较基因组学原理.ppt

种间比较基因组学研究马寿光黄继通过对不同亲缘关系物种的基因组序列进行比较，能够鉴定出编码序列、非编码调控序列及给定物种独有的序列。而基因组范围之内的序列比对，可以了解不同物种在核苷酸组成、同线性关系和基因顺序方面的异同，进而得到基因分析预测与定位、生物系统发生进化关系等方面的信息。系统发生的进化关系分析全基因组的比较研究添加标题添加标题1.全基因组的比较研究比较基因组学的基础是相关生物基因组的相似性。两种具有较近共同祖先的生物，它们之间具有种属差别的基因组是由祖先基因组进化而来，两种生物在进化的阶段上越接近，它们的基因组相关性就越高。如果生物之间存在很近的亲缘关系，那么它们的基因组就会表现出同线性(synteny)，即基因序列的部分或全部保守。Synteny可以这样假设,人与小鼠或其它哺乳动物有一个共同的祖先,在漫长的进化中,染色体发生断裂,重排,加上基因内部的变化,成为各种不同的物种。但是未发生断裂重排的完整片段内部的基因组织和连锁顺序在不同的物种中保持不变,这就是synteny,是基因组比较作图的基础所在。在各种不同的物种中,绝大多数的核心生物功能是由相当数量的orthologous蛋白承担,所谓or-thologous蛋白就是一些在不同物种中有共同祖先的蛋白质。在不同的物种中这些蛋白的数量十分相似,它们主要是在生物体中执行中介代谢,DNA,RNA代谢,蛋白折叠,trafficking,和降解的功能。在较为复杂的生物中,随着功能不断地复杂,就会出现许多蛋白以执行其复杂的功能,而维持最基本生命活动的蛋白是保守的。两种物种中蛋白总数上的差别是由承担各自特有任务的蛋白数目的不同而造成的。可以利用模基因组之间编码顺序上和结构上的同源性，通过已知基因组的作图信息定位另外基因组中的基因，从而揭示基因潜在的功能、阐明物种进化关系及基因组的内在结构。PARTONE人类与多个灵长类动物的比较基因组学研究，在阐明灵长类特异基因调节元件和划分多基因的外显子方面显示出了很大的优势。林木可与拟南芥（已经获得了全基因组序列，一些基因的功能已被注释）和毛果杨等功能基因组研究较深入的物种进行比较基因组学研究，这将为林木上相关基因功能的研究提供便利。2.系统发生的进化关系分析生物最本质的特征是进化，比较基因组学同样以进化理论作为理论基石，同时其研究结果又前所未有地丰富和发展了进化理论。当在两种以上的基因组间进行序列比较时，实质上就得到了序列在系统发生树中的进化关系。基因组信息的增多使得在基因组水平上研究分子进化、基因功能成为可能。通过对多种生物基因组数据及其垂直进化、水平演化过程进行研究，就可以对与生命至关重要的基因的结构及其调控作用有所了解。但由于生物基因组中约有1．5％～14．5％的基因与“横向迁移现象”有关，即基因可以在同时存在的种群间迁移，这样就会导致与进化无关的序列差异。横向迁移现象对人类基因组的分析发现，有几十个人的基因只与细菌基因相似，而在果蝇、线虫中都不存在。如果以人的这些基因序列来研究进化将会得到荒谬的结论。所以在当前的分子进化研究中必须选择垂直进化的分子作为样本。并且在系统发生分析中需要建立较完整的生物进化模型，以避免基因转移和欠缺合适的多物种共有保守序列的影响。Z曲线的GC轮廓图方法基因组序列变换为等价的三维空间曲线——Z曲线，经过适当的投影和座标旋转后得到Z’曲线，后者又称为累积GC轮廓图（CumulativeGCprofile）。定义：在基因组某一碱基处的G+C含量正比于Z’曲线在该点切线的斜率。而在某一窗口中的平均G+C含量则正比于此量在该窗口内的定积分。对于任一给定的DNA序列，有唯一的一条Z曲线与之对应；反之，给定一条Z曲线，它所代表的DNA序列可以唯一地导出。因此，Z曲线携带了DNA序列的全部息。对两个基因组或染色体序列的比较，可以通过对它们所对应的Z曲线的比较来进行。自1977年出现DNA测序技术至今，添加标题01单击此处添加小标题第二代测序技术03单击此处添加小标题第一代测序技术02单击此处添加小标题第三代测序技术04测序技术的出现及第一代测序技术测序技术的出现1975年，Sanger和Coulson发明了“加减法”测定DNA序列；1977年，又引入ddNTP,发明了双脱氧终止法；1977，Maxam和Gilbert发明了化学降解法测定DNA序列。Fig1.双脱氧终止法测序第一代测序技术传统的化学降解法、双脱氧链终止法以及在它们的基础上发展来的各种DNA测序技术统称为第一代DNA测序技术。第一代测序技术在分子生物学研究中发挥过重要的作用，如人类基因组计划主要基于第一代DNA测序技术。目前基于荧