基因組學(xué) 課件 8.比較基因組學(xué)

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1、比較基因組學(xué)中英聯(lián)合實驗室2021/6/9比較基因組學(xué)的產(chǎn)生伴隨著基因組的研究,相關(guān)信息出現(xiàn)了爆炸性增長,迫切需要對大量基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,比較基因組學(xué)作為一門重要的工具學(xué)科應(yīng)運而生。比較基因組學(xué)是通過對系統(tǒng)發(fā)育中的代表性物種之間的全方位基因和基因家族的比較分析，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育的遺傳圖譜,來揭示基因、基因家族的起源和功能及其在進(jìn)化過程中復(fù)雜化和多樣化的機(jī)制。2021/6/9果蠅基因組果蠅基因組全長180mb，2/3是euchromatin，1/3是heterochromatin；BlastSearch確定有14113個轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（功能基因）。Science,287:2185-2195(2000

2、)2021/6/9比較基因組學(xué)定義利用不同物種基因組之間功能區(qū)域順序上、組織結(jié)構(gòu)上的同源性克隆新基因揭示基因功能闡明物種進(jìn)化關(guān)系、基因組的內(nèi)在結(jié)構(gòu)2021/6/9比較基因組學(xué)的應(yīng)用揭示非編碼功能序列發(fā)現(xiàn)新基因發(fā)現(xiàn)功能性SNP闡述物種間的進(jìn)化史闡明人類疾病過程的分子機(jī)制2021/6/9比較基因組學(xué)與進(jìn)化古細(xì)菌---產(chǎn)甲烷球菌與原核生物共同之處：染色體組織與結(jié)構(gòu)：環(huán)狀基因組、基因的操縱子結(jié)構(gòu)等能量產(chǎn)生和固氮基因與有很高的同源性與細(xì)胞分裂有關(guān)的蛋白質(zhì)、20多個編碼無機(jī)離子運輸?shù)鞍椎腛RF與細(xì)菌基因同源調(diào)控模式類似于原核生物與真核生物共同之處：細(xì)胞遺傳信息傳遞，尤其是轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)分泌系統(tǒng)說明該細(xì)

3、菌與真核生物親緣關(guān)系較近。2021/6/9比較基因組學(xué)與進(jìn)化比較基因組學(xué)提供的結(jié)果表明，在進(jìn)化系統(tǒng)樹上，古細(xì)菌與真核生物親緣關(guān)系比原核生物更近。自養(yǎng)生物的三個分支，細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物中，細(xì)菌的分化發(fā)生較早。2021/6/9比較基因組學(xué)的具體應(yīng)用方法和策略序列的比對分析確定基因組序列的進(jìn)化關(guān)系基因共線性synteny：染色體片段的分析物種序列的優(yōu)化選擇對DNA序列的信息注釋2021/6/9基因組成的相似性基因共線性synteny：基因排列順序的一致性宏觀共線性：遺傳連鎖圖上錨定標(biāo)記排列次序的一致性微觀共線性：物理圖上基因序列的一致排列進(jìn)化距離非常近的物種間保持很好的微觀共線性在進(jìn)化過程中

4、，基因共線性被各種因素所破壞，進(jìn)化距離越遠(yuǎn)的物種之間基因共線性越差，兩個物種之間的共線性程度可以作為衡量它們之間進(jìn)化距離的尺度2021/6/9高度保守和高度變異X染色體極為保守，人類和貓的X染色體具有縱貫全條的共線性在保守性較低的區(qū)段，基因進(jìn)化速率快于整個基因組的平均進(jìn)化速率它們在種間基因組中很少表現(xiàn)共線性，甚至在同一物種的不同生態(tài)型之間這些區(qū)段也會發(fā)生較大變異當(dāng)用基因共線性程度估算物種分化年代時，應(yīng)當(dāng)注意避免高度保守和高度變異的區(qū)段2021/6/92021/6/9破壞基因組共線性的因素轉(zhuǎn)座插入染色體重排區(qū)段加倍和缺失2021/6/9跨物種基因克隆--圖位克隆在基因組較小的模式植物中，分離

5、被精確定位在大基因組中的基因避免大量重復(fù)序列的干擾，減少染色體步移的次數(shù)2021/6/9基因島和基因協(xié)同進(jìn)化基因島：區(qū)段基因密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全基因組的平均密度。sh2與A1兩個基因在玉米中的距離大約是水稻或高粱中的7倍基因島中的基因群通常具有功能上的相關(guān)性協(xié)同丟失和協(xié)同進(jìn)化2021/6/9直系同源集簇由1個共同的祖先基因衍生的1組基因，包括不同基因組中執(zhí)行同一生物學(xué)功能的種間同源物，也包括同一基因組中因基因加倍產(chǎn)生的種內(nèi)同源物（平行基因）預(yù)測新基因功能2021/6/9比較基因組學(xué)研究舉例原核模式生物比較基因組學(xué)釀酒酵母基因組人類基因組2021/6/9模式生物比較基因組研究特點模式生物基因組一般

6、都比較小，但編碼基因的比例較高，重復(fù)序列和非編碼序列較少，是“壓縮”的基因組。模式生物基因組中G+C%含量高，同時CpG島的比例也比較高。一些模式生物，特別在人的基因組中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)(duplication)。各種不同的物種中，大多數(shù)重要生物學(xué)功能是由相當(dāng)數(shù)量的同源序列基因(Orthologous)蛋白承擔(dān)。2021/6/9模式生物比較基因組研究特點同線(synteny)連鎖的同源基因在不同物種基因組中有相同連鎖關(guān)系。生物體的復(fù)雜性一般表現(xiàn)在“生物學(xué)”的復(fù)雜性，與基因組的C值大小及基因數(shù)量未必一定呈線性關(guān)系。2021/6/9模式生物基因組的研究尿殖道支原體是已知最小的基因組0.58Mb，由此

7、可能確定能自我復(fù)制的細(xì)胞必需的一套最少的核心基因。流感嗜血桿菌的基因組為1.83Mb基因組大小影響了基因數(shù)目還是基因尺度？2021/6/9模式生物基因組的研究流感嗜血桿菌基因大小平均900bp，尿殖道支原體的基因為1040bp，基因大小差不多；流感嗜血桿菌中平均1042bp有1個基因，尿殖道支原體中平均1235bp有1個基因?？梢娀蚪M尺度減小并不引起基因密度的增加和基因尺寸的減小。二者差別在于基因數(shù)量上，流感嗜血桿菌基