动物基因组学
（ Animal Genomics）
第十一章
主要内容
第一节 人类基因组计划
第二节 比较基因组与功能基因组
第三节 生物信息学
第四节 表观遗传学
第五节 分子遗传标记
第一节
人类基因组计划
（ Human Genome Project）
人类基因组计划（ 1）
* 1990年多国合作小组启动,2001年在 Nature上公布
结果；
*Craig Venter博士采用
散弹法于 Science上发表
结果。
* 人基因组测序的完成
可与人类登月媲美。
人类基因组计划（ 2）
* 耗时 10载，耗费 20余亿美圆；
* 基因组大小 30亿碱基；
* 1%为外显子,99%为内含子和重复序列；
* 表达蛋白质的基因组数量约为 3万；
* 约含 100万个 SNP标记。
序列测定方法 1
全基因组鸟枪法：
在一定作图信息基础
上，绕过大片段连续
克隆系的构建而直接
将基因组分解成小片
段随机测序，利用超
级计算机进行组装
（美国 Celera公司）。
序列测定方法 2
人类基因组计划的意义
基因组大小的比较 （ 1）
基因组大小的比较 （ 2）
基因组 （ Genome） 就是指生物体染色体、细胞
器中所含的全套遗传物质 ； 一种生物全部基因的
集合称为“基因组”。
基因组 学 （ Genomics） 就是 研究基因组结构和
功能的科学。
基因组与基因组学
基因组学的分类
基因组学可以分为结构基因组学和功能基因组学 。
对基因组物理结构的作图和测序的研究 称为 结构 基
因组 学；
功能基因组学 是指应用整体的研究技术阐明这些
基因和蛋白的生物学功能,
结构基因组学 功能基因组学
后基因组时代
( Postgenome era)
* 人类基因组计划完成之后，生物学被重新划分为
前基因组和后基因组两部分。
* 科学研究已开始进入“后基因组时代”。主要是
开展蛋白质组的研究。
* 有科学家形象地说道,即使基因测序全部完成，
也只好像是一本没有姓名、只有号码的电话簿。
“后基因组时代”的最终目标，是要把深奥的
DNA语言变成一本基因大百科全书。
第二节
比较基因组与功能基因组
（ Comparative Genome & Functional Genome）
遗传图谱, 又称连锁图谱 (linkage map)，它是以具有
遗传多态性（在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因，
在群体中的出现频率皆高于 1%）的遗传标记为, 路标,,
以遗传学距离（在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、
重组的百分率,1%的重组率称为 1cM）为图距的基因组图。
物理图谱, 物理图谱是指有关构成基因组的全部基因的
排列和间距的信息，它是通过对构成基因组的 DNA分子进行
测定而绘制的。绘制物理图谱的目的是把有关基因的遗传
信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出
来。
遗传图谱与物理图谱
随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之重的工作。
DNA序列分析技术是一个包括制备 DNA片段化及碱基分析、
DNA信息翻译的多阶段的过程。通过测序得到基因组的 序列
图谱 。
基因图谱 是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础
上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。
在人类基因组中鉴别出占具 2%~5%长度的全部基因的位置、
结构与功能，最主要的方法是通过基因的表达产物 mRNA反追
到染色体的位置。
序列图谱与基因图谱
什么是比较基因组学？
利用生物在进化上的亲缘关系,来比较它们与
人类之间的相似与相异,即比较基因组学。
* 蛋白组（ Proteome）
蛋白质组 是指, 一种 基因 组所表达的全套蛋白
质, 。
* 蛋白组学（ Proteomics）
一门在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其
活动规律的新兴学科。
* 蛋白组学与功能基因组学息息相关。
蛋白组学与功能基因组学
1.蛋白质分离和鉴定：
2.翻译后修饰：翻译后修饰是蛋白质调节功能的重要方式，
因此对蛋白质翻译后修饰的研究对阐明蛋白质的功能具有重
要作用。
3.蛋白质功能确定：如分析酶活性和确定酶底物，细胞因子
的生物分析 /配基 -受体结合分析。可以利用基因敲除和反义
技术分析基因表达产物 -蛋白质的功能。另外对蛋白质表达出
来后在细胞内的定位研究也在一定程度上有助于蛋白质功能
的了解。
4.对人类而言，蛋白质组学的研究最终要服务于人类的健康，
主要指促进分子医学的发展。如寻找药物的靶分子。很多药
物本身就是蛋白质，而很多药物的靶分子也是蛋白质。药物
也可以干预蛋白质 -蛋白质相互作用。
蛋白质组学的研究内容
生物芯片 1
生物芯片 2
第三节
生物信息学
（ Bioinformatics）
背景知识
包括人、鸡、水稻等动植物以及大肠杆菌等原核生
物的数十种模式生物的基因组序列的成功获得；以
及更多生物基因组序列的即将获得。
生物信息学是在此背景下发展起来的综合运用生物
学、数学、物理学、信息科学以及计算机科学等诸
多学科的理论方法的崭新交叉学科。生物信息学是
内涵非常丰富的学科，其核心是基因组信息学，包
括基因组信息的获取、处理、存储、分配和解释。
生物信息学 是以生物大分子为研究对象，以计算
机为工具，运用数学和信息科学的观点、理论和
方法去研究生命现象、组织和分析呈指数级增长
的生物信息数据的一门科学,
什么是生物信息学？
主要研究内容 1
1,生物信息的收集、存储、管理与提供
包括建立国际基本生物信息库和生物信息传输的国际联网系统；
建立生物信息数据质量的评估与检测系统；生物信息的在线服
务；生物信息可视化和专家系统。
2、基因组序列信息的提取和分析
包括基因的发现与鉴定；基因组中非编码区的信息结构分析，
提出理论模型，阐明该区域的重要生物学功能；进行模式生物
完整基因组的信息结构分析和比较研究；利用生物信息研究遗
传密码起源、基因组结构的演化、基因组空间结构与 DNA折
叠的关系以及基因组信息与生物进化关系等生物学的重大问题。
3,功能基因组相关信息分析
包括与大规模基因表达谱分析相关的算法、软件研究，基
因表达调控网络的研究；与基因组信息相关的核酸、蛋白
质空间结构的预测和模拟，以及蛋白质功能预测的研究。
4、生物大分子结构模拟和药物设计
包括 RNA(核糖核酸 )的结构模拟和反义 RNA的分子设计；
蛋白质空间结构模拟和分子设计；具有不同功能域的复合
蛋白质以及连接肽的设计；生物活性分子的电子结构计算
和设计；纳米生物材料的模拟与设计；基于酶和功能蛋白
质结构、细胞表面受体结构的药物设计；基于 DNA结构的
药物设计等。
主要研究内容 2
5、生物信息分析的技术与方法研究
包括发展软件、数据库工具；改进现有的理论分析方法；创建一
切适用于基因组信息分析的新方法、新技术。包括引入复杂系统
分析技术、信息系统分析技术等；建立严格的多序列比较方法；
发展与应用密码学方法以及其他算法和分析技术；发展研究基因
组完整信息结构和信息网络的研究方法等；发展生物大分子空间
结构模拟、电子结构模拟和药物设计的新方法与新技术。
6、应用与发展研究
汇集与疾病相关的人类基因信息，发展患者样品序列信息检测技
术和基于序列信息选择表达载体、引物的技术，建立与动植物良
种繁育相关的数据库以及与大分子设计和药物设计相关的数据库。
主要研究内容 3
EMBL,GenBank和 DDBJ是国际上三大主要
核酸序列数据库。
EMBL是由 European Molecular Biology
Laboratory于 1982年创建的，目前由欧洲生物
信息学研究所负责管理。 数据库网址是：
http://www.ebi.ac.uk/embl/。
基因和基因组数据库 1
美国国家健康研究院 NIH也于 80年代初委托洛
斯阿拉莫斯国家实验室建立 GenBank，后移交给
国家生物技术信息中心 NCBI，隶属于 NIH下设的
国家医学图书馆。 NCBI的网址是：
http://www.ncbi.nlm.nih.gov。
基因和基因组数据库 2
DDBJ是 DNA Data Base of Japan的简称，
创建于 1986年，由日本国家遗传学研究所负责
管理。 DDBJ的网址是：
http://www.ddbj.nig.ac.jp/。
1988年,EMBL,GenBank 与 DDBJ共同
成立了国际核酸序列联合数据库中心，建立了
合作关系。
基因和基因组数据库 3
蛋白质数据库 1
1,PIR和 PSD
PIR国际蛋白质序列数据库 (PSD)是由蛋白质信息资源 (PIR)、
慕尼黑蛋白质序列信息中心 (MIPS)和日本国际蛋白质序列数据
库 (JIPID)共同维护的国际上最大的公共蛋白质序列数据库。
PIR和 PSD的网址是,http://pir.georgetown.edu/。
2,SWISS-PROT
SWISS-PROT是经过注释的蛋白质序列数据库，由欧洲生物信息
学研究所 (EBI)维护。 SWISS-PROT的网址是：
http://www.ebi.ac.uk/swissprot/。
3,PROSITE
PROSITE数据库收集了生物学有显著意义的蛋白质位点和序
列模式，并能根据这些位点和模式快速和可靠地鉴别一个
未知功能的蛋白质序列应该属于哪一个蛋白质家族。
PROSITE的网址是,http://www.expasy.ch/prosite/。
4,PDB
蛋白质数据仓库 (PDB)是国际上唯一的生物大分子结构数据
档案库，由美国 Brookhaven国家实验室建立。
RCSB的 PDB数据库网址是,http://www.rcsb.org/pdb/。
蛋白质数据库 2
功能数据库
1,KEGG
京都基因和基因组百科全书 (KEGG)是系统分析基因功能，
联系基因组信息和功能信息的知识库。
http://www.genome.ad.jp/kegg/。
2,DIP
相互作用的蛋白质数据库 (DIP)收集了由实验验证的蛋白质
－蛋白质相互作用。 http://dip.doe-mbi.ucla.edu/。
3,ASDB
可变剪接数据库 (ASDB)包括蛋白质库和核酸库两部分。
ASDB的网址是,http://cbcg.nersc.gov/asdb。
4,TRRD
转录调控区数据库 (TRRD)是在不断积累的真核生物基因调
控区结构－功能特性信息基础上构建的。
http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/dbases/trrd4/。
5,TRANSFAC
TRANSFAC数据库是关于转录因子、它们在基因组上的结合
位点和与 DNA结合的 profiles的数据库。
http://transfac.gbf.de/TRANSFAC/。
常用操作举例
基因组序列信息分析
序列比对和数据库搜索（ BLAST）
核酸与蛋白质结构和功能的预测分析
蛋白质的三维结构预测
分子进化分析（序列进化树）
功能基因组相关信息分析
第四节
表观遗传学
（ Epigenetics）
在基因组中除了 DNA和 RNA序列以外，还有许多调控
基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但
是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质,DNA和其
它分子的相互作用，而影响和调节遗传的基因的功
能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传
的一门新兴学科。因此 表观遗传学 又称为实验遗传
学、化学遗传学、特异性遗传学、后遗传学、表遗
传学和基因外调节系统，它是生命科学中一个普遍
而又十分重要的新的研究领域。
什么是表观遗传学
表观遗传学 (epigenetics)则是指基于非基
因序列改变所致基因表达水平变化,如
DNA甲基化和染色质构象变化等 。
表观基因组学 (epigenomics)则是在基因
组水平上对表观遗传学改变的研究 。
表观遗传学与表观基因组学
表观遗传学的分子机制
1,DNA甲基化 ；
2,RNA干扰；
3、组蛋白修饰；
4、染色质改型 ；
DNA 甲基化, ＤＮＡ的甲基化是生物关闭基因
表达的一种有效手段，也是印迹遗传的主要机制
之一；基因的去甲基化可能使得印迹丢失，基因
过度表达，甚至引起肿瘤或癌症的发生，如促肿
瘤生长因子 IGF2基因过度表达引发大肠癌。
DNA甲基化
RNA干扰 (RNA interference,RNAi)是正常
生物体内抑制特定基因表达的一种现象，它
是指当细胞中导入与内源性 mRNA编码区同
源的双链 RNA(double stranded RNA，
dsRNA)时，该 mRNA发生降解而导致基因
表达沉默的现象，这种现象发生在转录后水
平，又称为转录后基因沉默。
RNA干扰
RNA干扰的作用机制
长片段 dsRNA在细胞内被 Ⅲ 型 RNA酶 Dicer切
成长度大约为 19-23nt的小片段干扰 RNA
(small interfering RNA,siRNA)，由
siRNA参与构成复合物 RISC(RNA-induced
silence complex)。 siRNA通过与同源 mRNA
的特异配对，引导 RISC特异地降解同源 mRNA，
导致基因表达的抑制。因此小片段的 siRNA
也可以诱导高效的基因沉默。
RNA干扰的应用
1、研究基因功能的新工具；
2、病毒性疾病的治疗；
3、遗传性疾病的治疗；
4、肿瘤病的治疗
组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与 DNA双
链的亲和性，从而改变染色质的疏松或凝
集状态，或通过影响其它转录因子与结构
基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用。
组蛋白修饰对基因表达的调控有类似 DNA
遗传密码的调控作用。
组蛋白修饰
染色质改型
第二节
分子遗传标记
（ Molecular Genetic Marker）
什么是遗传标记？
遗传标记 genetic marker:指可追踪染色体、染色
体某一节段、某个基因座在家系中传递的任何一
种遗传特性。
它具有两个基本特征，即 可遗传性 和 可识别性；
因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作
为遗传标记。
遗传标记的类型
形态学标记（ morphological marker）
细胞学标记 (cytological marker)
生化标记 (biochemical marker)
分子标记 (molecular marker),DNA分子遗
传标记，或 DNA标记。
形态学标记
形态标记即个体的外部形态特征。
形态标记简单直观、经济方便；但其数量在多数
有限、多态性较差，表现易受环境影响，并且有
一些标记与不良性状连锁。此外形态标记的获得
需要通过诱变、分离纯合的过程，周期较长。
主要在早期使用。
细胞遗传标记
细胞学标记即植物细胞染色体的变异。
包括染色体核型（染色体数目、结构、随体有无、着
丝粒位置等）和带型（ C带,N带,G带等）的变化。
与形态标记相比，细胞学标记的优点是能进行一些重
要基因的染色体或染色体区域定位。
但细胞学标记材料需要花费较大的人力和较长时间来
培育，难度很大；同时某些物种对染色体变异反应敏
感；还有些变异难以用细胞学方法进行检测。
生化标记
生化标记包括同工酶和等位酶标记。 同工酶是指一个以上
基因座位编码的酶的不同形式，而等位酶是指由一个基因座位的
不同等位基因编码的酶的不同分子形式。分析方法是电泳和组织
化学染色法将酶的多种形式转变成肉眼可辩的酶谱带型。
生化标记具两个方面的优点,一是表现近中性，对生物经
济性状一般没有大的不良影响；二是直接反映了基因产物差异，
受环境影响较小。
生化标记的应用有限,一是可用标记数量少，二是染色方法
和电泳技术有一定难度。
分子标记
分子标记指能反映生物个体或种群间基因组中某种
差异特征的 DNA片段，它直接反映基因组 DNA间的差
异。分子标记的优越性表现为：（ 1）直接以 DNA的
形式表现，在生物体的各个组织、各个发育阶段均
可检测到，不受季节、环境限制，不存在表达与否
等问题；（ 2）数量极多，遍布整个基因组，可检测
座位几乎无限；（ 3）多态性高，自然界存在许多等
位变异，无须人为创造；（ 4）表现为中性，不影响
目标性状的表达；（ 5）许多标记表现为共显性的特
点，能区别纯合体和杂合体。
分子标记的三个阶段
随着分子生物学技术发展和研究水平的深入，分
子标记的发展经历了三个阶段，也称为三代 DNA
分子标记。
第一代分子标记,RFLP；
第二代分子标记：微卫星（ ms）；
第三代分子标记,SNP；
目前的分子标记类型
目前的分子标记有三类：
第一类是以分子杂交为核心的分子标记技术,包括
RFLP,DNA指纹技术（ DNA Fingerprinting）、原位杂交
（ in situ hybridization）等；
第二类是以 PCR为核心的分子标记技术,包括 RAPD、
简单序列重复标记 SSR或简单序列长度多态性（ Simple
sequence length polymorphism,简称 SSLP标记）、扩展片段
长度多态性标记 AFLP、序标位 STS、序列特征化扩增区域
SCAR等；
第三类是一些新型的分子标记,如,SNP标记、表达序
列标签 EST标记等。
1,RFLP
基本原理,特定生物类型的基因组 DNA经限制性内切酶切
后，产生分子量不同的同源等位片段，再通过电泳的方法分
离和检测这些片段。
特点,（ 1）遍布于整个基因组，数量几乎是无限的；（ 2）
无表型效应，不受发育阶段及器官特异性限制；（ 3）共显性，
可区分纯合子和杂合子；（ 4）结果稳定、可靠；（ 5） DNA
需要量大，检测技术繁杂，难以用于大规模的育种实践中。
2,RAPD
基本原理,用一个（有时用两个）随机引物（一般 8-10个
碱基）非定点地扩增基因组 DNA，然后用凝胶电泳分开扩增
片段。
RAPD标记的特点有,（ 1）不需 DNA探针，设计引物也
无须知道序列信息；（ 2）显性遗传（极少数共显性），不能
鉴别杂合子和纯合子；（ 3）技术简便，不涉及分子杂交和放
射性自显影等技术；（ 4） DNA样品需要量少，引物价格便
宜，成本较低；（ 5）实验重复性较差，结果可靠性较低。
3,AFLP
基本原理,AFLP标记是选择性扩增基因组 DNA酶切片段所
产生的扩增产物的多态性，其实质也是显示限制性内切酶酶
切片段的长度多态性，只不过这种多态性是以扩增片段的长
度不同被检测出来。
AFLP标记的特点有,（ 1）由于 AFLP分析可以采用的限
制性内切酶及选择性碱基种类、数目很多，所以该技术所产
生的标记数目是无限多的；（ 2）典型的 AFLP分析，每次反
应产物的谱带在 50-100条之间，所以一次分析可以同时检测
到多个座位，且多态性极高；（ 3）表现共显性，呈典型孟德
尔式遗传；（ 4）分辩率高，结果可靠；（ 5）目前该技术受
专利保护，用于分析的试剂盒昂贵，实验条件要求较高。
。
4、微卫星标记 ms
基本原理,ms是一类由几个（多为 1-5个）碱基组成的基序
串联重复而成的 DNA序列，其长度一般较短，广泛分布于基
因组的不同位置，如（ CA） n、（ AT） n、（ GGC） n等重复。
不同遗传材料重复次数的可变性，导致了 SSR长度的高度变
异性，这一变异性正是 SSR标记产生的基础。
ms标记的特点有,（ 1）数量丰富，广泛分布于整个基因
组；（ 2）具有较多的等位性变异；（ 3）共显性标记，可鉴
别出杂合子和纯合子；（ 4）实验重复性好，结果可靠；（ 5）
由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序列信息，因此
其开发有一定困难，费用也较高。
5、序列标签位点 STS
基本原理,STS是指基因组中长度为 200-500bp，且核苷酸
顺序已知的单拷贝序列，通过 PCR可将其专一扩增出来。其
基本原理是，依据两端序列，设计合适的引物，进行 PCR扩
增，电泳显示扩增产物多态性。
STS标记的主要特点有,（ 1）标记来源广，数量多；（ 2）
共显性遗传，可区分纯合子和杂合子；（ 3）技术简便，检测
方便；（ 4）与 SSR标记一样，开发依赖于序列分析及引物合
成，成本较高；（ 5）多态性常常低于相应的 RFLP标记。
6、染色体原位杂交
染色体原位杂交技术 是 DNA探针与染色体上的 DNA杂交，
并在染色体上直接进行检测的分子标记技术，现在常用的是
荧光原位杂交（ FISH）技术。
分子标记技术的应用
1 分子遗传图谱的构建；
2 遗传多样性与种质鉴定
3 重要经济性状相关基因的定位
4 分子标记辅助选择
5 重要经济性状的图位克隆
标记辅助选择 （ marker assisted selected, MAS）是
指与特定的数量性状相关的遗传标记为工具，以标记信息
作为辅助信息，对该数量性状进行选择，以在育种中获得
较大的遗传进展。
图位克隆 (map-based cloning)：目标基因在染色体遗
传图谱及物理图谱中的位置，采用染色体步移法
(chromosomal walking)进行基因克隆，称为图位克隆。
基本概念
动物的标记辅助选择应用
1 猪的应激基因检测；
2 猪的 ESR基因与多仔性状；
3 鸡的羽速自别雌雄；
4 矮小基因与矮小鸡
5 肌肉生长抑制素
Myostatin基因与肉牛生产
（ Animal Genomics）
第十一章
主要内容
第一节 人类基因组计划
第二节 比较基因组与功能基因组
第三节 生物信息学
第四节 表观遗传学
第五节 分子遗传标记
第一节
人类基因组计划
（ Human Genome Project）
人类基因组计划（ 1）
* 1990年多国合作小组启动,2001年在 Nature上公布
结果；
*Craig Venter博士采用
散弹法于 Science上发表
结果。
* 人基因组测序的完成
可与人类登月媲美。
人类基因组计划（ 2）
* 耗时 10载，耗费 20余亿美圆；
* 基因组大小 30亿碱基；
* 1%为外显子,99%为内含子和重复序列；
* 表达蛋白质的基因组数量约为 3万；
* 约含 100万个 SNP标记。
序列测定方法 1
全基因组鸟枪法：
在一定作图信息基础
上，绕过大片段连续
克隆系的构建而直接
将基因组分解成小片
段随机测序，利用超
级计算机进行组装
（美国 Celera公司）。
序列测定方法 2
人类基因组计划的意义
基因组大小的比较 （ 1）
基因组大小的比较 （ 2）
基因组 （ Genome） 就是指生物体染色体、细胞
器中所含的全套遗传物质 ； 一种生物全部基因的
集合称为“基因组”。
基因组 学 （ Genomics） 就是 研究基因组结构和
功能的科学。
基因组与基因组学
基因组学的分类
基因组学可以分为结构基因组学和功能基因组学 。
对基因组物理结构的作图和测序的研究 称为 结构 基
因组 学；
功能基因组学 是指应用整体的研究技术阐明这些
基因和蛋白的生物学功能,
结构基因组学 功能基因组学
后基因组时代
( Postgenome era)
* 人类基因组计划完成之后，生物学被重新划分为
前基因组和后基因组两部分。
* 科学研究已开始进入“后基因组时代”。主要是
开展蛋白质组的研究。
* 有科学家形象地说道,即使基因测序全部完成，
也只好像是一本没有姓名、只有号码的电话簿。
“后基因组时代”的最终目标，是要把深奥的
DNA语言变成一本基因大百科全书。
第二节
比较基因组与功能基因组
（ Comparative Genome & Functional Genome）
遗传图谱, 又称连锁图谱 (linkage map)，它是以具有
遗传多态性（在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因，
在群体中的出现频率皆高于 1%）的遗传标记为, 路标,,
以遗传学距离（在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、
重组的百分率,1%的重组率称为 1cM）为图距的基因组图。
物理图谱, 物理图谱是指有关构成基因组的全部基因的
排列和间距的信息，它是通过对构成基因组的 DNA分子进行
测定而绘制的。绘制物理图谱的目的是把有关基因的遗传
信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出
来。
遗传图谱与物理图谱
随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之重的工作。
DNA序列分析技术是一个包括制备 DNA片段化及碱基分析、
DNA信息翻译的多阶段的过程。通过测序得到基因组的 序列
图谱 。
基因图谱 是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础
上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。
在人类基因组中鉴别出占具 2%~5%长度的全部基因的位置、
结构与功能，最主要的方法是通过基因的表达产物 mRNA反追
到染色体的位置。
序列图谱与基因图谱
什么是比较基因组学？
利用生物在进化上的亲缘关系,来比较它们与
人类之间的相似与相异,即比较基因组学。
* 蛋白组（ Proteome）
蛋白质组 是指, 一种 基因 组所表达的全套蛋白
质, 。
* 蛋白组学（ Proteomics）
一门在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成及其
活动规律的新兴学科。
* 蛋白组学与功能基因组学息息相关。
蛋白组学与功能基因组学
1.蛋白质分离和鉴定：
2.翻译后修饰：翻译后修饰是蛋白质调节功能的重要方式，
因此对蛋白质翻译后修饰的研究对阐明蛋白质的功能具有重
要作用。
3.蛋白质功能确定：如分析酶活性和确定酶底物，细胞因子
的生物分析 /配基 -受体结合分析。可以利用基因敲除和反义
技术分析基因表达产物 -蛋白质的功能。另外对蛋白质表达出
来后在细胞内的定位研究也在一定程度上有助于蛋白质功能
的了解。
4.对人类而言，蛋白质组学的研究最终要服务于人类的健康，
主要指促进分子医学的发展。如寻找药物的靶分子。很多药
物本身就是蛋白质，而很多药物的靶分子也是蛋白质。药物
也可以干预蛋白质 -蛋白质相互作用。
蛋白质组学的研究内容
生物芯片 1
生物芯片 2
第三节
生物信息学
（ Bioinformatics）
背景知识
包括人、鸡、水稻等动植物以及大肠杆菌等原核生
物的数十种模式生物的基因组序列的成功获得；以
及更多生物基因组序列的即将获得。
生物信息学是在此背景下发展起来的综合运用生物
学、数学、物理学、信息科学以及计算机科学等诸
多学科的理论方法的崭新交叉学科。生物信息学是
内涵非常丰富的学科，其核心是基因组信息学，包
括基因组信息的获取、处理、存储、分配和解释。
生物信息学 是以生物大分子为研究对象，以计算
机为工具，运用数学和信息科学的观点、理论和
方法去研究生命现象、组织和分析呈指数级增长
的生物信息数据的一门科学,
什么是生物信息学？
主要研究内容 1
1,生物信息的收集、存储、管理与提供
包括建立国际基本生物信息库和生物信息传输的国际联网系统；
建立生物信息数据质量的评估与检测系统；生物信息的在线服
务；生物信息可视化和专家系统。
2、基因组序列信息的提取和分析
包括基因的发现与鉴定；基因组中非编码区的信息结构分析，
提出理论模型，阐明该区域的重要生物学功能；进行模式生物
完整基因组的信息结构分析和比较研究；利用生物信息研究遗
传密码起源、基因组结构的演化、基因组空间结构与 DNA折
叠的关系以及基因组信息与生物进化关系等生物学的重大问题。
3,功能基因组相关信息分析
包括与大规模基因表达谱分析相关的算法、软件研究，基
因表达调控网络的研究；与基因组信息相关的核酸、蛋白
质空间结构的预测和模拟，以及蛋白质功能预测的研究。
4、生物大分子结构模拟和药物设计
包括 RNA(核糖核酸 )的结构模拟和反义 RNA的分子设计；
蛋白质空间结构模拟和分子设计；具有不同功能域的复合
蛋白质以及连接肽的设计；生物活性分子的电子结构计算
和设计；纳米生物材料的模拟与设计；基于酶和功能蛋白
质结构、细胞表面受体结构的药物设计；基于 DNA结构的
药物设计等。
主要研究内容 2
5、生物信息分析的技术与方法研究
包括发展软件、数据库工具；改进现有的理论分析方法；创建一
切适用于基因组信息分析的新方法、新技术。包括引入复杂系统
分析技术、信息系统分析技术等；建立严格的多序列比较方法；
发展与应用密码学方法以及其他算法和分析技术；发展研究基因
组完整信息结构和信息网络的研究方法等；发展生物大分子空间
结构模拟、电子结构模拟和药物设计的新方法与新技术。
6、应用与发展研究
汇集与疾病相关的人类基因信息，发展患者样品序列信息检测技
术和基于序列信息选择表达载体、引物的技术，建立与动植物良
种繁育相关的数据库以及与大分子设计和药物设计相关的数据库。
主要研究内容 3
EMBL,GenBank和 DDBJ是国际上三大主要
核酸序列数据库。
EMBL是由 European Molecular Biology
Laboratory于 1982年创建的，目前由欧洲生物
信息学研究所负责管理。 数据库网址是：
http://www.ebi.ac.uk/embl/。
基因和基因组数据库 1
美国国家健康研究院 NIH也于 80年代初委托洛
斯阿拉莫斯国家实验室建立 GenBank，后移交给
国家生物技术信息中心 NCBI，隶属于 NIH下设的
国家医学图书馆。 NCBI的网址是：
http://www.ncbi.nlm.nih.gov。
基因和基因组数据库 2
DDBJ是 DNA Data Base of Japan的简称，
创建于 1986年，由日本国家遗传学研究所负责
管理。 DDBJ的网址是：
http://www.ddbj.nig.ac.jp/。
1988年,EMBL,GenBank 与 DDBJ共同
成立了国际核酸序列联合数据库中心，建立了
合作关系。
基因和基因组数据库 3
蛋白质数据库 1
1,PIR和 PSD
PIR国际蛋白质序列数据库 (PSD)是由蛋白质信息资源 (PIR)、
慕尼黑蛋白质序列信息中心 (MIPS)和日本国际蛋白质序列数据
库 (JIPID)共同维护的国际上最大的公共蛋白质序列数据库。
PIR和 PSD的网址是,http://pir.georgetown.edu/。
2,SWISS-PROT
SWISS-PROT是经过注释的蛋白质序列数据库，由欧洲生物信息
学研究所 (EBI)维护。 SWISS-PROT的网址是：
http://www.ebi.ac.uk/swissprot/。
3,PROSITE
PROSITE数据库收集了生物学有显著意义的蛋白质位点和序
列模式，并能根据这些位点和模式快速和可靠地鉴别一个
未知功能的蛋白质序列应该属于哪一个蛋白质家族。
PROSITE的网址是,http://www.expasy.ch/prosite/。
4,PDB
蛋白质数据仓库 (PDB)是国际上唯一的生物大分子结构数据
档案库，由美国 Brookhaven国家实验室建立。
RCSB的 PDB数据库网址是,http://www.rcsb.org/pdb/。
蛋白质数据库 2
功能数据库
1,KEGG
京都基因和基因组百科全书 (KEGG)是系统分析基因功能，
联系基因组信息和功能信息的知识库。
http://www.genome.ad.jp/kegg/。
2,DIP
相互作用的蛋白质数据库 (DIP)收集了由实验验证的蛋白质
－蛋白质相互作用。 http://dip.doe-mbi.ucla.edu/。
3,ASDB
可变剪接数据库 (ASDB)包括蛋白质库和核酸库两部分。
ASDB的网址是,http://cbcg.nersc.gov/asdb。
4,TRRD
转录调控区数据库 (TRRD)是在不断积累的真核生物基因调
控区结构－功能特性信息基础上构建的。
http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/dbases/trrd4/。
5,TRANSFAC
TRANSFAC数据库是关于转录因子、它们在基因组上的结合
位点和与 DNA结合的 profiles的数据库。
http://transfac.gbf.de/TRANSFAC/。
常用操作举例
基因组序列信息分析
序列比对和数据库搜索（ BLAST）
核酸与蛋白质结构和功能的预测分析
蛋白质的三维结构预测
分子进化分析（序列进化树）
功能基因组相关信息分析
第四节
表观遗传学
（ Epigenetics）
在基因组中除了 DNA和 RNA序列以外，还有许多调控
基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但
是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质,DNA和其
它分子的相互作用，而影响和调节遗传的基因的功
能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传
的一门新兴学科。因此 表观遗传学 又称为实验遗传
学、化学遗传学、特异性遗传学、后遗传学、表遗
传学和基因外调节系统，它是生命科学中一个普遍
而又十分重要的新的研究领域。
什么是表观遗传学
表观遗传学 (epigenetics)则是指基于非基
因序列改变所致基因表达水平变化,如
DNA甲基化和染色质构象变化等 。
表观基因组学 (epigenomics)则是在基因
组水平上对表观遗传学改变的研究 。
表观遗传学与表观基因组学
表观遗传学的分子机制
1,DNA甲基化 ；
2,RNA干扰；
3、组蛋白修饰；
4、染色质改型 ；
DNA 甲基化, ＤＮＡ的甲基化是生物关闭基因
表达的一种有效手段，也是印迹遗传的主要机制
之一；基因的去甲基化可能使得印迹丢失，基因
过度表达，甚至引起肿瘤或癌症的发生，如促肿
瘤生长因子 IGF2基因过度表达引发大肠癌。
DNA甲基化
RNA干扰 (RNA interference,RNAi)是正常
生物体内抑制特定基因表达的一种现象，它
是指当细胞中导入与内源性 mRNA编码区同
源的双链 RNA(double stranded RNA，
dsRNA)时，该 mRNA发生降解而导致基因
表达沉默的现象，这种现象发生在转录后水
平，又称为转录后基因沉默。
RNA干扰
RNA干扰的作用机制
长片段 dsRNA在细胞内被 Ⅲ 型 RNA酶 Dicer切
成长度大约为 19-23nt的小片段干扰 RNA
(small interfering RNA,siRNA)，由
siRNA参与构成复合物 RISC(RNA-induced
silence complex)。 siRNA通过与同源 mRNA
的特异配对，引导 RISC特异地降解同源 mRNA，
导致基因表达的抑制。因此小片段的 siRNA
也可以诱导高效的基因沉默。
RNA干扰的应用
1、研究基因功能的新工具；
2、病毒性疾病的治疗；
3、遗传性疾病的治疗；
4、肿瘤病的治疗
组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与 DNA双
链的亲和性，从而改变染色质的疏松或凝
集状态，或通过影响其它转录因子与结构
基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用。
组蛋白修饰对基因表达的调控有类似 DNA
遗传密码的调控作用。
组蛋白修饰
染色质改型
第二节
分子遗传标记
（ Molecular Genetic Marker）
什么是遗传标记？
遗传标记 genetic marker:指可追踪染色体、染色
体某一节段、某个基因座在家系中传递的任何一
种遗传特性。
它具有两个基本特征，即 可遗传性 和 可识别性；
因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作
为遗传标记。
遗传标记的类型
形态学标记（ morphological marker）
细胞学标记 (cytological marker)
生化标记 (biochemical marker)
分子标记 (molecular marker),DNA分子遗
传标记，或 DNA标记。
形态学标记
形态标记即个体的外部形态特征。
形态标记简单直观、经济方便；但其数量在多数
有限、多态性较差，表现易受环境影响，并且有
一些标记与不良性状连锁。此外形态标记的获得
需要通过诱变、分离纯合的过程，周期较长。
主要在早期使用。
细胞遗传标记
细胞学标记即植物细胞染色体的变异。
包括染色体核型（染色体数目、结构、随体有无、着
丝粒位置等）和带型（ C带,N带,G带等）的变化。
与形态标记相比，细胞学标记的优点是能进行一些重
要基因的染色体或染色体区域定位。
但细胞学标记材料需要花费较大的人力和较长时间来
培育，难度很大；同时某些物种对染色体变异反应敏
感；还有些变异难以用细胞学方法进行检测。
生化标记
生化标记包括同工酶和等位酶标记。 同工酶是指一个以上
基因座位编码的酶的不同形式，而等位酶是指由一个基因座位的
不同等位基因编码的酶的不同分子形式。分析方法是电泳和组织
化学染色法将酶的多种形式转变成肉眼可辩的酶谱带型。
生化标记具两个方面的优点,一是表现近中性，对生物经
济性状一般没有大的不良影响；二是直接反映了基因产物差异，
受环境影响较小。
生化标记的应用有限,一是可用标记数量少，二是染色方法
和电泳技术有一定难度。
分子标记
分子标记指能反映生物个体或种群间基因组中某种
差异特征的 DNA片段，它直接反映基因组 DNA间的差
异。分子标记的优越性表现为：（ 1）直接以 DNA的
形式表现，在生物体的各个组织、各个发育阶段均
可检测到，不受季节、环境限制，不存在表达与否
等问题；（ 2）数量极多，遍布整个基因组，可检测
座位几乎无限；（ 3）多态性高，自然界存在许多等
位变异，无须人为创造；（ 4）表现为中性，不影响
目标性状的表达；（ 5）许多标记表现为共显性的特
点，能区别纯合体和杂合体。
分子标记的三个阶段
随着分子生物学技术发展和研究水平的深入，分
子标记的发展经历了三个阶段，也称为三代 DNA
分子标记。
第一代分子标记,RFLP；
第二代分子标记：微卫星（ ms）；
第三代分子标记,SNP；
目前的分子标记类型
目前的分子标记有三类：
第一类是以分子杂交为核心的分子标记技术,包括
RFLP,DNA指纹技术（ DNA Fingerprinting）、原位杂交
（ in situ hybridization）等；
第二类是以 PCR为核心的分子标记技术,包括 RAPD、
简单序列重复标记 SSR或简单序列长度多态性（ Simple
sequence length polymorphism,简称 SSLP标记）、扩展片段
长度多态性标记 AFLP、序标位 STS、序列特征化扩增区域
SCAR等；
第三类是一些新型的分子标记,如,SNP标记、表达序
列标签 EST标记等。
1,RFLP
基本原理,特定生物类型的基因组 DNA经限制性内切酶切
后，产生分子量不同的同源等位片段，再通过电泳的方法分
离和检测这些片段。
特点,（ 1）遍布于整个基因组，数量几乎是无限的；（ 2）
无表型效应，不受发育阶段及器官特异性限制；（ 3）共显性，
可区分纯合子和杂合子；（ 4）结果稳定、可靠；（ 5） DNA
需要量大，检测技术繁杂，难以用于大规模的育种实践中。
2,RAPD
基本原理,用一个（有时用两个）随机引物（一般 8-10个
碱基）非定点地扩增基因组 DNA，然后用凝胶电泳分开扩增
片段。
RAPD标记的特点有,（ 1）不需 DNA探针，设计引物也
无须知道序列信息；（ 2）显性遗传（极少数共显性），不能
鉴别杂合子和纯合子；（ 3）技术简便，不涉及分子杂交和放
射性自显影等技术；（ 4） DNA样品需要量少，引物价格便
宜，成本较低；（ 5）实验重复性较差，结果可靠性较低。
3,AFLP
基本原理,AFLP标记是选择性扩增基因组 DNA酶切片段所
产生的扩增产物的多态性，其实质也是显示限制性内切酶酶
切片段的长度多态性，只不过这种多态性是以扩增片段的长
度不同被检测出来。
AFLP标记的特点有,（ 1）由于 AFLP分析可以采用的限
制性内切酶及选择性碱基种类、数目很多，所以该技术所产
生的标记数目是无限多的；（ 2）典型的 AFLP分析，每次反
应产物的谱带在 50-100条之间，所以一次分析可以同时检测
到多个座位，且多态性极高；（ 3）表现共显性，呈典型孟德
尔式遗传；（ 4）分辩率高，结果可靠；（ 5）目前该技术受
专利保护，用于分析的试剂盒昂贵，实验条件要求较高。
。
4、微卫星标记 ms
基本原理,ms是一类由几个（多为 1-5个）碱基组成的基序
串联重复而成的 DNA序列，其长度一般较短，广泛分布于基
因组的不同位置，如（ CA） n、（ AT） n、（ GGC） n等重复。
不同遗传材料重复次数的可变性，导致了 SSR长度的高度变
异性，这一变异性正是 SSR标记产生的基础。
ms标记的特点有,（ 1）数量丰富，广泛分布于整个基因
组；（ 2）具有较多的等位性变异；（ 3）共显性标记，可鉴
别出杂合子和纯合子；（ 4）实验重复性好，结果可靠；（ 5）
由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序列信息，因此
其开发有一定困难，费用也较高。
5、序列标签位点 STS
基本原理,STS是指基因组中长度为 200-500bp，且核苷酸
顺序已知的单拷贝序列，通过 PCR可将其专一扩增出来。其
基本原理是，依据两端序列，设计合适的引物，进行 PCR扩
增，电泳显示扩增产物多态性。
STS标记的主要特点有,（ 1）标记来源广，数量多；（ 2）
共显性遗传，可区分纯合子和杂合子；（ 3）技术简便，检测
方便；（ 4）与 SSR标记一样，开发依赖于序列分析及引物合
成，成本较高；（ 5）多态性常常低于相应的 RFLP标记。
6、染色体原位杂交
染色体原位杂交技术 是 DNA探针与染色体上的 DNA杂交，
并在染色体上直接进行检测的分子标记技术，现在常用的是
荧光原位杂交（ FISH）技术。
分子标记技术的应用
1 分子遗传图谱的构建；
2 遗传多样性与种质鉴定
3 重要经济性状相关基因的定位
4 分子标记辅助选择
5 重要经济性状的图位克隆
标记辅助选择 （ marker assisted selected, MAS）是
指与特定的数量性状相关的遗传标记为工具，以标记信息
作为辅助信息，对该数量性状进行选择，以在育种中获得
较大的遗传进展。
图位克隆 (map-based cloning)：目标基因在染色体遗
传图谱及物理图谱中的位置，采用染色体步移法
(chromosomal walking)进行基因克隆，称为图位克隆。
基本概念
动物的标记辅助选择应用
1 猪的应激基因检测；
2 猪的 ESR基因与多仔性状；
3 鸡的羽速自别雌雄；
4 矮小基因与矮小鸡
5 肌肉生长抑制素
Myostatin基因与肉牛生产
