基因组测序技术精选PPT.ppt

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1、关于基因组测序技术关于基因组测序技术第1页，讲稿共122张，创作于星期日一些主要模式生物基因组测序概况一些主要模式生物基因组测序概况n n19951995年年 7 7月，第一个基因组月，第一个基因组流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌（Haemophilus influenzaeHaemophilus influenzae）的全序列发）的全序列发 表，大小为表，大小为1.8 Mb1.8 Mb；n n19961996年年 1010月，酿酒酵母（月，酿酒酵母（Saccharomyces Saccharomyces cerevisiaecerevisiae）的基因组全部测序完成；的基因组全部测序完成；n n19

2、971997年年 9 9月，大肠杆菌（月，大肠杆菌（Escherichia coliEscherichia coli）基因组）基因组全部测全部测 序完成，全长序完成，全长5 Mb5 Mb；n n20012001年年 1212月，线虫（月，线虫（Caenorhabditis ele gansCaenorhabditis ele gans）基因组测序完成基因组测序完成.第2页，讲稿共122张，创作于星期日一些主要模式生物基因组测序概况一些主要模式生物基因组测序概况n n2000年：3月，Celera公司完成果蝇（Drosophila me lanogaster）基因组（180 Mb）的全部测序工作

3、，在当时所有已测序的基因组中是最大的，同时这也证明了“全基因组鸟枪法”的可行性；n n 2000年 12 月，第一个植物基因组拟南芥（Arabidopsis thaliana）基因组被全部测序，大小为125 Mb.第3页，讲稿共122张，创作于星期日一、测序流程1.1.构建生物基因组文库或构建生物基因组文库或cDNAcDNA文库文库 DNADNA的提取和制备的提取和制备酶切制备克隆用酶切制备克隆用DNADNA片段片段 与载体连接与载体连接转化受体细胞转化受体细胞 筛选鉴定筛选鉴定扩增培养。扩增培养。2.2.从基因组文库中提取从基因组文库中提取DNADNA大片段，进行测序：大片段，进行测序：将将

4、DNADNA用超声波（或限制性内切酶）切成能够测序的小片用超声波（或限制性内切酶）切成能够测序的小片断断(200-500bp)(200-500bp)小片断和载体结合，植入细菌中进行小片断和载体结合，植入细菌中进行扩增（或用扩增（或用PCRPCR扩增）扩增）从细菌中提取出繁殖好的质粒从细菌中提取出繁殖好的质粒 酶切，制取测序的酶切，制取测序的DNADNA片段片段3.3.测序：上测序仪测序测序：上测序仪测序 。4.4.利用重叠技术，排出利用重叠技术，排出DNADNA大片段的序列。大片段的序列。第4页，讲稿共122张，创作于星期日二、DNA测序的方法n n双脱氧链终止法测序双脱氧链终止法测序n n化

5、学降解法测序化学降解法测序n n自动化测序自动化测序n n非常规非常规DNADNA测序测序第5页，讲稿共122张，创作于星期日（一）（一）SangerSanger的双脱氧链末端终止法的双脱氧链末端终止法 1.基本原理:通过合成与单链DNA互补的多核苷酸链，由于合成的互补链可在不同位置随机终止反应，产生只差一个核苷酸的DNA分子，从而来读取待测DNA分子的顺序。第6页，讲稿共122张，创作于星期日n nCambridgeCambridge的的F.SangerF.Sanger在在19771977年发明用双脱氧链终年发明用双脱氧链终止法测定单链止法测定单链DNADNA的序列，其基本原理如下：的序列，

6、其基本原理如下：DNADNA聚合酶能够用单链聚合酶能够用单链DNADNA作为模板，合成准确作为模板，合成准确的的DNADNA互补链；互补链；n n该酶能够用该酶能够用2 2，3-3-双脱氧核苷三磷酸作底物并将其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聚合到新生寡核苷酸链的3-3-末端，从而终止其延伸反末端，从而终止其延伸反应。应。n n在在DNADNA测序反应中，加入模板测序反应中，加入模板DNADNA，引物（特异，引物（特异性引物），性引物），DNADNA聚合酶，聚合酶，dAdA，dTdT，dGdG，dCdC和一种和一种ddNTPddNTP。常用。常用KlenowKlenow大片段

7、，无大片段，无5353外切酶活性。外切酶活性。基本原理:第7页，讲稿共122张，创作于星期日2.技术路线与要求技术路线与要求制备单链模板制备单链模板 将单链模板与一小段引物退火将单链模板与一小段引物退火 加入加入DNADNA多聚酶多聚酶 4 4种脱氧核苷酸种脱氧核苷酸分别加入少量分别加入少量4 4种双脱氧核苷酸种双脱氧核苷酸 将将4 4种反应产物分别在种反应产物分别在4 4条泳道电泳条泳道电泳 根据根据4 4个碱基在个碱基在4 4条泳道的终止位置读出基因序列条泳道的终止位置读出基因序列 A 克隆于质粒中DNA用碱或热变性B M13克隆单链DNAC 噬粒克隆DNAD PCR产生单链DNAA 高酶

8、活性B 无53外切酶活性C 无35外切酶活性ddATP/ddCTP/ddGTP/ddTTP 的3碳原子连接的是氢原子,不是羟基第8页，讲稿共122张，创作于星期日5PP 53HOOH 35POH 3P32 55POH 3HODNA聚合酶，聚合酶，dATP，dTTP，dGTP，dCTPddGTPddATPddTTPddCTP制备单链制备单链DNA加放射性引物加放射性引物第9页，讲稿共122张，创作于星期日ddGTPddATPddTTPddCTP5 32P -GTCATGTGCTAG5 32P GTCATGTGCTA5 32P GTCATGTGCT5 32P GTCATGTGC5 32P GTCA

9、TGTG5 32P GTCATGT5 32P GTCATG5 32P GTCAT5 32P GTCA5 32P GTC5 32P GT5 32P G聚合产物分别在聚合产物分别在4个泳道电泳个泳道电泳从下到上依次读出从下到上依次读出DNA片段片段的核苷酸序列的核苷酸序列第10页，讲稿共122张，创作于星期日第11页，讲稿共122张，创作于星期日（二）（二）Maxam-GilbertMaxam-Gilbert的化学降解法的化学降解法1.基本原理 是用化学试剂处理具有末端放射性标记的DNA片段，造成碱基的特异性切割并产生一组具有不同长度的DNA链降解产物，经凝胶电泳分离和放射自显影之后，可直接读出待

10、测DNA片段的核苷酸序列。第12页，讲稿共122张，创作于星期日2 技术路线技术路线 将双链将双链DNADNA样品变为单链样品变为单链 每个单链的同一方向末端都用放射性同位素标记每个单链的同一方向末端都用放射性同位素标记,以便显示以便显示DNADNA条带条带 分别用不同方法处理分别用不同方法处理,获得只差一个核苷酸的降解获得只差一个核苷酸的降解DNADNA群体群体 电泳电泳,读取读取DNADNA的核苷酸顺序的核苷酸顺序第13页，讲稿共122张，创作于星期日Maxam-Gilbert测序法的特异断裂32P32PATCGATCG32PATCGATATCGATSpecific Reaction to

11、 G 化學法無放射線片段不能顯像断裂处断裂处ATCGATCGAT第14页，讲稿共122张，创作于星期日Maxam-Gilbert Maxam-Gilbert 法所用的化学技术法所用的化学技术第15页，讲稿共122张，创作于星期日5PP 53HOOH 35HOOH 53HOOH 3532PP32 53HOOH 3532POH 3硫酸二甲酯甲酸肼肼NaClGG+AT+CC碱性磷酸单碱性磷酸单酯酶酯酶除去除去 5磷酸基磷酸基 多核苷酸多核苷酸磷酸激酶磷酸激酶-32P-ATP分离单链分离单链DNA分别在分别在4个试个试管中进行特管中进行特异断裂异断裂第16页，讲稿共122张，创作于星期日GG+AT+C

12、C5 32P -GTCATGTGCTAG5 32P GTCATGTGCTA5 32P GTCATGTGCT5 32P GTCATGTGC5 32P GTCATGTG5 32P GTCATGT5 32P GTCATG5 32P GTCAT5 32P GTCA5 32P GTC5 32P GT5 32P G断裂产物断裂产物分别在分别在4个个泳道电泳泳道电泳从下到上依次读出从下到上依次读出DNA片片段的核苷酸序列段的核苷酸序列第17页，讲稿共122张，创作于星期日化学法测序实例化学法测序实例哌啶第18页，讲稿共122张，创作于星期日改进的特异化学切割反应改进的特异化学切割反应第19页，讲稿共122张

13、，创作于星期日（三）自动化测序（三）自动化测序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.第20页，讲稿共122张，创作于星期日第21页，讲稿共122张，创作于星期日（四）（四）非常规测序非常规测序1.1.毛细管电泳毛细管电泳 用毛细管电泳取代聚丙烯凝胶平板电泳用毛细管电泳取代聚丙烯凝胶平板电泳,节省时间节省时间,加快测序进程加快测序进程,其他程序同链终止法或化学测序法其他程序同链终止法或化

14、学测序法.2.2.光点测序光点测序 脱氧三磷酸核苷酸脱氧三磷酸核苷酸连接到连接到DNA 3-DNA 3-末端末端时会释放时会释放1 1个焦个焦磷酸磷酸(PPi)(PPi),焦磷酸焦磷酸在在磷酸化酶磷酸化酶的作用下转化为化学能的作用下转化为化学能,并并发出光亮发出光亮.由此由此,往反应液中每次只加入往反应液中每次只加入1 1种核苷酸种核苷酸,当加入当加入的核苷酸结合时的核苷酸结合时,反应液发出亮点反应液发出亮点,并记录核苷酸种类并记录核苷酸种类;当核当核苷酸未结合时苷酸未结合时,反应液中的核苷酸酶迅速分解此核苷酸反应液中的核苷酸酶迅速分解此核苷酸,由此来由此来测定测定DNADNA序列序列.第22

15、页，讲稿共122张，创作于星期日3.DNA芯片测序 基本原理基本原理 将各种排列顺序的寡核苷酸点播在芯片上将各种排列顺序的寡核苷酸点播在芯片上,每个点播的每个点播的寡核苷酸在排列的方阵中都有指定的位置寡核苷酸在排列的方阵中都有指定的位置.待检测的待检测的DNADNA分子分子与芯片温浴与芯片温浴,凡是能杂交的寡核苷酸都会在确定位置发出信号凡是能杂交的寡核苷酸都会在确定位置发出信号,然后根据获取的信息将寡核苷酸的顺序进行对比组装然后根据获取的信息将寡核苷酸的顺序进行对比组装,拼接拼接成完全的成完全的DNADNA顺序顺序.第23页，讲稿共122张，创作于星期日利用基因芯片进行杂交测序的原理第24页，

16、讲稿共122张，创作于星期日三、测序及三、测序及序列的组装的策略序列的组装的策略（一）随机测序与序列组装 随机测序也称”鸟枪法”.第25页，讲稿共122张，创作于星期日ABC小片段测序小片段测序计算机拼装计算机拼装鸟枪法鸟枪法(Shotgun)测序的问题测序的问题 CAATGCATTAGCAGCCAATGCGAP错装错装第26页，讲稿共122张，创作于星期日实例实例:流感嗜血杆菌基因组的测序及顺流感嗜血杆菌基因组的测序及顺序组装序组装超声波打断纯化的基因组超声波打断纯化的基因组DNADNA 琼脂糖电泳收集琼脂糖电泳收集1.61.6 2.0Kb2.0Kb的区段、纯化的区段、纯化 构建到质粒载体中

17、构建到质粒载体中 随机挑选随机挑选1968719687个克隆个克隆,进行进行2864328643次测序次测序,得到可读顺序为得到可读顺序为11 11 631 485 bp631 485 bp 组装成组装成140140个覆盖全基因组范围的独立的顺序重叠群个覆盖全基因组范围的独立的顺序重叠群,第27页，讲稿共122张，创作于星期日 各重叠群间仍有间隙各重叠群间仍有间隙 顺序间隙顺序间隙 物理物理间隙间隙 载体或宿主菌载体或宿主菌 选用不当而被丢失选用不当而被丢失的顺序的顺序测序时遗漏的测序测序时遗漏的测序解决办法:通过相邻已知顺序作为探针筛选已有的基因组文库解决办法:利用其它宿主菌与载体重新构建文

18、库第28页，讲稿共122张，创作于星期日序列组装原理序列组装原理:直接从已测序的小片段中寻找彼此重叠的测直接从已测序的小片段中寻找彼此重叠的测序克隆序克隆,然后依次向两侧邻接的序列延伸然后依次向两侧邻接的序列延伸.优点优点:不需预先了解任何基因组的情况不需预先了解任何基因组的情况.ABCABCABCABC小片段测序小片段测序计算机拼装计算机拼装第29页，讲稿共122张，创作于星期日（二）（二）限制测序限制测序n n 限制测序：是指将一段染色体区段的限制测序：是指将一段染色体区段的DNA DNA 顺序进顺序进行组装行组装.一些已绘制了遗传图与物理图的微生物基因组测序一些已绘制了遗传图与物理图的微

19、生物基因组测序中也采用这一方法中也采用这一方法.如高等植物如高等植物拟南芥基因组的测序拟南芥基因组的测序完全依据克隆重完全依据克隆重叠群叠群,先进行各个先进行各个BACBAC克隆的随机测序克隆的随机测序,再进行序列组再进行序列组装；装；水稻基因组测序水稻基因组测序计划采取得策略与此相同计划采取得策略与此相同.第30页，讲稿共122张，创作于星期日（三）（三）指导测序与序列组装指导测序与序列组装 建立在基因组图谱基础上的建立在基因组图谱基础上的”鸟枪法鸟枪法”,即所谓即所谓”指导指导鸟枪法鸟枪法”或或”指导测序指导测序”。在人类基因组进入测序组装阶段就采用此方法，其在人类基因组进入测序组装阶段就

20、采用此方法，其基本步骤如下基本步骤如下:A A 构建平均为构建平均为2Kb2Kb的人类基因组质粒文库的人类基因组质粒文库,进行双向测序进行双向测序;B B 构建平均构建平均10Kb10Kb的人类基因组质粒文库的人类基因组质粒文库,进行双向测序进行双向测序,读取读取2 2个端部顺序个端部顺序;C C 参考人类基因组图参考人类基因组图,特别是大量的特别是大量的STSSTS位标作为基点位标作为基点,进行序进行序列组装，排成重叠克隆群列组装，排成重叠克隆群.第31页，讲稿共122张，创作于星期日 先将染色体打成比较大的片段先将染色体打成比较大的片段(几十几十-几百几百Kb),利用分子标利用分子标记将这

21、些大片段排成重叠的克隆群记将这些大片段排成重叠的克隆群(Contig),分别测序后拼装分别测序后拼装.这这种策略叫种策略叫基于克隆群基于克隆群(contig-based)的策略的策略.ABCABC大片段大片段contig小片段测序拼装小片段测序拼装第32页，讲稿共122张，创作于星期日两种策略的比较两种策略的比较鸟枪法策略鸟枪法策略鸟枪法策略鸟枪法策略 指导测序指导测序指导测序指导测序策略策略策略策略不需背景信息不需背景信息不需背景信息不需背景信息 构建克隆群构建克隆群构建克隆群构建克隆群 (遗传、物理图谱遗传、物理图谱遗传、物理图谱遗传、物理图谱)时间短时间短时间短时间短 需要几年的时间需要

22、几年的时间需要几年的时间需要几年的时间 需要大型计算机需要大型计算机需要大型计算机需要大型计算机得到的是草图得到的是草图得到的是草图得到的是草图(Draft)(Draft)得到精细图谱得到精细图谱得到精细图谱得到精细图谱第33页，讲稿共122张，创作于星期日（四）（四）其他测序路线其他测序路线1.1.重要区域优先测序重要区域优先测序 人们对感兴趣的基因或与疾病相关的基人们对感兴趣的基因或与疾病相关的基因优先测序因优先测序.如如:人类主要组织相容性复合区位于第人类主要组织相容性复合区位于第6 6号染号染色体色体,与人类免疫系统有关，因而优先测序与人类免疫系统有关，因而优先测序.第34页，讲稿共1

23、22张，创作于星期日2.EST(Expressed sequence tag)2.EST(Expressed sequence tag)测序测序 ESTEST是一种重要的基因组图分子标记是一种重要的基因组图分子标记,以以ESTEST为探针很为探针很容易从容易从 cDNAcDNA文库中筛选全基因文库中筛选全基因,又可从又可从BACBAC克隆中找到克隆中找到其基因组的基因序列其基因组的基因序列.优点优点:A mRNA A mRNA 可直接反转录成可直接反转录成cDNA,cDNA,而且而且cDNAcDNA文库也比较容易文库也比较容易构建构建;B B 对对cDNAcDNA文库大量测序文库大量测序,即可

24、获得大量即可获得大量ESTEST的序列的序列;C EST C EST为基因的编码区为基因的编码区,不包括内含子和基因间区域不包括内含子和基因间区域,一次测一次测序的结果足以鉴定所代表的基因序的结果足以鉴定所代表的基因;第35页，讲稿共122张，创作于星期日四、人类基因组计划四、人类基因组计划 人类基因组计划人类基因组计划（Human genome Human genome projectproject）于）于19901990年启动，年启动，我国于我国于19991999年加入该计年加入该计划，承担其中划，承担其中1%1%的任的任务，即人类务，即人类3 3号染色体号染色体短臂上约短臂上约30Mb3

25、0Mb的测序的测序任务。任务。第36页，讲稿共122张，创作于星期日1.人类基因组计划的目的人类基因组计划的目的n n阐明人类基因组阐明人类基因组3030亿个碱基对亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，并的序列，发现所有人类基因，并搞清其在染色体上的位置搞清其在染色体上的位置;n n破译人类全部遗传信息，使人破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地类第一次在分子水平上全面地认识自我认识自我;n n解码生命、了解生命的起源、了解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律解生命体生长发育的规律;n n认识种属之间和个体之间存认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产在差异的起

26、因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。供科学依据。第37页，讲稿共122张，创作于星期日2.人类基因组草图的完成人类基因组草图的完成 20002000年年6 6月月2626日日是人类历史是人类历史上值得纪念的一天。人类基上值得纪念的一天。人类基因组的工作草图已经绘制完因组的工作草图已经绘制完毕并于这天向全世界公布。毕并于这天向全世界公布。最终完成图要求测序所用的最终完成图要求测序所用的克隆能忠实地代表常染色体克隆能忠实地代表常染色体的基因组结构，的基因组结构，序列错误序列错误率低于万分之一。率低于万分之一。第3

27、8页，讲稿共122张，创作于星期日二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成第39页，讲稿共122张，创作于星期日美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯 柯林斯在介柯林斯在介绍情况。绍情况。第40页，讲稿共122张，创作于星期日人类基因组草图基本信息人类基因组草图基本信息n n由由31.6531.65亿亿bp组成组成n n含含33.533.5万基因万基因n n与蛋白质合成有关与蛋白质合成有关 的基因占的基因占2%2%人类基因组人类基因组人类蛋白质人类蛋白质61%61%与果蝇同源与果蝇同源43%4

28、3%与线虫同源与线虫同源46%46%与酵母同源与酵母同源第41页，讲稿共122张，创作于星期日2000年年6月公共领域测序计划工作框架图月公共领域测序计划工作框架图第42页，讲稿共122张，创作于星期日2001 2001 年年2 2月月1616日日 人类基因组人类基因组“精细图精细图”完成，完成，(99%),(99%),20032003年年4 4月月1414日日 人类基因组序列图亦称人类基因组序列图亦称“完成图完成图”（99.99%99.99%），提前），提前绘制成功绘制成功第43页，讲稿共122张，创作于星期日A.A.Celera Genomics 人类基因组的测序策略3.人类基因组测序策略

29、第44页，讲稿共122张，创作于星期日采集采集5 5个自愿者的个自愿者的DNADNA样品样品构建构建3 3种不同插入子大小的基因组种不同插入子大小的基因组文库文库2Kb,10Kb2Kb,10Kb和和50Kb50Kb完成约完成约27002700万次插万次插入子末端测序入子末端测序,总长总长14800Mb14800MbGeneBankGeneBank下下载载104018104018个个BACBAC末端顺序末端顺序PFPPFP发表的公开数发表的公开数据主要为据主要为BACBAC克克隆的顺序隆的顺序,共共4443.3Mb4443.3Mb随机测序与序列组装方法和指导测序与序列组装方法相结合进行序列组装第

30、45页，讲稿共122张，创作于星期日B 国际人类基因组测序策略构建构建BACBAC克隆克隆 限制性酶处理获得指纹限制性酶处理获得指纹 根据指纹重叠方法组建根据指纹重叠方法组建BACBAC克隆重叠群克隆重叠群 根据根据STSSTS标记标记,将将BACBAC克隆重叠群标定在物理图上克隆重叠群标定在物理图上 每个每个BACBAC克隆内部采用鸟枪法测序克隆内部采用鸟枪法测序,组装组装 将将BACBAC插入顺序与插入顺序与BACBAC克隆指纹极重叠群对比克隆指纹极重叠群对比,将已阅读的顺序锚将已阅读的顺序锚定到物理图上定到物理图上第46页，讲稿共122张，创作于星期日第47页，讲稿共122张，创作于星期

31、日4.人类基因组测序结果人类基因组测序结果 基因数是基因数是基因数是基因数是3 3万、万、万、万、4 4万还是万还是万还是万还是1010万万万万 人类遗传基因数量比原先估计的少很人类遗传基因数量比原先估计的少很多。目前研究表明，人类基因组中多。目前研究表明，人类基因组中约有约有3 3万至万至4 4万个蛋白编码基因万个蛋白编码基因，仅仅，仅仅是果是果蝇基因数目的两倍蝇基因数目的两倍，人有而鼠没有人有而鼠没有的基因只有的基因只有300300个个。此结论是由两。此结论是由两大科研小组的数据是从大科研小组的数据是从DNADNA水平水平上得上得出的；而出的；而“人类有人类有1010万多个基因万多个基因”

32、则是从则是从RNARNA水平水平上得出的结论。所上得出的结论。所以，这些数据不能推翻以，这些数据不能推翻“人类有人类有1010万个基因万个基因”的说法。的说法。第48页，讲稿共122张，创作于星期日人类基因组研究的惊人发现人类基因组研究的惊人发现 19号染色体是含基因最丰富的染色体，而13号染色体含基因量最少目前已经发现和定位了26000多个功能基因，其中尚有42%的基因尚不知道功能人类基因组中存在“热点”和大片“荒漠”。在染色体上有基因成簇密集分布的区域，也有大片的区域只有“无用DNA”不包含或含有极少基因的成分。基因组上大约有14的区域没有基因的片段。353的基因包含重复的序列。这说明那些

33、原来被认为是“垃圾”的DNA也起重要作用，应该被进一步研究。第49页，讲稿共122张，创作于星期日什么是单核苷酸多态性什么是单核苷酸多态性 人类人类99999 9的基因密码是相同的基因密码是相同的的，而，而差异不到差异不到0 01 1，不同人不同人群仅有群仅有140140万个万个核苷酸差异。这核苷酸差异。这些差异是由些差异是由“单一核苷酸多样性单一核苷酸多样性”（SNPSNP）产生的，它构成了不）产生的，它构成了不同个体的遗传基础，个体的多样同个体的遗传基础，个体的多样性被认为是产生遗传疾病的原因。性被认为是产生遗传疾病的原因。在整个基因组序列中，在整个基因组序列中，人与人之人与人之间的变异仅

34、为万分之一间的变异仅为万分之一，从而说，从而说明明人类不同人类不同“种属种属”之间并之间并没有本质上的区别没有本质上的区别。第50页，讲稿共122张，创作于星期日5.人类基因组计划的意义人类基因组计划的意义 随着人类基因组逐渐被破随着人类基因组逐渐被破译，一张生命之图将被绘就，译，一张生命之图将被绘就，人们的生活也将发生巨大变人们的生活也将发生巨大变化。人类基因研究的意义在化。人类基因研究的意义在于它可以于它可以支持和推动生命科学支持和推动生命科学中一系列重要的基础性研究中一系列重要的基础性研究。如基因组遗传语言的破译，如基因组遗传语言的破译，基因的结构与功能关系，生基因的结构与功能关系，生命

35、的起源和进化，细胞发育、命的起源和进化，细胞发育、生产、分化的分子机理，疾生产、分化的分子机理，疾病发生的机理等。病发生的机理等。第51页，讲稿共122张，创作于星期日（1 1）确定人类基因组中约）确定人类基因组中约5 5万个编码基因的序列及万个编码基因的序列及其在基因组中的物理位置，研究基因的产物及其其在基因组中的物理位置，研究基因的产物及其功能。功能。（2 2）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从）了解转录和剪接调控元件的结构与位置，从整个基因组结构的宏观水平上理解基因转录与转整个基因组结构的宏观水平上理解基因转录与转录后调节。录后调节。第52页，讲稿共122张，创作于星期日（3 3）从

36、整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及）从整体上了解染色体结构，包括各种重复序列以及非转录非转录“框架序列框架序列”的大小和组织，了解各种不同序列的大小和组织，了解各种不同序列在形成染色体结构、在形成染色体结构、DNADNA复制、基因转录及表达调控中的复制、基因转录及表达调控中的影响与作用。影响与作用。（4 4）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表）研究空间结构对基因调节的作用。有些基因的表达调控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚达调控序列与被调节基因从直线距离上看，似乎相距甚远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳远，但若从整个染色体的空间结构上看则恰恰处于最佳的调

37、节位置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真的调节位置，因此，有必要从三维空间的角度来研究真核基因的表达调控规律。核基因的表达调控规律。第53页，讲稿共122张，创作于星期日（5 5）发现与）发现与DNADNA复制、重组等有关的序列。复制、重组等有关的序列。DNADNA的忠实的忠实复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异复制保障了遗传的稳定性，正常的重组提供了变异与进化的分子基础。局部与进化的分子基础。局部DNADNA的推迟复制、异常重组的推迟复制、异常重组等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了等现象则导致疾病或者胚胎不能正常发育，因此，了解与人类解与人类DNADNA正常复制和重组

38、有关的序列及其变化，正常复制和重组有关的序列及其变化，将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构将对研究人类基因组的遗传与进化提供重要的结构上的依据。上的依据。第54页，讲稿共122张，创作于星期日（6 6）研究）研究DNADNA突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，突变、重排和染色体断裂等，了解疾病的分子机制，包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引包括遗传性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引发的分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治发的分子病理学改变及其进程，为这些疾病的诊断、预防和治疗提供理论依据。疗提供理论依据。（7 7）确定人类基因组中转

39、座子、逆转座子和病毒残余序列，研）确定人类基因组中转座子、逆转座子和病毒残余序列，研究其周围序列的性质。了解有关病毒基因组侵染人类基因组究其周围序列的性质。了解有关病毒基因组侵染人类基因组后的影响，可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。后的影响，可能指导人类有效地利用病毒载体进行基因治疗。第55页，讲稿共122张，创作于星期日（8 8）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被）研究染色体和个体之间的多态性。这些知识可被广泛用于基因诊断、个体识别、亲子鉴定、组织配广泛用于基因诊断、个体识别、亲子鉴定、组织配型、发育进化等许多医疗、司法和人类学的研究。型、发育进化等许多医疗、司法和人类学的

40、研究。此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、此外，这些遗传信息还有助于研究人类历史进程、人类在地球上的分布与迁移以及人类与其他物种之人类在地球上的分布与迁移以及人类与其他物种之间的比较。间的比较。第56页，讲稿共122张，创作于星期日n n以人类基因组和拟南芥基因组为例说明你对生物基因以人类基因组和拟南芥基因组为例说明你对生物基因组全序测定工作的科学意义与社会意义的认识（组全序测定工作的科学意义与社会意义的认识（8 8分）分）中国科学院中国科学院20022002年年 硕士学位研究生入学分子遗传学试题硕士学位研究生入学分子遗传学试题第57页，讲稿共122张，创作于星期日6.人类基因组计划的

41、伦理学A A 个人个人DNADNA顺序的隐私权顺序的隐私权.如如:”:”次等次等”基因携带者可能受到岐视基因携带者可能受到岐视,职业限制职业限制,医疗保险等问题医疗保险等问题;B B 基因专利问题基因专利问题第58页，讲稿共122张，创作于星期日7.后人类基因组计划后人类基因组计划 伴随着人类基因组计划的迅速进伴随着人类基因组计划的迅速进展，基因的全序列逐步被完整的测展，基因的全序列逐步被完整的测出，会出现大量的不知道任何功能出，会出现大量的不知道任何功能信息的序列。因此，在信息的序列。因此，在HGPHGP完成之后，完成之后，即全部人类基因被定序之后，还需要：即全部人类基因被定序之后，还需要：

42、n n破解贮存于基因组之中的遗传语破解贮存于基因组之中的遗传语言言;n n识别、分离、鉴定和克隆所有基识别、分离、鉴定和克隆所有基因因；n n搞清每个基因的功能及基因之间搞清每个基因的功能及基因之间的相互作用和相互关系的相互作用和相互关系。第59页，讲稿共122张，创作于星期日水稻的基因组水稻的基因组 20022002年我国科学家完成了年我国科学家完成了水稻基因组定序和初步分析水稻基因组定序和初步分析。出人意表的是，水稻的基因出人意表的是，水稻的基因竟比人类基因还要多得多。竟比人类基因还要多得多。人类基因大约有人类基因大约有3-43-4万个万个，水水稻有稻有46022-5561546022-5

43、5615个基因个基因。因此水稻基因组可说是继人类因此水稻基因组可说是继人类基因组之后，完成定序的最大基因组之后，完成定序的最大基因组，也是至今已知最大的基因组，也是至今已知最大的植物基因组。由于水稻是全球植物基因组。由于水稻是全球半数以上人口的主食，对解决半数以上人口的主食，对解决全球粮食问题具有重要意义。全球粮食问题具有重要意义。第60页，讲稿共122张，创作于星期日基因组学概述基因组学概述基因组（基因组（genomegenome），又称染色体组），又称染色体组一个物种单倍体的染色体数目，一个物种单倍体的染色体数目，物种全物种全部遗传信息的总和部遗传信息的总和物种遗传信息的物种遗传信息的“总

44、词典总词典”控制发育的控制发育的“总程序总程序”生物进化历史的生物进化历史的“总档案总档案”第61页，讲稿共122张，创作于星期日基因组学（基因组学（genomicsgenomics）19861986年提出，至今年提出，至今2020年，已经发展成为年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。遗传学中最重要的分支学科。对物种的所有基因进行定位、作图、测对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功能分析序和功能分析第62页，讲稿共122张，创作于星期日基因组学研究的最终目标基因组学研究的最终目标u 获得生物体全部基因组序列获得生物体全部基因组序列u 鉴定所有基因的功能鉴定所有基因的功能u 明确基因之间的

45、相互作用关系明确基因之间的相互作用关系u 阐明基因组的进化规律阐明基因组的进化规律第63页，讲稿共122张，创作于星期日经典遗传学经典遗传学 在在2020世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的世纪初，遗传学刚刚诞生的时候，遗传学家的工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染工作主要是鉴别感兴趣的基因，确定这些基因在染色体上的位置。色体上的位置。第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、第一个环节：寻找自发突变体，或者利用物理、化学因素诱发突变。化学因素诱发突变。第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因第二个环节：通过连锁分析确定新基因与已知基因的相互关系，绘制遗传连锁图。的相互关系，绘

46、制遗传连锁图。第64页，讲稿共122张，创作于星期日几个代表物种的基因组大小几个代表物种的基因组大小第65页，讲稿共122张，创作于星期日CREDIT:JOE SUTLIFF Science,Vol 291:1221.Fishing in a More Effective Way!第66页，讲稿共122张，创作于星期日基因组学的研究内容基因组学的研究内容q 结构基因组学结构基因组学q 功能基因组学功能基因组学q 蛋白质组学蛋白质组学第67页，讲稿共122张，创作于星期日结构基因组学（结构基因组学（structural genomics）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

47、核苷酸序列第68页，讲稿共122张，创作于星期日功能基因组学（功能基因组学（functional genomics）又称后基因组学（又称后基因组学（postgenomics)postgenomics)基因的识别、鉴定、克隆基因的识别、鉴定、克隆 基因结构、功能及其相互关系基因结构、功能及其相互关系 基因表达调控的研究基因表达调控的研究第69页，讲稿共122张，创作于星期日人类基因组计划人类基因组计划19901990，美国国立卫生研究所和能源部投资，美国国立卫生研究所和能源部投资3030亿，启动了人类基因组计划，预计亿，启动了人类基因组计划，预计1515年时间完成人类基因组全部序列的测定年时间完

48、成人类基因组全部序列的测定19961996，完成标记密度为，完成标记密度为0.6cM0.6cM的人类基因组的人类基因组遗传图谱，遗传图谱，100kb100kb的物理图谱的物理图谱20002000，完成草图，完成草图20012001年年2 2月，公布人类基因组图谱的修订版月，公布人类基因组图谱的修订版20022002，完成测序工作，完成测序工作第70页，讲稿共122张，创作于星期日基因组图谱的构建基因组图谱的构建基因组计划的主要任务是获得全基因组序列基因组计划的主要任务是获得全基因组序列但是，现在的测序方法每次只能测但是，现在的测序方法每次只能测8008001000bp1000bp大量的测序片段

49、要拼接大量的测序片段要拼接要知道序列在要知道序列在ChrChr上的位置才能正确拼接上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节：基因组计划的第一个环节：构建基因组图谱构建基因组图谱第71页，讲稿共122张，创作于星期日基因组图谱基因组图谱遗传图谱遗传图谱（genetic map）物理图谱物理图谱（physical map）第72页，讲稿共122张，创作于星期日遗传图谱遗传图谱（genetic map）采用采用遗传分析的方法遗传分析的方法将基因或其它将基因或其它DNADNA序列标定在染色体上构建连锁图。序列标定在染色体上构建连锁图。第73页，讲稿共122张，创作于星期日遗传标记遗传标记q有可以识别

50、的标记，才能确定目标的方位有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。及彼此之间的相对位置。q构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。的特征标记。q包括：包括：形态标记形态标记 细胞学标记细胞学标记 生化标记生化标记 DNADNA分子标记分子标记第74页，讲稿共122张，创作于星期日多态性（多态性（polymophism）所有的标记都必须具有多态性所有的标记都必须具有多态性！v 花色：白色、红色花色：白色、红色v 株高：高、矮株高：高、矮v 血型：血型：A A、B B、O O型型v 淀粉：糯、非糯淀粉：糯、非糯所有多态性都是基因突变的结