功能基因组学.ppt

《功能基因组学》PPT课件
SAGE 步骤
1. 将5μg含有oligo dT（引物）的磁珠与 RNA混合。
2. 合成双链cDNA。
3. 用NlaⅢ酶消化形成一条链末端有标签 的产物。
4. 将样品分成两份，连接成含有识别序 列的产物，以备用BsmF1消化。
5. 用Mme I切割每一个样品形成约60bp 的标签。
➢ 科学研究已开始进入“后基因组时代”。主要是开展 功能基因组学和蛋白质组学的研究。
➢ 有科学家形象地说道：即使基因测序全部完成，也只 好像是一本没有姓名，只有号码的电话簿。“后基因 组时代”的最终目标，是要把深奥的DNA语言变成一 本大基因百科全书。
《功能基因组学》PPT课件
功能基因组学
功能基因组学，后基因组学(Post genomics)： 利用结构基因组学提供的信息和产物 通过在基因组或系统水平上全面分析基因的 功能 生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转 向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。
特定基因检测 突变检测 多态性分析 基因表达谱
• 生物信息学的工具 • 基因相关性研究 • 基因功能 • 药物设计和开发 • 潜在反义试剂开发 • 个体化医疗 • 身份识别 • 基因诊断 • 其他与生物有关的领域
《功能基因组学》PPT课件
例：肿瘤诊断
国外有一临床病人表现出典型的白血病症状，但形态 学检测不典型，根据相关检查，诊断为AML（acute myeloid leukaemia, 急性骨髓白血病），治疗几个月后未见 好转。后来用DNA芯片与病人骨髓的mRNA杂交，结果显示 AML和ALL(acute lymphoblastic leukaemia 急性成淋巴细胞白 血病)基因都表达较低，而在数据分析中发现，编码原肌球 蛋白的基因表达极高，从而确诊为肺泡弹状肌肉瘤，改变 治疗方案，病情出现缓解。

估计基因的功能 ----以小麦基因组为例
确定基因的功能毫无疑问仍然是小 麦基因组学最大的挑战 ，许多假设的方 法正在被用来推测基因功能。
估计基因的功能（以小麦基因组为例）
第一步，确立小麦EST 或基因组克隆与其它植 物假定的定向进化同源基因的同源性。如果在其它 植物中一个基因的功能已知，那就表示小麦EST 具 有相似的功能。 第二步，在作图群体中EST 与相关表型的连锁， 高密度图谱可以用来提高连锁假设的力度，然而小 麦基因组中重组频率高的区域和重组频率低的区域 呈非随机分布，且小麦单一位点上存在多基因家族， 限制了通过连锁进行候选基因的分析。
基因产物———蛋白质功能的研究
• 蛋白质组学(proteomics) 在后基因组时代研究重心将从揭示生命的所有遗 传信息转移到整体水平上对功能的研究。 核心内容: 1. 蛋白质组研究体系的建立、完善 蛋白质组技术体系和蛋白质组信息学技术体 系包括：蛋白质样品制备、鉴定蛋白质相互作用 网络 2. 与重要的生物学问题有关的功能蛋白质组研究
SAGE特点：
• 进行转录物组研究，即转录水平的研究；
• 通过快速和详细分析大量EST，寻找出表达丰度不同的 SAGE标签序列，近乎完整地获得基因组的表达信息； • SAGE区别于差异显示、消减杂交等其它技术的主要特点 是可用于寻找那些较低丰度的转录物，最大限度地收集基 因组的基因表达信息，成为从总体上全面研究基因表达、 构建基因表达图谱的首选策略；
EST应用
• 主要用于寻找新基因和了解基因的表达概进行自动测序，
–
– – –
将所得的EST数据与dbEST等数据库的数据比较， 分辨已知基因和未知基因 进一步分析全部EST以获得生物或组织的基因表 达概况，并深入研究未知基因 用EST和cDNA序列与己知的DNA序列进行序列 相似性比较，确定基因的内含子位置 用以确定编码区边界，分析基因组的转录图谱 结合酵母双杂交系统，进行蛋白质互作研究

9
人类基因组计划的背景-----基因组计划最早始于美国
初衷1945年原子弹事件
1984年12月犹他大学魏特受美国能源部的委托，美国能源部
的广岛之争:突变率调查
资助召开的环境诱变物和致癌物的防护的会议上，
讨论DNA重组技术的发展及测定人类整个基因组
1985年6月，美国加州的会议上， DNA序列的意义，第一次提出测定人体基因和全部DNA序列，
1990年10月1日正式启动实施
目标：完成对人的基因组的30亿个核苷酸对的 全部序列测定工作，阐明人体中全部基因的位置、 功能、结构、表达调控方、德、日、中六国科学家的共同努力下， 2000年6月26日， 国际人类基因组计划与塞莱拉公司联合发布“人类基因组工作草图”。 2001年2月12日 两大科研小组联合发布人类基因组图谱及“基本信息”。宣告人类基因组计划基本完成。10
人类基因组计划是与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划一样伟大宏伟。
人类基因组计划的研究内容
美国的人类基因组计划总体规划是： 拟在15年内至少投入30亿美元，进行对人类全基因组的
分析。 1993年作了修订，其主要内容包括： 人类基因组的基因图构建与序列分析； 人类基因的鉴定； 基因组研究技术的建立； 人类基因组研究的模式生物； 信息系统的建立。 人类基因组研究的社会、法律与伦理问题， 交叉学科的技术训练， 技术的转让， 研究计划的外延等共9方面的内容。
美国能源部正式提出了展开人类
并检测所有的突变，计算真实的突变率。
基因组测序工作，形成了能源部 的“人类基因组计划”初步草案。
1986年6月，新墨西哥州冷泉港吉尔伯特及伯格主持的讨论会上， 进行了可行性讨论。美能源部宣布实施草案。意裔美肿瘤分子生
1987年，美国国家医学研究 院和能源部联合提出了这一 宏伟计划，即HGP）,先期

结构基因:基因中编码RNA或蛋白质的DNA序列
调控序列:启动子/增强子/加尾信号
基因组(Genome)
细胞或生物体 一套完整单倍体的遗传物质的总和。
人
(Homo Sapien)
常染色体： 22 性染色体： X,Y
线粒体
n 基因组储存了生物体整套的遗传信息
n 不同生物基因组蕴含的遗传信息量有着巨大的 差别
反向重复序列 7.功能相关的基因构成各种基因家族(gene family) 8.存在可移动的遗传因素(mobile genetic element) 9.体细胞为双倍体，配子(精子/卵子)为单倍体
n (多)基因家族：指核苷酸序列或编码产物的结构具 有一定程度同源性的一组基因，它们功能相似。
n 基因超家族：一组由多基因家族及单基因组成的更大 的基因家族。它们的结构有程度不等的同源性，但功 能并不一定相同，甚至毫无相同之处。在进化上亲缘 关系较远。
Hairpin
5’
3’
小结构基因没有翻译起始序列
Splicing
DNA病毒 RNA过程
HBV 基因结构
原核生物基因组
模式生物: 大肠杆菌 (E.coli)
细菌的遗传物质
Genome DNA
plasmid
Transposable element
原核生物基因组结构与功能特点*
1、为一条环状双链DNA(无典型染色体结构,拟核) 2、只有一个复制起点(Ori) 3、具有操纵子结构V 4、重复序列少:绝大部分基因为单拷贝(99.7%) 5、可表达基因约50% ，>真核生物， <病毒
n 假基因：多基因家族中，某些成员并不能表达出有功 能的产物。与有功能的基因同源，但因突变等原因失 活，可能为进化的痕迹。

锁图。这一方法包括杂交实验，家系分析。遗传图距 单位为厘摩(cM), 每单位厘摩定义为1%交换率。
2）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
实际位置。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(bp, kb)。
散的顺序按原来位置组装,需要图譜 进行指导. - 基因组存在大量重复顺序,会干扰排序, 因此要高密度基因组图.
2)由于一些分子标记同基因座位紧密连锁，为靶基因 的图位克隆(map based cloning)提供了可能。
3)遗传图和物理图各有优缺点,必须相互整合校正.
5
二、遗传图与物理图
1）遗传作图（Genetic mapping） 采用遗传学分析方 法将基因或其它DNA分子标记标定在染色体上构建连
由于同源染色体同一区段DNA序列的 差异，当用限制酶处理时，可产生 长度不同的限制性片段。
14
什么是RFLP标记？(2)
Var. A
Var. B
EcoR I will not cut this squence 15
什么是RFLP标记？(3)
16
(二) RFLP methodology
Cutting DNA into smaller fragments by restriction enzymes
2）生化特征表型。如人类血型系列分 析。
10
基因标记并非理想的标记，因为： - 可用作标记的基因十分有限。许多
性状都涉及多基因。 - 用基因做标记将在遗传图中留下大
片的无标记区段，因为存在大量的 基因间区。

ppt课件.
4
ppt课件.
5
基因组学包括2-3个亚领域
亚领域
内容
结构基因组学 整个基因组的遗传制图、物理 制图、DNA测序；
功能基因组学 认识、分析整个基因组所包含 的基因、非基因序列及其功能；
蛋白质组学 研究细胞内蛋白质的组成及其活 动规律。
ppt课件.
6
结构基因组学
结构基因组学
结构基因组学，顾名思义，就是研究生物基因组 结构的科学。它是基因组研究的第一阶段的工作， 建立功能基因组学的基础。其主要目标是绘制生 物的遗传图（genetic map）、物理图（physical map）、转录图（transcript map）和序列图 （sequence map）。
专用技术: 1，SAGE分析 2，生物芯片技术(基因芯片，细胞芯片，组织
芯片) 3，其它
ppt课件.
30
Serial Analysis of Gene Expression (SAGE)
Serial Analysis of Gene Expression (SAGE) 用于定量地、平行地分析大量的转录本。若要知道一
☺同源分析和检索，包括DNA数据库、 EST数据库、STS数据库、Unigene数 据库、Swissprot数据库等。
ppt课件.
21
蛋白质的数据分析 蛋白质一级结构分析：
结构特点分析，包括等电点、信号肽、穿膜 区、DNA结合序列等同源分析和检索，包括Nr数 据库、Swissprot 数据库等功能区分析，包括 Prosite、Emotif、Identify分析等。
ppt课件.
16
根据序列分析搜寻基因
☺ 查找开放阅读框（open reading frame, ORF） ☺ 开放阅读框都有一个起始密码子，ATG，还要有

学检测不典型，根据相关检查，诊断为AML（acute
myeloid leukaemia, 急性骨髓白血病），治疗几个月后未见 好转。后来用DNA芯片与病人骨髓的mRNA杂交，结果显 示AML和ALL(acute lymphoblastic leukaemia 急性成淋巴细胞 白血病)基因都表达较低，而在数据分析中发现，编码原肌
球蛋白的基因表达极高，从而确诊为肺泡弹状肌肉瘤，改
变治疗方案，病情出现缓解。
RNAi（RNA interference，RNA干扰） 通过反义RNA与正链RNA形成双链RNA特 异性抑制靶基因的转录后表达的现象，存在于 从低等的线虫到人类培养细胞等多种有机体。 RNAi相关技术是研究转录后调控的有效工 具，可用于功能基因组学研究以及基因治疗等 临床用途。
DNA芯片的基本原理

基因芯片技术是建立在Southern blot基础之上的，可
以说它是Southern blot的改进和发展，它的原理是：
变性DNA加入探针后在一定温度下退火，同源片段之 间通过碱基互补形成双链杂交分子。
基因芯片基本操作流程

制备总RNA mRNA经RT-PCR用Cy3（正常对照组） 和Cy5（实验组）荧光标记目的基因，得到cDNA探针 混合标记探针 与表达谱芯片上核苷酸片 段（或基因）杂交 扫描 分析杂交结果 结论
库序列比较,可以提供内含子结构,可选择剪切方式,转录起
始和终止位点等信息。
EST的应用

分离和鉴定新基因
将所获得EST用生物信息学方法与公共数据库中的已 知序列比对,可以迅速准现有价 值的EST,可以找到对应的克隆,获得的全长cDNA可以直接 用于转基因等研究。利用EST方法进行发现、分离基因的

第十章 基因组学 (Genomics)
ppt课件
1
Structural Genomics 结构基因组学 Functional Genomics 功能基因组学
Transcriptomics 转录物组学 Proteomics 蛋白质组学
ppt课件
2
第一节 真核生物基因组组成
Organization of Eukaryotic Genome
ppt课件
16
1. Genetic map 遗传图
The map in which mutant alleles or DNA markers are assigned relative positions along a chromosome on the basis of the recombination frequencies between them
Tetrahymena, GGGGTT Human, GGGATT Telomere-associated sequences: is repetitive and is found both adjacent to and within the telomere. The sequences vary among organisms.
ppt课件
5
Highly repetitive sequences 高度重复序列 5~300bp , 105 copies
Middle-repetitive sequences 中度重复序列 10~1000 copies
Unique sequences 单拷贝序列
ppt课件
6
▪ Gene family（基因家族）: a set of genes in one genome all descended from the same ancestral gene.

James Watson
Francis Collins
• 1992年6月，Craig Venter离开国家卫生研 究院，建立了基因研究所（The Institute for GenomeResearch, TIGR），此后， TIGR从流感嗜血菌开始测了大量的细菌基 因组，流感嗜血菌也是第一个被测序的非 寄生物种
• Human genome project • Goal: characterize all human genetic material by • determining the complete sequence of the DNA in the • human genome. • HGP is accomplished by the joint effort between • U.S. Human Genome Project (HGP), composed of the • DOE (Department of Energy )and NIH (National • Institutes of Health), and Celera Genomics
• 1986年3月，1975年诺贝尔奖得主、Salk Institute的癌症研究员杜贝可（Renato Dulbecco）在“Science”期刊上发表文章，题 为“癌症研究的转折点：定出人类基因组序列”。 这片文章引起了美国社论。 • 杜贝可提出了两种基因搜寻路线，即以测序为核 心的“DNA”序列探测和以作图为中心的“基因 图位”克隆。
• 基因组学（Genomics）：研究基因组及其基因的 科学。 • 最初是Thomas Roderick于1986年提出，其主 • 要内容是指基因组作图（Mapping）和测序 • （Sequencing）。 • 21世纪从生物体整体上研究生命现象 • 研究整个物种基因组碱基的组成、基因的结构、 • 基因在染色体上的分布，基因的时空表达和调控 • 网络。

基因组学数据分析
本地数据库的构建
• 查看db文件
由fasta格式的序列组成
基因组学数据分析
数据库的格式化
formatdb命令用于数据库的格式化： formatdb [option1] [option2] [option3]…
formatdb常用参数 -i database_name 需要格式化的数据库名称 -p T\F 待格式化数据库的序列类型 （核苷酸选F；蛋白质选T；默认值为T)
➢ 四个必需参数 -p program_name,程序名，根据数据库及搜索文件序列性质进行选择； -d database_name,数据库名称,比对完成格式化的数据库； -i input_file,搜索文件名称； -o output_file,BLAST结果文件名称；
➢ 两个常用参数 -e expectation，期待值,默认值为10.0，可采用科学计数法来表示，如2e-5； -m alignment view options:比对显示选项，其具体的说明可以用以下的比对实例
基于距离矩阵upgmaunweightedpairgroupmethodusinganathematicaverage将类间距离定义为两个类成员距离的平均值广泛应用于距离矩阵njneighborjoining把所有n个序列两两比对构建nj树起指导作用每个对比后的成对序列都可以跟第三条序列或者另一个新的alignment比对按照距离远近用来决定下一个参与比对的序列73最大简约法mp不需要处理大量核苷酸或者氨基酸替代存在较多的回复突变或平行突变而被检验的序列位点数又比较少的时候可能会给出一个不合理的或者错误的进化树推导结果upgma所有分支突变率相近突变率相差较大时现已较少使用邻接法nj远源序列对相似度很低的序列往往出现longbranchattractionlba长枝吸引现象严重干扰进化树的构建