人类基因组学.ppt

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1、第三章第三章人类基因组学人类基因组学第一节第一节 人类基因组人类基因组 人类基因组(human genome):是人类个体具有的遗传物质的总和是人类个体具有的遗传物质的总和。人类单倍体。人类单倍体基因组基因组DNADNA序列约含序列约含3.2103.2109 9 bp bp，总共构成约，总共构成约2 2万万2.52.5万个基因。万个基因。生殖细胞含生殖细胞含1 1套基因组套基因组 1 1套来自父本生殖细胞套来自父本生殖细胞体细胞含体细胞含 2 2套基因组套基因组 1 1套来自母本生殖细胞套来自母本生殖细胞完整的人类基因组包含：1 1 22 22号常染色体号常染色体 核基因组核基因组 X X和和

2、Y Y染色体染色体线粒体基因组线粒体基因组第二节第二节 人类基因组学人类基因组学 基因组学 （genomics）是从基因组整体层次上系统地研究各生物是从基因组整体层次上系统地研究各生物种群基因组的结构和功能及相互关系的学科。种群基因组的结构和功能及相互关系的学科。基因组学的研究内容主要包括：基因组学的研究内容主要包括：结构基因组学结构基因组学 （structuralgenomics）功能基因组学功能基因组学 （functionalgenomics）由此又派生出其他研究分支。由此又派生出其他研究分支。一、人类基因组计划一、人类基因组计划人类基因组计划（human genome project,H

3、GP）概述 是是20世纪世纪90年代开始的，由世界多个国家年代开始的，由世界多个国家参与合作的系统地研究人类基因组的重大科研参与合作的系统地研究人类基因组的重大科研项目。项目。HGP的科学目标：是测定组成人类基因组的全部是测定组成人类基因组的全部DNA序列，序列，从而为阐明人类所有基因的结构与功能，解从而为阐明人类所有基因的结构与功能，解码人类生命奥秘奠定基础。码人类生命奥秘奠定基础。HGP的基本任务：构建人类基因组遗传图，物理图，序列构建人类基因组遗传图，物理图，序列图，为最终完成基因图打下基础。图，为最终完成基因图打下基础。HGP的技术成果:主要体现在对人类基因组整体结构的认识，主要体现在

4、对人类基因组整体结构的认识，即人类基因组遗传图、物理图、序列图的完即人类基因组遗传图、物理图、序列图的完成，从而奠定了人类结构基因组学基础。而成，从而奠定了人类结构基因组学基础。而人类基因图的完成，仍有大量工作要做。人类基因图的完成，仍有大量工作要做。人类基因组计划的三个主要目标图示（一）遗传图（genetic mapgenetic map）遗传图遗传图又称连锁图（又称连锁图（linkage maplinkage map）是将每条染色体上的基因或遗传标记的相是将每条染色体上的基因或遗传标记的相对位置经连锁分析确定下来，构成的图谱。对位置经连锁分析确定下来，构成的图谱。遗传距离：连锁图中两个基因

5、间图距用厘摩（连锁图中两个基因间图距用厘摩（cMcM）衡量）衡量 1 1厘摩（厘摩（cMcM）=减数分裂时两个基因间重组值减数分裂时两个基因间重组值为为1%1%。遗传标记（genetic markergenetic marker）可以是任何一种呈孟德尔遗传的性状或可以是任何一种呈孟德尔遗传的性状或物质形式，如：基因、血型、血清蛋白、物质形式，如：基因、血型、血清蛋白、DNADNA多态标记等。确定其在基因组中的位置多态标记等。确定其在基因组中的位置后，可作为参照标记用于遗传重组分析。后，可作为参照标记用于遗传重组分析。第一代第一代（1975）限限制制片片断断长长度度多多态态（RFLP）分布数量分

6、布数量105 多多态态程程度度较较低低,利利 用用 价价值值受限受限 第二代第二代（1989）短短串串联联重重复复序序列列 长长 度度 多多 态态(STR)分布数量分布数量104 高度多高度多态 第三代第三代（1996）单单核核苷苷酸酸多多态态（SNP）分布数量分布数量3106 覆盖密度高覆盖密度高DNA遗传标记l （二）物理图（physicalmap）即确定各遗传标志之间的物理距离的图即确定各遗传标志之间的物理距离的图谱，以碱基对（谱，以碱基对（bpbp，kbkb，mbmb）数量表示。）数量表示。将随机长度的将随机长度的DNA片断在染色体上的排片断在染色体上的排列顺序确定下来。这些克隆列顺序

7、确定下来。这些克隆DNA片断连接起片断连接起来，形成重叠克隆群（来，形成重叠克隆群（Conting），再将一个），再将一个个（个（Conting)相连成线状，覆盖整个染色体。相连成线状，覆盖整个染色体。这主要靠单拷贝这主要靠单拷贝DNA序列即序列标签部位序列即序列标签部位（STS）作路标来实现。作路标来实现。序列标签部位（sequencetaggedsite,STS)重叠克隆群（重叠克隆群（conting）YAC(yeastartificialchromosome)BAC(bacterialartificialchromosome)（三）序列图（seguence mapseguence map

8、）是通过对基因组是通过对基因组DNADNA进行碱基排列顺序分进行碱基排列顺序分析而建立的图。析而建立的图。两种技术路线：两种技术路线：1.1.公共序列路线：公共序列路线：即在物理图基础上，即在物理图基础上，将各个将各个BACBAC克隆片段切成更短的片段，形成亚克隆片段切成更短的片段，形成亚克隆分别进行测序，再将相互重叠的读出序克隆分别进行测序，再将相互重叠的读出序列组装成连续重叠线。列组装成连续重叠线。2.2.“鸟枪法鸟枪法”测序路线：测序路线：即直接将基因组即直接将基因组DNADNA分割成分割成2kb2kb左右的小片段进行随机测序，左右的小片段进行随机测序，再用超级计算机组装成重叠线。所形成

9、的序再用超级计算机组装成重叠线。所形成的序列图称列图称celeracelera序列。序列。ACGTCCGATCGGTTCATGCC ACGTCCGATCGGTTCATGCC TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC TCGGTTCATGCCAATGCCGTCC （四）基因图（gene mapgene map）即在序列图基础上，用不同的方法测定即在序列图基础上，用不同的方法测定各个基因所在区域位置。各个基因所在区域位置。基因图测定方法：基因图测定方法：1.CpG 1.CpG岛的应用：岛的应用：大多数持家基因和大多数持家基因和40%40%组织特异性基因组织特异性基因5 5端均存在端均存在CpG

10、CpG岛序列。制岛序列。制备备探针，染色体涂染指示基因位置分布。探针，染色体涂染指示基因位置分布。2.2.计算机识别：计算机识别：研发计算机研发计算机GRAILGRAIL系统，可系统，可识别每个基因区的外显子识别每个基因区的外显子-内含子接头区保守序内含子接头区保守序列。列。3.cDNA 3.cDNA策略：策略：由组织细胞中表达由组织细胞中表达mRNAmRNA，逆转，逆转录合成录合成cDNAcDNA片段，称为表达序列标签（片段，称为表达序列标签（ESTEST），），将收获将收获ESTEST定位后，构建的图称为转录图，是人定位后，构建的图称为转录图，是人类基因图雏形。类基因图雏形。人类基因组结构

11、的分析 1.1.人类基因组人类基因组DNADNA全长约全长约3.2103.2109 9bpbp，相当，相当36003600厘摩（厘摩（cMcM）。其中仅有约）。其中仅有约5%5%的序列为编码的序列为编码序列（编码蛋白或序列（编码蛋白或tRNAtRNA、rRNArRNA等）。等）。2.2.人类基因组中可能有人类基因组中可能有20000 20000 25000 25000个个基因，其中编码蛋白质的外显子只占基因组基因，其中编码蛋白质的外显子只占基因组DNADNA的的1%1%，内含子则占，内含子则占24%24%。每个基因平均长。每个基因平均长27kb27kb，平均含有平均含有9 9个外显子。个外显子

12、。3.3.基因在各个染色体上的分布是不均基因在各个染色体上的分布是不均匀的，匀的，1717、1919、2222号染色体基因密度最高，号染色体基因密度最高，而而4 4、1313、1818、X X、Y Y染色体基因密度最低。染色体基因密度最低。人类基因组中约人类基因组中约20%20%的区段是没有基因的的区段是没有基因的“沙漠沙漠”。后基因组计划（past-genomeproject，PGP）在基因组层次上研究所有基因的表达、调控在基因组层次上研究所有基因的表达、调控与功能，即功能基因组学。与功能，即功能基因组学。PGP的研究领域的研究领域人类基因组多样性计划人类基因组多样性计划 环境基因组学环境基

13、因组学蛋白质组学蛋白质组学 疾病基因组学疾病基因组学比较基因组学比较基因组学 药物基因组学药物基因组学生物信息学生物信息学二、后基因组计划二、后基因组计划（一）人类基因组多样性计划（human genome diversity project，HGDP）人类基因数量约人类基因数量约2 2万万 2.52.5万个万个人类基因组人类基因组DNADNA总量均为总量均为3.2103.2109 9bpbp不同个体基因编码仅有不同个体基因编码仅有0.01%0.01%差异差异种族多样性种族多样性族群多样性族群多样性个体特异性个体特异性人类基因组的多样性与同一性（二）比较基因组学（parative genomi

14、cs）是对不同物种的基因组及其表达产物进行比较是对不同物种的基因组及其表达产物进行比较研究的学科。研究的学科。各种模式生物基因组序列的比较各种模式生物基因组序列的比较生物种生物种类 基因基因组大小大小 预测基因基因组数目数目 基因平均基因平均长度度 大大肠埃希菌埃希菌4.6Mb 1800 约约1kb 酵母酵母 12Mb 5800 约约2kb 秀秀丽线虫虫 97Mb18500 约约5.3kb 果果蝇 116Mb 13600 约约10kb 小鼠小鼠 3000Mb40000约约30kb 人人 3164Mb 20000 25000 27kb 生物基因组进化的连续性分析 21%21%的基因原核生物和真核

15、生物共有的基因原核生物和真核生物共有 32%32%的基因真核生物共有而原核生物没有的基因真核生物共有而原核生物没有 24%24%的基因动物所共有的基因动物所共有 22%22%的基因脊椎动物特有的基因脊椎动物特有（三）蛋白质组学(proteomics)研究基因组表达的全部蛋白质及其相互研究基因组表达的全部蛋白质及其相互作用的科学。作用的科学。转录图转录图 基因表达图：三维转录图。基因表达图：三维转录图。不同时间不同时间不同基因不同基因不同表达水平不同表达水平不同发育期不同发育期不同组织不同组织不同表达水平不同表达水平同一同一组织组织同一同一基因基因（四）环境基因组学（enviromental g

16、enomics）是研究与环境因素相关的疾病易感性基因的。是研究与环境因素相关的疾病易感性基因的。环境相关的疾病易感基因环境相关的疾病易感基因基因多基因多态性性 分分类 环境成份境成份 相关疾病相关疾病 CYP1A1 激活激活吸烟吸烟 肺癌肺癌GST 解毒解毒 吸烟吸烟 肺癌肺癌NAT2 解毒解毒吸烟吸烟 膀胱癌、乳腺癌膀胱癌、乳腺癌 TCF2转录因子因子母母亲吸烟吸烟 唇裂、腭裂唇裂、腭裂ALAD 生物合成生物合成 铅 铅中毒中毒（五）疾病基因组学（morbidgenomics）主要任务是分离重要疾病的致病基因与相主要任务是分离重要疾病的致病基因与相关基因，并确定其致病机制。关基因，并确定其致

17、病机制。1.1.肿瘤癌基因和抑癌基因的定位与克隆；肿瘤癌基因和抑癌基因的定位与克隆；2.2.单基因病致病基因的定位与克隆；单基因病致病基因的定位与克隆；3.3.多基因病数量性状基因座（多基因病数量性状基因座（QTLQTL）的定位与）的定位与克隆。克隆。（六）药物基因组学（pharmacogenomics）是研究药物及化学物质引起机体反应上的是研究药物及化学物质引起机体反应上的遗传差异，即药物多态性的学科，以便能更安遗传差异，即药物多态性的学科，以便能更安全有效的使用药物，和发现新的药物。全有效的使用药物，和发现新的药物。根据每个人根据每个人DNA DNA 序列的差异序列的差异,可了解不同可了解

18、不同个体对疾病的抵抗力个体对疾病的抵抗力,依照每个人的基因特点依照每个人的基因特点“对因下药对因下药”,”,这便是这便是21 21 世纪的医学世纪的医学个体个体化医学。化医学。（七）生物信息学（bioinformatics）是生物学与计算机科学和应用数学交是生物学与计算机科学和应用数学交叉的一门新兴学科，对生物学实验数据的叉的一门新兴学科，对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示数据所含的生物学意义有重要作用。到揭示数据所含的生物学意义有重要作用。国际上三大公共基因数据库：GenBank GenBank：美国国家生物技术信息中心：美国国家

19、生物技术信息中心（NCBINCBI）EMBL EMBL：欧洲生物学信息研究所（：欧洲生物学信息研究所（EBIEBI）DDBJ DDBJ：日本信息生物学中心（：日本信息生物学中心（CIBCIB）生物信息学已改变了基础生命科学研究的运作生物信息学已改变了基础生命科学研究的运作方式，极大地提高了工作效率。方式，极大地提高了工作效率。第三节第三节 致病基因遗传分析技术致病基因遗传分析技术 一、基因定位（一、基因定位（gene mappinggene mapping）就是用一定方法，将各个基因确定到就是用一定方法，将各个基因确定到染色体的实际位置。染色体的实际位置。工作历史主要方法 连锁分析（连锁分析（

20、linkage analysislinkage analysis）体细胞杂交（体细胞杂交（somatic cell hybridizationsomatic cell hybridization）原位杂交（原位杂交（hybridization in situhybridization in situ）放射杂种（放射杂种（radiation hybridradiation hybrid）计算机识别（计算机识别（puter identifyputer identify）1连锁分析 同一条染色体上的不同基因呈线性连锁同一条染色体上的不同基因呈线性连锁关系，在减数分裂后，结合家系分析，可鉴关系，在减数

21、分裂后，结合家系分析，可鉴定子代中的重组体，通过重组值计算，可推定子代中的重组体，通过重组值计算，可推断待定位基因与已定位基因间的连锁关系和断待定位基因与已定位基因间的连锁关系和遗传距离，而实现基因定位。遗传距离，而实现基因定位。两个基因如非连锁，则重组值两个基因如非连锁，则重组值=50%=50%，即随机组，即随机组合。合。减数分裂减数分裂产生配子产生配子发生交换发生交换AbaBAbaBABABabababaBABAb两个基因如连锁，则重组值两个基因如连锁，则重组值50%50%，且重组值，且重组值与遗传距离成正比。与遗传距离成正比。2.体细胞杂交 人人/鼠融合细胞的特点：鼠融合细胞的特点：融合

22、细胞兼有有双亲细胞染色体，但鼠融合细胞兼有有双亲细胞染色体，但鼠一方染色体一般全部保留，而人一方染色体一方染色体一般全部保留，而人一方染色体在细胞增殖过程中优先丢失，以至最后仅剩在细胞增殖过程中优先丢失，以至最后仅剩少数几条，乃至少数几条，乃至1 1条人染色体。结合染色体显条人染色体。结合染色体显带和生化分析技术，可把某些生化性状决定带和生化分析技术，可把某些生化性状决定基因定位在保留的一条染色体上。基因定位在保留的一条染色体上。杂种细胞克隆嵌板杂种细胞克隆嵌板杂种克隆种克隆 保留的人保留的人类染色体染色体 12345678A+B+C+3.原位杂交 是核酸分子杂交技术在基因定位中的应用。是核酸

23、分子杂交技术在基因定位中的应用。用经放射性同位素标记的探针，同染色体标本用经放射性同位素标记的探针，同染色体标本载玻片上原位变性的染色体载玻片上原位变性的染色体DNADNA进行分子杂交，进行分子杂交，通过放射自显影来检测与探针杂交结合的染色通过放射自显影来检测与探针杂交结合的染色体同源序列，依据放射性探针在染色体上的显体同源序列，依据放射性探针在染色体上的显影位置进行基因定位。影位置进行基因定位。荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISHFISH）用荧光素标记的探针与标本玻片上的染色用荧光素标记的探针与标本玻片上的染色体体DNADN

24、A进行分子杂交。根据荧光信号在染色体上进行分子杂交。根据荧光信号在染色体上的位置进行基因定位。的位置进行基因定位。4.计算机分析用计算机识别序列图中的信号序列，并将用计算机识别序列图中的信号序列，并将计算机识别的结果同用其他技术方法基因定位计算机识别的结果同用其他技术方法基因定位的结果相比较，可以帮助我们更科学地估算人的结果相比较，可以帮助我们更科学地估算人类基因组中基因的数量。类基因组中基因的数量。二、基因克隆（二、基因克隆（gene cloninggene cloning）是从基因组中把某一基因用一定方是从基因组中把某一基因用一定方法分离出来，以便进行单一基因精细结法分离出来，以便进行单一

25、基因精细结构和功能的研究。构和功能的研究。基因克隆的三种策略：功能克隆（功能克隆（functional cloninsfunctional clonins）定位克隆（定位克隆（positional cloninspositional clonins）候选克隆（候选克隆（cardidate cloninscardidate clonins）1.功能克隆根据目的遗传性状的特征，分析决定基因的根据目的遗传性状的特征，分析决定基因的功能，推测有关蛋白质。功能，推测有关蛋白质。分析纯化这一蛋白质，并测出部分氨基酸顺分析纯化这一蛋白质，并测出部分氨基酸顺序。序。根据遗传密码推测可能的根据遗传密码推测可能的

26、mRNAmRNA序列。序列。设计相应的寡核苷酸探针，杂交筛选设计相应的寡核苷酸探针，杂交筛选cDNAcDNA或或基因组基因组DNADNA文库，最终获得决定基因的基因文库，最终获得决定基因的基因克隆。克隆。2.定位克隆收集目的遗传病的家系，选择遗传标记进行收集目的遗传病的家系，选择遗传标记进行连锁分析，建立目的遗传病与基因组中某染连锁分析，建立目的遗传病与基因组中某染色体区域中遗传标记的连锁关系。色体区域中遗传标记的连锁关系。根据这一位置信息，将遗传图中初步确定的根据这一位置信息，将遗传图中初步确定的位置，转变成物理图中相应区域的位置，转变成物理图中相应区域的DNADNA“邻邻接克隆群接克隆群”

27、。从相应区域的从相应区域的“邻接克隆群邻接克隆群”中筛选可表达的中筛选可表达的结构基因，作为候选基因；结构基因，作为候选基因；在若干个候选基因中进行转录表达和突变鉴在若干个候选基因中进行转录表达和突变鉴定分析，最终将目的遗传病的决定基因精确定分析，最终将目的遗传病的决定基因精确定位和分离克隆该基因。定位和分离克隆该基因。定位克隆(positional cloning)策略示意DNADNA测序测序遗传家系遗传家系遗传图谱遗传图谱连锁定位分析连锁定位分析物理图谱物理图谱候选克隆候选克隆表达图谱表达图谱候选基因候选基因MetMetMetMetValValValValSerSerSerSerLeuLe

28、uLeuLeuGlnGlnGlnGlnProProProProA A A AT T T TG G G GG G G GT T T TC C C CT T T TC C C CA A A AC C C CT T T TG G G GC C C CA A A AA A A AC C C CC C C CG G G GA A A AT T T TG G G GG G G GT T T TC C C CT T T TC C C CA A A AC C C CT T T TG G G GT T T TA A A AA A A AC C C CC C C CG G G GMetMetMetMetValVa

29、lValValSerSerSerSerLeuLeuLeuLeuStopStopStopStop突变检测突变检测功能克隆与定位克隆的比较3.候选克隆 候选克隆策略是在已定位和已克隆的候选克隆策略是在已定位和已克隆的基因越来越多的背景下，形成的一种新的基因越来越多的背景下，形成的一种新的基因克隆途径。基因克隆途径。分为：分为：定位候选克隆定位候选克隆 功能候选克隆功能候选克隆 从系列候选基因克隆中，鉴定某遗传病从系列候选基因克隆中，鉴定某遗传病决定基因克隆的方法：决定基因克隆的方法：特异突变筛选法特异突变筛选法 在体外恢复正常表型法在体外恢复正常表型法 构建小鼠疾病模型法构建小鼠疾病模型法 三、全

30、基因组扫描三、全基因组扫描（一）全基因组扫描策略全基因组扫描的策略是利用特定的引物全基因组扫描的策略是利用特定的引物将某条染色体上特定位置的微卫星将某条染色体上特定位置的微卫星DNA扩扩增出来，电泳检测后用统计软件进行遗传统增出来，电泳检测后用统计软件进行遗传统计分析，寻找与疾病相关的易感基因。计分析，寻找与疾病相关的易感基因。（二）全基因组扫描方法 全基因组扫描所利用的是在人类基因组大量存在全基因组扫描所利用的是在人类基因组大量存在的多态性标记微卫星的多态性标记微卫星DNA或或SNP，全基因组扫描时每，全基因组扫描时每个个体的个个体的 DNA经酶切、经酶切、PCR扩增、扩增、荧光标记、荧光标

31、记、电泳电泳检测后即可得到每个个体大量微卫星检测后即可得到每个个体大量微卫星DNA或或SNP的具的具体信息体信息,用统计软件经遗传分析，得到定位结果。用统计软件经遗传分析，得到定位结果。目前已可用全基因组扫描的目前已可用全基因组扫描的SNP芯片，操作更为芯片，操作更为简单，且定位的区域一般比微卫星定位的小很多。简单，且定位的区域一般比微卫星定位的小很多。第四节第四节 基因组医学基因组医学基因组医学（基因组医学（Genomic Medicine）就是将生）就是将生命科学和临床医学结合，将人类基因组成果转化命科学和临床医学结合，将人类基因组成果转化应用到临床实践中去的科学。基因组医学是以人应用到临

32、床实践中去的科学。基因组医学是以人类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命，类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命，它将对整个它将对整个21世纪产生重大社会影响和重大经济世纪产生重大社会影响和重大经济效益。效益。人类基因组医学将会推动临床医学研究，人类基因组医学将会推动临床医学研究，将从结构基因组，功能基因组和蛋白质组水平将从结构基因组，功能基因组和蛋白质组水平上认识疾病；从基因和环境相互作用水平上研上认识疾病；从基因和环境相互作用水平上研究疾病；通过疾病基因组早期诊断、预防、治究疾病；通过疾病基因组早期诊断、预防、治疗疾病。疗疾病。个体化医疗将信息技术和基因组信息整合个体化医疗将信息技术和基因组信息整合进入医学，对疾病既要进行预测和预防、也要进入医学，对疾病既要进行预测和预防、也要做针对特定目标的治疗。如药物基因组学研究做针对特定目标的治疗。如药物基因组学研究已经发现了几十种基因型，根据不同的基因型已经发现了几十种基因型，根据不同的基因型选择合适的药物进行个体化治疗，已经成为提选择合适的药物进行个体化治疗，已经成为提高疗效、减少药物的毒副作用的合理选择。高疗效、减少药物的毒副作用的合理选择。