基因组学和比较基因组学.ppt
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1、关于基因组学与比较基因关于基因组学与比较基因组学组学第一张,PPT共九十八页,创作于2022年6月什么是基因组,基因组学?什么是基因组,基因组学?l基基因因组组(Genome):是是指指生生物物体体的的单单倍倍体体细细胞胞中中所所有有的的DNA,包包括括细细胞胞核核内内的的DNA和和各各种种细细胞胞器器中中的的DNA,是生物体内遗传信息的集合。是生物体内遗传信息的集合。l基基因因组组学学(genomics):是是研研究究并并解解析析生生物物体体整整个个基基因组所有遗传信息的一门学科。因组所有遗传信息的一门学科。第二张,PPT共九十八页,创作于2022年6月l结构基因组学结构基因组学l功能基因组
2、学功能基因组学l比较基因组学比较基因组学基因组学的发展:从序列到功能基因组学的发展:从序列到功能第三张,PPT共九十八页,创作于2022年6月结构基因组学结构基因组学结构基因组学结构基因组学:基因组计划:基因组计划基因组作图基因组作图测定核苷酸序列测定核苷酸序列基因定位基因定位第四张,PPT共九十八页,创作于2022年6月功能基因组学功能基因组学 功能基因组学功能基因组学:后基因组学后基因组学(postgenomics)利用结构基因组学提供的利用结构基因组学提供的 信息和产物,在基因组系信息和产物,在基因组系 统水平上全面分析基因的统水平上全面分析基因的 功能的一门学科。功能的一门学科。第五张
3、,PPT共九十八页,创作于2022年6月比较基因组学比较基因组学 比较基因组学:研究不同物种之间在基因组结构和功比较基因组学:研究不同物种之间在基因组结构和功能方面的亲源关系及其内在联系的学科。能方面的亲源关系及其内在联系的学科。第六张,PPT共九十八页,创作于2022年6月基因组计划的主要任务是获得全基因组序列;基因组计划的主要任务是获得全基因组序列;现在的测序方法每次只能测现在的测序方法每次只能测800-1000bp,大,大量的测序片段要拼接;量的测序片段要拼接;要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接,要知道序列在染色体上的位置才能正确拼接,因此需构建基因组图谱。因此需构建基因组图谱。第七
4、张,PPT共九十八页,创作于2022年6月教学内容教学内容l一、高通量一、高通量DNA序列分析技术序列分析技术l二、人类基因组计划二、人类基因组计划 l三、比较基因组学三、比较基因组学 第八张,PPT共九十八页,创作于2022年6月DNA序列序列分析技术分析技术 DNA序列分析序列分析鸟枪法测鸟枪法测序技术及序技术及其改良其改良 一、高通量一、高通量DNA序列分析技术序列分析技术第九张,PPT共九十八页,创作于2022年6月(一)(一)DNA序列分析技术序列分析技术 lDNA序列测定:序列测定:l是是指指DNA一一级级结结构构的的测测定定,是是在在核核酸酸酶酶学学和和生生物物化化学学的的基基础
5、础上上,创创立立并并发发展展起起来来的的一一门门重重要要的的DNA技术学。技术学。第十张,PPT共九十八页,创作于2022年6月DNA序列测定的技术序列测定的技术 杂交测序法杂交测序法 质谱法质谱法 单分子测序法单分子测序法 原子探针显微镜测序法原子探针显微镜测序法 DNA芯片法芯片法 经典方法经典方法:双脱氧链末端终止法双脱氧链末端终止法(Sanger,1977)DNA化学降解法化学降解法(Maxam&Gilbert,1977)新技术方法新技术方法:第十一张,PPT共九十八页,创作于2022年6月是是由由英英国国剑剑桥桥分分子子生生物物学学实实验验室室的的生生物物化化学学家家F.Sanger
6、等等人人于于1977年年发发明的。明的。利利用用双双脱脱氧氧核核苷苷酸酸作作为为链链终终止止物物测测定定DNA核核苷苷酸顺序的方法。酸顺序的方法。1980年诺贝尔奖金获得者年诺贝尔奖金获得者F.Sanger1、双脱氧链末端终止法、双脱氧链末端终止法第十二张,PPT共九十八页,创作于2022年6月(1)Sanger 双脱氧链末端终止法测定双脱氧链末端终止法测定DNA序序列的基本原理:列的基本原理:l以以DNA合成反应为基础,合成反应为基础,加入加入ddNTP生成生成特定末端不特定末端不同长短的同长短的DNA片段;片段;l聚丙烯酰胺凝胶电泳可以区分长度只差一个核苷酸的聚丙烯酰胺凝胶电泳可以区分长度
7、只差一个核苷酸的DNA分子。分子。第十三张,PPT共九十八页,创作于2022年6月 DNA合成反应合成反应 第十四张,PPT共九十八页,创作于2022年6月利利用用DNA聚聚合合酶酶不不能能够够区区分分dNTP和和ddNTP的的特特性性,在在DNA合合成成反反应应中中,加加入入ddNTP,ddNTP不不存存在在3-OH末末端端,故故不不能能与与下下一一个个核核苷苷酸酸的的5-P端端形形成成3、5-磷磷酸酸二二酯酯键键,导导致致DNA新新链链的的延延伸伸提提前前终终止止于于ddNTP。第十五张,PPT共九十八页,创作于2022年6月 ATP、dATP和和ddATP的结构的结构ATPdATPddA
8、TP第十六张,PPT共九十八页,创作于2022年6月第十七张,PPT共九十八页,创作于2022年6月l这这样样以以待待测测序序列列的的DNA为为模模板板,加加入入引引物物和和4种种dNTP(其其中中一一种种为为-32P标标记记),将将此此反反应应物物分分为为4等等份份,每每份份内内加加入入一一定定比比例例的的一一种种ddNTP,如如此此形形成成A、T、C、G四四个个反反应应体体系系,最最后后在在各各反反应应体体系系中中加加入入DNA聚聚合合酶酶催催化化DNA片片段段合合成成。这这样样各各反反应应体体系系中中即即可可形形成成以以一一种种ddNTP残基为残基为3端结尾的一系列长短不一片段。端结尾的
9、一系列长短不一片段。第十八张,PPT共九十八页,创作于2022年6月PE PE Applied BiosystemsApplied BiosystemsCAGTTemplatePrimerdATPdNTPPolymeraseTerminator第十九张,PPT共九十八页,创作于2022年6月PE PE Applied BiosystemsApplied BiosystemsTHE PROCESSTCGACGTCGACGTCGACGTTAAA C T G G C C T A A T C G A G T C A G TT G A C C G G A T第二十张,PPT共九十八页,创作于2022年6
10、月PE PE Applied BiosystemsApplied Biosystems第二十一张,PPT共九十八页,创作于2022年6月 DNA模板模板 ATTGCAGTCGAC生成的新链生成的新链 TAACGTCAGCTG T管:管:C管:管:TAACGTCAGCT TAACGTCAGC TAACGT TAACGTC T TAAC G管:管:A管:管:TAACGTCAGCTG TAACGTCA TAACGTCAG TAA TAACG TA 第二十二张,PPT共九十八页,创作于2022年6月第二十三张,PPT共九十八页,创作于2022年6月lTAACGTCAGCTGlTAACGTCAGCTlT
11、AACGTCAGClTAACGTCAGlTAACGTCAlTAACGTC lTAACGTlTAACGlTAAClTAAlTAl T 第二十四张,PPT共九十八页,创作于2022年6月(2)双脱氧末端终止法主要步骤)双脱氧末端终止法主要步骤l单链单链DNA模板的制备模板的制备lDNA模板与测序引物退火模板与测序引物退火l延伸延伸-终止反应终止反应l变性聚丙烯酰胺凝胶电泳变性聚丙烯酰胺凝胶电泳l放射性自显影放射性自显影l阅读测序结果阅读测序结果第二十五张,PPT共九十八页,创作于2022年6月l将将DNA克隆到质粒载体克隆到质粒载体l将将DNA克隆到克隆到M13噬菌体载体噬菌体载体l将将DNA克隆
12、到酵母人工染色体克隆到酵母人工染色体基因组基因组DNA大片大片段文库段文库lPCR双脱氧链末端终止法要求单链作为模板双脱氧链末端终止法要求单链作为模板如何得到单链如何得到单链DNA?第二十六张,PPT共九十八页,创作于2022年6月2、DNA测序自动化测序自动化 lDNA测测序序的的自自动动化化是是在在Sanger的的双双脱脱氧氧链链末末端端终终止止法法的的基基础础上上在在1987年年由由美美国国应应用用生生物物系系统统公公司司进进一一步步发发展展起起来来的的激激光光测测序序法法,其其基基本本原原理理与与末末端端终终止止法法一一样样,都都是是通通过过ddNTP竞竞争争性性的终止新合成的的终止新
13、合成的DNA链。链。第二十七张,PPT共九十八页,创作于2022年6月DNA测序自动化测序自动化步骤:步骤:4种带有不同荧光染料标记的终止物种带有不同荧光染料标记的终止物ddNTPs Sanger测序反应测序反应 反应产物电泳分离反应产物电泳分离 激光激发不同大小激光激发不同大小DNA片段上的荧光分子,发射出片段上的荧光分子,发射出 四种不同波长的荧光四种不同波长的荧光 荧光信号采集、计算机分析与荧光信号采集、计算机分析与DNA自动排序自动排序第二十八张,PPT共九十八页,创作于2022年6月PE PE Applied BiosystemsApplied BiosystemsTemplateP
14、rimerdNTPPolymeraseTerminatorCGTA第二十九张,PPT共九十八页,创作于2022年6月PE PE Applied BiosystemsApplied BiosystemsTHE PROCESSTCGACGTCGACGTCGACGTTAAA C T G G C C T A A T C G A G T C A G TT G A C C G G A TC第三十张,PPT共九十八页,创作于2022年6月PE PE Applied BiosystemsApplied Biosystems第三十一张,PPT共九十八页,创作于2022年6月以荧光化合物标记双脱氧核苷酸的自动测序
15、以荧光化合物标记双脱氧核苷酸的自动测序第三十二张,PPT共九十八页,创作于2022年6月(二)鸟枪法测序技术及其改良(二)鸟枪法测序技术及其改良 l基基因因组组的的每每条条染染色色体体长长度度可可达达数数百百万万碱碱基基对对以以上上,将将链链终终止止法法测测定定的的小小片片段段DNA组组装装成成真真实实的的排排列列顺顺序序是是一一项项浩浩繁繁而精细的工作。而精细的工作。lDNA顺序的组装主要方法:顺序的组装主要方法:l全基因组鸟枪法测序全基因组鸟枪法测序l改良鸟枪法:大片段克隆法、靶标鸟枪法改良鸟枪法:大片段克隆法、靶标鸟枪法第三十三张,PPT共九十八页,创作于2022年6月1、全基因组鸟枪法
16、测序、全基因组鸟枪法测序鸟鸟枪枪法法的的顺顺序序组组装装是是直直接接从从已已测测序序的的小小片片段段中中寻寻找找彼彼此此重重叠叠,然后依次向两侧邻接的序列延伸。然后依次向两侧邻接的序列延伸。第三十四张,PPT共九十八页,创作于2022年6月DNA的鸟枪法测序的主要步骤的鸟枪法测序的主要步骤 l第一,建立高度随机、插入片段大小为第一,建立高度随机、插入片段大小为2kb左右的基因组左右的基因组文库。文库。l第二,高效、大规模的末端测序。第二,高效、大规模的末端测序。l第三,序列集合。第三,序列集合。l第四,填补缺口。第四,填补缺口。第三十五张,PPT共九十八页,创作于2022年6月鸟枪法鸟枪法测序
17、示意图测序示意图第三十六张,PPT共九十八页,创作于2022年6月鸟枪法的优势:鸟枪法的优势:鸟枪法的主要优势在于:鸟枪法的主要优势在于:测序速度快,并且无须提供测序速度快,并且无须提供相关的遗传图谱和物理图谱。相关的遗传图谱和物理图谱。20世世纪纪90年年代代末末,用用鸟鸟枪枪法法在在较较短短时时间间内内成成功功地地完完成成了了流流感感嗜嗜血血杆杆菌菌的的基基因因组组测测序序,引引发发了了一一场场微微生生物物基基因因组组测测序序的的热热潮潮。这这些些研研究究项项目目的的实实施施,表表明明鸟鸟枪枪法法测测序序可可以以组组建建一一条条流流水水工工作作线线,一一个个科科研研小小组组可可以以分分工工
18、合合作作,一一部部分分人人专专门门负负责责制制备备DNA,一一部部分分人人负负责责测测序序和和数数据据分分析析。经经验验证证明明,一一个个5Mb大大小小基基因因组组的的测测序序可可以以在一年内完成在一年内完成。第三十七张,PPT共九十八页,创作于2022年6月鸟枪法的局限:鸟枪法的局限:拼拼接接组组装装困困难难:对对于于结结构构复复杂杂的的大大基基因因组组而而言言,鸟鸟枪枪法法的序列组装的起始阶段工作量非常大。的序列组装的起始阶段工作量非常大。重重复复序序列列的的存存在在:在在序序列列组组装装时时可可能能出出现现错错误误连连接接,使使某某些些片片段段从从原原位位置置跳跳到到另另一一无无关关位位
19、置置。因因此此,对对于于缺缺少少重重复复顺顺序序的的小小基基因因组组(5Mb)而而言言,鸟鸟枪枪法法仍仍为为最最佳佳的的选选择择,但但对对于于大大基基因因组组而而言言,还还需需要要更更加加有有效效的的策策略。略。第三十八张,PPT共九十八页,创作于2022年6月第三十九张,PPT共九十八页,创作于2022年6月2、改良鸟枪法、改良鸟枪法l(1)大片段克隆法:)大片段克隆法:l将基因组将基因组DNA分解为若干个较大的分解为若干个较大的DNA片段,构建基片段,构建基因组文库;根据克隆插入子两端的因组文库;根据克隆插入子两端的DNA序列查找与之连序列查找与之连接的克隆建立接的克隆建立重叠群重叠群;每
20、个克隆可以独立进行鸟枪法测;每个克隆可以独立进行鸟枪法测序;依据克隆重叠群进行序列组装这种方法又称为克隆序;依据克隆重叠群进行序列组装这种方法又称为克隆重叠群测序法。重叠群测序法。第四十张,PPT共九十八页,创作于2022年6月克隆重叠群克隆重叠群第四十一张,PPT共九十八页,创作于2022年6月大片段克隆法大片段克隆法第四十二张,PPT共九十八页,创作于2022年6月l(2)靶标鸟枪法)靶标鸟枪法l根据染色体上已知基因或遗传标签的位置来确定部分根据染色体上已知基因或遗传标签的位置来确定部分DNA片段的排列顺序,再逐步确定各片段在染色体上的片段的排列顺序,再逐步确定各片段在染色体上的相对位置,
21、是建立在基因组图谱基础上的相对位置,是建立在基因组图谱基础上的”鸟枪法鸟枪法”。第四十三张,PPT共九十八页,创作于2022年6月第四十四张,PPT共九十八页,创作于2022年6月教学内容教学内容l一、高通量一、高通量DNA序列分析技术序列分析技术l二、人类基因组计划二、人类基因组计划 l三、比较基因组学三、比较基因组学 第四十五张,PPT共九十八页,创作于2022年6月二、人类基因组计划二、人类基因组计划人人类类基基因因组组计计划划(Human genome project)于于1990年年启启动动,我我国国于于1999年年加加入入该该计计划划,承承担担其其中中1%的的任任务务,即即人人类类
22、3号号染染色色体体短短臂臂上上约约30Mb的测序任务。的测序任务。第四十六张,PPT共九十八页,创作于2022年6月(一)人类基因组计划概述(一)人类基因组计划概述1986 年年 诺诺 贝贝 尔尔 奖奖 获获 得得 者者R.Dulbecco(杜杜尔尔贝贝科科)提提出出人类基因组计划人类基因组计划测测出出人人类类全全套套基基因因组组的的 DNA 碱基序列(碱基序列(3 X 109 bp)第四十七张,PPT共九十八页,创作于2022年6月1988年年美美国国能能源源部部和和国国家家卫卫生生研研究究院院率率先先在在美美国国开开展展人人类类基基因因组组计计划划,并并经经国国会会批批准准由由政政府府给给
23、予予资资助助。此此后后,成成立立了了一一个个国国际际间间的的合合作作机机构构人人类类基基因因组组织织(Human Genome Organization),由由多多个个国国家家筹筹集集资资金金和和科科研研力力量量,积积极极参参加这一国际性研究计划。加这一国际性研究计划。第四十八张,PPT共九十八页,创作于2022年6月1989年,美国国立卫生研年,美国国立卫生研究院成立了人类染色体研究院成立了人类染色体研究中心,沃森出任第一任究中心,沃森出任第一任主任。主任。第四十九张,PPT共九十八页,创作于2022年6月1990 人类基因组计划起动;人类基因组计划起动;1995 第一个原核生物(细菌)基因
24、组测序完成;第一个原核生物(细菌)基因组测序完成;1996 第一个真核生物(酵母)的基因组测序完成;第一个真核生物(酵母)的基因组测序完成;1998 第一个多细胞生物(线虫)的基因组测序完成;第一个多细胞生物(线虫)的基因组测序完成;2000 果蝇和拟南芥的基因组测序完成;果蝇和拟南芥的基因组测序完成;人类和水稻的第一张人类和水稻的第一张基因组草图基因组草图完成;完成;2001 人类基因组测序(人类基因组测序(精细图)精细图)完成;完成;水稻(籼稻和粳稻)基因组草图完成。水稻(籼稻和粳稻)基因组草图完成。2003年年4月,人类基因组序列图月,人类基因组序列图(完成图)(完成图)完成。完成。人类
25、基因组计划的进展状况人类基因组计划的进展状况第五十张,PPT共九十八页,创作于2022年6月二二000000年六月二十六日克林顿宣布年六月二十六日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成人类基因组草图绘制完成第五十一张,PPT共九十八页,创作于2022年6月l2000年年6月月26日,美国总统克林顿日,美国总统克林顿(中中)、塞莱拉公司董事长、塞莱拉公司董事长兼首席科学家克雷格兼首席科学家克雷格文特尔文特尔(左左)和人类基因组计划首席科学家和人类基因组计划首席科学家弗胡西斯弗胡西斯柯林斯柯林斯(右右)在华盛顿白宫参加庆祝人类基因组草图在华盛顿白宫参加庆祝人类基因组草图绘制成功。绘制成功。第五十二张,P
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