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一、什么是人类基因组计划？一、什么是人类基因组计划？ 人类基因组计划（人类基因组计划（Human Genome Project , Human Genome Project , HGP)HGP)是指通过测定人类基因组是指通过测定人类基因组DNADNA的的3 310109 9对核对核苷酸的序列，探寻所有人类基因并确定他们在染苷酸的序列，探寻所有人类基因并确定他们在染色体上的位置，明确所在基因的结构及功能，解色体上的位置，明确所在基因的结构及功能，解读人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子读人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面认识自我。水平上全面认识自我。第一：获得人类全部基因序列将有助于人类认识许多第一：获得人类全部基因序列将有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症等疾病的治病机理，为分子诊断、遗传疾病以及癌症等疾病的治病机理，为分子诊断、基因治疗等新方法提供理论依据。基因治疗等新方法提供理论依据。第二：破译生命密码的人类基因组计划有助于人们对第二：破译生命密码的人类基因组计划有助于人们对基因的表达调控有更深入的了解。基因的表达调控有更深入的了解。第三：人类基因图谱对揭示人类发展，进化的历史具第三：人类基因图谱对揭示人类发展，进化的历史具有重要意义。有重要意义。o20002000年年3 3月，月，“全基因组鸟枪法全基因组鸟枪法”获得果蝇获得果蝇全基因组序列，发表在全基因组序列，发表在ScienceScience上。上。o20002000年年1010月，美英等科学家宣布绘出拟南芥月，美英等科学家宣布绘出拟南芥基因组的完全图谱，这是人类首次破译出一基因组的完全图谱，这是人类首次破译出一种基因的序列。种基因的序列。o水稻基因组水稻基因组我国二十世纪的大事我国二十世纪的大事第二节第二节 基因组学及蛋白质组学基因组学及蛋白质组学一、1 1、概念和目的、概念和目的 以全部基因组测序为目标的基因结构研究，弄清基因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的研究奠定基础。其目的是建立高分辩的遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱。2 2、结构基因组研究常用方法、结构基因组研究常用方法1 1 脉冲场凝胶电泳：脉冲场凝胶电泳：改变电场方向和调整脉冲时间，将长度不同的DNA分开。2 2 毛细管电泳：毛细管电泳：可用于单核苷酸改变的寻找，短串联重复序列的检查，DNA测序，基因及其表达产物的分析。3 3 基因芯片技术基因芯片技术：可用于表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图和杂交测序等。4 4 全基因组随机测序（全基因组鸟枪战略）：全基因组随机测序（全基因组鸟枪战略）：先打断DNA测序，然后作图。1 1、概念：、概念： 利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模试验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统的分析全部基因的功能。2 2、基因功能从研究角度包括、基因功能从研究角度包括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等。o差异显示反转录差异显示反转录PCRPCRo基因表达序列分析（基因表达序列分析（SAGESAGE）o基因芯片或微点矩阵基因芯片或微点矩阵oRNARNA干涉技术干涉技术o遗传足迹法遗传足迹法o发求遗传学发求遗传学o蛋白质组学和生物信息学方法蛋白质组学和生物信息学方法（二）比较基因组学（二）比较基因组学 利用生物在进化上的亲缘关系利用生物在进化上的亲缘关系, ,来比较它们来比较它们与人类之间的相似与相异与人类之间的相似与相异, ,即比较基因组学。即比较基因组学。( Postgenome era) * * 人类基因组计划完成之后，生物学被重新划分为人类基因组计划完成之后，生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分。前基因组和后基因组两部分。* * 1.1.蛋白质分离和鉴定：蛋白质分离和鉴定：2.2.翻译后修饰：翻译后修饰：翻译后修饰是蛋白质调节功能的重要方式，翻译后修饰是蛋白质调节功能的重要方式，因此对蛋白质翻译后修饰的研究对阐明蛋白质的功能具有重因此对蛋白质翻译后修饰的研究对阐明蛋白质的功能具有重要作用。要作用。3.3.蛋白质功能确定：蛋白质功能确定：如分析酶活性和确定酶底物，细胞因子如分析酶活性和确定酶底物，细胞因子的生物分析的生物分析/ /配基配基- -受体结合分析。可以利用基因敲除和反义受体结合分析。可以利用基因敲除和反义技术分析基因表达产物技术分析基因表达产物- -蛋白质的功能。另外对蛋白质表达出蛋白质的功能。另外对蛋白质表达出来后在细胞内的定位研究也在一定程度上有助于蛋白质功能来后在细胞内的定位研究也在一定程度上有助于蛋白质功能的了解。的了解。4.4.对人类而言，蛋白质组学的研究最终要服务于人类的健康，对人类而言，蛋白质组学的研究最终要服务于人类的健康，主要指促进分子医学的发展主要指促进分子医学的发展。如寻找药物的靶分子，很多药。如寻找药物的靶分子，很多药物本身就是蛋白质，而很多药物的靶分子也是蛋白质。药物物本身就是蛋白质，而很多药物的靶分子也是蛋白质。药物也可以干预蛋白质也可以干预蛋白质- -蛋白质相互作用。蛋白质相互作用。1 用于蛋白质分离技术方面的如双向凝胶电泳，双向“高效”柱层析等2 用于蛋白质鉴定技术如质谱技术，凝胶图像分析，蛋白质和多肽的N端，C端测序及氨基酸组成分析3 用于蛋白质相互作用及作用方式研究的双杂交系统4 用于分析大量数据的生物工程信息学等 应用遗传学技术构建能显示基因以及其它序列应用遗传学技术构建能显示基因以及其它序列特征在基因组上位置的图。特征在基因组上位置的图。 方法是以多态的遗传标记作为界标，计算细胞减方法是以多态的遗传标记作为界标，计算细胞减数分裂过程中遗传标记之间发生重组的频率，来确数分裂过程中遗传标记之间发生重组的频率，来确定两个遗传标记在染色体上的相对位置。定两个遗传标记在染色体上的相对位置。 遗传标记之间的相对距离即图距以厘摩（遗传标记之间的相对距离即图距以厘摩（cM，厘摩尔根，厘摩尔根，centi-Morgan）为单位。当两个遗）为单位。当两个遗传标记之间的重组值为传标记之间的重组值为1%时，图距即为时，图距即为1cM。 现代遗传图现代遗传图的概念是于的概念是于19801980年提出的，就年提出的，就是是将单纯的表型多态性界标改变为以将单纯的表型多态性界标改变为以DNADNA序列序列的多态作为作图界标。的多态作为作图界标。 各种遗传界标可在国际互联网上可以查阅各种遗传界标可在国际互联网上可以查阅（http:/www.gdb.orghttp:/www.gdb.org）。）。 当用当用DNADNA序列多态作为界标的遗传图时，一序列多态作为界标的遗传图时，一但确定该但确定该DNADNA界标与某一基因的具体位置，便界标与某一基因的具体位置，便可分离克隆这个基因。可分离克隆这个基因。 人类第一张以人类第一张以RFLPRFLP为界标的遗传图发表于为界标的遗传图发表于19871987年。年。经典遗传图的作图最常用的是经典遗传图的作图最常用的是三点测交法三点测交法。遗传图的局限性遗传图的局限性1.1.分辨率有限分辨率有限 高等真核生物子代数量有限，高等真核生物子代数量有限，只有少数的减数分裂事件可供研究，连锁分只有少数的减数分裂事件可供研究，连锁分析的分辨率受很大限制析的分辨率受很大限制2.2.精确度较低精确度较低 假设交换是随机发生的，但由假设交换是随机发生的，但由于交换热点的存在使某一区段的交换频率远于交换热点的存在使某一区段的交换频率远高于其它区段，无法绘制精确的遗传图。高于其它区段，无法绘制精确的遗传图。 随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之重的工作。重的工作。DNADNA序列分析技术是一个包括序列分析技术是一个包括DNADNA片段碱基片段碱基分析、分析、DNADNA信息翻译的多阶段的过程。通过信息翻译的多阶段的过程。通过测序测序得到得到基因组的基因组的序列图谱。序列图谱。基因图谱（转录图谱）基因图谱（转录图谱）是在识别基因组所包含的蛋白是在识别基因组所包含的蛋白质质编码序列编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。在人类基因组中鉴别出占及表达模式等信息的图谱。在人类基因组中鉴别出占具具2%5%2%5%长度的全部基因的位置、结构与功能，最主长度的全部基因的位置、结构与功能，最主要的方法是通过基因的表达产物要的方法是通过基因的表达产物mRNAmRNA反追到染色体的反追到染色体的位置。位置。http:/www.ebi.ac.uk/embl/http:/www.ebi.ac.uk/embl/。遗传标记遗传标记(genetic marker):(genetic marker):指能够用以区别生指能够用以区别生物个体或群体及其特定基因型、并能稳定遗传的物个体或群体及其特定基因型、并能稳定遗传的物质标记。物质标记。它具有两个基本特征，即它具有两个基本特征，即可遗传性可遗传性和和可识别性可识别性；因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作为遗传标记。为遗传标记。形态学标记形态学标记（morphological markermorphological marker）细胞学标记细胞学标记(cytological marker)(cytological marker) 生化标记生化标记(biochemical marker)(biochemical marker)分子标记分子标记(molecular marker)(molecular marker)：DNADNA分子遗分子遗传标记，或传标记，或DNADNA标记。标记。（第一代遗传标记）：（第一代遗传标记）：形态标记形态标记指肉眼可见的或仪器测量生物的外部特征指肉眼可见的或仪器测量生物的外部特征（如毛色、体型、皮肤结构、生理特征、地理分布（如毛色、体型、皮肤结构、生理特征、地理分布等），即个体的等），即个体的外部形态特征外部形态特征。优点：优点： 形态标记简单、直观、经济方便；形态标记简单、直观、经济方便；是早期使用的一种遗传标记，也是现在也常用的一种是早期使用的一种遗传标记，也是现在也常用的一种方法。方法。缺点：缺点：1.1.标记数量有限、多态性较差标记数量有限、多态性较差2.2.表现易受环境影响，并且有一些标记与不良表现易受环境影响，并且有一些标记与不良性状连锁。性状连锁。3.3.形态标记的获得需要通过诱变、分离纯合的形态标记的获得需要通过诱变、分离纯合的过程，周期较长。过程，周期较长。 4.4.形态标记在遗传育种中的作用有限。形态标记在遗传育种中的作用有限。细胞学标记细胞学标记即细胞染色体的变异。即细胞染色体的变异。包括染色体包括染色体核型核型（染色体数目、结构、随体有无、着（染色体数目、结构、随体有无、着丝粒位置等）和丝粒位置等）和带型带型（C C带、带、N N带、带、G G带等）的变化。带等）的变化。优点：优点：与形态标记相比，细胞学标记的优点是能进行一些重与形态标记相比，细胞学标记的优点是能进行一些重要基因的染色体或染色体区域定位。要基因的染色体或染色体区域定位。缺点缺点需要花费较大的人力和较长时间来培育，难度很大需要花费较大的人力和较长时间来培育，难度很大某些物种对染色体变异反应敏感；某些物种对染色体变异反应敏感；变异难以用细胞学方法进行检测。变异难以用细胞学方法进行检测。真正用于遗传育种研究中的细胞学标记较少真正用于遗传育种研究中的细胞学标记较少以同工酶和贮藏蛋白的电泳谱带作为特征的遗传标记。以同工酶和贮藏蛋白的电泳谱带作为特征的遗传标记。反应的是基因表达产物蛋白质水平上的差异。可用于鉴反应的是基因表达产物蛋白质水平上的差异。可用于鉴别不同物种或品种。别不同物种或品种。优点：优点：与形态标记、细胞标记相比，经济方便。与形态标记、细胞标记相比，经济方便。表现近中性，对生物经济性状一般没有大的不良影响；表现近中性，对生物经济性状一般没有大的不良影响；直接反映了基因产物差异，受环境影响较小。直接反映了基因产物差异，受环境影响较小。缺点：缺点：可用标记数量少可用标记数量少有些酶的染色方法和电泳技术有一定难度。有些酶的染色方法和电泳技术有一定难度。不能直接反应基因的情况不能直接反应基因的情况分子标记（又叫分子标记（又叫DNADNA分子标记，分子标记，DNADNA标记）标记）指能个体间遗传指能个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记，是物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记，是DNADNA水平遗水平遗传多态性的直接反应。传多态性的直接反应。优点：优点：l直接以直接以DNADNA的形式表现，在生物体的各个组织、各个发的形式表现，在生物体的各个组织、各个发育阶段均可检测到，不受季节、环境限制，不存在表达与育阶段均可检测到，不受季节、环境限制，不存在表达与否等问题否等问题l数量极多，遍布整个基因组，可检测座位几乎无限数量极多，遍布整个基因组，可检测座位几乎无限l多态性高，自然界存在许多等位变异，无须人为创造多态性高，自然界存在许多等位变异，无须人为创造l表现为中性，不影响目标性状的表达；表现为中性，不影响目标性状的表达；l许多标记表现为共显性的特点，能区别纯合体和杂合体。许多标记表现为共显性的特点，能区别纯合体和杂合体。 随着分子生物学技术发展和研究水平的深随着分子生物学技术发展和研究水平的深入，分子标记的发展经历了三个阶段，入，分子标记的发展经历了三个阶段，也称为三代也称为三代DNADNA分子标记。分子标记。第一代分子标记：第一代分子标记：RFLPRFLP；第二代分子标记：微卫星（第二代分子标记：微卫星（msms）；）；第三代分子标记：第三代分子标记：SNPSNP；分子标记的种类和原理分子标记的种类和原理限制性内切酶能识别和切割特异核苷酸序列。由限制性内切酶能识别和切割特异核苷酸序列。由于于DNA某一位点的变异有可能引起该位点特异性的酶某一位点的变异有可能引起该位点特异性的酶切位点的改变，当用限制性内切酶处理不能生物个切位点的改变，当用限制性内切酶处理不能生物个体的体的DNA时，致使酶切片段的长度发生变化，个体时，致使酶切片段的长度发生变化，个体间出现限制性片段长度的差异。间出现限制性片段长度的差异。DNA序列能或不能序列能或不能被某一酶酶切，实际上相当于一对等位基因的差异。被某一酶酶切，实际上相当于一对等位基因的差异。基本过程：基本过程：取得取得DNADNA样本样本酶切酶切电泳电泳转移转移至硝酸纤维膜上至硝酸纤维膜上DNADNA探针杂交探针杂交放射自显影放射自显影优点：优点：l遍布于整个基因组，数量几乎是无限的遍布于整个基因组，数量几乎是无限的l无表型效应，不受发育阶段及器官特异性限制无表型效应，不受发育阶段及器官特异性限制l共显性，可区分纯合子和杂合子共显性，可区分纯合子和杂合子l结果稳定、可靠结果稳定、可靠缺点：缺点：l检测技术繁杂，成本较高，难以用于大规模检测技术繁杂，成本较高，难以用于大规模的育种实践中的育种实践中l分析对样品纯度要求较高，样品需要量大分析对样品纯度要求较高，样品需要量大lRFLPRFLP多态信息含量低多态信息含量低l多态性水平过分依赖于限制性内切酶的种类多态性水平过分依赖于限制性内切酶的种类和量和量2. 2. 可变串联重复多态性可变串联重复多态性（varible number of varible number of tandem repeats, VNTRtandem repeats, VNTR）o小卫星小卫星DNADNA（minisatellite DNAminisatellite DNA），），第一代指纹技术第一代指纹技术（DNA fingeiprinting)DNA fingeiprinting)原理：原理：重复DNA小序列，10-70nt（核苷酸），拷贝10-1000，主要存在于染色体靠近端粒处。多态性的原因多态性的原因由于重复单位间不等交换，个体间存在串联数目的差异拷贝数多态性个体间在序列长度上差异长度多态性，人群中的分布表现高度的个体特异性。标记特点标记特点l与RFLP大致相同，但对限制性内切酶和探针有特殊的要求。l限制性内切酶的切点必须不在重复序列中，以保证小卫星序列的完整性。l内切酶在基因组的其他部位有较多的酶切位点，通过电泳检测多态性。l可充分显示长度重复序列片段的多态性。分子杂交所用DNA探针核苷酸序列必须是小卫星序列通过分子杂交和放射自显影后，就可一次性检测到众多小微卫星位点，得到个体特异性的DNA指纹图谱。优点：优点：l种类多，分布广，有高度多态性种类多，分布广，有高度多态性l在人群中的分布表现高度的特异性在人群中的分布表现高度的特异性缺点：缺点：l多态性分布集中，合成探针困难，应用并不广泛。多态性分布集中，合成探针困难，应用并不广泛。l实验操作繁琐，检测时间长，成本高。实验操作繁琐，检测时间长，成本高。l无法确定等位基因无法确定等位基因l对任何一条带无法确定是由纯合子还是杂合子产生。对任何一条带无法确定是由纯合子还是杂合子产生。l无法确定基因座间的独立性无法确定基因座间的独立性l对检测要求高对检测要求高p 微卫星（微卫星（microsatellite DNA,MS)microsatellite DNA,MS)又称又称SSR,STR,SSLPSSR,STR,SSLP基本原理：基本原理： MSMS是一类由几个（多为是一类由几个（多为2-62-6个）碱基组成的基序串个）碱基组成的基序串联重复而成的联重复而成的DNADNA序列，其长度一般较短，广泛分序列，其长度一般较短，广泛分布于基因组的不同位置，如（布于基因组的不同位置，如（CACA）n n、（、（ATAT）n n、（GGCGGC）n n等重复。不同遗传材料重复次数的可变等重复。不同遗传材料重复次数的可变性，导致了性，导致了SSRSSR长度的高度变异性，这一变异性正长度的高度变异性，这一变异性正是是SSRSSR标记产生的基础。标记产生的基础。MSMS标记的特点有标记的特点有：l数量丰富，广泛分布于整个基因组；数量丰富，广泛分布于整个基因组；l具有较多的等位性变异；具有较多的等位性变异；l共显性标记，可鉴别出杂合子和纯合子共显性标记，可鉴别出杂合子和纯合子l实验重复性好，结果可靠；实验重复性好，结果可靠；l由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序列信息，因此其开发有一定困难，费用也较高列信息，因此其开发有一定困难，费用也较高3.单核苷酸多态性标记（单核苷酸多态性标记（single nucleotide single nucleotide polymorphism ,SNPpolymorphism ,SNP） SNP与与RFLP、MS等标记不同之处在于不以等标记不同之处在于不以“长长度度”差别为检测手段，而是直接以序列的变异作为标记。差别为检测手段，而是直接以序列的变异作为标记。 基因组基因组DNA某一特定的核苷酸位置上，可能发生某一特定的核苷酸位置上，可能发生单个碱基的变化，如转换、颠换等，使得群体中基因组单个碱基的变化，如转换、颠换等，使得群体中基因组的某些位点上存在差异。的某些位点上存在差异。 SNP就是指基因组内特定的核苷酸位置上存在两就是指基因组内特定的核苷酸位置上存在两种以上不同的核苷酸，其中最少一种在群体中的出现频种以上不同的核苷酸，其中最少一种在群体中的出现频率不少于率不少于1%（低于（低于1%则视为突变）。则视为突变）。 SNP是出现频率最高的标记，人类基因组中是出现频率最高的标记，人类基因组中平均每平均每1000 bp中就有中就有1个个SNP，总数可达，总数可达300万个。万个。 位于基因表达序列内的位于基因表达序列内的SNP可能会影响蛋白质可能会影响蛋白质的结构和表达水平，对分析基因与性状的关系有重的结构和表达水平，对分析基因与性状的关系有重要意义。要意义。 SNP是单碱基突变，任何用于单碱基突变的技是单碱基突变，任何用于单碱基突变的技术都可用于术都可用于SNP检测，如检测，如RFLP、DNA序列分析、序列分析、单链构象多态性（单链构象多态性（SSCP）等。最先进的是微数列）等。最先进的是微数列矩阵矩阵DNA芯片（芯片（DNA chip）技术。）技术。