分子细胞生物学研究生基因组学(2010)

1、 基因组学 蛋白质组学 王慧莲 PhD 西安交大医学院遗传与分子生物学系v基因组学 这一名词是美国人THRodehck在1986年7月造出来的，与一个新的杂志 genomics一道问世。第一部分 基因组学基因组学v基因组学完全改变只能研究单个基因的状况，它着眼于研究并解析生物体整个基因组的所有遗传信息。v因为人体是一个复杂的生命体,决不是只通过一个或几个基因的研究就能阐明的,更何况人们还要揭示生物进化,多样性,人类复杂的行为,疾病等机制,这就需要理解整个基因组及其产物是如何协同作用,调节生物整体或细胞活动的.第一节 基因组学的概念v基因组 泛指一个有生命体,病毒或细胞器的全部遗传物质;在真核生物,基因组是指一套染色体(单倍体)DNA. v基因组学(genomics)就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。基因组学是研究生物基因组的组成,组内各基因的精确结构、相互关系及表达调控的科学. 研究对象： 以整个基因组为研究单位，而不以单个基因为单位作为研究对象。 研究目标：认识基因组的结构、功能和进化； 阐明整个基因组所包含的遗传信息和相

2、互关系； 充分利用有效资源，预防和治疗人类疾病。1. 原核生物基因组：v原核生物DNA分布在整个细胞之中，有时相对集中在类核体上。类核体上的DNA是一条共价、闭合双链分子，类核体通常也称为染色体。v原核生物中一般只有一条染色体。原核细胞都是单倍的。 这条染色体的DNA就是原核细胞的基因组。2、真核生物基因组v一个物种的单倍体的各条染色体中的全部DNA为该物种的基因组(genome)。例如，人有23对染色体，配子单倍体是23条染色体，这23条染色体中的全部DNA就是人体基因组。v真核生物基因组的主要成分被核膜所包裹，与细胞质分开。3. 人类基因组计划v 美国启动被誉为“人体阿波罗计划”的“人类基因组计划”，投资30亿美元，历时15年测定人类基因组的30亿个核苷酸对的排列次序构建高分辨率的人类基因组遗传图谱和物理图谱发展生物信息学。v 在美国提出人类基因组计划后，日本和中国分别于1991年和1992年启动了“水稻基因组计划”。(1)人类基因组计划简史v1986年，美国杜伯克在科学上撰文，号召大家联合起来，从整体上把人类的基因组搞清。v1990年10月，经5年的辩论以后，美国国会终于批准被誉

3、为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划。v1998年5月，在美国罗克威尔组建私人公司：塞莱拉遗传公司，目标是投入3亿美元，到2001年绘制出完善的人体基因图谱，与国际人类基因组计划展开竞争。v1999年12月1日，国际人类基因组计划联合研究小组宣布，完整破译出人体第22对染色体的遗传密码。v2000年5月8日，由德国和日本等国际科研小组宣布，基本完成了人体第21对染色体的测序工作。v2000年6月26日，中、美、日、德、法、英等6国科学家公布人类基因组工作草图，标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。v2001年2月12日，6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。v2003年4月14日，6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，HGP的所有目标全部实现。覆盖人类基因组所含基因区域的99%，精确率达到99.99%，比原计划提前两年多，耗资27亿美元。并公开研究数据和结果，赢得了这场竞赛。v但国际HGP的协作组与私人公司的竞争仍没有停止过，目前在许多领域研究仍进行竞争，如在单个基因型的SNP图谱研究方面。人类基因组计划的研究结果v人类基因组包括

4、23条染色体，约30亿对核苷酸，编码5万6万个基因，人类基因组中携带了有关人类个体生长发育、生老病死的全部遗传信息。v从整体上看，不同人类个体的基因是相同的， “人类只有一个基因组” 。v不同的人可能拥有不同的等位基因，这一点决定了人们个体上的差异。(1)人类基因组计划的主要组成部分(2)水稻基因组计划(3)模式生物基因组研究HGP的终极目标v阐明人类基因组全部DNA序列v鉴定基因组全部基因功能,及各基因的表达和调控模式(结构基因组学)v分析某一特殊功能状态的细胞全套mRNA转录谱及蛋白质表达谱v建立存储这些信息的数据库,开发数据分析工具v基因组多样性和比较基因组研究第二节 基因组学研究内容v基因组图谱的构建v基因组图谱的应用v 后基因组学 基因组学包括3个不同的亚领域结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学(functional genomics)比较基因组学(comparative genomics)基因组学研究内容一. 结构基因组学v结构基因组学(structural genomics) 是通过HGP的实施来完成的. 就是制作高分辨率的人类基因的遗传图

5、和物理图,最终完成人类和其他重要模式生物全部基因组DNA序列测定.v结构基因组学的“四图”：遗传图物理图转录图序列图 人类基因组作图v人类基因组作图根据使用的标记和手段不同，初期的作图有二种：一是通过计算连锁的遗传标记之间重组频率而确定它们相对距离的遗传连锁图，一般用厘摩（cM）来表示；二是确定各遗传标记之间物理距离的物理图，一般用碱基（bp）或千碱基（kb）或兆碱基（Mb）来表示。1cM的遗传距离大致上相当于1Mb的物理距离。随着研究工作的进展，遗传图和物理图逐渐发生整合，在此基础上大量引入基因标记，从而形成了新一代的转录图.人类基因组物理图v1987, RFLP,403个标记, 10Mbv1992, STR, 5800个标记,0.7Mbv1996,SNP, 17000多个标记,100Kb(一)基因组图谱的构建v鸟枪法”则是先将整个基因组打乱，切成随机碎片，然后测定每个小片段序列，最终利用计算机对这些切片进行排序和组装，并确定它们在基因组中的正确位置。 鸟枪法（Shotgun)的基本步骤 (1) 目的基因组DNA片段的制备 v基本原则：DNA片段之间存在部分重叠序列；DNA片段大小均

6、一。 v分离和纯化真核生物基因组DNA时，通常采用蛋白酶分解和有机相抽提的方法除掉蛋白质及脂类等其他大分子。基因组DNA片段化则主要采用物理剪切法和限制性内切酶法。 (2)外源DNA片段的全克隆 v选择适宜的载体，与外源DNA片段相连。 v常用的载体有质粒、噬菌体、粘粒（cosmid）以及YAC。一些载体可以克隆的DNA片段长度上限分别约为10、23、45和1000kb。选择载体的主要参数是基因组大小，即基因组DNA序列的长短。 v通过转化或转导的方法将带有不同DNA片段的重组DNA分子导入受体细胞，获得一套包含特定生物体所有DNA序列的克隆。(3)期望重组子的筛选 v很多方法能帮助我们从基因文库的众多克隆中筛选和鉴定带有特定基因的克隆，它们 是以杂交探测技术（hybridization probing）为基础的。 v杂交探测是 利用能和目的基因序列互补的DNA或RNA片段为探针，通过分子杂交的手段找出带有目的基因的DNA片段的实验方法。鸟枪法（shotgun sequencing）鸟枪法的优缺点v优点： 不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低v缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多

7、的区域v主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组 遗传连锁图v遗传连锁图（genetic map）绘制需要遗传标记，早期的遗传标记主要为生化标记.v20世纪80年代中期以限制性片段长度多态性（RFLP）、串联重复序列拷贝多态性和小卫星重复顺序等遗传标记为主，这类标记的数量较少，信息也较低。v20世纪80年代后期发展的短串联重复序列（short tandem repeat,STR）也称微卫星（microsatellite,MS）标记，主要为二核苷酸重复序列，如：（CA）n，它们在染色体上分布较均匀，信息含量明显高于RFLP，因而成为遗传连锁分析极为有用的标记； 遗传连锁图v近年来，单个碱基的多态性（single nucleotide polymorphism,SNP）标记又被大量使用，其意义已超出了遗传作图的范围，而成为研究基因组多样性和识别、定位疾病相关基因的一种新标记。物理图谱（physical map）包含了两层意义v一是获得分布于整个基因组的30000个序列标签位点（sequence tagged site,STS），这可使基因组每隔100kb距离就有一个标记.v二是在此基础

8、上构建覆盖每条染色体的大片段DNA克隆，如：酵母人工染色体（YAC）或细菌人工染色体（BAC）、人工附加染色体（HAEC）和人工噬菌体染色体（PAC）等连续克隆。这些图谱的制作进一步定位其它基因座提供了详细的框架。 物理图谱的构建v相邻DNA克隆（contigous DNA clones, contigs）v从1个感兴趣的位置开始，利用第1个元件的末端部分来辩别第2个元件，沿染色体“行走”（walk）。通过鉴别目标位点两测的2个DNA标记，从1个标记向另1个标记的行走，可以获得相应目标位点的基因DNA。v沿染色体鉴别一系列相邻DNA克隆（contigs）是大规模研究的基础。在特定区域的染色体行走可以提供分离通过遗传图谱定位在该区域基因的方法。作为全面的规模，集中全部染色体的相邻克隆，可以为以后研究提供有效克隆来源。v相邻DNA克隆考虑的根本是每“步”的大小，较大的步加快积聚相邻克隆的进程，但由于目标基因从较大的DNA片段鉴别而隆低分辩力。转录图谱（表达图谱、基因图谱）v概念:表示基因的结构、位置和功能的图。是测定可表达片段（EST)的标记图。是在序列 图谱的测定过程中完成的。基因组中9

9、7%的序列不转录，3%转录，特定组织中仅10%的基因表达.v2）作图方法： 连锁分析 关联分析：也叫等位基因关联、连锁不平衡。 指同一染色体上位点间紧密连锁的基因v构建转录图的前提条件是获得大量基因转录本即信使核糖核酸（mRNA）的序列，人类基因组中的基因数目约在10万左右，构建转录图首先需要获得人类基因的表达序列标签（expressed sequence tag,EST），以此建立一张人类的转录图，并与遗传图的交叉参照.转录图谱意义v可以了解基因的精确位置和功能v可以了解不同时间不同基因的表达情况v可以了解不同组织中基因的表达情况v可以了解正常情况与不正常情况下基因的表达情况v与遗传图谱、物理图谱、序列图谱一起成为破译基因这部天书，了解生命的真谛的基石二 基因组图谱的应用v一张基因组图在很多方面十分类似于我们熟知的交通地图。如果将特定的染色体比作是编了号的告诉公路的话，位于特定染色体上的基因则有如城市和城市里的街区。要有效快捷地到达目的地，最好办法是有一张好的交通地图。因此，高密度的基因组图谱在基础研究和应用研究方面都具有广泛的应用价值.v基因组图谱除了用于基因组序列测定外，还主要用

10、于以下几个方面。第二部分 蛋白质组学 蛋白质组定义蛋白质组(Proteome)一词最早由澳大利亚学者 等于1994年提出,指的是由一个基因组（geneome）或一个细胞、组织表达的所有蛋白质（protein）。第一节 蛋白质组学（proteomics）定义v蛋白质组学（proteomics）是从蛋白质水平来研究基因组的基因表达，分析基因组的蛋白质类型、数量、空间结构变异以及相互作用的机制。v旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式与功能模式。v从整体的角度分析、鉴定细胞内动态变化的蛋白质的组成、结构、性质、表达水平与修饰状态,了解蛋白质之间、蛋白质与大分子之间的相互作用与联系,揭示蛋白质的功能与细胞生命活动的规律。v同基因组学一样,蛋白质组学不是一个封闭的、概念化的、稳定的知识体系,而是一个领域。它旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式,其内容包括蛋白质的定性鉴定、定量检测、细胞内定位、相互作用研究等,最终揭示蛋白质功能,是基因组序列与基因功能之间的桥梁。 基因组学与蛋白质组学DNAmRNA蛋白质转录翻译基因蛋白质细胞特异性基因表达生理状态蛋白质相互作用温度应激状态培养条件药物作用数量

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