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1、第十三章 基因组学 基因组学基因组学(genomics)(genomics)是遗传学研究进入分子是遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支，主要研究生物水平后发展起来的一个分支，主要研究生物体全基因组体全基因组(genome)(genome)的分子特征。的分子特征。基因组学强调的是以基因组为单位，而不是基因组学强调的是以基因组为单位，而不是以单个基因为单位作为研究对象，因此，基以单个基因为单位作为研究对象，因此，基因组学的研究目标是认识基因组的结构、功因组学的研究目标是认识基因组的结构、功能及进化，弄清基因组包含的遗传物质的全能及进化，弄清基因组包含的遗传物质的全部信息及相互关系，为最终充分
2、合理地利用部信息及相互关系，为最终充分合理地利用各种有效资源，为预防和治疗人类遗传疾病各种有效资源，为预防和治疗人类遗传疾病提供科学依据。提供科学依据。基基因因组组学学的的重重要要组组成成部部分分是是基基因因组组计计划划，如如人人类类、水水稻稻基基因因组组计计划，划，大体可分为大体可分为：1 1、构建基因组的遗传图谱、构建基因组的遗传图谱2 2、构建基因组的物理图谱、构建基因组的物理图谱3 3、测定基因组、测定基因组DNADNA的全部序列的全部序列4 4、构建基因组的转录本图谱、构建基因组的转录本图谱5 5、分析基因组的功能、分析基因组的功能 基因组计划研究开始于基因组计划研究开始于19901
3、990年，美国国年，美国国立卫生研究院立卫生研究院(NIH)NIH)和能源部和能源部(DOE)DOE)联合启动联合启动了被誉为了被誉为“人体阿波罗计划人体阿波罗计划”的的“人类基因人类基因组计划组计划”(”(human genome projecthuman genome project，HGP)HGP)。在美国提出人类基因组计划后，英、法、在美国提出人类基因组计划后，英、法、日、前苏联、中等，也相继启动了类似的研日、前苏联、中等，也相继启动了类似的研究项目。究项目。2000 2000年年6 6月月2626日，各国科学家公布了人日，各国科学家公布了人类基因组工作草图，类基因组工作草图，2001
4、2001年年8 8月月2626日，人类日，人类基因组计划中国部分测序项目汇报及联合验基因组计划中国部分测序项目汇报及联合验收会在京召开，标志人类基因组收会在京召开，标志人类基因组“中国卷中国卷”通过验收通过验收 19921992年年8 8月，中国根据国情正式月，中国根据国情正式宣布实施自己的宣布实施自己的“水稻基因组研究水稻基因组研究计划计划”，已完成水稻基因组物理图，已完成水稻基因组物理图谱的构建谱的构建 。2002 2002年年4 4月月5 5日，日，ScienceScience以以1414页的篇幅刊登和宣布中国科学家页的篇幅刊登和宣布中国科学家独立绘制完成的水稻基因组草图序独立绘制完成的
5、水稻基因组草图序列（亿）列（亿）一、基因组图谱的构建 在进行大规模序列测定之前，构建基因在进行大规模序列测定之前，构建基因组图谱是测定大基因组全部核苷酸序列组图谱是测定大基因组全部核苷酸序列的重要一环。基因组图谱可作为序列测的重要一环。基因组图谱可作为序列测定中制定测序方案的依据，以便先重后定中制定测序方案的依据，以便先重后轻地分析基因，锚定测知的核酸序列在轻地分析基因，锚定测知的核酸序列在染色体上的位置。染色体上的位置。因此，在人类基因组因此，在人类基因组计划实施过程中，首先用了六年时间构计划实施过程中，首先用了六年时间构建高密度的基因组图谱，然后才进入测建高密度的基因组图谱，然后才进入测序
6、工作。序工作。1、遗传图谱遗传图谱（1 1）图谱标记）图谱标记 图谱构建中需要可以鉴别的标记图谱构建中需要可以鉴别的标记(marker)(marker)，在构建遗传图谱中，可用基，在构建遗传图谱中，可用基因和因和DNADNA作为标记。作为标记。基因标记：基因标记：用基因作为标记，分析各基用基因作为标记，分析各基因间的连锁关系及遗传距离，绘制出连因间的连锁关系及遗传距离，绘制出连锁遗传图谱锁遗传图谱DNADNA标记：标记：限制性内切酶多型性限制性内切酶多型性(RFLP)(RFLP)、简单序列长度多型性、简单序列长度多型性(SSLP)(SSLP)、单核苷、单核苷酸多型性酸多型性(SNPs)(SNP
7、s)（2 2）遗传图谱的构建）遗传图谱的构建 人类基因组遗传图谱的构建：人类基因组遗传图谱的构建：人人类类的的遗遗传传图图谱谱是是利利用用家家系系分分析析法法，在在对对8 8个个家家系系的的134134个个成成员员的的分分析析中中，主主要要根根据据52645264个个STRSTR标标记记绘绘制制而而成成的的。利利用用这这些些家家系系的的资资料料绘绘制制第第1 1至至2222号号染染色色体体图图谱谱。对对于于X X染染色色体体图图谱谱，还还利利用用了了来来自自另另外外1212个个家家系系，170170个成员的资料绘制而成。个成员的资料绘制而成。将将52645264个标记定位在个标记定位在2335
8、2335个位点，据此个位点，据此构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标构建的人类基因组遗传图谱的密度为每个标记记599 Kb599 Kb。植物基因组遗传图谱的构建植物基因组遗传图谱的构建：选择亲本选择亲本 产生构图群体产生构图群体 遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位标记间的连锁分析标记间的连锁分析 2、物理图谱物理图谱 由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不由于遗传图谱的分辨率有限、精确性不高，所以还要构建物理图谱。高，所以还要构建物理图谱。基因组物理图谱的构建主要有三种途径：基因组物理图谱的构建主要有三种途径：限制性酶图谱限制性酶图谱荧光原位杂交技术荧光原位杂交技术(FISH)(FISH)
9、序列标签位点序列标签位点(STS)(STS)如表达的序列标签如表达的序列标签(EST)(EST)，来自来自cDNAcDNA 图图 9 927 27 酵母菌第酵母菌第IIIIII染色体遗传图谱染色体遗传图谱(A)(A)与物理图谱与物理图谱(B)(B)的的比较比较 二、基因组图谱的应用：二、基因组图谱的应用：1 1、基因组序列测定、基因组序列测定2 2、基因定位、基因定位 3 3、基因组比较分析、基因组比较分析4 4、分子标记辅助选择、分子标记辅助选择5 5、基因的克隆与分离、基因的克隆与分离 三、后基因组学三、后基因组学 后后基基因因组组学学(post-genomics)(post-genomi
10、cs)是是在在完完成成基基因因组组图图谱谱构构建建以以及及全全部部序序列列测测定定的的基基础础上上，进进一一步步研研究究全全基基因因组组的的基基因因功功能能、基基因因之之间间的的相相互互关关系系和和调调控控机机制制为为主主要要内容的学科。内容的学科。后后基基因因组组学学主主要要利利用用DNADNA微微列列阵阵技技术术、蛋蛋白白质质组组学学、酵酵母母菌菌双双杂杂交交系系统统以以及及生生物物信信息息学学等等技技术术相相结结合合，对对已已知知的的基基因因组序列进行研究。组序列进行研究。1 1、DNADNA微列阵微列阵 DNADNA微微列列阵阵(DNA(DNA microarrays)microarr
11、ays)就就是是利利用用DNADNA芯芯片片技技术术，同同时时进进行行大大量量分分子子杂杂交交，以以分分析析比比较较不不同同组组织织或或器器官官的的基基因因表表达达水水平平，筛筛选选突突变变基基因因，从从核核酸酸水水平分析基因表达模式。平分析基因表达模式。2 2、蛋白质组学、蛋白质组学 蛋蛋白白质质组组学学(proteomics)(proteomics)是是从从蛋蛋白白质质水水平平来来研研究究基基因因组组的的基基因因表表达达，分分析析基基因因组组的的蛋蛋白白质质类类型型、数数量量、空空间间结结构构变异以及相互作用的机制。变异以及相互作用的机制。3 3、酵母菌双杂交系统、酵母菌双杂交系统 酵酵
12、母母 菌菌 双双 杂杂 交交 系系 统统(two(two hybrid-hybrid-systems)systems)是是利利用用在在酵酵母母菌菌的的同同一一个个细细胞胞中中共共同同表表达达不不同同蛋蛋白白质质，以以鉴鉴定定蛋蛋白白质质之之间间互作的一种分析方法。互作的一种分析方法。4 4、生物信息学、生物信息学 生生物物信信息息学学(bioinformatics)(bioinformatics)是是利利用用计计算算机机贮贮存存原原始始资资料料，分分析析生生物物信信息息，将将DNADNA芯芯片片以以及及蛋蛋白白质质双双向向电电泳泳结结果果转转变变成成为为可可读读的的遗遗传传学学信信息息的的学学
13、科科。生生物物信信息息学学是是将将现现代代生生物物技技术术与与计计算算机机科科学学结结合合，收收集集、加工和处理生物资料。加工和处理生物资料。图图 8 8 29 29 酵母菌双杂交系统酵母菌双杂交系统A A、双杂交系统组成、双杂交系统组成 B B、将、将A A中的构建体混合，转化酵母菌中的构建体混合，转化酵母菌自自从从19961996年年酵酵母母菌菌基基因因组组全全序序列列测测定定以以来来，在在4 4年年多多时时间间里里，全全世世界界已已有有10001000多多个个实实验验室室，50005000多多名名科科学学家家从从事事酵酵母母菌菌后后基基因因组组学学的的研研究究，共共发发表表论论文文70007000多多篇篇，鉴鉴定定10601060个个新新基基因因的的功功能能，但但仍仍然然还还有有约约16001600个个阅阅读读框框架架的的功功能能不不清清楚楚。这这些些结结果果充充分分说说明明后后基基因因组组学学研研究究的的复复杂杂性。性。酵母酵母 1.5 107拟南芥拟南芥 1.0 107水稻水稻 4.3 108人类人类 3.3 109玉米玉米 5.4 109