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1、关于功能基因组学及其研究方法现在学习的是第1页，共51页 基基因因组组(genome)是是德德国国遗遗传传学学家家H.Winkler在在1920年年将将gene（基基因因）和和chromosome(染染色色体体)两两个个词词缩缩合合而而创创造造的的一一个个新新词词，意意思思是是指指染染色色体体上上的的全全部部基基因因。几几十十年年来来，随随着着分分子子生生物物学学的的发发展展，其其含含义义扩扩展展为为在在个个体体水水平平代代表表一一个个个个体体所所有有遗遗传传性性状状的的总总和和，在在细细胞胞水水平平代代表表一一个个细细胞胞所所有有不不同同染染色色体体（单单倍倍体体）的总和，在分子水平代表一个
2、物种所有的总和，在分子水平代表一个物种所有DNA分子的总和。分子的总和。一、一、基因组学概念基因组学概念现在学习的是第2页，共51页基因组学（基因组学（genomicsgenomics）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。1986年提出，至今20年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。现在学习的是第3页，共51页基因组学研究的最终目标基因组学研究的最终目标1.获得生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列;2.鉴定所有基因的功能鉴定所有基因的功能;3.明确基因之间的相互作用关系明确基因之间的相互作用关系;4.阐明基因组的进化规
3、律阐明基因组的进化规律.现在学习的是第4页，共51页现在学习的是第5页，共51页基因组学包括基因组学包括2-32-3个亚领域个亚领域 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。现在学习的是第6页，共51页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（transc
4、ript map）和序列图（sequence map）。基因组测序是结构基因组学最基本的研究工作。结构基因组学(structural genomics)是通过人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)的实施来完成的。结构基因组学现在学习的是第7页，共51页HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序列测定。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400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。结构基因组学现
5、在学习的是第8页，共51页模式生物是指一类被深入研究旨在揭示特定生命现象普遍规律的生物物种。大多数生物学过程在长期的进化过程中是高度保守的，因此，许多生物学过程在大多数或所有的模式生物中都是类似的，模式生物也因此在生物学研究中具有不可替代的重要作用。现在学习的是第9页，共51页 人类基因人类基因 组计划组计划现在学习的是第10页，共51页基因定位基因定位基因组作图基因组作图测定核苷酸序列测定核苷酸序列结构基因组学现在学习的是第11页，共51页The E.coli genome现在学习的是第12页，共51页A portion of the E.coli chromosome showing ge
6、nes and operons.A dot indicates the promoter for each gene or operon.Arrows and color indicate the direction of transcribtion:dark blue genes are transcribed left to right,light blue are transcribed right to left.Overlapping gene are shown in green.现在学习的是第13页，共51页功能基因组学 概念：利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模实验方法
7、及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能的学科。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。现在学习的是第14页，共51页主要具体内容包括以下方面（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索预测基因功能（三）实验性研究基因功能（四）描述基因表达模式（五）蛋白质相互作用的模式
8、现在学习的是第15页，共51页（一）鉴定（一）鉴定DNA序列中的基因序列中的基因 计算机对基因组序列对基因组序列(DNA序列序列)进行分析，进行分析，包括鉴定和描述推测的基因、非基因序列及包括鉴定和描述推测的基因、非基因序列及其功能。其功能。现在学习的是第16页，共51页根据序列分析搜寻基因根据序列分析搜寻基因 J 查查找找开开放放阅阅读读框框（open open reading reading frame,frame,ORFORF）J 开开放放阅阅读读框框都都有有一一个个起起始始密密码码子子，ATGATG，还还要有终止密码子。要有终止密码子。J 从从ATGATG开始，然后向下游寻找终止密码子
9、。开始，然后向下游寻找终止密码子。J 起起始始密密码码子子和和终终止止密密码码子子之之间间的的碱碱基基数数目目要能够被要能够被3 3整除整除J 每每一一条条链链都都有有3 3种种可可能能的的阅阅读读框框，2 2条条连连共共计有计有6 6种可能的阅读框种可能的阅读框.现在学习的是第17页，共51页（二）同源搜索设计基因功能F同源基因在进化中来自共同的祖先，通过核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比较推测基因组内相似功能的基因。F同源基因起源于同一个祖先，在不同的物种中结构和功能相同或相似的基因。现在学习的是第18页，共51页同源查询的依据同源查询的依据 有有亲亲缘缘关关系系的的物物种种，基基因因组组可
10、可能能存存在在某某种程度的相似性：种程度的相似性：存在某些完全相同的序列；存在某些完全相同的序列；ORFORF演绎的氨基酸序列相似；演绎的氨基酸序列相似；ORFORF的排列相似，如等长的外显子；的排列相似，如等长的外显子；模拟的多肽链的高级结构相似，等模拟的多肽链的高级结构相似，等。现在学习的是第19页，共51页生物信息学(bioinformatics)F是运用计算机技术和信息技术开发新的算法和统计方法，对生物实验数据进行分析，确定数据所含有的生物学意义，并开发新的数据分析工具以实现对各种信息的获取和管理的学科。F利用生物信息学能够分析从微生物、动物、植物以及人类基因组序列测定产生的大量资料，
11、阐明遗传信息。研究内容两大类：DNA 数据分析；蛋白质数据分析。现在学习的是第20页，共51页DNA序列分析基因结构域分析，包括启动子、转录因子结合序列、内含子、外显子、重复序列、开放读码框架等。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。现在学习的是第21页，共51页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。蛋白质空间结构分析：蛋白质晶体结构数据
12、库检索，如PDB数据库。蛋白质空间结构预测，如Homology等软件分析。现在学习的是第22页，共51页（三）实验性研究基因功能（三）实验性研究基因功能 基因克隆基因克隆 基因敲除基因敲除（knock-out）转座子插入突变转座子插入突变 基因的超表达基因的超表达 反义反义RNARNA技术技术 RNAi RNAi 现在学习的是第23页，共51页基因克隆的策略基因文库传统方法PCR 扩增 后基因组时代现在学习的是第24页，共51页基因敲除技术（gene knockout)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,基因替换），然后从整体观察生物
13、体，从而推测相应基因的功能。这种人为地把生物体某一种有功能的基因完全缺失的技术称为基因敲除技术。现在学习的是第25页，共51页基因替换转座子诱变整合突变自杀质粒介导的缺失突变现在学习的是第26页，共51页（四）描述基因表达模式采用DNA微点阵进行整体基因表达谱-转录组分析；采用蛋白质或多肽微点阵、改进的双向电泳结合飞行质谱技术分析蛋白质表达谱-蛋白质组分析。现在学习的是第27页，共51页转录组(transcriptome):一个细胞内的一套mRNA转录物，包含了某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理(功能)状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。现在学习的是第28页，共51页转录
14、组学转录组学的研究方法的研究方法DNADNA芯片技术芯片技术现在学习的是第29页，共51页基因表达谱类型基因表达谱类型:1 1，组织、细胞表达谱，组织、细胞表达谱2 2，差异的组织、细胞表达谱，差异的组织、细胞表达谱3 3，诱导的细胞表达谱表达谱，诱导的细胞表达谱表达谱专用技术专用技术:1 1，SAGESAGE分析分析2 2，生物芯片技术，生物芯片技术(基因芯片，细胞芯片，基因芯片，细胞芯片，组织芯片组织芯片)3 3，其它，其它现在学习的是第30页，共51页 Serial Analysis of Gene Expression(SAGE)Serial Analysis of Gene Expr
15、ession(SAGE)用用于定量地、平行地分析大量的转录本。若要知道一种组织，于定量地、平行地分析大量的转录本。若要知道一种组织，器官或细胞的基因表达谱，首先从组织细胞里分离出短的诊器官或细胞的基因表达谱，首先从组织细胞里分离出短的诊断性断性Tags Tags，归类并克隆。测定数千个克隆的，归类并克隆。测定数千个克隆的DNADNA序列就可以序列就可以了解代表这种组织、器官或细胞的功能的基因表达谱。所以了解代表这种组织、器官或细胞的功能的基因表达谱。所以SAGESAGE提供了一种广泛应用的工具，定量地分析比较各种正常提供了一种广泛应用的工具，定量地分析比较各种正常组织细胞，各种发育状态和各种病
16、理状态下的基因表达谱。组织细胞，各种发育状态和各种病理状态下的基因表达谱。http:/www.sagenet.org/网站搜集了大量的网站搜集了大量的SAGESAGE供研究者检供研究者检索。索。Serial Analysis of Gene Expression(SAGE)现在学习的是第31页，共51页Sequencingthausands tagsLivercDNA Express sequence tagcloningDetermining a gene expression pattern characteristic oflivers functionmRNA现在学习的是第32页，共5
17、1页基因芯片技术信息时代的产物信息时代的产物9090年代兴起的一项前沿年代兴起的一项前沿生物技术生物技术 横跨：生命科学、物理学、计算机科学、微电子技术 光电技术、材料科学 等现代高科技高度集约化高度集约化 高灵敏度高灵敏度 大通量平行分析大通量平行分析现在学习的是第33页，共51页JDNA微列阵(DNA microarrays)是利用DNA芯片技术，同时进行大量分子杂交，以分析比较不同组织或器官的基因表达水平，筛选突变基因，从核酸水平分析基因表达模式。是后基因组学研究中的重要方法之一。现在学习的是第34页，共51页基因芯片发展历史基因芯片发展历史Southern&Northern South
18、ern&Northern BlotBlotDot Dot BlotBlotMacroarrayMacroarrayMicroarrayMicroarray现在学习的是第35页，共51页现在学习的是第36页，共51页w 其基本原理是将一系列的核酸片段固定在芯片载体上作为固相靶片段（target），待测的核酸片段人工标记上不同的荧光、或同位素等作为探针（probe），一定条件下两者杂交，根据杂交后不同的信号即可获得靶片段的信息，进行计算机分析。现在学习的是第37页，共51页制备靶制备靶片段片段结果观察，信息分析结果观察，信息分析制备固相制备固相探针探针对照组对照组（组织，细胞）（组织，细胞）实验组
19、实验组（组织，细胞）（组织，细胞）提取提取mRNA提取提取mRNACy5标记标记Cy3标记标记杂交杂交现在学习的是第38页，共51页扫描图扫描图现在学习的是第39页，共51页蛋白质组(proteom)：一个细胞内的全套蛋白质，反映了特殊阶段、环境、状态下细胞或组织在翻译水平的蛋白质的表达谱。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。现在学习的是第40页，共51页蛋白质组学(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。现在学习
20、的是第41页，共51页J蛋白质组学比基因组学更为复杂：蛋白质组学比基因组学更为复杂：DNADNA线线状结构与二级结构的功能差异不大，但状结构与二级结构的功能差异不大，但多肽链需折叠成一定的三维空间结构才多肽链需折叠成一定的三维空间结构才形成有功能的蛋白质；同一种蛋白质经形成有功能的蛋白质；同一种蛋白质经不同的加工修饰可形成不同的功能，因不同的加工修饰可形成不同的功能，因此蛋白质的多样性远复杂于基因本身。此蛋白质的多样性远复杂于基因本身。现在学习的是第42页，共51页蛋白质组学的研究方法双向电泳（two dimension electrophoresis,2-DE）：蛋白质具有等电点和分子量的特
21、异性，将蛋白质混合物在电荷（等电聚焦，IEF）和分子量（变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，SDS-PAGE）两个水平上进行分离。现在学习的是第43页，共51页现在学习的是第44页，共51页MolecularsIonsF 生物质谱技术生物质谱技术 Mass Spectrometry：x通过测定样品离子的质荷比（m/z）来进行成分和结构分析。现在学习的是第45页，共51页蛋白质蛋白质2D电泳分析电泳分析A对照；对照；B为人的垂体瘤蛋白质为人的垂体瘤蛋白质2D电泳箭头示有电泳箭头示有明显差异的蛋白质。明显差异的蛋白质。现在学习的是第46页，共51页真核生物的基因表达受转录因子控制，转录因子需与启动子真核生物的
22、基因表达受转录因子控制，转录因子需与启动子区域的区域的DNADNA结合结合并激活并激活RNARNA聚合酶转录。聚合酶转录。转录因子具有转录因子具有DNADNA结合结合及及激活转录激活转录两功能两功能，分别由不同区域完，分别由不同区域完成，而且将这两部分成，而且将这两部分分割成两个片段分割成两个片段后仍由互作后仍由互作能装配成一个完能装配成一个完全有功能的转录因子。全有功能的转录因子。基于这一特点，设计出酵母双杂交系统。基于这一特点，设计出酵母双杂交系统。是利用酵母菌同一个细胞中共同表达不同蛋白质，以是利用酵母菌同一个细胞中共同表达不同蛋白质，以鉴定蛋白鉴定蛋白质之间互作质之间互作的一种分析方法
23、。的一种分析方法。酵母菌双杂交系统酵母菌双杂交系统(two hybrid-systems)(two hybrid-systems)：现在学习的是第47页，共51页蛋白质之间相互作用以及通过相互作用而形成蛋白质之间相互作用以及通过相互作用而形成的蛋白复合物是细胞各种基本功能的主要完成者。的蛋白复合物是细胞各种基本功能的主要完成者。几乎所有的重要生命活动，包括几乎所有的重要生命活动，包括DNADNA的复制与转录、的复制与转录、蛋白质的合成与分泌、信号转导和代谢等等，都离蛋白质的合成与分泌、信号转导和代谢等等，都离不开蛋白质之间的相互作用。不开蛋白质之间的相互作用。蛋白质之间相互作用研究的重要性蛋白质之间相互作用研究的重要性现在学习的是第48页，共51页酵母双杂交酵母双杂交各种亲和分析（亲和色谱、免疫共沉淀等）各种亲和分析（亲和色谱、免疫共沉淀等）荧光共振能量转换效应分析荧光共振能量转换效应分析噬菌体显示系统筛选等等噬菌体显示系统筛选等等常用蛋白质相互作用的研究技术常用蛋白质相互作用的研究技术现在学习的是第49页，共51页一、酵母双杂交技术的基本原理一、酵母双杂交技术的基本原理现在学习的是第50页，共51页感谢大家观看26.09.2022现在学习的是第51页，共51页