全基因组测序资料81页PPT

基因家族（gene family） 和基因簇（gene cluster）分析
基因组中来源相同，结构和功能相关的基因 聚集在一起形成基因家族。
基因家族的各个成员紧密成簇排列成大段的串联 重复单位，分布在某一条染色体的特殊区域
genefamily.xls
基因家族聚类结果
genefamily.stat
各基因家族统计信息
培养条件① 培养条件②
或活性较低
测定转录 组mRNA
细菌全基因组测序
比较 新 差异 基因
其他方面的应用研究
❖ 应用NMR、FTIR、UV， 14C标记的木质 素降解机理方面的研究； ❖农药残留物以及其他一些难降解有机物的 降解； ❖ 重金属有机物化合物的降解。
② 木质素降解过程中涉及到的细胞外酶主要有：木质素过氧化物酶
（LiP）和锰过氧化物酶（MnP），以及漆酶（Lac）。此外，一 些附属酶参与过氧化氢的产生，乙二醛氧化酶（glyoxal oxidase， 缩写作GLOX）和芳基醇氧化酶（aryl alcohol oxidase，缩写作 AAO）属于这类酶。
对4株菌的亲缘关系进行分析，确定菌株之间的相互关 系；
通过对4株菌进行进化分析，判定是否为古菌或新的菌 种。
细菌全基因组测序
基因分离
下一步的实验安排
对已注释出的基因进行验证
载体
酶切
酶切
连接
转化
筛选 表达
细菌全基因组测序
未注释出功能的基因鉴定，挖掘新基因
DNA 转录 RNA 翻译 Protein
细菌全基因组测序
“一个物种基因组计划的完成， 就意味着这一物种学科和产业 发展的新开端”
向仲怀院士
谢谢！！
细菌全基因组测序

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。

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汇报人：
基因信息泄露的风险和后果严 重
需要建立完善的基因信息保护 制度和技术保障措施
对基因信息的应用需要遵循伦 理规范和法律规定
基因信息隐私 保护
基因信息安全 管理
基因歧视问题
基因信息交流 与共享问题
基因组测序的未 来展望
新一代基因测序技术将更加准确、快速、经济 基因大数据的积累和分析将助力精准医疗个性化方案制定 人工智能和机器学习在基因测序分析中的应用将进一步提高精准医疗的效率和精度 基因测序技术的不断进步将推动精准医疗领域取得更大的突破和创新
基因组测序的应 用领域
遗传病诊断 癌症治疗 药物研发 个性化医疗
基因组测序在生物制药中的应用： 利用基因组测序技术，发现新的药 物靶点，为新药研发提供基础数据。
基因组测序在个性化治疗中的应用： 根据病人的基因组测序结果，为病 人制定个性化的治疗方案，提高治 疗效果。
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基因组测序的技 术瓶颈
试剂耗材：高质量的试剂与 消耗品价格不菲
仪器设备：高昂的设备价格 与维护费用
数据分析：需要专业的技术 人员进行数据处理与分析
知识产权：对于某些特殊基 因组，存在知识产权问题需
要解决
基因组测序的原理 测序速度慢的原因 提升测序速度的方法 未来测序技术的发展趋势
基因组测序的深度是影响检测准确性和全面性的关键因素 深度过浅可能导致检测结果不准确，漏检基因突变 深度过深则会增加测序成本和数据分析难度 目前基因组测序的深度一般需要在几十倍到几百倍之间
特点：具有高精度、高速度和高通 量等优点，同时还能避免PCR扩增 偏差和光学干扰等问题
发展前景：随着技术的不断改进和 成本的降低，第三代测序技术将在 未来发挥更加重要的作用。

基因组测序基本原理
大纲
I. 核酸DNA的发现以及测序历史简介 II. 双脱氧化(Sanger dideoxy method)测序 III.大片段的DNA测序与基因组测序的大发展 VI.人类基因组 V. 1000美元个体化基因组测序计划(The “$1,000 dollar genome)
On WebCT -- “The $1000 genome” -- review of new sequencing techniques by George Church
Part I.核酸测序原理
核酸发现与测序简史
DNA测序的简史
MC chapter 12
DNA测序的方法
A. 双脱氧法 (Sanger dideoxy) (primer extension/chaintermination) method: 最流行也是最广为接受的方法。
Maxam-Gilbert化学剪切法(chemical cleavage method): DNA is labelled and then chemically cleaved in a sequence-dependent manner. This method is not easily scaled and is rather tedious 焦磷酸测序(Pyrosequencing): measuring chain extension by pyrophosphate monitoring。焦磷酸测序技术是新一代 DNA序列分析技术，该技术无须进行电泳，DNA片段也无 须荧光标记，操作极为简便，可以快速、准确地确定DNA 序列。
测序的趋势
相对而言一般很少实验室会自己做测序，一则自身测序费用比较高，而且荧光试剂容 易粹灭，同时也比较消耗时间，另外可能出现一些其它问题引起结果不成功。所以大 部分的测序都是送到相关的测序中心或者公司完成:

测序数据的生成与分析
01
数据质量控制
去除低质量、污染
和重复序列数据。
02
序列比对
将测序数据与参考 基因组进行比对。
04
注释与解读
对变异进行功能注
03
释和临床意义解读
。
变异检测
识别基因组中的单 核苷酸变异、结构
变异等。
03
全基因组测序的实际应用
人类健康与疾病研究
遗传性疾病诊断
人类进化研究
全基因组测序可以检测出人类基因中 的突变位点，有助于遗传性疾病的诊 断和预防，如罕见病、癌症等。
02
全基因组测序技术原理
测序平台与技术分类
平台类型
基于Sanger的测序、基于焦磷酸测 序、基于纳米孔的测序和基于合成测 序等。
技术分类
长读长测序和短读长测序，单分子测 序和合成测序等。
测序的基本步骤
样本准备焦磷酸酶反应。 通过测序平台产生原始的测序数据。
测序技术的发展历程
1 2
3
第一代测序技术
基于Sanger的DNA测序方法，测序读长较短，通量较低。
第二代测序技术
基于高通量测序技术，如Illumina平台，实现了高通量、高 灵敏度和高精度。
第三代测序技术
基于单分子测序技术，如PacBio和Nanopore平台，具有超 长读长和实时测序能力。
全基因组测序的应用领域
癌症基因组研究
目的
01
通过对癌症患者的基因组进行测序和分析，了解癌症的发生、
发展和转移机制，为癌症的诊断、治疗和预防提供依据。
成果
02
发现了许多与癌症发生、发展相关的基因突变和变异，为个性
化治疗和精准医学提供了有力支持。

边合成边测序（来源：illumina官网）
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第二部分
Ion Torrent PGM半导体测序
芯片就是测序仪，4种dNTP依次流过半导体芯片PCRDNA聚合产生的氢离子直接检测，每 个碱基只需数秒
PGM测序原理
18
第二部分
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第二代测序技术特点
测序成本比较
1.高通量，成本降低，敏感性高 2.简单快速自动化 3.读长较短50-300bq左右 4.PCR可能引入偏倚跟错配
5
第二部分
第二代基因测序技术
具代表性的第二代测序平台：
1.荧光标记 -美国Illumina 公司的基因组测序仪（genome analyzer，GA）
-瑞士Roche 公司的454
-美国ABI 公司的寡聚物连接检测测序（sequencing by oligo ligation det1
第二部分
DNA模板杂交和一链合成
1.单链DNA分子与FlowCell表面 的对应接头杂交
2.以杂交的单链DNA为模板， FlowCell上的接头为引物， 合成第一链
含有P7和P5两种接头 的FlowCell表面
接头序列
5’-3’ 延伸
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第二部分
变性 冲走模板链 新和成的链留在 flowcell上
特点：
1.测序长度可达1000bp 2.准确性高，几乎100% 3.通量低，成本高，耗时长，不适合大规模应用
3
Sanger法核心原理
第一部分
第一代测序技术在分子生物学研究中发挥过重要的作用,如人类基因 组计划(human genome project,HGP)主要基于第一代DNA测序技术。 目前基于荧光标记和Sanger的双脱氧链终止法原理的荧光自动测序仪 仍被广泛地应用。

基于胚系突变的技术进步---核型分析，PCR技术
，FISH, 定量PCR，SNP（GWAS），LOH, 片段分析 ，基因测序（一代，二代）
全基因组检测与遗传病筛查
Whole genome： Approach to the Milestone in Genetic Disease Scan

南京中医药大学附属医院
赖仁胜 盐城 2014-09-2
全基因组平台—人类3.6万基因全部测出 不是人类疾病基因全部测出
全基因组测序（HiSeq X10）是 染色体全基因组芯片
全基因组测序—缺乏重复性

高通量测序—缺乏稳定性

HiSeq X Ten是Illumina于2014年推出的最新 测序系统，工厂规模的测序系统，实现了 Illumina测序仪迄今为止最高的测序通量和 最低的测序成本。HiSeq X Ten系统由10台超 高通量测序仪HiSeq X组成，测序读长为 2×150bp，单台仪器每次运行可产出高达 1.8Tb的数据，运行时间在三天以内，10台仪 器同时运行时，每周至少可完成320个人类基 因组测序（以30×覆盖度计算）， 千年基因的HiSeq X Ten测序实验在CLIA（ Clinical Laboratory Improvement Amendments）及IGN（Illumina Genome Network）认证的基因组学实验室开展，其中 CLIA是国际公认的提供临床测序服务的最高 认证，亚太区仅千年基因总部Macrogen及 Takara Bio两个机构通过认证（药明康德仅 PGM通过CLIA认证）
x 10---10台测序仪组和服务器
GeneChip系统 :是由高密度GeneChip芯片和试剂，杂交、扫描仪器，数据处理和分

Flowcell实物图 8
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
Flowcell表面微观示意图
每个泳道(LaP5接头)。这两种接头与泳道表面共价连接。
边合成边测序（来源：illumina官网）
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
Ion Torrent PGM半导体测序
芯片就是测序仪，4种dNTP依次流过半导体芯片PCRDNA聚合产生的氢离子直接检测，每 个碱基只需数秒
美国Illumina 公司的基因组测序仪（genome analyzer，GA）
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
Flowcell
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第二部分
SBS测序
特异荧光标记的4种dNTP，3’-OH叠氮基团被保护，每次只能添加一个dNTP，这就确保了在测序 过程中，一次只会被添加一个碱基，最后利用计算机分析将光学信号转化为测序碱基。
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
第三部分
Oxford Nanopore纳米孔单分子技术

英国：Sanger Center 日本：RIKEN 中国：华大基因研究中心（北京、杭州）
国家人类基因组中心（北京、上海）
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பைடு நூலகம்
ppt课件.
大规模基因组测序的几个支撑技术
❖ Sanger双脱氧末端终止法 ❖ PCR 技术 ❖ DNA 自动测序仪的发展 ❖ 生物信息学分析软硬件设施
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ppt课件.
“双脱氧末端终止”的含 义
• 计算生物学和系统生物学研究的未来 (>1050)
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世界大型基因组研p究pt课件.中心
美国：1) National Human Genome Research Institution in NIH 2) Genome Center at White Head/MIT 3) Washington University Genome Center 4) Joint Genome Institution at DOE 5) Genome Center at Baylor Medical Collage
• 基因组的信息是用来发现和解释具有普遍意义的生命现
象和它们的变化、内在规律和相互关系。
• 基因组的信息含量高。基因组学的研究又在于基因组间
的比较。
• 基因组学的复杂性必然导致多学科的引进和介入（各生
物学科、医学、药学、计算机科学、化学、数学、物理 学、电子工程学、考古学等）。
• 基因组学研究的手段和技术已经走在生命科学研究的最
前沿。
• 基因组信息来自于高效率和规模化所产生的实验数据。 • 人类基因组计划证明了基因组研究的迫切性和可行性。
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ppt课件.
基因组与生命之谜
• 基因组的产生与进化。 • 基因组DNA组分的变化、GC百分比、嘌呤：嘧啶守恒。 • 遗传密码的发生、发展和进化。 • 内含子（尤其是大于100，000 核苷酸的大内含子）剪

内容
1998年，克莱格·凡特的塞雷拉基因组公司成立，而且宣布将在2001年完成测序工作。随后国际团队也将完 成工作的期限提前。2000年6月26日，塞雷拉公司的代表凡特，以及国际合作团队的代表弗朗西斯·柯林斯 （Francis Collins），在美国总统柯林顿的陪同下发表演说，宣布人类基因组的概要已经完成。2001年2月， 国际团队与塞雷拉公司，分别将研究成果发表於《自然》与《科学》两份期刊。在基因组计划的研究过程中，塞 雷拉基因组使用的是鸟枪法测序（shotgun sequencing），这种方法较为迅速，但是仍需以传统测序来分析细 节。全基因组测序技术主要包括第二代测序技术（NGS）和第三代测序技术。第二代测序技术已经能够快速、低 成本的进行全基因组测序，其设备供应商主要是Solexa （现被Illumina公司合并），454（罗氏公司）和SOLiD （AB公司）。第三代测序技术于2011年4月正式推广，其单分子实时（SMRT）测序技术完全不同与第二代测序， 它的序列读长高达3000 bp（Pacific Biosciences公司研发）。
该测序仪的样品制备和测序操作都可通过配件自动完成，配备了无线射频识别（RFID）的样本追踪系统，可 监控并记录实验全流程，结合其简洁的触控式操作界面，可真正实现一键测序。
技术路线
提取基因组DNA，然后随机打断，电泳回收所需长度的DNA片段（0.2~5Kb），加上接头,进行DNA簇 （Cluster）制备，最后利用Paired-End（Solexa）或者Mate-Pair（SOLiD）的方法对插入片段进行测序。然 后对测得的序列组装成Contig，通过Paired-End的距离可进一步组装成Scaffold，进而可组装成染色体等。组 装效果与测序深度与覆盖度、测序质量等有关。常用的组装有：SOAPdenovo、Trimity、Abyss等。