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1 第七章 基因工程和基因组学 第一节 基因工程原理 转基因烟草来自荧火虫的荧光素酶 果蝇转基因 β 半乳糖苷酶 浙江大学第七章基因工程和基因组学 1 浙江大学第七章基因工程和基因组学 2 一 基因工程概述 1. 概念 基因工程 : 在分子水平上, 采取工程建设方式 按照 预先设计的蓝图 借助于实验室技术将某种生物的基因或 基因组转移到另一生物中去 使后者定向获得新遗传性状 的一门技术 基因工程技术 ( 重组 DNA 技术 ) 的建立, 使实验生物学领 域产生巨大变革 浙江大学第七章基因工程和基因组学 3 2. 发展 1971 年史密斯 (Smith H. O.) 等人从细菌中分离出的一种限制性酶 酶切病毒 DNA 分子, 标志着 DNA 重组时代的开始 1972 年伯格 (Berg P.) 等用限制性酶分别酶切猿猴病毒和 λ 噬菌体 DNA, 将两种 DNA 分子用连接酶连接起来 得到新的 DNA 分子 1973 年科恩 (Cohen S.) 等进一步将酶切 DNA 分子与质粒 DNA 连接起来, 并将重组质粒转入 E. cloi 细胞中 浙江大学第七章基因工程和基因组学 年, 美国食品卫生和医药管理局批准, 用基因工程在细菌中生产人的胰岛素投放市场 1985 年, 转基因植物获得成功 1986 年,Mullis 发明了 PCR 技术, 专利转让达 3 亿美元 1994 年, 延熟保鲜的转基因番茄商品生产 1997 年,Wilmut 研究小组报道用胎儿细胞为核供体, 获得了表达治疗人血友病的凝血因子 IX 转基因克隆羊 波莉 3. 基因工程主要步骤 1. 分离和鉴定目的基因 ; 2. 构建的重组 DNA 分子 基因的体外重构 ; 3. 转基因技术 把重组 DNA 分子引入宿主受体细胞 ; 4. 筛选重组子 具有重组 DNA 的无性繁殖系或个体 ; 5. 外源基因在受体细胞中正常表达, 翻译成蛋白质等基 因产物 回收 ; 或筛选出获得定向性状变异的个体 浙江大学第七章基因工程和基因组学 6

2 二 基因的分离与鉴定一般而言, 一个基因 是编码一条多肽链的一个 DNA 片段, 包括启动子 终止子及内含子等 分离基因的方法和策略有很多 : 主要有从基因文库中分离 PCR 同源扩增等方法 浙江大学第七章基因工程和基因组学 7 1. 从基因库中分离基因 (1). 基因库 (library) 是一组 DNA 和 cdna 序列克隆的集合体 从基因库中分离基因, 首先要构建基因库 根据克隆核酸序列 来源, 基因库可分为 : 核基因库 染色体库 cdna 库 线粒体库等 散弹枪法构建基因文库 浙江大学第七章基因工程和基因组学 8 (2). 筛选基因库根据待选基因相关信息 确定筛选方法和条件 从基因库中筛选 分离基因 筛库过程 : 利用一段核苷酸序列 (DNA cdna 或寡聚核苷酸 ) 或抗体作探针 (Probe) 用放射性同位素 ( 或非放射性荧光素 ) 标记探针 探针与印影在硝酸纤维膜上噬菌体 DNA 变性进行杂交 放射性自显影 ( 荧光显色 ) 杂交信号 ( 黑点 ) 对应的噬菌斑即为阳 探针 DNA 片断从何而来? 方法较多 : 如果已分离出蛋白质, 则根据目的蛋白的氨基酸序列, 只要其中 N- 端 个氨基酸序列, 按三联密码转为 核苷酸序列, 人工合成, 即为探针 DNA 片断 如果有紧密连锁的分子标记, 则可用分子标记的部分序列用作探针 性克隆 浙江大学第七章基因工程和基因组学 10 (3). 阳性克隆的分析与鉴定从基因库中筛选出阳性克隆 分析 鉴定 测序 确定目的基因 ⑴. 限制性酶图谱构建阳性克隆的限制性酶图谱 根据同源性分析, 了解阳性克隆片段的酶切位点及相对位置 用于进一步亚克隆或同已知的其它序列比较 图 : 一个 15kb DNA 片段的限制性酶图谱构建方法 不同 DNA 用限制性酶酶切, 根据其产生的多型性, 即限制性酶片段长度的多型性 来分析 DNA 水平的变异程度, 以 RFLP 作为分子标记进行基因组图谱分析 CK Not I Sal I Not I + Sal I 浙江大学第七章基因工程和基因组学 11 浙江大学第七章基因工程和基因组学 12

3 ⑵. 核酸分子杂交 Southern 杂交分析 : 由英国 Southern (1975) 发明, 将琼脂糖中的 DNA 转移到尼龙膜 进行 ⑶. 核酸序列测定测定克隆后的 DNA 片段核酸序列 一般采用桑格 ( Sanger F. ) 于 1977 年发明的双脱氧核糖核酸终止法测定核酸序列 因其开创的测序研究工作, 于 1980 年, 获诺贝尔化学奖 DNA 分子杂交分析的方法 筛选基因库得到阳性克隆 将限制性酶酶切与 Southern 杂交结合 绘制限制性酶图谱 浙江大学第七章基因工程和基因组学 13 浙江大学第七章基因工程和基因组学 PCR 扩增基因聚合酶链式反应 (polymerase chain reaction,pcr) 可以体外快速扩增 DNA 该技术由美国穆利斯 (Mullis K.,1986) 发明, 对分子遗传学研究产生重大影响, 是现代生物学发展史上的里程碑 1985 年 12 月 20 日, 科学 上发表第一篇有关 PCR 论文 ; 1987 年 6 月, 批准了 PCR 的专利, 西特斯公司专利转让获利 3 亿美元 ; 1988 年,Taq 酶试剂和自动 PCR 仪上市 ; 1993 年, 穆利斯因发明 PCR 技术而获诺贝尔化学奖 但是他的许多同事, 在 PCR 的理论至实践过程中起到关键作用 浙江大学第七章基因工程和基因组学 15 PCR 反应原理 ( 一个循环 ): 1. 变性 :94~95 使模板 DNA 双链变成单链 ; 2. 复性 :50~70 下, 引物分别与互补 DNA 单链互补配对 ; 3. 延伸 : 在引物的引导和 Taq 酶作用下,72 下合成模板 DNA 的互补链 PCR 的三个步骤为一次循环, 约需 5~10 分钟 每经一次循环, 目的基因扩充一倍 经过 20 次循环, 即可扩增 10 6 倍, 只需几个小时 浙江大学第七章基因工程和基因组学 16 如何用 PCR 技术准确的克隆目的基因? 关键是如何设计目的基因两端的引物 : 同源克隆 : 根据在其他相近物种中已克隆的基因序列 (gene bank), 设计基因两端的引物来扩增基因 ; 如 : 根据水稻中的基因 玉米中相关的基因 反向遗传学 : 由蛋白质序列根据遗传密码来推测基因的 DNA 序列, 设计简并引物扩增生物体中的目的基因序列 PCR 仪 三 DNA 分子体外重组 体外通过限制性内切酶进行 DNA 修剪 ; 目标 DNA 分子 + 载体 DNA, 用连接酶进行共价连接 ; 获得重组 DNA 分子 ; 转化细菌 繁殖重组 DNA 分子 进一步构建基因 浙江大学第七章基因工程和基因组学 17 浙江大学第七章基因工程和基因组学 18

4 1. 限制性内切酶 (restriction enzyme) 一种水解 DNA 的磷酸二脂酶, 遗传工程中重要工具 限制性内切酶的类别 : 第 Ⅰ 类酶 ( 切割部位无特异性 ): 基因工程中很少应用如 EcoB( 大肠杆菌 B 株 ) EcoK( 大肠杆菌 K 株 ) 等 第 Ⅱ 类酶 ( 切割部位有特异性 ): 重要工具 识别特定碱基顺序, 为回文对称序列 (palindrome, 又称反向重复序列, 从两个方向阅读其序列相同的序列 ) 第 Ⅱ 类酶切割有两种方式 : 以直线方式切割产生平齐末端 (blunt ends), 如 Sma I: 以交错方式切断产生粘性末端 (sticky ends), 如 BamH I: 浙江大学第七章基因工程和基因组学 19 浙江大学第七章基因工程和基因组学 载体 (vector) 运载工具 : 将 目的 基因导入受体细胞的运载工具 DNA 片段 适合的载体 DNA 重组 DNA 在载体 DNA 的运载下, 高效率地进入宿主细胞, 并在其中进行复制 进一步的操作 载体有多种, 常用的有 : 质粒 DNA: 环状双链小分子 DNA, 适于做小片断基因的载体 噬菌体 DNA: 线状双链 DNA, 适于做大片断基因的载体 细菌质粒 : 质粒是细菌细胞内独立于细菌染色体而自然存在的 能自我复制 易分离和导入的环状双链 DNA 分子 可用质粒构建重组 DNA 分子 转化细菌 繁殖重组 DNA 浙江大学第七章基因工程和基因组学 21 浙江大学第七章基因工程和基因组学 22 λ 噬菌体 ( 温和型 ): 基因组全长为 49kb 噬菌体 DNA 中间约 2/3 的序列为中间基因簇, 两端为 DNA 左 右臂 中间基因簇可被外源 DNA 替代而不影响侵染细菌能力 能接受 15kb 外源 DNA 片段 作为 cdna 或核 DNA 克隆载体 优点 : 不易引起生物危害, 有助于 目的 基因进入细胞并增殖 ; 携带大片段外源 DNA 分子, 占总量 25% 时仍不失活 四 转基因的方法和技术四 转基因的方法和技术 ㈠ 基因转化的方法 浙江大学第七章基因工程和基因组学 24

5 1. 根癌农杆菌转化技术 根癌农杆菌介导的植物转化技术应用最早 ( 双子叶植物 单子叶植物 ) 农杆菌转化过程 : 过程 : 将目的基因与启动子 ( 花椰菜病毒 35S) 及终止子组成嵌合 DNA 分子 插入到 Ti 衍生质粒 RB 与 LB 内构成重组质粒 转化农杆菌细胞 利用重组农杆菌去感染植物细胞 使质粒部分 DNA 包括目的基因, 整合到植物染色体, 实现 遗传转化 利用抗草甘磷 (glyphosate) E. coli 中分离克隆的 EPSP 合成酶基因, 已培育出高抗除草剂转基因植物 浙江大学第七章基因工程和基因组学 基因枪转化技术以高压气体为动力, 高速发射包裹有重组 DNA 的金属颗粒 将目的基因直接导入植物细胞 整合到染色体上 转化的载体多以 puc 系列质粒为基础构建 通常具有 不同基因枪类型的共同特点 : 是用一种动力系统将金属微粒和包被 DNA 导入受体细胞或组织进行转化 1. 位于高压气体桶底部的爆破片 ; 2. 载有重组 DNA 和金属 细菌复制原点及抗性选择标记 可在植物中表达的启动子终止子及调控序列 植物抗性选择标记 ( 如除草剂 潮霉素等抗性 ) 浙江大学第七章基因工程和基因组学 27 抽真空 微粒的大载体 ; 3. 阻挡板 ; 4. 包裹有重组 DNA 的金属微粒 ; 5. 被轰击样品 3. 受精卵细胞注射法用于动物转基因 : 目的基因 载体 重组 DNA 微量注射法将重组 DNA 导入受体合子细胞核 遗传转化 ㈡ 转化子的筛选 转化子 : 整合有外源基因的细胞 组织或个体 筛选原理 : 在构建转化质粒时, 一般将外源基因与选择标记基因串连在一起 两者一同进入宿主细胞 根据标记基因在培养基中施加选择压 ( 加相应的化学物质 ) 未携带标记基因的细胞死亡 携带有标记基因 ( 同时也串连有目的基因 ) 的细胞存活 转化子 水稻基因转化中, 经潮霉素选择后的愈伤组织状态, 箭头所示的为转化子愈伤组织

6 ㈢ 转基因个体再生和外源基因表达 转基因个体的产生 : 来自荧火虫的荧光素酶基因的烟草 植物 : 愈伤组织诱导, 分化成苗 动物 : 胚胎移植, 发育成个体 转基因鼠胚胎, 牛乳糖酶基因特异表达 外源基因表达 : 重组 DNA 分子进入寄主细胞后, 目的基因能否表达, 表达效率高低, 还有很大差别 表达通常是指目的基因编码的蛋白质合成 生物反应器中基因工程的最后一个步骤, 是把所获得的蛋白质分离纯化, 得到蛋白质产品 生产基因工程产品的生物反应器 浙江大学第七章基因工程和基因组学 31 浙江大学第七章基因工程和基因组学 32 金稻的产生 :Ye, et al., 2000, SCIENCE,287: 应用转基因技术把番茄红素合成酶 去饱和酶和环化酶基因同时导入水稻, 将 β- 胡萝卜素 ( 维生素 A 前体 ) 的合成途径引入水稻的胚乳中 对照三个基因仅前二个基因 第二节基因工程的应用 目前, 基因工程研究发展迅速, 已取得一系列重大突破 基因工程技术已广泛用于工业 农业 畜牧业 医学 法学等领域, 为人类创造了巨大的财富 具有生长激素的转基因鼠 浙江大学第七章基因工程和基因组学 33 浙江大学第七章基因工程和基因组学 34 一 基因工程工业最早应用基因工程生产人的蛋白质的方法是在细菌中表达人的胰岛素 (1982) 基因工程生产人的胰岛素的方法如图所示 现已在细菌中生产 10 多种 药品, 例如表皮生长因子 人生长激素因子 干扰素 乙型肝炎工程疫苗等 目前, 酵母菌 植物悬浮细胞 植株和动物培养细胞均成功地应用于表达外源蛋白 基因工程应用大肠杆菌生产人类生长激素 浙江大学第七章基因工程和基因组学 36

7 基因工程创造的财富 : 胰岛素 1000 磅牛胰 10 克胰岛素 ; 200 升发酵液 10 克胰岛素 ; 干扰素 1200 升人血 2-3 万美元 / 病人 ; 1 升发酵液 美元 / 病人 ; 二 植物基因工程植物基因转化是指将外源基因转移到植物细胞内 并整合到植物基因组中稳定遗传和表达的过程 农杆菌转化法和基因枪转化法应用最多 利用抗草甘磷 (glyphosate) E. coli 中分离克隆的 EPSP 合成酶基因, 已培育出高抗除草剂转基因植物 抗除草剂转基因水稻 浙江大学第七章基因工程和基因组学 37 对照 抗虫稻 转基因作物已开始广泛种植 : 面积 ( 万公顷 ) 年份 1996 年全世界转基因植物种植面积为 170 万公顷,1997 年为 1100 万公顷,1998 年 2780 万公顷,1999 年 3990 万公顷,2000 年 4420 万公顷,2001 年 5260 万公顷,2002 年 5000 万公顷 2001 年种植面积 >100 万公顷的转基因作物 : 大豆 (3330 万 hm 2, 占全世界转基因作物的 63%, 均为抗除草剂大豆 ) 玉米(980 万 hm 2, 占 19% ) 棉花(680 万 hm 2, 占 13% ) 油菜(270 万 hm 2, 占 5% ); 其它还有水稻 小麦 花生 向日葵 亚麻 甘蓝 马铃薯等, 番茄 烟草 南瓜和木瓜等 50 多种转基因作物已培育成功 主要分布在美国 (3570 万 hm 2 ) 阿根廷(1180 万 hm 2 ) 加拿大 (320 万 hm 2 ) 和中国 (150 万 hm 2 ) 等国 浙江大学第七章基因工程和基因组学 年我国的转基因农作物和林木已达 22 种, 其中 面积 ( 万公顷 ) 转基因棉花 大豆 马铃薯 烟草 玉米 花生 菠菜 甜椒 小麦等进行了田间试验, 转基因棉花已经大规模 商品化生产 对照 转基因抗棉铃虫品种 总大豆棉花油菜玉米 总面积转基因 2001 年全世界转基因作物占相应作物种植总面积的比较 浙江大学第七章基因工程和基因组学 41 浙江大学第七章基因工程和基因组学 42

8 三 转基因动物转基因动物首先在小鼠获得成功 现在转基因动物技术已用于牛 羊, 使得从牛 / 羊奶中可以生产蛋白质药物, 称为 乳腺反应器 工程 这是生物制药全新的生产模式, 国际上已经成为生物技术领域发展的重要方向 美国开发了可生产人凝血酶原 III 的转基因羊 ; 英国 PPL 制药公司也培育出可制造人抗胰蛋白酶和人类生长因子 Ⅸ 的转基因羊 ; 荷兰制药公司制备了可大量生产人乳铁蛋白和促红细胞生成素 (EPO) 的转基因牛 生物高科技技术所带来的直接经济效益相当可观, 并且每年大幅度快速增长 根据预测 : 2005 年, 仅是美国的乳腺生物反应器生产的药物年销售额就将达到近 400 亿美元 ; 2010 年, 所有基因工程药物中利用生物反应器生产的份额将达到所有生物制药总量的 95%, 超过 1000 亿美元 分泌人类生长因子 Ⅸ 的转基因羊 Polly (Wilmut 等, Nature 385, 1997) 浙江大学第七章基因工程和基因组学 43 转移有人类生长激素转基因鼠 四 工程菌 在环境工程中应用 : 美国 GE 公司构造成功具有巨大烃类分解能力的工程菌, 并获专利, 用于清除石油污染 人类生长激素转基因猪 同胞鼠对照 喷洒工程菌清除石油污染 浙江大学第七章基因工程和基因组学 45 浙江大学第七章基因工程和基因组学 46 无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻 第三节 基因组学 浙江大学第七章基因工程和基因组学 47 浙江大学第七章基因工程和基因组学 48

9 一 基因组学 (genomics) 遗传学研究进入分子水平后发展起来的一个分支, 主要研究生物体内基因组的分子特征 研究对象 : 以整个基因组为研究单位, 而不以单个基因为单位作为研究对象 研究目标 : 认识基因组的结构 功能和进化 ; 阐明整个基因组所包含的遗传信息和相互关系 ; 充分利用有效资源, 预防和治疗人类疾病 二 生物体基因组特征㈠ 细菌和病毒基因组 1. 基因组小, 测序容易如, 大肠杆菌含有 4000 个基因, 基因组 只有人类的千分之一 ; 2.DNA 绝大部分编码成蛋白质, 重复序列少 3. 基因中一般没有内含子, 结构比较简单 DNA bp, 浙江大学第七章基因工程和基因组学 49 浙江大学第七章基因工程和基因组学 功能相关的几个基因排列在一起形成操纵子如, 乳糖操纵子结构 ㈡ 真核生物基因组 1. 存在 C 值矛盾 C 值 : 一个物种单倍体基因组的 DNA 含量 5. 存在重叠基因如,ΦΧ174 基因组为 5386bp, 只有 11 个基因, 其中有 6 个基因相互重叠 Sanger 因完成该生物体的测序工作, 第二次获诺贝尔奖 C 值矛盾 : 庞大的基因组与现有已知的功能无法解释的矛盾 如, 人类的 C 值为 bp, 而最大的两栖动物 C 值达 bp 难道两栖动物的结构和功能会比哺乳动物更为复杂? 2. DNA 编码部分只占基因组的少部分大多真核生物基因组内编码部分只占基因组的 1%-10%, 非编码的 DNA 中存在着大量的重复序列 (repeat sequence) 浙江大学第七章基因工程和基因组学 基因内存在内含子 (intron) 和外显子 (exon) 三 基因组计划 (genome project) ㈠ 基因组学的重要组成部分 ⒈ 构建基因组的遗传图谱 ; 4. 基因家族 (gene families) 许多结构相似 功能相关的基因的总称 组成同一基因家族的基因可紧密排列在一起成为一个基因簇 (gene cluster), 也有分散排列 ⒉ 构建基因组的物理图谱 ; ⒊ 测定基因组 DNA 的全部序列 ; ⒋ 绘制基因组的转录本图谱 ; ⒌ 分析基因组的功能 浙江大学第七章基因工程和基因组学 53 浙江大学第七章基因工程和基因组学 54

10 ㈡ 人类基因组计划 1990 年 10 月, 美国启动被誉为 人体阿波罗计划 的 人类基因组计划, 投资 30 亿美元, 计划历时 15 年 测定人类基因组的 30 亿个核苷酸对的排列次序 构建高分辨率的人类基因组遗传图谱和物理图谱 发展生物信息学 解开生命的奥秘, 疾病的预防和治疗, 提高健康水平 2003 年 4 月 14 日, 全部实现 HGP 的所有目标 1986 年, 美国杜伯克在 科学 上撰文, 号召大家联合起来, 从整体上把人类的基因组搞清 1990 年 10 月, 经 5 年的辩论以后, 美国国会终于批准被誉为生命科学 阿波罗登月计划 的国际人类基因组计划 1999 年 12 月 1 日, 国际人类基因组计划联合研究小组宣布, 完整破译出人体第 22 对染色体的遗传密码 2000 年 5 月 8 日, 由德国和日本等国际科研小组宣布, 基本完成了人体第 21 对染色体的测序工作 2000 年 6 月 26 日, 中 美 日 德 法 英等 6 国科学家公布人类基因组工作草图, 标志着人类在解读自身 生命之书 的路上迈出了重要一步 2001 年 2 月 12 日,6 国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果 2003 年 4 月 14 日,6 国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功,HGP 的所有目标全部实现 覆盖人类基因组所含基因区域的 99%, 精确率达到 99.99%, 比原计划提前两年多, 耗资 27 亿美元 中国参与人类基因组计划的历程 : 1995 年, 杨焕明等人呼吁参与国际人类基因组计划 1998 年 6 月, 遗传所人类基因组中心挂牌成立, 由 4 位美国科学院院士及一位诺贝尔奖得主组成国际顾问组 1999 年 4 月, 开始进行人类和开始嗜热菌基因组测序, 大规模基因组测序的技术平台建设 1999 年 9 月 1 日, 杨焕明在第五次伦敦国际人类基因组战略讨论会上介绍情况 会议正式接受中国加入国际合作, 正式承担 1% 的测序任务 1999 年 11 月 12 日, 科技部通过这 1% 的项目成为国家支持的重点项目 2000 年 6 月 26 日, 包括中国在内的六国科学家共同宣布,HGP 工作框架图 绘制完成, 这是人类历史上值得 载入史册的一天 2000 年 6 月 28 日, 江泽民就 HGP 工作框架图 完成发表重要讲话 2001 年 4 月 1 日, 运算速度超千亿次的曙光 3000 超级计算机落户杭州华大基因研究中心, 华大基因 的测序能力名列世界第六 2001 年 8 月 26 日, 人类基因组计划中国部分测序项目汇报及联合验收会在京召开, 标志人类基因组 中国卷 通过国家验收 浙江大学第七章基因工程和基因组学 57 HGP 的科学竞赛 : 1991 年, 文特尔掌握了一种分隔 DNA 片段非常强大的技术, 称作 表达序列标签, 英文缩写 EST, 这一技术是确定数百个基因的一条捷径, 因为它不需要把整个基因组解码 1998 年, 他向美国国会提交了一份报告, 声称 在他的联邦实验室, 已经开发出一种确认基因的全新战略, 基因排序的速度快, 费用低 然而, 文特尔并没有向国会议员们讲明, 这项技术实际上参考了早在 1983 年就由 3 位科学家发表在 自然 上的那篇论文 同年 5 月, 文特尔宣布成立塞莱拉基因组公司, 并亲任公司总裁和首席科技官 与 PE 公司合作, 准备投入 3 亿美元, 用 3 年的时间完成人类基因组测序计划 向国际人类基因组计划挑战 浙江大学第七章基因工程和基因组学 58 人们担心塞莱拉公司可能会抢先完成人类基因组测序工作, 并取得人类基因的专利权 国际 HGP 的协作组速度作出反应, 重新制定计划以便与塞莱拉的计划竞争 同年 10 月 23 日, 美国国家人类基因组研究所在 科学 上发表声明说,HGP 的全部测序工作将比原计划提前两年, 即在 2003 年完成 1999 年 3 月 15 日, 英国韦尔科姆基金会宣布, 由于协作组加快工作步伐, 人类基因组工作草图将提前至 2000 年完成 2000 年 3 月 14 日, 针对一些私营公司试图将自己的研究成果申请专利, 克林顿和布莱尔发表联合声明, 将人类基因组研究成果公开 塞莱拉公司的股票从 189 美元下降到 149 美元 2001 年 2 月 12 日中 美 日 德 法 英等 6 国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果 2003 年 4 月 14 日,6 国科学家宣布人类基因组序列图率先绘制成功, 全部实现 HGP 的所有目标, 并公开研究数据和结果, 赢得了这场竞赛 但国际 HGP 的协作组与私人公司的竞争仍没有停止过, 目前在许多领域研究仍进行竞争, 如在单个基因型的 SNP 图谱研究方面 同年 4 月 6 日, 塞莱拉公司宣布已破译出一名实验者的完整遗传密码, 未公布数据, 但遭到不少科学家的质疑 同年 6 月 26 日, 六国科学家共同宣布,HGP 工作框架图 绘制完成 浙江大学第七章基因工程和基因组学 59 浙江大学第七章基因工程和基因组学 60

11 模式生物基因组研究 : 在国际 HGP 中, 为人类的基因组研究提供重要的依据 1996 年, 完成酵母菌基因组测序 1998 年 12 月, 宣告完成线虫完整基因组序列的测定工作, 这是第一次绘出多细胞动物的基因组图谱 2000 年 3 月, 已完成了果蝇的基因组测序 2001 年 12 月 14 日, 美 英等国科学家宣布绘制出拟南芥基因组的完整图谱 中国人类基因组计划我国的 HGP 计划于 1994 年启动, 由国家自然科学基金委 国家高技术计划 (863) 和国家重点基础研究计划 (973) 所共同资助的 基因组多样性方面 : 如中国人群进化关系 ( 走出非洲 ) 疾病基因的研究 : 克隆了遗传性高频耳聋的致病基因, 定位了若干单基因疾病的染色体位点 功能基因研究 : 已获得 EST 十多万条, 克隆了 1000 条以上新基因的全长 cdna 在白血病和某些实体肿瘤相关基因的结构 功能研究方面, 取得了一批具有国际影响的成果 浙江大学第七章基因工程和基因组学 年 4 月 5 日 Science 以 14 页的篇幅刊登和 ㈢ 水稻基因组计划水稻的两个亚种 : 籼稻和粳稻 1. 我国超级杂交稻 ( 籼稻 ) 基因组计划 2001 年 7 月启动 浙江大学第七章基因工程和基因组学 63 宣布中国科学家独立绘制完成水稻基因组草图序列 ( 总数 :4.6 亿 ), 是继人类基因组工作草图之后完成测定的最大基因组 材料 : 籼稻 9311 完成单位 : 华大基因研究中心 中科院遗传与发育生物学研究所等 12 个单位 水平 : 水稻基因组的总基因数约为 46022~55615 个 ( 接近人类基因数的两倍 ), 工作框架图序列已覆盖水稻整个基因组 92% 以上的基因 方法 : 鸟枪射击法, 利用国产曙光 2000 曙光 3000 超级计算机 (1000 亿次 / 秒 ) 对随机 DNA 碎片进行排序和组装, 确定其在基因组的正确位置 计划 : 功能基因分析和蛋白质研究 工作草稿 ( 框架图 ) 与完成图 2. 国际水稻基因组测序计划 染色体 Chromosome 国际水稻 ( 粳稻 ) 基因组计划始于 1998 年, 日本 美国 中国 法国等国家和地区参加 工作草图 Working Draft (90%) Gap1 Gap2 中国负责第 4 号染色体 :36 Mb ( 占 9~10%) 完成图 Finished Genome (99.99%) 浙江大学第七章基因工程和基因组学 65 浙江大学第七章基因工程和基因组学 66

12 2002 年 12 月 21 日 Nature 宣布中国独立绘制完成粳稻基因组第四号染色体精确测序图, 我国对国际水稻基因组测序计划贡献率为 10% 材料 : 粳稻 日本晴 完成单位 : 中科院国家基因研究中心等 4 家单位 水平 : 第四号染色体中的总碱基数目为 0.35 亿碱基对, 覆盖了该染色体全长序列 98% 的区域, 只剩下 7 个小空洞, 碱基序列的精确度达到 99.99% 完整测定的着丝粒序列在高等生物中属于首次 计划 : 对预测鉴定的 4658 个基因作进一步分析, 并对着丝粒功能等作研究 浙江大学第七章基因工程和基因组学 67 ㈣ 基因组的测序策略 1. 小基因组物种的测序 Sanger 双脱氧 DNA 测序方法 800 个核苷酸对 (bp) 的序列 基因组打散 大量的片段测序 组装成连续的 DNA 分子 鸟枪射击法 : 基因组 DNA 剪切成片段 构建基因文库 分别测序 片段间的重叠部分 连续 DNA 分子 嗜热菌 ( T. tengcongensis ) 环状基因组, 具有 2,689,445 bp 2. 大基因组 ( 人类 ) 用鸟枪射击法测序 存在两个问题 : 片段数 (n) 庞大, 片段间连接和装配复杂, 重叠数为 2n 2 2n; 基因组中相同或相似的重复序列在连接和装配时容易出错 解决方法 : 定向鸟枪射击法 大规模序列测定前, 构建基因组图谱 锚定测知的核酸序列在染色体上的位置 以基因组图谱中标记为依据 测序 装配和构建不同 DNA 片段的序列 国际 HGP 研究中, 用了近 6 年的时间进行人类基因图谱构 浙江大学第七章基因工程和基因组学 69 建 国际人类基因组测序方法 : 作图谱 测序 装配 图域作图 Regional mapping 通过 Contig 进行染色体组装 (3 号染色体长臂的 3000 万对碱基, 占 1%) Contigs 浙江大学第七章基因工程和基因组学 71 浙江大学第七章基因工程和基因组学 72

13 contig 克隆错位来组装 DNA 测序 组装和连接成连续的 DNA 分子 ( 中国完成 1% 测序 ) stsg50796 WI WI SGC EST Bda37h09 sts-n34454 stsg stsg22463 IB262 SGC SGC SGC SGC SGC D3S4170 WI SGC WI-7400 SGC sts-t03421stsg81116 SGC sts-n30615 SGC WI-300 3S4125 stsg3157 GC DM1-2b11s A004QW I-1085 SGC stsg3143 WI-8499 D3S3525 D3S3630 GC WI-6116 GC GC D3S3706 SGC WI-13611NRU18-13s WI CHLC.GATA44a05 D3S1304 sts-t5815 GC W 3pter 605m e21 279b12 299n03 198p17 41l18 233p01 37i04 324k11 163m22 sequence fro114k09 204c23 728k15 429p24 499n06 399k19 106b10 129j10 113l10 13f06 Beijing Cent Mapped on 3p by 600o17 322f09 76o22 263j08 30m15 320c08 250a15 294h24 140b10 137g22 South centermapped on 3p by fingerprint fro265o10 717m12 762o12 156h01 324k15 283k15 572b02 61i09 534j21 166f03 497i k13 161d20 274o14 116k05 255k15 812i02 121d 6i h22 566o14 63o01 757o16 453a03 586c02 483g20 507d06 North centermapped not on 3p by fish 26f10 2 Mapped not on 3p by fish 260k16 263p03 341o12 560g03 772p01 344l09 3d22 489o22 Beijing and South 306h05 621c18 438g15 82o03 181f22 622p03 320k01 24b d STS markers 385a18 416n08 785a07 97c16 277d e03 25f01 167p 17 North 210b17 95 e11 101a04 487j12 590a20 Beijing and 99d 10 End certified 710 e04 10h06 508a20 173f11 7m24 211b19 291p21 Phase 3 811m11 372k09 194d21 16k15 318i14 529b17 53 e e12 245a06 Mapped not on 3p by sequence from NCBI 392m07 319i18 454f24 238a09 264h e16 Mapped on 3p by fish 673f20 453f03 489d19 194i0? Sequenced BACs without mapping information 93a e14 244g b e16 74 e h22 sts-n95054 SGC-107 3S3691 A002R42 IB1403 SGC s ts-f21241wi s tsg16459 W I-6949 stsg15038 sts -M91858 WI-17502W I-7625 WI-7071 AB s ts-f21841 sts-l15409 A004Z22 stsg31652 WI s tsg4381 A007593WI A008O42 D3S4194 stsg4279 WI s tsg32055 s tsg1546 WI-1104 tsg47554 stsg335 D3S3589 SGC D3S1263 stsg47397 SGC D3S3610 s tsg50845 stsg258 WI-313 A004X28 D3S3601 A001T39 tsg62586 WI sts-h83694 stsg47347 WI-5650 WI 浙江大学第七章基因工程和基因组学 a21 105k13 334l o20 593j10 169k17 309m10 813n23 83m12 19 e08 203c04 481h17 356a07 13b e21 25o17 715i e22 298m15 224p21 267l16 407i02 488o08 7f24 481b18 128a05 380o24 474f16 327h17 16m03 470i10 398j15 58i13 325l h17 134k10 299h l04 900o22 424h06 220d 58b p15 193k15 586c12 588p09 18f03 173m24 572m a18266 e23 275j11 270i10 333a02 34l06 ctb l03 ctc-237n 382a21 ctc-371o 126l09 163d23 AC c01 502k05 326o24ctb k13 224m20 167k17 219m19 266j06 438j01 627c01 659g04 AC i01 596j09 996c06 338p c06 ctc-243a06 ctc l24 94a14 380a22 70i11 citb-243a06 af176815ctb -177n07 115g03 109j15 781a02 412a07 429f16 浙江大学 622i12 第七章 45b16 基因工程和基因组学 a11 ctb -187p p11 439f04 105h19 大基因组的测序能否用鸟枪射击法呢? 鸟枪射击法测序 I : 随机阶段 人脑 电脑 水稻 新颖的思路功能强大的程序 运算速度快 ( 曙光 3000: 超千亿次 ) BAC 克隆 : kb 剪切的 DNA: kb 9311 水稻基因组测序 正反测序并读入计算机 测序模板 浙江大学第七章基因工程和基因组学 75 浙江大学第七章基因工程和基因组学 76 鸟枪射击法测序 II: 装配阶段 ( 工作框架图 ) 鸟枪射击法测序 III: 精细图 ( 完成 ) 测序准确性高 High Accuracy Sequence: < 1 error/ 10,000 bases 可靠性较差区域 Low Base Quality 单链区域 Single Stranded Region 序列空隙 Sequence Gap 装配一致区 Consensus 错配区 Mis-Assembly (Inverted) 可靠性较差区域 Low Base Quality 单链区域 Single Stranded Region 序列空隙 Sequence Gap 装配一致区 Consensus 错配区 Mis-Assembly (Inverted) 浙江大学第七章基因工程和基因组学 77 浙江大学第七章基因工程和基因组学 78

14 四 基因组图谱的构建 根据构建的途径, 可分为两种 : 遗传图谱 : 根据遗传性状连锁规律 将其定位在基因组中 位点间距以交换值表示 物理图谱 : 将各种标记直接定位在基因库 ( 染色体 ) 中的某一点上 位点间距以碱基对表示 粳稻第 4 染色体 ㈠ 遗传图谱的构建 1. 确定家系或构建遗传群体 ; 2. 确定个体的遗传标记 : 可用基因 ( 可鉴别的形态 生化等表型性状作标记 ) 或 DNA 作为可鉴别的标记 ; 3. 根据连锁交换原理来分析标记之间的连锁关系和遗传距离 ; 4. 绘制连锁图谱 如 : 果蝇的基因标记连锁图谱 浙江大学第七章基因工程和基因组学 79 浙江大学第七章基因工程和基因组学 80 人类基因组遗传图谱的构建家系分析法 : 分析 8 个家系 134 个成员 (186 个减数分裂 ) 根据 5264 个 STR( 简单重复序列 ) 标记绘制而成 将 5264 个标记定位在 2335 个位点 构建的人类基因组遗传图谱, 密度为每个标记 599 kb ( 二 ) 物理图谱的构建序列标签位点已知序列为标签的位点 (sequence tagged sites, STS) 作探针 基因组 DNA 杂交 步行法 绘制物理图谱 染色体步行法 浙江大学第七章基因工程和基因组学 81 浙江大学第七章基因工程和基因组学 82 STS 的要求 : 为已知序列, 便于 PCR 检测 ; 基因组中仅此一个位点, 无重复 常用的 STS 类型 : 表达的序列标签 (expressed sequence tag,est) EST 序列来自 cdna 的两端约 50bp 的序列 简单重复序列 (STR) 人类基因组物理图谱人类基因组序列开始测定时, 已有 45 万个 EST, 其中有一些重复序列 经计算机分析筛选后得到 个, 各代表一个基因 再从中筛选出 3 万个 EST 用于构建图谱 构建的物理图谱密度为每个标记 183kb,EST 分布结果表明基因在染色体上的排列是不均匀的 将上述遗传图谱及其它物理图谱整合 构成更加完整的人类基因组图谱, 作为基因组序列测定的框架和分析依据 可用于物理图谱的构建, 比较遗传图谱和物理图谱 浙江大学第七章基因工程和基因组学 84

15 一 后基因组学 (post-genomics) 第四节 后基因组学 1. 概念在完成基因组图谱构建以及全部序列测定的基础上 研究全基因组的基因功能 基因之间相互关系和调控机制为主要内容的学科 浙江大学第七章基因工程和基因组学 85 浙江大学第七章基因工程和基因组学 面临的最重要问题 2003 年 4 月 14 日, 宣布人类基因组序列图绘制成功 目前, 虽然完成了 99% 人类基因的序列分析, 但 90% 以上的人类基因尚不了解功能 自从 1996 年酵母菌基因组全序列测定以来, 全世界已有 如何将人类和模式生物体基因序列资料转变为有用的知识, 如何对这些基因加以利用, 使之能够造福于人类的健康 计算机科学家遗传学家生物化学家 1000 多个实验室 5000 多名科学家从事酵母菌后基因组学的研究, 共发表论文 7000 多篇, 鉴定 1060 个新基因的功能, 但 生理学家 人类功能基因组模式生物基因组 细胞生物学家 仍然还有约 1600 个阅读框架 ( 基因 ) 的功能不清楚 结构生物学家 临床和病理学家 浙江大学第七章基因工程和基因组学 87 浙江大学第七章基因工程和基因组学 88 目前已衍生出了许多新兴学科 : 功能基因组学研究对基因及其编码蛋白的功能进行研究 疾病基因组学研究发现疾病相关基因和致病基因, 从疾病诊断到疾病易感性研究 药物基因组学 (Pharmacogenomics) 研究不同个体对药物敏感性的基因基础, 特别是 SNPs 浙江大学第七章基因工程和基因组学 89 环境基因组学 ( Enviromental Genomics) 鉴定机体暴露在特定环境下的那些显示易感性或抵抗性基因的 DNA 多态性 如 DNA 修复基因 细胞周期相关基因 激素代谢基因 受体基因 参与免疫和感染反应的基因和信号转导导基因等 蛋白质组学 (Proteomics) 利用双相电泳技术研究细胞或组织的基因组表达的全部蛋白质 生物信息学 (Bioinformatics) 现代生物技术与计算机科学的结合, 收集 加工和分析生物资料和信息 浙江大学第七章基因工程和基因组学 90

16 二 蛋白质组学 (Proteomics) 双向电泳 在蛋白质水平研究基因组的基因表达 分析基因组的 蛋白质类型 数量 空间结构变异以及相互作用的机制 蛋白质组学比基因组学更为复杂 : DNA 线状结构与二级结构的功能差异不大, 但多肽链 不同状态下的组织 等电聚焦 染色 需折叠成一定的三维空间结构才形成有功能的蛋白质 ; 同 一种蛋白质经不同的加工修饰可形成不同的功能, 因此蛋 白质的多样性远复杂于基因本身 质谱分析 挖出目标蛋白分子 电泳图像分析 浙江大学第七章基因工程和基因组学 91 浙江大学第七章基因工程和基因组学 92 蛋白质 2D 电泳分析 A 对照 ;B 为人的垂体瘤蛋白质 2D 电泳箭头示有明显差异的蛋白质 引自 Zhan et al. (2003) Pituitary 6: 浙江大学第七章基因工程和基因组学 93 人角化细胞的 2D 电泳蛋白质图谱, 经 S35 放射自显影显示, 可以分辨出 100 种以上的蛋白质 引自 Gromov et al. (2002) Progress in Biophysics & Molecular Biology 80:3 22 浙江大学第七章基因工程和基因组学 94 三 生物信息学 (bioinformatics) 生物信息学是现代生物技术与计算机科学的结合, 收集 加工和分析生物资料和信息的学科 应用生物信息学可以将来自不同的基因组理论和应用综合并标准化, 利用大量的生物信息资料了解遗传网络系统 信号传递及相互关系, 计算机还可进行一些生物模拟研究 利用生物信息学能够分析从微生物 动物 植物以及人类基因组序列测定产生的大量资料 阐明遗传信息 研究内容两大类 :DNA 数据分析 ; 蛋白质数据分析 浙江大学第七章基因工程和基因组学 95 1.DNA 分析 基因结构域分析, 包括启动子 转录因子结合序列 内含子 外显子 重复序列 开放读码框架等 同源分析和检索, 包括 DNA 数据库 EST 数据库 STS 数据库 Unigene 数据库 Swissprot 数据库等 计算机基因克隆化 : 利用 EST 数据库的重叠序列克隆新基因 浙江大学第七章基因工程和基因组学 96

17 cdna: Complementary DNA, 与 RNA 序列互补的 DNA 序列, 一般代表基因的外显子序列, 即蛋白质编码序列 mrna AAAAA 逆转录 TTTTT cdna 合成第二条链 双链 cdna AAAAA TTTTT 浙江大学第七章基因工程和基因组学 97 浙江大学第七章基因工程和基因组学 蛋白质的数据分析 蛋白质一级结构分析 : 结构特点分析, 包括等电点 信号肽 穿膜区 DNA 结合序列等同源分析和检索, 包括 Nr 数据库 Swissprot 数据库等功能区分析, 包括 Prosite Emotif Identify 分析等 干扰素 α1b 分子模建图 蛋白质空间结构分析 : 蛋白质晶体结构数据库检索, 如 PDB 数据库 蛋白质空间结构预测, 如 Homology 等软件分析 浙江大学第七章基因工程和基因组学 99 浙江大学第七章基因工程和基因组学 100 四 功能基因组学 (Functional Genomics) 功能基因组学研究将是 21 世纪生命科学研究的新热点 ; 功能基因组学研究涉及众多的新技术, 包括生物信息学技术 生物芯片技术 单核苷酸多态性 转基因和基因敲除技术 酵母双杂交技术 基因表达谱系分析 蛋白质组学技术 高通量细胞筛选技术等 DNA 芯片技术 (DNA chip) 又称微列阵 (DNA microarrays), 利用 DNA 芯片技术 同时进行大量分子杂交, 分析比较不同组织或器官的基因表达水平, 筛选突变基因, 从核酸水平分析基因表达模式 浙江大学第七章基因工程和基因组学 101 浙江大学第七章基因工程和基因组学 102

18 探针荧光标记 点样 杂交 检测 数据分析 DNA 芯片技术 基因芯片展示酵母菌在发酵作用和呼吸作用状态下的基因表达 Globe Gene Expression of Yeast from Fermentation (sugar) to Respiration (ethanol) by Microarry (6400 genes 18 x 18 mm. Science:278:680, 1997 ) 浙江大学第七章基因工程和基因组学 103 浙江大学第七章基因工程和基因组学 104 DNA 芯片的用途 筛选基因 表达分析 疾病诊断 药物筛选 第一章绪言第一章绪言第二章生物的生长和繁殖第二章生物的生长和繁殖第三章遗传物质与自然界生物多样性第三章遗传物质与自然界生物多样性第四章遗传规律和性连锁第四章遗传规律和性连锁第五章数量性状和杂种优势的表现第五章数量性状和杂种优势的表现第六章基因表达与生物体发育第六章基因表达与生物体发育第七章基因工程和基因组学第七章基因工程和基因组学第八章基因社会学问题第八章基因社会学问题返回首页返回首页 浙江大学第七章基因工程和基因组学 105 浙江大学第七章基因工程和基因组学 106

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