基因組學

基因組學的目的是對一個生物體所有基因進行集體表徵和量化，並研究它們之間的相互關係及對生物體的影響 ^[1]  。基因組學還包括基因組測序和分析，通過使用高通量DNA測序和生物信息學來組裝和分析整個基因組的功能和結構。基因組學同時也研究基因組內的一些現象如上位性（一個基因對另一個基因的影響）、多效性（一個基因影響多個性狀）、雜種優勢（雜交活力）以及基因組內基因座和等位基因之間的相互作用等。

基因組學的進步引發了以發現為基礎的研究和系統生物學領域的一場革命，促進了對大腦等最複雜生物系統的理解 ^[2]  。基因組學與轉錄組學、蛋白組學和代謝組學一起構成了系統生物學的組學（omics）基礎 ^[3]  。

基因組學的主要工具和方法包括： 生物信息學，遺傳分析，基因表達測量和基因功能鑑定 ^[4]  。

基因組學出現於20世紀80年代，隨着幾個物種基因組計劃的啓動，基因組學在20世紀90年代取得長足發展。

1977年，噬菌體Φ-X174單鏈（5,386 鹼基對）完全測序，成為第一個測定的基因組；

1981年，第一個完整真核細胞器人類線粒體（16568 bp，約16.6 kb [kb]）的基因組序列測序完成；

1992年，第一個真核細胞釀酒酵母III染色體（315 kb）測序完成；

1995年，第一個活體物種嗜血流感菌（Haemophilus influenzae，1.8Mb）的基因組測序完成；

1996年，第一個真核生物釀酒酵母的完整基因組序列（12.1 Mb）測序完成；

2001年，人類基因組計劃公佈了人類基因組草圖，為基因組學研究揭開新的一頁。到2012年10月，研究完成了1092個個體的基因組測序。

功能基因組學是分子生物學的一個領域，它試圖利用基因組項目（如基因組測序項目）產生的大量數據來描述基因（和蛋白質）的功能和相互作用 ^[5]  。功能基因組學側重於基因轉錄、翻譯和蛋白質-蛋白質相互作用的動態變化，與基因組提供的DNA序列或結構等靜態信息截然相反。功能基因組學試圖從基因、RNA轉錄本和蛋白質產品三個水平上回答有關DNA功能的問題。功能基因組學研究的一個關鍵特徵是它們對這些問題的全基因組方法，通常涉及高通量方法，而不是傳統的“個案基因”方法。

基因組學的一個主要分支仍然關注於對各種生物體基因組的測序，但全基因組的知識為功能基因組學關注各種條件下基因表達的模式創造了可能。涉及到的最重要的工具是芯片技術和生物信息學 ^[5]  。

結構基因組學試圖描述由給定基因組編碼的每個蛋白質的三維結構 ^[6]  。這種基於基因組的方法允許通過實驗和建模相結合方法高通量進行蛋白結構鑑定。結構基因組學與傳統結構預測的主要區別在於，結構基因組學試圖確定基因組編碼的每一種蛋白質的結構，而不是專注於一種特定的蛋白質。隨着全基因組序列的公開，通過實驗和建模相結合的方法可以更快完成蛋白質結構預測，特別是由於大量測序基因組和以前解析蛋白質結構的公開，使得科學家可以根據已有同源物的結構對蛋白質結構進行建模。

結構基因組學涉及到大量的結構鑑定方法，包括利用基因組序列的試驗方法、基於已知同源蛋白質的序列或結構同源性基礎上的建模方法、或基於沒有任何已知結構同源性蛋白質的化學和物理特性的建模方法。與傳統的結構生物學相反，結構基因組學來確定的蛋白質結構常常（但並不總是）先於對其功能的瞭解。這對結構生物信息學提出了新的挑戰，比如要從蛋白質的三維結構中確定其功能 ^{[5]  [5]}  。

表觀基因組學是研究表觀基因組，即生物體中所有表觀修飾的遺傳物質的學科 ^[3]  。表觀遺傳修飾是對細胞DNA或組蛋白的可逆修飾，在不改變DNA序列的情況下影響基因表達。兩個最具特徵的表觀遺傳修飾是DNA甲基化和組蛋白修飾。表觀遺傳修飾在基因表達和調控中起着重要作用，並參與許多細胞過程，如分化/發育和腫瘤發生。直到最近，通過基因組高通量分析，才可能在全基因組範圍研究表觀遺傳學 ^[3]  。

宏基因組學是研究直接從環境樣品中提取的遺傳物質的元基因組的學科 ^[7]  。宏基因組學也稱為環境基因組學、生態基因組學或羣落基因組學。傳統的微生物學和微生物基因組測序依賴於培養的克隆培養物，而早期的環境基因測序克隆了特定的基因（通常是16S rRNA基因），從而獲得自然羣體的多樣性。這些工作表明，絕大多數微生物的多樣性被基於菌落培養的方法所遺漏。宏基因組使用“散彈槍”測序或大規模平行焦磷酸測序，可以無偏好地獲得樣本羣體中所有微生物成員的基因信息。由於宏基因組學能夠揭示此前被隱藏的微生物多樣性，它為觀察微生物世界提供了一個強有力的工具，其結果有可能徹底改變對整個生命世界的認知 ^[7]  。

基因組學在許多領域包括醫學、生物技術、人類學和其他社會科學等得到了應用。

新一代基因組技術使臨牀醫生和生物醫學研究人員能夠大幅增加從大規模研究羣體中收集的基因組數據量。當結合新的信息學方法將多種數據與基因組數據進行集成後，研究人員就能夠更好地理解藥物反應和疾病的遺傳基礎 ^[8]  。例如，All of Us 研究計劃旨在收集100萬參與者的基因組序列數據，併成為精準醫學研究平台的重要組成部分。

基因組知識的增長使得合成生物學的應用越來越複雜。2010年，克雷格·文特爾研究所的研究人員宣佈，成功部分合成了一種細菌-來源於生殖支原體基因組的合成支原體 ^[9]  。

自然資源保護主義者可以利用基因組測序收集到的信息，更好地評估物種保護的關鍵遺傳因素，如種羣的遺傳多樣性，或個體是否為隱性遺傳疾病的攜帶者。通過使用基因組數據來評估進化過程的影響，並檢測特定種羣的變異模式，自然資源保護主義者可以制定計劃，在不像標準遺傳學方法那樣留下許多未知變量的情況下，幫助特定物種 ^[10]  。

書 名: 基因組學

作　者：宋方洲

出版社： 軍事醫學科學出版社

出版時間： 2011年9月1日

ISBN: 9787802457751

開本： 16開

定價: 48.00元

內容簡介

這是在當前生命科學迅猛發展以及我國研究生教育變革的背景下，為適應研究生培養課程體系和教學內容改革的新形勢而編寫的。編者均為長期工作在科研教學一線的教師。全書內容包括十二章，其中第一章至第五章的內容主要為基因組學的理論基礎，第六章至第十二章的內容主要為基因組學研究的相關技術與方法。《基因組學》不僅可以作為高等院校生物醫學相關專業研究生和高年級本科生的教材使用，而且對於從事生物醫學相關專業的研究人員、青年教師和學生也頗具參考價值。

圖書目錄

第1章 基因組學概論

第2章 基因組多態性

第3章 基因組作圖

第4章 疾病基因組學

第5章 基因組的進化與分子系統學

第6章 重組DNA技術及其應用

第7章 分子雜交與印跡技術

第8章 PCR技術及其相關技術的發展和應用

第9章 轉基因動物技術的應用與發展

第10章 生物芯片的應用與發展

第11章 新基因功能研究的策略與方法

第12章 RNAi技術的應用與發展