基因组学课件8比较基因组学.ppt

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1、比较基因组学比较基因组学中英联合实验室中英联合实验室2023/4/22比较基因组学的产生比较基因组学的产生 伴随着基因组的研究伴随着基因组的研究,相关信息出现了爆相关信息出现了爆炸性增长炸性增长,迫切需要对大量基因组数据进行处迫切需要对大量基因组数据进行处理理,比较基因组学作为一门重要的工具学科应比较基因组学作为一门重要的工具学科应运而生。运而生。比较基因组学是通过对比较基因组学是通过对系统发育系统发育中的代表中的代表性物种之间的性物种之间的全方位基因全方位基因和和基因家族基因家族的比较分的比较分析，构建系统发育的遗传图谱析，构建系统发育的遗传图谱,来揭示基因、来揭示基因、基因家族的基因家族的

2、起源起源和和功能功能及其在进化过程中及其在进化过程中复杂复杂化和多样化化和多样化的机制。的机制。2023/4/22果蝇基因组果蝇基因组n果蝇基因组全长果蝇基因组全长180mb，2/3是是euchromatin，1/3是是heterochromatin；BlastSearch确定有确定有14113个转录产物（功能基因）个转录产物（功能基因）。Science,287:2185-2195(2000)2023/4/22比较基因组学定义比较基因组学定义 利用不同物种基因组之间功能区域顺序利用不同物种基因组之间功能区域顺序上、组织结构上的同源性上、组织结构上的同源性 克隆新基因克隆新基因 揭示基因功能揭示

3、基因功能 阐明物种进化关系、基因组的内在结构阐明物种进化关系、基因组的内在结构2023/4/22比较基因组学的应用比较基因组学的应用揭示非编码功能序列揭示非编码功能序列发现新基因发现新基因发现功能性发现功能性SNPSNP阐述物种间的进化史阐述物种间的进化史阐明人类疾病过程的分子机制阐明人类疾病过程的分子机制 2023/4/22比较基因组学与进化比较基因组学与进化古细菌古细菌-产甲烷球菌产甲烷球菌l与原核生物共同之处：与原核生物共同之处：l染色体组织与结构：环状基因组、基因的操纵子结构等染色体组织与结构：环状基因组、基因的操纵子结构等l能量产生和固氮基因与有很高的同源性能量产生和固氮基因与有很高

4、的同源性l与细胞分裂有关的蛋白质、与细胞分裂有关的蛋白质、20多个编码无机离子运输蛋白的多个编码无机离子运输蛋白的ORF与细菌基因同源与细菌基因同源l调控模式类似于原核生物调控模式类似于原核生物l与真核生物共同之处：与真核生物共同之处：l细胞遗传信息传递，尤其是转录和翻译系统细胞遗传信息传递，尤其是转录和翻译系统l分泌系统分泌系统l说明该细菌与真核生物说明该细菌与真核生物亲缘关系较近亲缘关系较近。2023/4/22比较基因组学与进化比较基因组学与进化比较基因组学提供的结果表明，在进比较基因组学提供的结果表明，在进化系统树上，古细菌与真核生物亲缘关系化系统树上，古细菌与真核生物亲缘关系比原核生物

5、更近。比原核生物更近。自养生物的三个分支，细菌、古细菌自养生物的三个分支，细菌、古细菌和真核生物中，细菌的分化发生较早。和真核生物中，细菌的分化发生较早。2023/4/22比较基因组学的具体应用方法比较基因组学的具体应用方法和策略和策略n序列的比对分析序列的比对分析n确定基因组序列的进化关系确定基因组序列的进化关系n基因共线性基因共线性synteny：n染色体片段的分析染色体片段的分析n物种序列的优化选择物种序列的优化选择n对对DNADNA序列的信息注释序列的信息注释2023/4/22n基因组成的相似性基因组成的相似性n基因共线性基因共线性synteny：基因排列顺序的一致性基因排列顺序的一致

6、性n宏观共线性：遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致宏观共线性：遗传连锁图上锚定标记排列次序的一致性性n微观共线性：物理图上基因序列的一致排列微观共线性：物理图上基因序列的一致排列n进化距离非常近的物种间保持很好的微观共线性进化距离非常近的物种间保持很好的微观共线性n在进化过程中，基因共线性被各种因素所破坏，进化在进化过程中，基因共线性被各种因素所破坏，进化距离越远的物种之间基因共线性越差，距离越远的物种之间基因共线性越差，n两个物种之间的共线性程度可以作为衡量它们之间进两个物种之间的共线性程度可以作为衡量它们之间进化距离的尺度化距离的尺度2023/4/22n高度保守高度保守和和高度变异高度变异

7、nX染色体极为保守，人类和猫的染色体极为保守，人类和猫的X染色体具有染色体具有纵贯全条的共线性纵贯全条的共线性n在保守性较低的区段，基因进化速率快于整个在保守性较低的区段，基因进化速率快于整个基因组的平均进化速率基因组的平均进化速率n它们在它们在种间种间基因组中很少表现共线性，甚至在基因组中很少表现共线性，甚至在同一物种同一物种的不同生态型之间这些区段也会发生的不同生态型之间这些区段也会发生较大变异较大变异n当用基因共线性程度估算物种分化年代时，应当用基因共线性程度估算物种分化年代时，应当注意避免当注意避免高度保守高度保守和和高度变异高度变异的区段的区段2023/4/222023/4/22n破

8、坏基因组共线性的因素破坏基因组共线性的因素n转座转座n插入插入n染色体重排染色体重排n区段加倍和缺失区段加倍和缺失2023/4/22n跨物种基因克隆跨物种基因克隆-图位克隆图位克隆n在基因组较小的模式植物中，分离被精确定在基因组较小的模式植物中，分离被精确定位在大基因组中的基因位在大基因组中的基因n避免大量重复序列的干扰，减少染色体步移避免大量重复序列的干扰，减少染色体步移的次数的次数2023/4/22基因岛和基因协同进化基因岛和基因协同进化n基因岛：区段基因密度远远高于全基因基因岛：区段基因密度远远高于全基因组的平均密度。组的平均密度。sh2与与A1两个基因在玉两个基因在玉米中的距离大约是水

9、稻或高粱中的米中的距离大约是水稻或高粱中的7倍倍n基因岛中的基因群通常具有功能上的相关性基因岛中的基因群通常具有功能上的相关性n协同丢失和协同进化协同丢失和协同进化2023/4/22直系同源集簇直系同源集簇n由由1个共同的祖先基因衍生的个共同的祖先基因衍生的1组基因，组基因，包括不同基因组中执行同一生物学功能包括不同基因组中执行同一生物学功能的的种间同源物种间同源物，也包括同一基因组中因，也包括同一基因组中因基因加倍产生的基因加倍产生的种内同源物种内同源物（平行基因）（平行基因）n预测新基因功能预测新基因功能2023/4/22比较基因组学研究举例比较基因组学研究举例n原核模式生物比较基因组学原

10、核模式生物比较基因组学n酿酒酵母基因组酿酒酵母基因组n人类基因组人类基因组2023/4/22模式生物比较基因组研究特点模式生物比较基因组研究特点l模式生物模式生物基因组基因组一般都比较一般都比较小小，但编码基因的比但编码基因的比例较高例较高，重复序列和非编码序列较少重复序列和非编码序列较少，是是“压缩压缩”的基因组的基因组。l模式生物基因组中模式生物基因组中G+C%含量高含量高，同时同时CpG岛的岛的比例也比较高。比例也比较高。l一些模式生物，特别在人的基因组中发现了重复一些模式生物，特别在人的基因组中发现了重复(duplication)。l各种不同的物种中各种不同的物种中，大多数重要生物学功

11、能是由大多数重要生物学功能是由相当数量的同源序列基因相当数量的同源序列基因(Orthologous)蛋白承蛋白承担担。2023/4/22模式生物比较基因组研究特点模式生物比较基因组研究特点l同线同线(synteny)连锁的同源基因在不同物种基因组中有连锁的同源基因在不同物种基因组中有相同连锁关系相同连锁关系。l生物体的复杂性一般表现在生物体的复杂性一般表现在“生物学生物学”的复杂性的复杂性，与与基因组的基因组的C 值大小及基因数量未必一定呈线性关系值大小及基因数量未必一定呈线性关系。2023/4/22模式生物基因组的研究模式生物基因组的研究l尿殖道支原体是已知最小的基因组尿殖道支原体是已知最小

12、的基因组0.58Mb，由此可能确定能自我复制的细胞必需的一，由此可能确定能自我复制的细胞必需的一套最少的核心基因。套最少的核心基因。l流感嗜血杆菌的基因组为流感嗜血杆菌的基因组为1.83Mbl基因组大小影响了基因数目还是基因尺度？基因组大小影响了基因数目还是基因尺度？2023/4/22模式生物基因组的研究模式生物基因组的研究l流感嗜血杆菌基因大小平均流感嗜血杆菌基因大小平均900bp，尿殖道，尿殖道支原体的基因为支原体的基因为1040bp，基因大小差不多；，基因大小差不多；l流感嗜血杆菌中平均流感嗜血杆菌中平均1042bp有有1个基因，个基因，尿殖道支原体中平均尿殖道支原体中平均1235bp有

13、有1个基因。个基因。可见基因组尺度减小并不引起基因密度的增可见基因组尺度减小并不引起基因密度的增加和基因尺寸的减小。加和基因尺寸的减小。l二者差别在于二者差别在于基因数量基因数量上，流感嗜血杆菌基上，流感嗜血杆菌基因组有因组有1743个个ORF，尿殖道支原体只有，尿殖道支原体只有470个个ORF。2023/4/22模式生物基因组的研究模式生物基因组的研究通过对尿殖道支原体与流感嗜血杆菌通过对尿殖道支原体与流感嗜血杆菌这两个亲缘关系较远的生物基因组的比这两个亲缘关系较远的生物基因组的比较，选取其共同的基因（共较，选取其共同的基因（共240个），个），再加上一些其他基因，最后组成一套含再加上一些其

14、他基因，最后组成一套含256个基因的最小基因组。个基因的最小基因组。2023/4/22最简单的真核生物最简单的真核生物-酿酒酵母酿酒酵母基因组基因组l基因组为基因组为12,068kb，比单细胞的原核生物和古细，比单细胞的原核生物和古细菌大一个数量级。菌大一个数量级。l共有共有5887个个ORF，比原核生物和古细菌要多很多。，比原核生物和古细菌要多很多。l酿酒酵母的基因密度为酿酒酵母的基因密度为1个基因个基因/2kb，密度小于流，密度小于流感嗜血杆菌和尿殖道支原体。感嗜血杆菌和尿殖道支原体。l酿酒酵母酿酒酵母-最小的真核基因组，裂殖酵母其次（密最小的真核基因组，裂殖酵母其次（密度是度是1/2.3

15、kb），简单多细胞生物线虫的基因密度），简单多细胞生物线虫的基因密度为为1/30kb。l酿酒酵母只有酿酒酵母只有4%的编码基因有内含子，而裂殖酵的编码基因有内含子，而裂殖酵母有母有40%编码基因有内含子。编码基因有内含子。2023/4/22人类基因组的一个片段人类基因组的一个片段2023/4/222023/4/22人类染色体组型人类染色体组型上图显示的是经姬母萨染色后的上图显示的是经姬母萨染色后的G带模式图，带模式图，染色体号在染色体结构下面标注，带号在左边。染色体号在染色体结构下面标注，带号在左边。2023/4/222023/4/22人类基因组基因的三条推测依据人类基因组基因的三条推测依据1

16、.根据已测定大片段DNA中ORF的比例；2.CpGisland的个数（56%的已知基因5都与CpG相连，而人基因组中有45000个Islands）3.ESTs已经报道的是第22染色体和第21染色体。第21染色体全长33.65Mb，长臂上有33.546Mb，仍有7个缺口，长约3kb，99.7%。TheDNAsequenceofhumanchromosome22,Nature402,489-495(1999).TheDNAsequenceofhumanchromosome21,Nature405,311-319(2000).21q上有127个已知基因，98个推测的基因59个pseudogenes。

17、Chromosome22中有545个编码基因第21+22染色体共占2%的人类总DNA，共有77%基因Nature，406，151-1572023/4/22模式生物基因组研究对人类基因组研模式生物基因组研究对人类基因组研究的促进作用究的促进作用1 利用基因序列上的同源性克隆人类疾病利用基因序列上的同源性克隆人类疾病基因基因 当人类当人类cDNA 与已知功能的模式生与已知功能的模式生物基因高度相关物基因高度相关，当该表型的候选基因当该表型的候选基因定位于与定位于与cDNA 相同的位置上相同的位置上，就有助就有助于识别该基因。于识别该基因。2023/4/22模式生物基因组研究对人类基因组研模式生物基

18、因组研究对人类基因组研究的促进作用究的促进作用2 模式生物基因组研究揭示了人类疾病基模式生物基因组研究揭示了人类疾病基因的功能。因的功能。由于某些模式生物基因的功能已知由于某些模式生物基因的功能已知,这就对人类疾病基因的功能研究有很大这就对人类疾病基因的功能研究有很大的促进作用。这一跨种关系使模式生物的促进作用。这一跨种关系使模式生物基因的有效功能数据立刻用于研究它的基因的有效功能数据立刻用于研究它的高等生物的同源体。高等生物的同源体。2023/4/22模式生物基因组研究对人类基因组研模式生物基因组研究对人类基因组研究的促进作用究的促进作用3 充分利用模式生物实验系统上的优越性充分利用模式生物

19、实验系统上的优越性 模式生物实验上的优越性成为人类模式生物实验上的优越性成为人类疾病状态下分子机制的阐明和基因功能疾病状态下分子机制的阐明和基因功能分析的有效手段。分析的有效手段。以酵母为例，它就是一个很好的实以酵母为例，它就是一个很好的实验系统。验系统。2023/4/22以酵母为例 首先它是一个单细胞首先它是一个单细胞，可以在特定的培养基上可以在特定的培养基上生长生长，这样就可能完全控制其化学和物理环境。这样就可能完全控制其化学和物理环境。其次酵母的生命周期也很适合被用来作遗传分其次酵母的生命周期也很适合被用来作遗传分析析，有可能构建一套有可能构建一套16 条染色体单倍型的详尽的条染色体单倍

20、型的详尽的图谱。图谱。第三第三，现今的技术可以将其现今的技术可以将其6000 个基因中的个基因中的任何一个用突变的等位基因替代或准确地从基因组任何一个用突变的等位基因替代或准确地从基因组中缺失。中缺失。2023/4/22模式生物基因组研究对人类基因组研模式生物基因组研究对人类基因组研究的促进作用究的促进作用4 比较基因组作图在人类基因组研究中的应用。比较基因组作图在人类基因组研究中的应用。应用之一是使连锁信息和基因组资源从作应用之一是使连锁信息和基因组资源从作图较为详尽的物种转移到作图不完善的物种。图较为详尽的物种转移到作图不完善的物种。例如：通过定位一套在哺乳动物中进化上保守例如：通过定位一

21、套在哺乳动物中进化上保守的位点的位点，把这些保守位点作为出发点把这些保守位点作为出发点，使连锁使连锁信息从人信息从人、鼠等物种扩展到牛鼠等物种扩展到牛、猪猪、羊等物种羊等物种,以促进基因组研究。以促进基因组研究。2023/4/22模式生物基因组研究对人类基因组研模式生物基因组研究对人类基因组研究的促进作用究的促进作用 另一个应用是把比较基因组作图用于复另一个应用是把比较基因组作图用于复杂性状的分析。许多遗传性状是由一个以上杂性状的分析。许多遗传性状是由一个以上的基因控制的的基因控制的，这些基因的识别通常在老鼠这些基因的识别通常在老鼠中比在人中来得容易。一旦一个候选疾病基中比在人中来得容易。一旦

22、一个候选疾病基因或疾病区域被在老鼠中确认因或疾病区域被在老鼠中确认，我们就可以我们就可以筛选同源基因或同源区域筛选同源基因或同源区域，看看是否与人类看看是否与人类遗传病相对应。遗传病相对应。2023/4/22模式生物基因组研究加深了对基因组模式生物基因组研究加深了对基因组结构的认识结构的认识l人类的基因很大人类的基因很大，在人类基因组全部测序完成在人类基因组全部测序完成之前之前，已有一些已有一些cDNA 上测序。所以其基因组上测序。所以其基因组结构可能尚属未知。结构可能尚属未知。l利用低等模式生物基因组较小利用低等模式生物基因组较小、呈压缩状态呈压缩状态，就可能用节约的方法在基因组水平上测序。

23、展就可能用节约的方法在基因组水平上测序。展示基因组的结构示基因组的结构，包括内含子和外显子的边界包括内含子和外显子的边界和周围顺序和周围顺序，还可能包括调节因子还可能包括调节因子，如启动子如启动子和增强子。和增强子。l不但为基因结构的研究不但为基因结构的研究，也为相关基因的进化也为相关基因的进化提供了信息。提供了信息。2023/4/22利用模式生物基因组研究信息研利用模式生物基因组研究信息研究人类疾病基因的可行性究人类疾病基因的可行性l定位克隆是一项有效的疾病基因克隆的手定位克隆是一项有效的疾病基因克隆的手段。但是如果仅仅依靠位置信息进行定位段。但是如果仅仅依靠位置信息进行定位克隆克隆，将十分

24、费时费力。将十分费时费力。l比较生物学这个名词在许多文献中出现比较生物学这个名词在许多文献中出现，模式生物基因组研究的结果被大量地用于模式生物基因组研究的结果被大量地用于人类基因组的研究人类基因组的研究，成为人类疾病基因克成为人类疾病基因克隆的一条捷径。隆的一条捷径。2023/4/22结语结语 基因组研究的最终目的是希望对生命的本质基因组研究的最终目的是希望对生命的本质有更新更深刻的认识有更新更深刻的认识，更主要的是了解疾病机制更主要的是了解疾病机制,造福人类。造福人类。模式生物在人类疾病研究领域作出了许多的模式生物在人类疾病研究领域作出了许多的贡献贡献，特别是疾病基因的同源体或家族成员在模特别是疾病基因的同源体或家族成员在模式生物中被功能定性时式生物中被功能定性时，使我们能更多地了解疾使我们能更多地了解疾病基因。病基因。基因组计划的成功正在越来越多基因组计划的成功正在越来越多、越来越深越来越深刻地影响着生物学各个领域研究者的思想刻地影响着生物学各个领域研究者的思想,它为它为新世纪的生物学研究打开了一扇门。新世纪的生物学研究打开了一扇门。2023/4/22