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2024-01-27

医学分子生物学-基因组

目录

contents

基因组概述

基因组测序技术

基因组组装与注释

基因组变异与进化

基因组与人类疾病关系

基因组在医学应用前景

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基因组概述

基因组定义

指一个生物体内所有基因的总和，包括编码蛋白质的基因和非编码蛋白质的调控序列。

基因组组成

包括DNA序列、RNA序列以及与之相关的蛋白质等。其中，DNA序列是基因组的主要组成部分，携带遗传信息；RNA序列在基因表达过程中发挥重要作用；蛋白质则是基因功能的执行者。

不同生物的基因组大小差异很大，从最简单的病毒基因组到复杂的人类基因组，大小可以从几千个碱基对到数十亿个碱基对不等。

基因组大小

基因组结构包括基因组的线性排列、DNA的高级结构以及染色体结构等。在真核生物中，基因组通常被组织成染色体，而在原核生物中则没有染色体结构。

基因组结构

揭示生命本质

疾病预防与治疗

生物育种与改良

生物制药与工业应用

基因组是生命的基础，研究基因组有助于揭示生命的本质和演化过程。

利用基因组技术，可以对动植物进行精确的遗传改良和育种，提高产量和品质。

通过基因组研究，可以深入了解疾病的发病机理，为疾病的预防和治疗提供新的思路和方法。

基因组研究为生物制药和工业应用提供了丰富的基因资源和工具，促进了生物技术的发展和应用。

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基因组测序技术

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缺点

通量低、成本高。

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原理

利用DNA聚合酶来延伸结合在待定序列模板上的引物，直到掺入一种链终止核苷酸为止。

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优点

读长较长、准确性高。

边合成边测序（SBS），通过捕捉新合成的末端的标记来确定DNA的序列。

原理

优点

缺点

通量高、成本低、速度快。

读长较短，需要PCR扩增。

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单分子实时测序（SMRT），无需PCR扩增，直接对单分子DNA进行测序。

原理

读长非常长，可检测碱基修饰。

优点

准确性相对较低，成本较高。

缺点

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基因组组装与注释

基于重叠群的组装方法

利用DNA片段之间的重叠区域，通过比对和拼接形成更长的连续序列，逐步组装成完整的基因组。

基于deBruijn图的组装方法

将DNA片段切割成固定长度的k-mer，构建deBruijn图，通过遍历图并合并路径，得到基因组的组装结果。

基于第三代测序技术的组装方法

利用长读长测序技术（如PacBio和OxfordNanopore），直接读取长片段DNA序列，简化组装过程并提高准确性。

识别基因的位置、外显子和内含子的边界、启动子和终止子等，确定基因的结构和编码区。

基因结构注释

预测基因编码的蛋白质序列，并分析蛋白质的功能、结构域、信号肽等，揭示基因在生物体中的功能。

功能注释

研究基因在不同组织、发育阶段和环境条件下的表达模式，了解基因的表达调控机制。

表达注释

BLAST

GeneMark

InterProScan

Cufflinks

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用于序列比对和相似性搜索的常用工具，可用于识别基因的同源序列和保守结构域。

基于隐马尔可夫模型的基因预测软件，能够准确识别基因的位置和结构。

集成了多个蛋白质功能预测数据库和算法，用于分析蛋白质的功能和结构域。

用于转录组数据分析的工具，能够定量基因的表达水平并检测差异表达基因。

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基因组变异与进化

点突变

指基因组中单一核苷酸的替换，包括转换和颠换两种类型。

沉默突变

点突变发生在基因编码区，但不改变所编码的氨基酸，因此不影响蛋白质功能。

错义突变

点突变导致氨基酸改变，可能影响蛋白质结构和功能。

缺失

指一个或多个核苷酸的丢失，同样会导致基因组序列的改变。

插入

指一个或多个核苷酸的添加，导致基因组序列的改变。

移码突变

插入或缺失发生在基因编码区，导致阅读框改变，进而影响蛋白质结构和功能。

通过基因复制产生新的基因，为生物进化提供原材料。

基因复制

基因重组

自然选择

遗传漂变

通过非同源重组、同源重组等方式实现基因序列的交换和重组，产生新的基因型和表现型。

环境对生物表型的选择作用，使适应环境的个体得以生存和繁殖，不适应环境的个体被淘汰。

由于随机因素导致等位基因频率在群体中的随机波动。

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基因组与人类疾病关系

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单基因遗传病通常是由单一基因突变引起的，如镰状细胞贫血、囊性纤维化等。

基因突变

单基因遗传病遵循孟德尔遗传定律，包括常染色体显性遗传、常染色体隐性遗传、X连锁显性遗传、X连锁隐性遗传等。

遗传方式

通过基因检测可以诊断单基因遗传病，遗传咨询和产前诊断有助于预防患病胎儿的出生。

诊断和预防

多基因遗传病涉及多个基因的变异，每个基因对表型的贡献较小，如高血压、糖尿病等。

多个基因参与

多基因遗传病的发生既受遗传因素影响，也与环境因素有关，如生活方式、饮食习惯等。