第一章-基因组学概论-ppt课件.ppt

1、第第1 1章章 基因组学概论基因组学概论一、基因组学概况二、基因组学的历史沿革三、基因组学的发展历程四、后基因组学产生的背景五、后基因组学的主要研究内容DNARNAphenotypeproteinhttp:/www.bioinfbook.org/DNARNAproteinCentral dogma of molecular biologygenometranscriptomeproteomehttp:/www.bioinfbook.org/DNARNAcDNAESTsUniGenephenotypegenomicDNAdatabasesprotein sequence databasespro

2、teinhttp:/www.bioinfbook.org/DNARNA 基因组学 转录组学蛋白质组学？蛋白质课程的依据和支撑：课程的依据和支撑：生命科学的重大基石生命科学的重大基石 中心法则中心法则一、基因组学概况二、基因组学的历史沿革三、基因组学的发展历程四、后基因组学产生的背景五、后基因组学的主要研究内容本章内容本章内容基因组学概念技术内容发展一、基因组学概况一、基因组学概况（一）基因组学基本概念（一）基因组学基本概念（二）基因组学分支（二）基因组学分支（三）基因组学的意义（三）基因组学的意义（一）基因组学基本概念（一）基因组学基本概念1. 1. 基因（基因（genegene）2. 2.

3、基因组（基因组（genomegenome）3. 3. 基因组学（基因组学（genomicsgenomics）1. 1. 基因基因(Gene)(Gene)基因基因(gene)(gene)是是19091909年丹麦植物学家年丹麦植物学家W.Johannsen W.Johannsen 根据希根据希腊文单词腊文单词genos(birth,genos(birth,给予生命）创造的。给予生命）创造的。现代分子生物学的基因概念：现代分子生物学的基因概念： 基因是储存和表达某一多肽链信息或基因是储存和表达某一多肽链信息或RNARNA分析信分析信息所必需的全部核苷酸序列，即一个基因不仅包括编息所必需的全部核苷酸

4、序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或码蛋白质或RNARNA的核酸序列，还应包括为保证转录所的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。必需的调控序列。 基因是生命体传递和表达遗传信息的基本单位。基因是生命体传递和表达遗传信息的基本单位。基因的结构 coding region：包含有大量的遗传密码，包括起始密码子和终止密码子，以及外显子； noncoding region：指那些存在于基因的分子结构中，是遗传信息表达所必须的、但却不能翻译成蛋白质或多肽的DNA序列，主要有5-UTR3-UTR内含子； promoter region：指启动子所在的区段，通过与RNA聚合酶的结合而启动基因的转录

5、，原核基因的启动子与真核基因的启动子结构存在一定的差别； terminator：也称终止子，是位于基因3端下游外侧与终止密码子相连的一段非编码的核苷酸短序列区，具有终止转录信号的功能。 2. 2. 基因组（基因组（genomegenome）“Gene” + “ome” 基因组基因组(genome)(genome)一词系由德国汉堡大学一词系由德国汉堡大学H. WinklesH. Winkles教授于教授于19201920年首创，从年首创，从GENeGENe和和chromosOMEchromosOME组成。用组成。用于表示生物的全部基因和染色体组成的概念。于表示生物的全部基因和染色体组成的概念。基

6、因组（基因组（genomegenome）：生物所具有的携带遗传信息生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和的遗传物质的总和, ,是指生物细胞中所有的是指生物细胞中所有的DNADNA，包，包括所有的基因和基因间区域。括所有的基因和基因间区域。真核生物基因组：真核生物基因组：核基因组线粒体基因组叶绿体基因组原核生物基因组：原核生物基因组：染色体质粒病毒基因组：病毒基因组：病毒颗粒携带的遗传物质3. 3. 基因组学（基因组学（genomicsgenomics）由美国科学家ThomasThomasRoderickRoderick于19861986年首创。基因组学（基因组学（genomicsgenomi

7、cs）：就是对所有基因进行基因就是对所有基因进行基因作图、核苷酸序列分析、作图、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析基因定位和基因功能分析的一门学科。的一门学科。简言之，简言之，基因组学基因组学就是在基因组水平上研究基就是在基因组水平上研究基因组结构和功能的科学，其内容包括基因的结因组结构和功能的科学，其内容包括基因的结构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的构、组成、存在方式、表达调控模式、基因的功能和相互作用等，是研究与解读生物基因组功能和相互作用等，是研究与解读生物基因组所蕴藏的所有遗传信息的一门新的所蕴藏的所有遗传信息的一门新的前沿学科。前沿学科。基因组学（基因组学（genomics

8、genomics）4、与基因组学相关的几个概念 转录组学（转录组学（transcriptomicstranscriptomics） 蛋白质组学（蛋白质组学（proteomicsproteomics） 表型组学（表型组学（phenomicsphenomics） 遗传学：基因型遗传学：基因型 + + 环境环境 = = 表型表型各式各样的各式各样的“组组”与与“组学组学”名称名称定义定义相关学科相关学科基因组一种生物含有的所有DNA序列，包括基因和非基因序列基因组学蛋白质组一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质蛋白质组学转录组一个活细胞所能转录出来的所有mRNA转录组学代谢组一种生物样品内所有

9、的小分子代谢物代谢组学脂质组一个细胞、一个组织或一个生物体 内所有的脂类物质脂质组学互作组一个细胞内由蛋白质之间、蛋白质与其他分子之间的相互作用而形成的网络互作组学（二）基因组学分类（二）基因组学分类根据研究的内容分：根据研究的内容分：结构基因组学、功能基因组学、比较基因组根据研究对象分：根据研究对象分：动物基因组学、植物基因组学、肿瘤基因组学、药物基因组学、环境基因组学等结构基因组学结构基因组学着重遗传图、物理图、测序等研究；比较基因组学比较基因组学包括对不同进化阶段生物基因组的比较研究，也包括不同物种、族群和群体基因组的比较研究。功能基因组学功能基因组学包括以转录图为基础的功能制图（基因组

10、表达图）；基因组学主要分支基因组学主要分支（三）基因组学的意义（三）基因组学的意义生物学研究生物学研究医学医学生物技术生物技术制药工业制药工业社会经济社会经济生物进化生物进化伦理，法律及社会伦理，法律及社会尤其是人类疾病基因的研究尤其是人类疾病基因的研究(1)(1)单基因病疾病基因研究单基因病疾病基因研究, ,如血友病等如血友病等人类基因组计划使我们了解基因组序列。人类基因组计划使我们了解基因组序列。现在采用定位候选克隆方法极大地提高了现在采用定位候选克隆方法极大地提高了发现疾病基因的效率。发现疾病基因的效率。（2 2）多基因病疾病基因研究，）多基因病疾病基因研究，例如心脏病，糖尿病，癌症等。

11、例如心脏病，糖尿病，癌症等。 用比较基因表达谱的方法来识别疾病状态下基用比较基因表达谱的方法来识别疾病状态下基因的激活或抑制。因的激活或抑制。（3 3）癌症基因组解剖学计划）癌症基因组解剖学计划（Cancer Genome Anatomy ProjectCancer Genome Anatomy Project，CGAPCGAP） 19961996年癌症基因组解剖学计划开始。主要由美国年癌症基因组解剖学计划开始。主要由美国癌症研究所（癌症研究所（National cancer instituteNational cancer institute）开展。）开展。二、基因组学发展的历史沿革 （一）

12、前遗传学时代 （二）经典遗传学时代 （三）分子生物学时代（前基因组时代） （四）基因组时代 （五）后基因组时代（一）（一）19001900年代以前年代以前: :前遗传学时代前遗传学时代（1 1）1859 1859 年年C.Darwin C.Darwin 在在On the Origin ofOn the Origin ofSpeciesSpecies这一名著中，提出了物种进化的这一名著中，提出了物种进化的自然选自然选择学说择学说达尔文进化论达尔文进化论。生物的来源生物的来源进化进化生物的性状生物的性状遗传遗传进化的动力进化的动力选择选择前遗传学时代前遗传学时代（2 2）18651865年年G.M

13、endelG.Mendel发表豌豆杂交实验结果，提出了遗发表豌豆杂交实验结果，提出了遗传学的两大遗传规律传学的两大遗传规律分离规律分离规律和和独立分配规律独立分配规律，并认，并认为是为是生物体内的生物体内的遗传因子遗传因子或或遗传颗粒遗传颗粒控制控制生物性状生物性状。前遗传学时代前遗传学时代（二）（二）1900195019001950年代年代: :经典遗传学时代经典遗传学时代（标志：（标志：19001900年年, ,孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞生）孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞生）人们开始把控制生物遗传性状的遗传单人们开始把控制生物遗传性状的遗传单位称为位称为基因基因(gene)

14、(gene)。生命科学的研究基本生命科学的研究基本上都是围绕着上都是围绕着基因基因来进行。来进行。经典遗传学时代经典遗传学时代18391839年年 细胞学说的提出；细胞学说的提出；18691869年年 发现发现DNADNA；随后，；随后，RNARNA也被发现；也被发现；18791879年年 染色体的发现，并认为染色体最可能是染色体的发现，并认为染色体最可能是DNA DNA 、RNARNA和蛋白质的一种；和蛋白质的一种；19021902年年 染色体学说染色体学说的产生的产生, ,合理解释了合理解释了MendelMendel的实验结果的实验结果; ;19101910年年 发现了遗传学的第三大遗传规

15、律发现了遗传学的第三大遗传规律连锁遗传规律连锁遗传规律（决定两对性状的两对基因位于同一对染色体上，就会发生连锁遗传现象）（决定两对性状的两对基因位于同一对染色体上，就会发生连锁遗传现象）证明基因的确存在于染色体上，并呈线状排列；证明基因的确存在于染色体上，并呈线状排列；19441944年年 证实了证实了DNADNA是携带遗传信息、构成染色体的生物大分子是携带遗传信息、构成染色体的生物大分子经典遗传学时代经典遗传学时代肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌的转化实验(Griffith, 1928;Avery,1944)(Griffith, 1928;Avery,1944)遗传物质是D DN NA A经典

16、遗传学时代经典遗传学时代遗传物质是RNA噬菌体侵染细菌实验噬菌体侵染细菌实验遗传物质是DNA烟草花叶病毒侵染实验烟草花叶病毒侵染实验经典遗传学时代经典遗传学时代总之总之，自从人们认识到，自从人们认识到“基因决定生物性基因决定生物性状状”，“基因的本质就是基因的本质就是核酸核酸主要是主要是DNADNA”之后，就之后，就从来没有停止对基因的研究从来没有停止对基因的研究。经典遗传学时代经典遗传学时代（三）（三）1950199019501990年代年代: :分子生物学时代分子生物学时代 （前基因组学时代）（前基因组学时代）（标志：（标志：Watson & Crick Watson & Crick 的的

17、DNADNA双螺旋结双螺旋结构的发现构的发现 NatureNature1953.4.251953.4.25，标志，标志着分子生物学时代的开始）着分子生物学时代的开始）分子生物学时代分子生物学时代19531953年年，J.WatsonJ.Watson，F.CrickF.Crick根据根据DNADNA的的X X射线衍射图射线衍射图谱，提出了谱，提出了DNADNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型，解释，解释基因复制的机制基因复制的机制，从而真正开始从分子水平上研究生命活动。从而真正开始从分子水平上研究生命活动。 生物学研究也从此进入了分子生物学时代。生物学研究也从此进入了分子生物学时代。分子生物学时代分

18、子生物学时代James Dewey Watson（1928）Francis Harry Compton Crick（19162004）分子生物学时代分子生物学时代1953197019531970年：分子生物学的迅猛发展年：分子生物学的迅猛发展: : mRNAmRNA、DNADNA聚合酶、聚合酶、RNARNA聚合酶的发现；聚合酶的发现；DNADNA半保留复制机理、操纵子学说等的提出；半保留复制机理、操纵子学说等的提出；遗传密码的发现，其通用性的证明；遗传密码的发现，其通用性的证明；6464个密码子破译；个密码子破译；中心法则：中心法则：“DNARNADNARNA蛋白质蛋白质”的建立的建立, ,标

19、志着标志着分子生物学学科理论体系形成；分子生物学学科理论体系形成；重组重组DNADNA技术的建立，使得分子生物学的技术体系初技术的建立，使得分子生物学的技术体系初步形成，或者说，生命科学进入了步形成，或者说，生命科学进入了前基因组学时代。前基因组学时代。分子生物学时代分子生物学时代1.1.逆转录酶的发现，修正和完善了逆转录酶的发现，修正和完善了中心法则中心法则DNADNARNARNA蛋白质蛋白质DNARNA？蛋白质转录转录逆转录转录逆转录翻译？翻译翻译分子生物学时代分子生物学时代2020世纪世纪8080年代，年代，人们从疯牛病等疾病中发现其感染人们从疯牛病等疾病中发现其感染因子因子是一种与正常

20、细胞膜蛋白（是一种与正常细胞膜蛋白（PrPCPrPC）一级结构完）一级结构完全相同，但高级结构、理化特性不同的全相同，但高级结构、理化特性不同的PrPScPrPSc或或prionprion蛋白蛋白（阮蛋白？）。（阮蛋白？）。 目前的研究提示，这种不含有核酸的目前的研究提示，这种不含有核酸的prionprion蛋白蛋白似乎具有自身复制的能力，似乎具有自身复制的能力，也就是说这种蛋白本身也就是说这种蛋白本身就储备了生命活动必需的遗传信息。就储备了生命活动必需的遗传信息。2.Prion2.Prion蛋白的发现进一步推动中心法则的演变蛋白的发现进一步推动中心法则的演变分子生物学时代分子生物学时代？蛋白

21、质DNARNA比较完善的中心法则个人观点转录逆转录翻译分子生物学时代分子生物学时代3.3.工具酶的发现、重组工具酶的发现、重组DNADNA技术的建立技术的建立4.“断裂基因断裂基因”的发现的发现5.DNA测序测序方法建立，读取遗传信息成为可能；方法建立，读取遗传信息成为可能；6.PCR技术技术建立，建立，7.基因基因表达与调控表达与调控研究的不断拓宽和深入；研究的不断拓宽和深入；8.转基因转基因技术的建立与转基因动植物的成功；技术的建立与转基因动植物的成功；9.人类疾病的人类疾病的基因诊断基因诊断和和基因治疗基因治疗 分子生物学时代分子生物学时代尽管人类很早就开始了对基因的研究，但真尽管人类很

22、早就开始了对基因的研究，但真正有系统地研究基因组、解码生命还是于正有系统地研究基因组、解码生命还是于19901990年年人类基因组计划启动后才开始的。人类基因组计划启动后才开始的。（四）（四）1990200019902000年代：基因组学时代年代：基因组学时代（标志：人类基因组计划的实施标志着基因（标志：人类基因组计划的实施标志着基因组学时代的开始）组学时代的开始）基因组学时代基因组学时代产生背景产生背景： 1985年提出人类基因组计划（HGP），随着HGP的提出和实施，产生的基因组学。 人类基因组计划人类基因组计划1.1.人类基因组计划人类基因组计划人们回顾过去的20世纪一百年中所取得的辉煌

23、成就时，认为最激动人心的伟大创举之一就是和“曼哈顿原子弹计划”、“阿波罗人类登月计划”一起被誉为20世纪科学史上三个里程碑的“人类基因组计划”(human genome project,HGP)。基因组学时代基因组学时代19851985年年5 5月，美国能源部月，美国能源部提出提出“人类基因组计划草案人类基因组计划草案；19861986年年3 3月月7 7日，日，Dulbecco RDulbecco R在在ScienceScience上发表了上发表了一篇有关开展人类基因组计划的短文一篇有关开展人类基因组计划的短文, ,推动了全世界的人推动了全世界的人类基因组计划的发展；类基因组计划的发展；19

24、901990年年1010月月1 1日日美国国会美国国会正式批准正式批准的的“人类基因组计人类基因组计划划”。计划在。计划在1515年内投入年内投入3030亿美元以上的资金进行人类亿美元以上的资金进行人类基因组的分析，即对人类基因组的分析，即对人类3 310109 9个核苷酸进行测序。个核苷酸进行测序。基因组学时代基因组学时代（1 1）HGP(human genome project,HGP)HGP(human genome project,HGP)的内容：的内容：人类基因组作图及序列分析，基因的鉴定、人类基因组作图及序列分析，基因的鉴定、基因组研究技术的建立与创新、模式生物基因基因组研究技术的

25、建立与创新、模式生物基因组作图和测序、信息系统的建立、储存及相应组作图和测序、信息系统的建立、储存及相应软件的开发、相关产业的开发等。软件的开发、相关产业的开发等。2.HGP2.HGP的内容、任务与进展的内容、任务与进展基因组学时代基因组学时代（2 2）HGPHGP的任务的任务HGPHGP的基本任务可用的基本任务可用4 4张图谱来概括，即张图谱来概括，即遗传遗传图、物理图、转录图（基因图）、序列图图、物理图、转录图（基因图）、序列图。基因组学时代基因组学时代A.A. 遗传图遗传图(genetic map)(genetic map)：又称连锁图又称连锁图( (linkagemaplinkagem

26、ap),),是以具有遗传多态性的遗传标记作为是以具有遗传多态性的遗传标记作为“位标位标”，遗传，遗传学距离为学距离为“图距图距”的基因组图。的基因组图。 需要应用多态性标志需要应用多态性标志RFLPRFLP、VNTRVNTR（串联重复顺序（串联重复顺序多态性）、多态性）、SNPSNP。B.B.物理图谱（物理图谱（physical mapphysical map）：）：是以一段已知核苷是以一段已知核苷酸的酸的DNADNA片段为片段为“位标位标”, ,以以DNADNA实际长度实际长度(Mb(Mb或或Kb)Kb)作作为图距的基因组图。为图距的基因组图。基因组学时代基因组学时代C.C.转录图（转录图（

27、transcription map)transcription map)：是以表达是以表达序列标记序列标记(expressed sequence tags,EST)(expressed sequence tags,EST)作为位标，实际上就是人类作为位标，实际上就是人类“ “ 基因图基因图” ” 的的雏雏形形，又称，又称cDNAcDNA图或图或“表达序列图表达序列图”。D.D.序列图序列图(sequence map)(sequence map)：也就是人类基因组也就是人类基因组核苷酸序列图，是分子水平上最高层次、最详核苷酸序列图，是分子水平上最高层次、最详尽的物理图。尽的物理图。基因组学时代基

28、因组学时代物理图谱序列图谱遗传图谱转录图谱这四张图被誉为人类这四张图被誉为人类“分子水平上的的解剖图分子水平上的的解剖图”或或“生命元素周期表生命元素周期表”，可见其重要性。，可见其重要性。基因组学时代基因组学时代3. HGP3. HGP的几个阶段性工作的几个阶段性工作（1 1）在）在20002000年年6 6月月完成完成“工作框架图工作框架图”。（2 2）在）在20012001年年2 2月月1515日、日、1616日日NatureNature、ScienceScience几乎同时几乎同时发表人类基因组的草图发表人类基因组的草图, ,人类基因组计划的测序基本完成。人类基因组计划的测序基本完成。

29、（3 3）20012001年年完成的序列图谱完成的序列图谱。基因组学时代基因组学时代（4 4）20032003年年4 4月）月）HGPHGP正式宣告全部完成正式宣告全部完成, ,各项指标均如各项指标均如期完成。期完成。（5 5） 2005 2005年年2 2月月1818日首次公布人类日首次公布人类基因差异图谱基因差异图谱，从而，从而向真正向真正个人化医疗个人化医疗迈进了一大步。迈进了一大步。（6 6）20042004年年1010月月2121日日, ,认为人类只有认为人类只有2 2万万 2.52.5万个基因万个基因, ,比原先预计的比原先预计的1010万个基因数要少得多。万个基因数要少得多。最新

30、研究显示人类基因数量比原先估计少得多，这是人最新研究显示人类基因数量比原先估计少得多，这是人类与其他种类基因数量的比较类与其他种类基因数量的比较30,000Mouse基因组学时代基因组学时代（五）（五）20012001后基因组学时代后基因组学时代（标志：标志：功能基因组学、蛋白质组学的功能基因组学、蛋白质组学的兴起标志着后基因组学时代的开始兴起标志着后基因组学时代的开始）后基因组学时代后基因组学时代三、基因组学的发展历程三、基因组学的发展历程基因组计划基因组计划 模式微生物基因组计划模式微生物基因组计划 模式植物基因组计划模式植物基因组计划 模式动物基因组计划模式动物基因组计划 人类基因组计划

31、人类基因组计划 流感嗜血杆菌( haemophilus influenzae)1995 年7 月第一个细菌基因组全序列发表,大小为1.8 Mb。含1703 个基因或开放阅读。这是微生物乃至整个生物学领域的一个里程碑 (Science) 1997 年9 月,大肠杆菌的完整基因图谱已绘制成功, 基因组全序列完成, 全长为5Mb ,共有4 288 个基因,同时也搞清了所有基因产物的氨基酸序列. 啤酒酵母，1997年，第一个真核生物基因组图谱公布。 秀丽线虫( caenorhabditis elegans) 1998 年12 月完成了基因组测序。基因组大小100 Mb ,分布于6 条染色体,预测有19

32、，099 个基因。 果蝇：Celera公司2000 年3 月宣布了基因组全序列为180 Mb。有13 601 个基因,其中一半的基因功能还没有搞清楚,有1 600 个碱基跨度区仍未能完全测序 2000 年12 月,第一个植物基因组拟南芥基因组被全部测序,遗传图谱、物理图谱建立,序列大小为125 Mb。基因组测序区段覆盖了全基因组的115.4 Mb ,分析共含有25 498 个基因, 编码蛋白来自11 000 个家族。 2001年2月中旬，Nature与Science分别发表了人类基因组工作框架图,报告人类基因组共有30 亿个碱基对, 预测编码基因31 000个,比最初预测的10 万个编码基因数

33、大大减少。 2002年4月，水稻基因组图谱公布。 2002年，小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成 鼠基因组共有约27亿个碱基对，比人类少15，但其包含的基因数目约在3万个左右，与对人类基因数的最新估计非常接近。疟原虫的疟原虫的裂殖子裂殖子疟原虫破坏疟原虫破坏两个红细胞两个红细胞人被蚊子咬之后5到10分钟，疟原虫孢子就会到达肝脏，入侵肝细胞，在这里它们可以躲过人体免疫系统的攻击。孢子侵吞肝细胞的营养，大量地分裂繁殖，大概一个星期之后胀破肝细胞跑出来，将数以百万计的新孢子释放进入血液。新的孢子马上入侵红细胞，再次逃过免疫系统的追杀。它们以血红蛋白为食，继续繁殖，大概两天后破坏红细胞，产生更多的孢子入

34、侵其它红细胞用不了多久，2/3的红细胞都会被疟原虫占领。疟原虫在血液里这种周期性的繁殖过程，就会导致病人三天两头地发高烧、打寒战。 人肝细胞内间日疟原虫（Plasmodium vivax）细胞前期成熟裂殖体疟原虫是疟疾的病原体，分布区几乎遍及全球。间日疟原虫是四种寄生于人体的疟原虫之一。 2003年人类基因组计划宣布，人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现 人类遗传变异图谱研究以及黑猩猩基因组测序计划开始 2003年11月，世界上首个复杂生物体的蛋白图谱果蝇蛋白图谱公布，从而实现了只显示遗传密码的基因图谱到揭示遗传密码功能的蛋白图谱的飞跃 这个果蝇（Drosophila m

35、elanogaster）蛋白图谱发表在科学杂志的网络版上 这篇研究发布的这个含有7,000多个果蝇蛋白的图谱含盖了这些蛋白之间超过20,000种不同的互作 这些果蝇蛋白有许多与人类蛋白类似，适于作为研制小分子药物如用于治疗癌症、心脏病和糖尿病的口服药片等的靶点 2004年月日 多国科学家组成的两个研究小组宣布绘制出鸡的基因序列草图和遗传差异图谱。科学家选取了家鸡的远祖红原鸡为测绘对象，绘制出了草图中约10亿个碱基对，相当于人类的三分之一 科学家在日出版的Nature杂志上载文说，分析发现，红原鸡约有万到2.3万个遗传基因，与人类数量基本持平，其中有60与人类相同。 鸡基因组的分析还仅仅是开始，

36、不过已经得出了一些出人意料的结果。 科学家们发现，控制鸡生成角蛋白的基因与预想的不同。角蛋白构成人类的头发、指甲，以及鸟类的喙和羽毛，科学家一直认为哺乳动物和鸟类的角蛋白来源相同。但图谱显示，鸡的角蛋白基因与哺乳动物的区别很大。 科学家由此推测，角蛋白可能独立进化出了两次。意外的发现意外的发现 另外，此前科学界一致认为鸡没有嗅觉，但是分析结果表明鸡具有大量的嗅觉基因，味觉基因却很缺乏。 分析还发现，鸡缺乏人类所具有的产生乳汁、唾液和牙齿的基因。鸡基因组研究的意义 鸡是研究低等脊椎动物和人类等哺乳动物的一种比较理想的中介。 将人类基因组与鸡等其他生物的基因组进行比较，有助于更深入理解人类基因的结

37、构和功能，进而开发治疗疾病的新手段，对于培育优质鸡种、改善食品安全、控制禽流感病毒的蔓延也有重要意义。 鸡是种常见的家禽，长期受到进化生物学家的青睐。它的基因序列也有助于科学家了解农业和进化学上重要特性的遗传学基础。鸡的进化研究转基因小鸡 对鸡和人类的基因组进行比较后发现约七千万个碱基对是共有的。 这暗示着在大约三亿一千万年前二个物种从共同祖先分化出来的时候，遗传物质具有守恒性。 有研究认为：鸡和所有的哺乳动物多起源于恐龙鸟类的祖先始祖鸟“分道扬镳” 在鸟类和哺乳动物分离的时候，鸡获得了生成羽毛和喙的蛋白质的基因，而哺乳动物获得了毛皮蛋白质的基因，丧失了与蛋清和蛋黄有关的基因。 鸡的基因组比哺

38、乳动物的紧凑的多，它拥有20万到23万个基因，但仅有十亿个DNA碱基，而同样多的基因人类需要三十亿个碱基。鸡的基因数量与哺乳动物的相当，但它的基因组含有重复的“垃圾”DNA的数量很少。我国科学家在鸡基因组学研究上的重大突破中国科学院北京基中国科学院北京基因组研究所在国际因组研究所在国际合作的框架下参与合作的框架下参与和主持完成的和主持完成的原鸡原鸡基因组和家鸡基因基因组和家鸡基因组多态性研究组多态性研究并于并于2004年年12月月9日发日发表在自然杂志表在自然杂志上以主题科学论文上以主题科学论文的形式发表。的形式发表。Science发表论文 我国家蚕基因组研究获国际认可2004年12月10日西

39、南农业大学家蚕基因组研究群体的研究论文家蚕基因组框架图，于12月10日在国际顶尖科研杂志Science上发表，这标志着重庆市家蚕基因组研究成果已得到国际学术界的认可。 丝腺是合成茧丝蛋白质的生物器官，是蚕丝产业的生物学基础。 科学家通过分析家蚕基因组和基因表达谱，发现了1874个家蚕丝腺特异基因，其中97为新发现；发现了丝腺中激素活动的证据； 科学家甚至比较了家蚕与被称为“生物钢”的蜘蛛丝的生产者蜘蛛的基因构成，发现了它们共同拥有的个基因。 这些功能基因的获得和功能分析的深入开展，将彻底突破茧丝蛋白质合成相关基因克隆和研究的瓶颈。 而随着家蚕丝腺特异基因研究的深入，中国将很快在改造丝蛋白质结构

40、，克服丝绸天然加工弱点等重要产业技术的研发方面取得突破。Genome sizesOrganismDNA lengthGenesMycoplasma genitalium0.5 Mb 470Deinococcus radiodurans 3 Mb in 4-10 copies!3 200Escherichia coli 4.5 Mb4 400Saccharomyces cerevisiae 12 Mb6 200Caenorhabditis elegans9 7 Mb22 000Drosophila melanogaster120 Mb18 000Homo sapiens3200 Mb32 000

41、 三、后基因组学产生的背景遗传信息并不直接参与生命活动遗传信息并不直接参与生命活动。一个基因所。一个基因所含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终导致了相应的蛋白质形成，导致了相应的蛋白质形成，蛋白质再参与到生蛋白质再参与到生命的各种活动中去。命的各种活动中去。不管怎么说，人类基因组计划（不管怎么说，人类基因组计划（HGPHGP）经过各）经过各国科学家十几年的的努力，人类基因组计划已取国科学家十几年的的努力，人类基因组计划已取得了巨大成绩得了巨大成绩, ,整个计划已提前完成整个计划已提前完成. .所取得的划所取得的划时代研究成果时代研究成果人类基因草图的

42、完成宣告了一个人类基因草图的完成宣告了一个新的纪元新的纪元“ “ 后基因组学（后基因组学（post-genomicspost-genomics）时）时代代”的到来。的到来。后基因组学时代要做的工作，就是后基因组学时代要做的工作，就是如何将人如何将人类基因组计划所获知的人类基因序列转变为类基因组计划所获知的人类基因序列转变为对人类自身奥秘的认识？如何对这些基因加对人类自身奥秘的认识？如何对这些基因加以利用？以利用？功能基因组学将成为新世纪最大战略资源功能基因组学将成为新世纪最大战略资源人类基因资源夺战的重要人类基因资源夺战的重要“战场战场” ” 。 功能基因组学主要是采用一系列新技术，对功能基因

43、组学主要是采用一系列新技术，对成千上万成千上万的基因表达进行分析比较，并从基的基因表达进行分析比较，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述。因整体水平上对基因的活动规律进行阐述。它抛弃了经典它抛弃了经典分子生物学零敲碎打分子生物学零敲碎打地研究个地研究个别基因的习惯，力求从细胞水平上解决基因别基因的习惯，力求从细胞水平上解决基因组问题，以建立对生命现象的整体认识。组问题，以建立对生命现象的整体认识。 在过去的在过去的5050多年内，实验生命科学的多年内，实验生命科学的主主要目标要目标是寻找是寻找特定的特定的基因基因或或蛋白质蛋白质，从，从 而在分子水平上根据而在分子水平上根据个别的个别的基

44、因基因或或蛋白蛋白质质行为来行为来解释生命活动解释生命活动。随着科学的发展，人们逐渐认识到，过去得随着科学的发展，人们逐渐认识到，过去得到的图景过于到的图景过于简单简单。生命实际上是一个由。生命实际上是一个由成成千上万种千上万种基因、蛋白质和其他化学分子基因、蛋白质和其他化学分子相互相互作用构成的作用构成的复杂系统复杂系统；对于高等生物而言，；对于高等生物而言，除了除了分子层面分子层面的复杂行为外，还有着的复杂行为外，还有着细胞、细胞、组织和器官等不同层面组织和器官等不同层面的复杂活动；生命现的复杂活动；生命现象是这样一种复杂系统的整体行为。象是这样一种复杂系统的整体行为。四、后基因组学的主要

45、研究内容与发展趋势 20 20世纪是以世纪是以核酸的研究核酸的研究为中心，带动了生命为中心，带动了生命科学不断向纵深发展：科学不断向纵深发展： 50 50年代的年代的DNADNA双螺旋结构，双螺旋结构， 60 60年代的操纵子学说，年代的操纵子学说， 70 70年代的年代的DNADNA重组重组, , 80 80年代的年代的PCRPCR技术，技术， 90 90年代的年代的DNADNA测序测序, , 21 21世纪的蛋白质组技术、基因（生物）芯片技世纪的蛋白质组技术、基因（生物）芯片技术、术、RNAiRNAi技术、干细胞研究等都具有里程碑的意义。技术、干细胞研究等都具有里程碑的意义。将生命科学带向

46、一个：将生命科学带向一个：由宏观到微观再到宏由宏观到微观再到宏观、由分析到综合的时代观、由分析到综合的时代。那么，。那么，2121世纪生命世纪生命科学发展趋势怎样呢？随着科学发展趋势怎样呢？随着“人类基因组计划人类基因组计划”的实施和完成，人类基因组研究的重点正在由的实施和完成，人类基因组研究的重点正在由“结构结构”向向“功能功能”转移。转移。在在2121世纪的生命科学世纪的生命科学后基因组学后基因组学时代，主要时代，主要的的重点研究领域重点研究领域有那些呢？有那些呢？（一）功能基因组学（一）功能基因组学（Functional genomicsFunctional genomics）（二）转录

47、组学（二）转录组学（TranscriptomicsTranscriptomics）（三）蛋白质组学（三）蛋白质组学 （Proteomics)Proteomics)（四）代谢组学（四）代谢组学 (Metabolomics)(Metabolomics)（五）糖组学（五）糖组学 (Glycomics)(Glycomics)（六）表型组学（六）表型组学(Phenomics)(Phenomics) 因此，我们认为，因此，我们认为，2121世纪的生命科学主要世纪的生命科学主要的的重点研究领域重点研究领域有：有：（七）相互作用组学（七）相互作用组学(Interactomics)(Interactomics)

48、以上内容构成了后基因组学的以上内容构成了后基因组学的时代特征时代特征、主要、主要研究内容研究内容和和发展趋势发展趋势。我们有理由相信，后基因组计划将比人类基因我们有理由相信，后基因组计划将比人类基因组计划更宏伟，将给人类社会和人们的生活带来更组计划更宏伟，将给人类社会和人们的生活带来更加深刻的影响。加深刻的影响。（九）生物信息学（九）生物信息学(Bioinformatics)(Bioinformatics)( (十十) ) 脑研究脑研究(Brain Research(Brain Research；脑计划；脑计划,Brain,BrainProject ) Project ) （神经、认知、记忆、

49、智力等等）（神经、认知、记忆、智力等等）（八）免疫组学（八）免疫组学(Immnuomins)(Immnuomins)所需要的生物学技术所需要的生物学技术1. 1. 重组重组DNADNA技术；技术；2. PCR2. PCR技术；技术；3. DNA3. DNA测序技术；测序技术；4. 4. 转基因技术；转基因技术；5. 5. 基因敲出与基因敲入；基因敲出与基因敲入；6. RNAi6. RNAi技术；技术；7. 7. 生物信息学技术；生物信息学技术；8. 8. 蛋白质研究技术；蛋白质研究技术；9. 9. 组合化学技术；组合化学技术；10.10.生物芯片（生物芯片（DNADNA芯片、蛋白芯片）技术；芯片、蛋白芯片）技术；思考题思考题1.1.基因组与基因组学的概念基因组与基因组学的概念. .2.2.基因组学包括哪些研究内容基因组学包括哪些研究内容? ?3.3.基因组学的历史变革与发展趋势基因组学的历史变革与发展趋势? ?4.4.凡是疾病都与基因有关凡是疾病都与基因有关 ? ?5.5.基因组学的发展与人类的生存、生活及健基因组学的发展与人类的生存、生活及健 康的关系？康的关系？讨论课人类基因组学人类基因组学研究内容研究进展科学意义、社会意义、经济意义伦理学问题