基因组学与比较基因组学

《分子生物学精要》

基因组与比较基因组学

教学目的

掌握基因组学与比较基因组学的相关知识，了解人类基因组计划。

学习指导

本章首先介绍了基因组学的概念和分类，分为功能基因组学和结构基因组学。后介绍了比较基因组学的相关研究。最后介绍了人类基因组计划的内容。重点掌握基因组学与比较基因组学的概念，人类基因组计划的过程进展，基因测序的主要方法。

基本概念

基因组（genome）指导一个生物物种的结构和功能的所有遗传信息的总和，包括全部的基因和调控元件等核酸分子。

基因组学（genomics） 从整体水平上来研究一个物种的基因组的结构、功能及调控的一门科学。基因组学可分为结构基因组学和功能基因组学两大部分。

结构基因组学（structural genomics）通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。

功能基因组学（functional genomics）利用结构基因组学所提供的生物信息和材料，全基因组或全系统地理解某种生物的遗传体系，即阐明DNA序列的功能。

基因打靶（gene targeting），这种技术是通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基因敲入），然后从整体观察实验动物，从而推测相应基因的功能。

比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。

人类基因组计划（human genome project ，HGP） 于20世纪80年代提出的，由国际合作组织包括有美、英、日、中、德、法等国参加进行了人体基因作图，测定人体23对染色体由3×109核苷酸组成的全部DNA序列，于2000年完成了人类基因组“工作框架图”。2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果。其研究内容还包括创建计算机分析管理系统，检验相关的伦理、法律及社会问题，进而通过转录物组学和蛋白质组学等相关技术对基因表达谱、基因突变进行分析，可获得与疾病相关基因的信息。

本章主要内容

第一节 基因组与基因组学

由于分子生物学和分子遗传学理论及技术的发展，到20世纪末，科学家已有能力开始研究单个生物的全部遗传信息。这促使他们的研究工作从研究一个物种的单个基因或一群基因转向研究一个物种的所有基因即基因组，由此形成了基因组学。

一、基因组

1.基因组的概念

Winkler在1920年首次提出基因组（genome）一词，意为gene与chromosome的组合。目前在不同的学科中，对基因组含义的表述有所不同，概括为如下：①从细胞遗传学的角度来看，基因组是指一个生物物种单倍体的所有染色体数目的总和；②从经典遗传学的角度来看，基因组是一个生物物种的所有基因的总和；③从分子遗传学的角度来看，基因组是一个生物物种所有的不同核酸分子的总和；④从现代生物学的角度来看，基因组是指导一个生物物种的结构和功能的所有遗传信息的总和，包括全部的基因和调控元件等核酸分子。

2.基因组的大小和组成

不同生物基因组大小及复杂程度不同，具有物种差异性。一般来说，从原核生物到真核生物，其基因组大小和DNA含量是随着生物进化复杂程度的增加而逐步上升的。随着生物结构和功能复杂程度的增加，需要的基因数目和基因产物种类越多，因而基因组也越大。但不同生物的基因组间有一定的相关性，表现为基因特性的相似、结构及组成的雷同、遗传信息的传递方式及遗传密码的趋同性等。

动物基因组的主要成分是核基因组，它与细胞质分开。组成核基因组和线粒体基因组的序列形式与原核生物显著地不同，在不同物种中也有一些差异，有些序列是单拷贝的，而另一些序列是多拷贝的；另外还有大量的不编码蛋白质的DNA序列。

二、基因组学

基因组学（genomics）最初是由美国科学家Thomas Roderick于1986年提出的，当时其内容是指基因组作图（mapping）和测序（sequencing）。但后来随着人类基因组计划的进展，其含义得到了不断的发展和更新。于是，科学家们将它定义为研究生物基因组的结构和功能的科学，即从整体水平上来研究一个物种的基因组的结构、功能及调控的一门科学。基因组学可分为结构基因组学（structural

genomics）和功能基因组学（functional genomics）两大部分。

1.结构基因组学

结构基因组学是基因组学的一个重要组成部分和研究领域，它是一门通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。遗传信息在染色体上，但染色体不能直接用来测序，必须将基因组这一巨大的研究对象进行分解，使之成为较易操作的小的结构区域，这个过程就是基因作图。根据使用的标志和手段不同，作图有三种类型，即构建生物体基因组高分辨率的遗传图谱、物理图谱、转录图谱。

基因组测序是结构基因组学最基本的研究工作。因为，只有完成了物种基因组的测序，即测定物种基因组的DNA序列后，才有可能在碱基水平上破译生物的遗传之谜。自1990年开始实施人类基因组计划以来，在它的影响下，迄今已完成了100多个物种的基因组DNA序列的测定，其中包括流感嗜血杆菌、大肠杆菌、酵母、秀丽线虫等多个病原微生物和模式生物以及人类基因组的测序。

2.功能基因组学

功能基因组学是建筑在结构基因组学基础上的基因组分析的第二阶段。其主要内容是：利用结构基因组学所提供的生物信息和材料，全基因组或全系统地理解某种生物的遗传体系，即阐明DNA序列的功能。功能基因组学的研究必须结合计算机科学和统计学，采用高产出和大规模的实验技术。

基因功能的研究方法：

（1）基因转导技术：导入细胞，观察功能。该方法用的最多，技术最成熟。

（2）基因敲除技术（gene knockout)

又称基因打靶（gene targeting），这种技术是通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基因敲入），然后从整体观察实验动物，从而推测相应基因的功能。这种人为地把实验动物某一种有功能的基因完全缺失的技术称为基因敲除技术。

近年来应用计算机生物信息技术，分析研究已测序完DNA序列的生物基因组后，发现了未知功能的许多基因，这促进了基因定位和基因表达调控的研究。但目前功能基因组学的研究，还只局限于RNA水平。今后随着蛋白质分析技术的发展，例如，高效和超高灵敏度的双向凝胶电泳、色谱仪的出现，人们有可能在蛋白质水平上，分析基因组中基因间的相互作用，进而进一步地丰富和发展功能基因组学。

3.开展基因组学研究的意义

对于开展大规模基因组结构和功能的分析研究，即基因组DNA测序和DNA序列的功能分析的意义，在10多年前，还有不少人持怀疑的态度。但现在情况有了根本的转变，基因组学的发展必将给生物学和人类社会带来巨大的冲击，引起深刻的变化，这是确定无疑的了。其具体的理论和实际意义在于：

（1）通过物种的基因组测序，可以获得其他手段所无法获得的蕴藏在DNA分子中的遗传信息，使人们能够从整个基因组结构的宏观水平上了解基因的功能以及它们相互之间在表达调控机制上的联系，加深对生命本质的认识，揭开生命之谜。

（2）从整体上了解染色体和基因的空间结构，以及它们对DNA复制、基因转录和表达调控的影响和作用。

（3）通过基因组测序，可以比较不同物种之间在DNA序列和基因结构上的差异，使人们能够在基因组的整体水平上认识生物的起源和进化。

（4）研究突变、重排和染色体断裂等方面的DNA病理改变，了解人类各种疾病的分子机理，为诊断、预防和治疗这些疾病提供理论依据。

（5）研究家畜和各种农作物经济性状的基因结构以及基因在染色体上的位置，为开展分子育种工作提供理论依据。

4.基因组学与遗传学的关系

基因组学是现代遗传学的重要组成部分，它是经典遗传学在分子以及基因组整体水平上的延伸和发展。基因组学与经典遗传学的相同之处是研究基因，不同之处是在研究策略上，前者是某一次研究单个基因或少量基因的结构和功能；而后者是从“个别”转向“整体”，即从物种的整个基因组入手来研究基因的结构和功能。

第二节 比较基因组学

一 比较基因组学

伴随着基因组的研究，相关信息出现了爆炸性增长，迫切需要对大量基因组数据进行处理。比较基因组学作为一门重要的学科应运而生。比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。

表一 基本完成DNA序列分析的真核生物基因组比较

物种 完成年份 总长度/Mp 已完成总长的百分数/% 占常染色质百分数/Mb 基因数/Mb

酵母 1996 12 93 100 483

线虫 1998 96 99 100 197

果蝇 2000 116 64 97 117

拟南芥 2000 115 92 100 221

人类第21染色体 2000 34 75 100 7

人类第22染色体 1999 34 70 97 16

人类全基因组(Public

Sequence) 2001 2693 84 90 12

人类全基因组(Celera

Sequence) 2001 2654 83 99-93 15

二 种间比较基因组学研究

通过对不同亲缘关系物种的基因组序列进行比较，能够鉴定出编码序列、非编码调控序列及给定物种独有的序列。而基因组范围之内的序列比对，可以了解不同物在核苷酸组成、同线性关系和基因顺序方面的异同，进而得到基因分析预测与定位、生物系统发生进化关系等方面的信息。

1. 全基因组的比较研究

比较基因组学的基础是相关生物基因组的相似性。两种具有较近共同祖先的生物，它们之间具有种属差别的基因组是由祖先基因组进化而来，两种生物在进化的阶段上越接近，它们的基因组相关性就越高。如果生物之间存在很近的亲缘关系，那么它们的基因组就会表现出同线性(synteny)，即基因序列的部分或全部保守。这样就可以利用模基因组之间编码顺序上和结构上的同源性，通过已知基因组的作图信息定位另外基因组中的基因，从而揭示基因潜在的功能、阐明物种进化关系及基因组的内在结构。

2. 系统发生的进化关系分析

生物最本质的特征是进化，比较基因组学同样以进化理论作为理论基石，同时其研究结果又前所未有地丰富和发展了进化理论。当在两种以上的基因组间进行序列比较时，实质上就得到了序列在系统发生树中的进化关系。基因组信息的增多使得在基因组水平上研究分子进化、基因功能成为可能。通过对多种生物基因组数据及其垂直进化、水平演化过程进行研究，就可以对与生命至关重要的基因的结构及其调控作用有所了解。但由于生物基因组中约有1.5%~14.5%的基因与“横向迁移现象”有关，即基因可以在同时存在的种群间迁移，这样就会导致与进化无关的序列差异。因此在系统发生分析中需要建立较完整的生物进化模型，以避免基因转移和欠缺合适的多物种共有保守序列的影响。