盲对照试验）（双盲3年） 5.Ⅳ期及Ⅴ期为非必要
Haplogroup（单倍群）
一组相似的单体型，源自一个SNP突变的祖先 #Y染色体单倍群
最常被研究的单倍群是Y染色体单群和线粒体DNA单倍群
4P医学
Predictive medicine（预测医学） Preventative medicine（预防医学） Personalized medicine（个体化、精准医学） Participatory （公众参与性）
基因组学
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。
基因组学：基因与基因组的研究
基因编辑技术的伦理与法律问题
基因编辑技术如CRISPR-Cas9等为人类提供了重新编程生命的能力，具有巨大的潜力。然而，这种技 术的伦理和法律问题也引起了广泛的关注和讨论。例如，是否可以对人类胚胎进行基因编辑、是否可 以使用基因编辑技术创造“设计婴儿”等。
在伦理方面，人们担心基因编辑可能会破坏自然的生命过程，导致不公平的遗传优势，甚至可能引发 新的社会不平等问题。因此，需要建立严格的伦理准则和法律监管框架，以确保基因编辑技术的合理 和安全使用。
基因组学在医学领域的应用广泛，如疾病诊断、药物研发和 个性化医疗等方面，有助于提高疾病的预防、诊断和治疗水 平。
生物产业发展
基因组学的研究对于推动生物产业的发展也具有重要意义， 如基因治疗、生物制药和基因编辑等领域。
基因组学的研究历史与发展
研究历史
基因组学的研究可以追溯到20世纪初，随着DNA双螺旋结构的发现和分子遗传学的发展，基因 组学逐渐成为一门独立的学科。
04
基因组学在生物医学中的应 用
疾病诊断与预防
疾病诊断
基因组学技术可以帮助医生通过检测 基因变异来确定疾病的原因，为疾病 的早期诊断提供依据。
预防策略
基因组学研究有助于发现与疾病易感 性相关的基因变异，为制定针对性的 预防策略提供科学依据。
药物研发与治疗
药物靶点
基因组学有助于发现新的药物靶点， 提高药物研发的效率和成功率。
研究现状
目前，全球已经完成了多个人类和模式生物的基因组测序，基因组学的研究重点已经从基因组的 测序转向了基因的表达、调控和进化等领域。
发展趋势
未来，基因组学将继续朝着高通量、高精度和智能化等方向发展，同时与其他学科的交叉融合也 将更加紧密，如生物信息学、合成生物学和系统生物学等。
基因组学——精选推荐
基因组学1.基因组学包括那些研究内容？（1）结构基因组学：通过基因组作图、核苷酸序列分析，研究基因组结构，确定基因组成、基因定位的科学基因组测序：⾸先将整个基因组的DNA分解为⼀些⼩⽚段，然后将这些分散的⼩⽚段逐个测序，最后将测序的⼩⽚段按序列组装基因组作图：在长链DNA分⼦的不同位置寻找特征性的分⼦标记，绘制基因组图。
根据分⼦标记可以准确⽆误地将已测序的DNA⼩⽚段锚定到染⾊体的位置上。
（2）功能基因组学：利⽤结构基因组学提供的信息和产物，在基因组系统⽔平上全⾯分析基因功能的科学。
功能基因组学的研究内容：(1)进⼀步识别基因以及基因转录调控信息。
(2)弄清所有基因产物的功能，这是⽬前基因组功能分析的主要层次。
(3)研究基因的表达调控机制，分析基因产物之间的相互作⽤关系，绘制基因调控⽹络图。
（3）⽐较基因组学：研究不同物种之间在基因组结构和功能⽅⾯的亲源关系及其内在联系的学科。
⽐较基因组学的研究内容:：（1）绘制系统进化树，显⽰进化过程中最主要的变化所发⽣的时间及特点。
据此可以追踪物种的起源和分⽀路径。
(2)了解同源基因的功能。
(3)对序列差异性的研究有助于认识产⽣⼤⾃然⽣物多样性的基础。
2.基因组学的历史变⾰与发展趋势？（⼀）1900年代以前:前遗传学时代（1）物种进化的⾃然选择学说——达尔⽂进化论。
（2）1865年G.Mendel发表豌⾖杂交实验结果，提出了遗传学的两⼤遗传规律—分离规律和独⽴分配规律，并认为是⽣物体内的遗传因⼦或遗传颗粒控制⽣物性状（⼆）1900—1950年代:经典遗传学时代标志：1900年,孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞⽣）⼈们开始把控制⽣物遗传性状的遗传单称为基因。
⽣命科学的研究基本都是围绕着基因来进⾏。
（三）1950—1990年代:分⼦⽣物学时代（前基因组学时代）标志：Watson & Crick 的DNA 双螺旋结构的发现[《Nature》1953.4.25]，标志着分⼦⽣物学时代的开始 F.Crick根据DNA 的X射线衍射图谱，提出了DNA双螺旋结构模型，解释基因复制的机制，从⽽真正开始从分⼦⽔平上研究⽣命活动。
基因组学
基因组复习基因组（genome），又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传信息的总和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。
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。
基因组学的研究内容结构基因组学：基因定位；基因组作图；测定核苷酸序列功能基因组学：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蛋白质组学：鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相互作用方式遗传图谱（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。
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 分子标记所有的标记都必须具有多态性！所有多态性都是基因突变的结果！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。
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限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。
基因组学
SSR或微卫星
■重复序列： ◆串联重复序列（tandem repeated sequence），其重复单位首尾 相连，成串排列（Flavell 1986）。 ◆散布重复序列（interspersed repeated sequence），其重复单位 与其它无关序列或单拷贝序列相间排列。 ■微卫星DNA序列又称简单重复序列（simple sequence repeat ， SSR）、短串联重复序列（short sequence repeat，STR），它是 由几个核甘酸（一般1~5个）为重复单位簇集而成的串联重复序 列，可分布在整个基因组的不同位置上，而且在基因组中的分 布是随机的。微卫星长度具有高度变异性，并且这种多态性常 常表现复等位性，两端的序列多是相对保守的单拷贝序列，因 而可以根据两端的序列设计一对特异引物，扩增每个位点的微 卫星序列，从而揭示其长度的多态性（simple sequence length polymorphism，SSLP）。
功能基因组学
基因组DNA测序： 基因组DNA测序： 测序 人类对自身基因组认识的第一步。 人类对自身基因组认识的第一步。 功能基因组学： 功能基因组学： 从基因组信息与外界环境相互作用的高度， 从基因组信息与外界环境相互作用的高度， 阐明基因组的功能。 阐明基因组的功能。 功能基因组学的研究内容： 功能基因组学的研究内容：
EST EST（expressed sequence tags） 是长约300~400bp的基因表达 序列片段。 EST技术是将mRNA反转录成 cDNA隆，对 其5′或3′端进行一步法测序， 将所获序列与基因数据库中已 知序列进行比较，从而获得对 生物体生长、发育、代谢、繁 殖、衰落死亡等一系列生理生 化过程认识的技术（Hatey 1998）。
第十三章 基因组学
四、基因组学研究内容
（三）蛋白质组学(proteomics) 研究细胞内蛋白质组成及其活动规律。旨 在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能 模式,内容包括鉴定蛋白质表达、存在方式、 结构、功能和相互作用方式等。 基因是遗传信息的携带者,而全部生物功能 的执行者却是蛋白质, 仅仅从基因的角度来研 究是远远不够的。
（一） 人类基因组
1. 人类基因组计划 与曼哈顿原子 计划、阿波罗登月计划并称的人类科学 史上的重大工程。于1990年首先在美国启 动，后有德、 日、英、法、中等国的科学家先后正式加入。
人类基因组计划
▲ 1990年，美国国会批准美国的“人类基因组计划” 在10月1日正式启动。其总体规 划是准备在15年内 （1990－2005）至少投入30亿美元，分析人类的基因 组30 亿个碱基对。 ▲ 2003年，6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成 功，HGP的所有目标全部实现。覆盖人类基因组所含 基因区域的99%，精确率达到99.99%，比原计划提前 两年多，耗资27亿美元。
SSR （simple sequence repeats） 或微卫星（microsatellite )
☆重复序列 ◆串联重复序列（tandem repeated sequence），其重复单位首尾相连，成串排列 （Flavell 1986）。 ◆散布重复序列（interspersed repeated sequence），其重复单位与其它无关序列或单 拷贝序列相间排列。
AFLP反应过程示意图
EST （expressed sequence tags）
☆遗传信息由DNA →mRNA →蛋白质。 ☆一个典型的真核生物mRNA分子：5′- U TR ( 5′端 转录非翻译区) , ORF (开放阅读框架) ,3′- U TR ( 3′端 转录非翻译区) ，polyA
生命科学前沿进展基因组学、比较基因组学和宏基因组学
原核生物：一般只有一个环状DNA分子，其上所有的基因为一个基因组； 真核生物：指一个物种的单倍体染色体所含有的全部DNA分子； 真核生物通常含有2～3个基因组 －核基因组（Nuclear genome） －线粒体基因组（Mitochondrial genome） －质体基因组（Plastid genome） 真核细胞中的细胞器(如叶绿体、线粒体等)中的DNA也为环状，构成叶绿 体基因组、线粒体基因组 If not specified, “genome” usually refers to the nuclear genome.
生命科学前沿进展（一）
基因组学、元基因组学和功能 基因组学
§1 基因组学概述
基因组（genome），又称染色体组，是 某个特定物种细胞内全部DNA分子的总和 （细胞内细胞器的DNA属于该细胞器的基 因组）。物种全部遗传信息的总和。
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”
E. coli：4000多个基因，人：~30000个
4、原核生物的基因绝大多数是连续基因，不 含间隔的内含子；基因组结构紧密，重复序列 远少于真核生物的基因组。
例子：E. coli K-12
双链环状DNA分子，全基因组长为4,600kb； 目前已经定位的基因有4,2因组(mitochondrion genome)：长为16,569bp的环状DNA分子， 位于产生能量的细胞器——线粒体中
基因组学（genomics）
• 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分析生命体（包括人类）全部基 因组结构及功能，探索生命活动的内在规律及其内外 环境影响机制的科学。 对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析 由美国人T· H· Rodehck在1986年提出。基因组学完全改 变一次只能研究单个基因的状况，它着眼于研究并解 析生物体整个基因组的所有遗传信息。
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3’截短HBx蛋白和乙型肝炎病毒X 蛋白结合蛋白( HBX IP )
对细胞增殖的影响
（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：
在我国乙型肝炎病毒（Hepatitis B Virus，HBV）感染是肝细胞性肝癌（HCC）的主要致病因素之一。
已有研究表明HBV相关慢性肝病患者发生HCC的风险将较普通人群增加100倍。
HBV感染相关HCC的发病机制目前仍不完全明确。
越来越多的证据显示，两个主要的因素与HBV 相关性HCC 的发生发展密切相关，其一是导致宿主基因组失稳和插入性突变的病毒基因组整合[1,2]，其二是HBV 编码的蛋白质，如HBx 蛋白[3,4]。
HBx 蛋白由154 个氨基酸组成，分子量约为17kDa。
尽管HBx 在细胞增殖过程中的确切功能及其对HBV 相关性HCC 发生发展的影响尚未阐明，但大部分的研究结果表明不论是在体内还是体外，HBx蛋白对细胞增殖至关重要[5,6,7]，其中所涉及的HBx 的主要功能包括调节细胞周期进程、调控细胞增殖通路、调控多种转录因子和调节端粒酶活性等途径。
乙肝病毒X蛋白结合蛋白(hepatitis B X-interacting protein, HBXIP)是一种细胞组成型表达的蛋白，首次于肝癌细胞株HepG2中被发现，通过酵母双杂交技术筛选作为乙肝病毒编码的蛋白HBx的作用因子HBXIP基因定位于人染色体1p13.3，其开放阅读框基因编码全长173个氨基酸，分子量约为19 kD (Melegari et al., 1998) HBXIP与HBx的C末端结合后降低HBx的活性，从而改变乙肝病毒(hepatitis B virus, HBV)的复制周期，同时抑制HBx对激活蛋白1 (activating protein-1, AP-1)和内源性HBV启动子或增强子的反式激活作用，从而影响乙肝病毒(HBV)的复制周期。
已有研究结果表明HBXIP可通过调控细胞周期中各种
调节因子、调节hTERT表达水平、调控NF- B信号途径和调控PI3K/Akt信号通路而促进细胞增殖。