第一讲 基因组测序与序列组装教案

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六、研究基因组功能的意义 1． 加速致病基因的研究 2． 寻找灵敏而特异性的病原分子标记 病原微生物的特异性DNA序列可以作为分子标记用于疾病的诊断。 3． 促进新药的发现和疫苗的发展 （1）促进新药的发现 （2）疫苗的研究 4． 促进微生物分类的发展
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5. 提高对人类相关基因功能的认识
（1）一些人类的遗传性疾病，如结肠癌、肝豆状核变性、肾上腺脑白质 营养不良等，在细菌的基因组分析中，也存在类似的蛋白物。
（2）可以利用微生物做模拟，去检测高等生物的基因性状和功能。 （3）从基因水平去揭发人类疾病与病原微生物之间关系，如发病机理， 人类与病原微生物之间相互作用的基因机理等。
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三．微生物基因组的注释 （一）概念：在微生物基因测序的基础上，对其基本 结构和部件进行认定，以进一步研究其功能。
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（二）微生物基因组注释的内容 1.碱基组成分析，即G+C Mol%测定。 G+C含量是物种的一个重要特征，在微生物的分类上具有重要意义，是 重要参数之一。 2．开放阅读框的鉴定： 3．编码序列分析
消化 （4）分子杂交 （5）Southern十字杂交法
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五、微生物基因组功能分析 1、根据目的基因组的性状而推测可能的基因组功能。 如致病岛的G+C mol%与细菌本身的G+C mol%有很大差异。致病岛或耐 药岛等。 2、根据已知的数据库进行同源性搜索。 美国NIH的GenBank；欧洲的分子生物学实验数据库（FMBL）日本的 DNA数据库(DDBJ) 3、利用不同条件、不同作用因素的影响而鉴定未知基因的功能。 如用过氧化氢酶处理沙门氏菌而获得该菌的对H2O2氧化应激反应的基因。 4、采用基因敲除的方法来推测或确定基因的功能。

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大规模基因组测序的 原理与方法
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“基因组”----生命科学的“元素周期表 ”
元素周期表
元素周期表的发现奠定了二 十世纪物理、化学研究和发展的 基础
人体解剖图奠定了现 代医学发展的基础
“基因组序列图”将奠定二十一世纪生 命科学研究和生物产业发展的基础！
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基因组学的基础理论研究
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PCR（聚合酶链式反应）原ppt课理件.
反应所需物质：DNA模板、引物、DNA聚合 酶、dNTP、缓冲液 每个循环包括：变性（90℃）、退火（54 ℃）、延伸（72 ℃）
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Sanger 双脱氧末端终止法测序原理
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DNA自动测序仪的发展 ppt课件.
自动荧光垂直板凝胶电泳测序仪 代表：ABI公司377型垂直板自动测序仪 96个泳道 读长高达700-800 bp 日分析能力达300个样品
STS图谱是最基本和最为有用的染色体物理图谱之一，STS （Sequence Tagged Site)本身是随机地从人类基因组上选 择出来的长度在200～300bp左右的特异性短序列（每个STS 在基因组中是唯一的，STS图谱就是以STS为路标（平均每 100Kb一个），将DNA克隆片段有序地定位到基因组上。
The genom e D N A
3 ,0 0 0 ,0 0 0 K b p
= 7 .3 7 2 8
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48 superpools
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每 组 个
共 个
48
8
每8个96孔板组成1个superpool，384个96孔板组成48个superpools
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VS
详细描述
这些技术各有特点，适用于不同的基因组 编辑需求。例如，基于人工核酸酶的基因 组编辑技术包括人工核酸酶和DNA修复 酶的组合应用，可以实现更加精确和高效 的基因组编辑。基于DNA同源重组的基 因组编辑技术则适用于对精确度要求较高 的基因组编辑实验，如基因敲入等。
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CATALOGUE
基因测序与基因组编辑技术的 应用案例
详细描述
TALENs由多个氨基酸模块组成，每个模块能够识别一个DNA碱基，从而实现特异性的 DNA序列识别。TALENs技术已经广泛应用于基因敲除、基因敲入和基因激活等基因组
编辑实验。
CRISPR-Cas9系统
总结词
一种基于细菌免疫系统的基因组编辑技术， 通过RNA指导的Cas9蛋白识别并切割DNA 序列。
生物技术：基因测序与基 因组编辑技术讲解培训
汇报人：可编辑
2023-12-23
CATALOGUE
目 录
• 基因测序技术概述 • 基因测序技术分类 • 基因组编辑技术概述 • 基因组编辑技术分类 • 基因测序与基因组编辑技术的应用
案例 • 基因测序与基因组编辑技术的挑战
与前景
01
CATALOGUE
基因测序技术可以用于生物进化研究 中，通过对不同物种的基因序列进行 比较，揭示生物的进化历程和演化机 制。
药物研发
基因测序技术可以用于药物研发过程 中，通过对药物作用靶点的基因序列 进行分析，提高药物的研发效率和针 对性。
基因测序技术的发展历程
1970年代
基因测序技术的雏形出现，主 要是通过化学降解法测定DNA
基因组编辑技术的原理
基因组编辑技术主要基于CRISPR-Cas9系统，通过向导RNA的引导，Cas9核酸酶能够精准地切割目 标DNA序列，从而实现基因组的编辑。

基因组学的教学备课教案一、教学目标在完成本节课的学习后，学生应能够：1. 理解基因组学的概念及其在生命科学中的重要性；2. 掌握基因组学研究的基本原理和方法；3. 熟悉基因组学领域的前沿研究和应用。

二、教学重点1. 基因组学的概念和基本原理；2. 基因组学研究的方法和技术；3. 基因组学的应用和前沿研究。

三、教学内容及安排1. 引入（10分钟）通过展示有关基因组学的图片或视频，激发学生对基因组学的兴趣，并了解其在现代生命科学中的重要性。

2. 概念讲解（20分钟）2.1 基因组学的定义和意义：- 基因组学是研究生物体整体基因组结构、功能和演化的学科，对于理解生物的遗传性状和疾病的发生机制具有重要意义。

- 基因组学的发展为疾病诊断、药物研发以及生物多样性保护等方面提供了重要的工具和方法。

2.2 基因组学的研究对象：- 基因组是指染色体上的所有基因和非编码DNA序列的总和。

- 通过对基因组的研究，可以揭示基因之间的相互作用、基因调控网络以及基因组结构和功能的演化规律。

3. 方法和技术介绍（40分钟）3.1 基因组测序技术：- 介绍Sanger测序和高通量测序技术的原理和应用。

- 讲解基因组测序的步骤和数据分析方法，并展示相关实例。

3.2 基因组注释和功能分析：- 介绍基因组注释的概念和方法，包括基因识别、ORF预测、编码区域注释等。

- 讲解功能分析的基本原理和常用工具，如GO、KEGG分析等。

4. 重点应用案例分析（30分钟）4.1 疾病诊断和治疗：- 通过基因组测序和分析，可以帮助医生进行疾病诊断和制定个体化治疗方案。

- 以肿瘤个体化治疗为例，介绍基因组学在临床应用中的意义和挑战。

4.2 生物多样性保护：- 基因组学可以帮助研究人员了解物种的遗传多样性和进化历史。

- 以保护濒危物种和研究其适应性进化为例，介绍基因组学在生物多样性保护中的应用。

5. 总结与展望（10分钟）通过课堂讨论和互动，总结基因组学的重要性和应用前景，鼓励学生参与基因组学研究以及探索更多基因组学应用的可能性。

2 基因模拟
用计算方法模拟特定环境下 基因的表达情况等生物学现 象。
3 遗传标记分析
发现基因组中的SNP、indel、CNV等变异，推测基因功能和遗传特征。
基因组DNA功能注释的工具和数据库介绍
NCBI数据库
提供丰富的基因组数据和功能注 释工具。
ENSEMBL数据库
提供多个物种的基因组数据和注 释，注重可视化。
基因组DNA测序和功能注 释入门课件
本课程将详细介绍基因组DNA测序技术和功能注释方法，帮助更多人了解这 一领域的知识和技术，让基因科学更深入人心。
什么是基因组DNA测序
基因组
由个体细胞中所有染色体上的基因组成。人类有23 对染色体，基因组大小大约为3亿个碱基对。
基因组测序
将基因组DNA分解成短片段，然后对这些短片段进 行测序。已完成的人类基因组测序计划是一项重大 的科学成就。
将所有高质量序列按照位置拼 接成一个完整的基因组序列。
序列过滤
过滤低质量序列，使用多种软 件进行序列质量控制。
序列组装
将基因组序列装配成连续的 DNA片段，并进行基因注释。
基因组DNA序Biblioteka 比对序列比对将样本序列与已知参考序列进行比对，判断样本 DNA中的SNP、indel、CNV等。
基因表达分析
从样本中提取RNA并对其进行测序，进而分析基因表 达水平。
基因组DNA序列装配
1
对contig进行纠错
2
利用软件对contig进行错误矫正。
3
检查装配结果
4
利用软件检查装配的质量，根据需要进 行重测序和审核。
基于Overlap-layout-consensus原理
将相似的序列“重叠”在一起，构成contig。

中英联合实验室
4.1 DNA测序的方法
• DNA测序技术主要有两种方法，都是在20 世纪70年代中期发明的。 • A. 双脱氧链终止法（the chain termination method），是通过合成与单 链DNA互补的多核苷酸链来读取待测DNA 分子的顺序。 • B. 化学降解法（chemical degradation method），是将双链DNA分子用化学试剂 处理，产生切口，用同位素标记进行测序。
A.通用引物：与载体DNA中 附近插入片段的顺序退火， 可引入新链的合成。 B.内部引物：提供一系列端 部以及内部可完成长序列顺 序的克隆。
中英联合实验室
B.化学降解法
• 基本原理：在选 定的核苷酸碱基中 引入化学基团，再 用哌啶处理使DNA 分子在被修饰的核 苷酸位置降解。
中英联合实验室
同时完成4组反应，A、G、C、T 链终止法：主流技术，易于机械化自动控制 化学降解法：试剂含有毒性主要原因是链终止法。
测序技术的发展
• 放射性同位素标记底物：灵敏度高 • 荧光标记物：灵敏度与分辨力，便于仪器阅 读。一种碱基一种颜色（A红色，G黄色，C 蓝色，T绿色） • 毛细管电泳：取代聚丙烯凝胶平板电泳，96 个泳道，每次可同时进行96次测序，每轮实 验不到2小时，1天可完成近千次反应
• 光点测序pyrosequencing：无须电泳，每 连接dNTP时释放1个焦磷酸，焦磷酸在磷 酸化酶的作用下转换为化学能，发出光亮 。每次只加入1种dNTP • DNA芯片测序：将各种排列顺序的寡聚核 苷酸点在芯片上，DNA分子与芯片温浴， 能杂交的寡聚核苷酸都会在确定位置发出 信号，获取信息进行对比组装。
A.双脱氧链终止法
• 天然的DNA聚合酶不能满足，需要进行改造

DNA测序与重组技术课程实践教案设计一、教学目标1. 理解DNA测序的原理和方法，掌握Sanger法和高通量测序的操作技能；2. 掌握DNA重组的基本概念和方法，学会制备载体和重组克隆，并熟悉PCR、限制酶切和凝胶电泳等重要技术；3. 培养实验操作能力和实验设计能力，培养科学研究的思维和方法。

二、教学内容1. DNA测序实验（1）实验目的：学习Sanger法和高通量测序的原理和操作方法。

（2）实验原理：Sanger法是一种基于化学反应的DNA测序方法。

它利用DNA聚合酶在DNA链复制过程中合成新链时利用反向方向合成DNA链，并停止合成过程的技术原理，通过检测DNA链的延伸来确定DNA序列。

高通量测序是一种基于测序仪的DNA测序方法。

它将DNA片段进行大规模并行测序，并且通过计算机进行数据处理和序列质量评估，获得大规模的DNA序列信息。

（3）实验步骤：① Sanger法实验：DNA模板制备，PCR扩增，测序实验，数据分析等。

② 高通量测序实验：DNA提取，文库构建，测序，数据分析等。

2. DNA重组实验（1）实验目的：学习DNA重组的基本概念和方法，了解DNA重组在分子生物学和基因工程中的应用。

（2）实验原理：DNA重组是指将不同来源的DNA片段进行剪切和连接，生成新的DNA重组产物的过程。

重组DNA技术广泛应用于基因克隆、表达、标记等领域。

实验中常用的技术包括PCR、限制酶切、凝胶电泳等。

（3）实验步骤：① 制备载体：将含有纯化质粒的大肠杆菌的感受态细胞滴于Extractor液，进行高压爆破，释放质粒。

纯化质粒，进行检测和鉴定。

② 重组克隆：将DNA片段进行PCR扩增，进行限制酶切，利用DNA连接酶连接到质粒上，进行转化操作。

③ 检测鉴定：通过PCR扩增、限制酶切、凝胶电泳等技术对重组子进行检测和鉴定。

三、实验设计1. DNA测序实验（1）实验步骤① 学生分小组进行实验，按照所给实验操作手册进行实验操作。

生物信息学中的基因组测序与组装生物信息学是一门综合性科学，是生物学、计算机科学、统计学等领域交叉的产物。

其中，基因组测序与组装是生物信息学领域研究的一个重要方向。

本文将介绍基因组测序与组装的相关内容，并讨论其在生物学领域中的应用与意义。

一、基因组测序基因组测序是指对生物体的DNA序列进行测定的过程。

DNA 的序列信息决定了生物体的所有遗传信息，因此基因组测序是深入了解生物的基础。

自上世纪70年代以来，基因组测序技术得到了飞速的发展，经历了串联测序、基于酶切的方法、大规模并行测序等不同的发展阶段。

现在，高通量测序技术已经成为最常用的基因组测序方法。

高通量测序技术利用DNA复制、分离、扩增等基本生物学原理，在大规模平行的情况下对DNA分子进行测序。

目前，Illumina、Ion Torrent、PacBio、OXFORD NANOPORE等公司都提供高通量测序平台，其中Illumina公司的测序机占据着主导地位。

二、基因组组装基因组测序得到的是短片段的DNA序列，需要使用一定的算法将这些片段组装成完整的基因组。

基因组组装是基于高通量测序技术的基因组学研究中的一个重要过程，可以得到更加完整的基因组信息，为后续的基因功能和结构解析提供基础数据。

基因组组装可以分为参考序列组装和无参考序列组装。

前者需要使用一个已知序列的参考基因组作为模板，将短序列映射到参考序列上进行拼接。

而后者则是指在没有已有参考序列的情况下，仅凭短序列片段组装出完整的基因组。

基因组组装过程中面临的主要问题是基因组重复序列的拼接，其中Tandem Repeat（TRs）和Low Complexity Regions（LCRs）是组装过程中的尤其重要的挑战。

目前，基因组组装的算法也在不断发展和完善，例如短序列组装可以使用SOAPdenovo2，SPAdes等软件，长序列组装则可以使用Canu，Flye等软件。

三、应用与意义基因组测序和组装技术的应用范围很广，主要包括以下几个方面：1. 基因组学研究：用于获取生物体的完整基因组信息，并深入了解其基因结构，功能和遗传进化等方面的信息。

Shotgun法序列拼接
Low Base Quality
Single Stranded Region
Sequence Gap
Consensus
Mis-Assembly (Inverted)
正反向测序对： 从同一个克隆片段两端分别测序所得到的一对序列。. 插入片段长度： 克隆载体中插入的外源DNA片段长度。 片段连接群(contig)：用识别互相重叠的方法对测序数据进行拼接的结果。. Scaffold: 用正反向测序对连接的非重叠片段连接群。 LW-洞：由于没有测序数据覆盖而在组装结果中留下的洞。
genome sequence of size G, with 4 repeats shotgun library construction
O(G2) pair-wise comparison
R = 3 segments w/ repeat-termination
“overlap-layout-consensus” algorithm explores R! = exponential number of possible solutions
重复序列分析
覆盖度： 基因组被测序数据覆盖的次数。 重复数： 一段DNA序列在基因组中出现的次数。 深度：一段DNA序列在鸟枪法测序数据集中出现次数。例如一个转座子在基因组中 出现N次，测序数据集的覆盖度为C, 则这个转座子的平均深度为NC。 20-mer 重复序列：任何深度超过为该数据集确定的重复序列标准的20-bpDNA片段。 是数学定义的重复序列。 重复序列洞： 由于屏蔽重复序列而在组装结果中留下的洞。
exact 20-mer repeats fraction masked, by size fully-masked reads

感谢您的观看
THANKS
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基因组序列组装
序列组装的基本流程
序列读取
通过测序技术获取基 因组序列的原始数据。
序列质量评估
对原始数据进行质量 评估，去除低质量序 列和错误序列。
序列比对
将高质量序列比对到 参考基因组或组装到 独立的基因组上。
序列拼接
将比对或独立基因组 上的序列片段拼接成 完整的基因组。
组装后验证
对组装得到的基因组 进行验证，确保其完 整性、准确性和一致 性。
下一代测序技术
总结词
更高通量、更低成本、更短周期的测序技术。
详细描述
下一代测序技术是一种尚未完全成熟的测序技术，目 前正处于研究和发展阶段。相比于前几代测序技术， 下一代测序技术将具有更高的通量、更低的成本和更 短的周期等特点。它可能采用更加先进的纳米技术、 光学技术和生物信息学技术等手段，以提高测序的准 确性和速度。下一代测序技术的出现将为基因组学和 生物医学领域的研究提供更加高效装得到的基因组的完整性，包括染色 体水平的完整性和基因水平的完整性。
准确性评估
评估组装得到的基因组的准确性，包括单核苷酸水 平上的准确性和结构变异上的准确性。
一致性评估
评估组装得到的基因组的一致性，包括不同 组装方法或不同数据集之间的一致性和内部 的一致性。
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基因组测序与序列组装的挑 战与前景
例如，通过研究水稻基因组，科学家们发现了与抗旱、耐盐等抗逆性状相关的基因，为培育抗逆性更强的水稻品种提供了重 要的理论依据。
病原微生物基因组研究
病原微生物基因组研究是利用基因组测序和序列组装技术来了解病原微生物的基因组结构和功能，旨 在发现新的药物靶点、疫苗候选基因和诊断标记物等。

几乎所有基因〔或操纵子〕上游都有调控序列， 它们可与DNA结合蛋白作用，控制基因表达。
通过同源性比较来预测mRNA的5’端，最常用的 与转录起始位点相关的数据库是真核启动子数据库 (The TRADAT Project , Eukaryotic Promoter Database, EPD. epd.unil.ch/ )。
G 外显子－内含子边界
外显子和内含子的边界有一些 明显的特征，
如:内含子的5‘端或称供体位 〔donor site〕常见的顺序为 5’－ AG↓GTTAAGT-3’；
3’端又称受体位〔acceptor site), 多为5‘PyPyPyPyPyPyCAG3’(“Py〞嘧啶核苷酸，T或C)；
H 上游控制顺序
第二讲 基因组序列诠释
问题
基因组序列所包含的全部遗传信息是什 么？
基因组作为一个整体如何行使其功能？ 用什么方法寻找基因，研究基因地功能
呢？
1. 寻找基因
1.1 根据开放读码框预测基因 A 起始密码子 ATG 第一个ATG的确定(依据Kozak规则);
Kozak规则是基于已知数据的统 计结果.
同源有如下几种情况：
A DNA序列某些片段完全相同； B 开放读码框〔ORF〕排列类似，如有长
外显子； C 开放读码框翻译成氨基酸序列的相似性； D 模拟多肽高级结构相似
1.3 试验分析
Northern 杂交确定DNA片段是表达 序列.
本卷须知： a 当某一基因的转录产物进行可变 剪接时，由于连接的外显子不同， 会产生好几条长度不一的杂交带;
反义表达载体
Nc o I Bst EII
35S pro
HbR
300bp p3301-HbR(11030bp)

DNA测序与基因组学的微课教学设计方案1. 引言DNA测序与基因组学是生物学中的重要内容，对于培养学生的科学素养和探索精神具有重要作用。

本文档旨在设计一份微课教学方案，以帮助学生系统研究DNA测序与基因组学的知识。

2. 教学目标- 了解DNA测序的背景和原理- 掌握DNA测序的常用方法和技术- 理解基因组学的基本概念和研究方法- 能够分析和解释基因组学研究的结果3. 教学内容和安排3.1 DNA测序- DNA测序的背景和重要性（10分钟）- DNA测序的原理和方法（20分钟）- 常用的DNA测序技术介绍（30分钟）3.2 基因组学- 基因组学的基本概念和发展历程（10分钟）- 基因组学的研究方法和技术（20分钟）- 基因组学的应用领域和前景（20分钟）4. 教学方法和教学资源- 采用讲解、示范和互动的教学方法，提供生动示意图和实际操作演示- 使用多媒体教学资源，包括PPT、视频教程等- 鼓励学生参与讨论和提问，促进研究互动和思维碰撞5. 教学评估和反馈- 设置小组讨论和交流时间，鼓励学生互相讨论与反思- 设计针对性的评估题目和练题，以检验学生的掌握程度- 定期与学生进行讨论和反馈，了解他们的研究进展和困惑之处6. 教学评价和改进- 收集学生的反馈意见和建议，以改进教学方案- 分析学生的研究成绩和参与度，评估教学效果- 定期组织教学团队会议，讨论教学改进措施7. 教学资源与参考资料- DNA测序与基因组学相关的教材和参考书目- 优质的网络资源和学术期刊文章- 专业实验室和科研机构的合作与支持8. 结束语通过本微课教学方案的实施，希望能够激发学生对DNA测序与基因组学的兴趣，培养其科学探索和创新能力，为培养未来生物科学领域的专业人才做出贡献。