基因組

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生物学中,一个生物体的基因组是指包含在该生物的DNA(部分病毒是RNA)中的全部遗传信息,又稱基因體(genome)。基因组包括基因非編碼DNA。1920年,德国汉堡大学植物学教授汉斯·温克勒(Hans Winkler)首次使用基因组这一名词。

更精确地讲,一个生物体的基因组是指一套染色体中的完整的DNA序列。例如,生物个体体细胞中的二倍体由两套染色体组成,其中一套DNA序列就是一个基因组。基因组一词可以特指整套DNA(例如,核基因组),也可以用于包含自己DNA序列的细胞器基因组,如粒线体基因组或叶绿体基因组。当人们说一个有性生殖物种的基因组正在测序时,通常是指测定一套常染色体和两种性染色体的序列,这样来代表可能的两种性别。即使在只有一种性别的物种中,“一套基因组序列”可能也综合了来自不同个体的染色体。通常使用中,“遗传组成”一词有时在交流中即指某特定个体或物种的基因组。对相关物种全部基因组性质的研究通常被称为基因组学,该学科与遗传学不同,后者一般研究单个或一组基因的性质。

基因组的种类[编辑]

大部分生物体比病毒复杂,除了染色体,有时或总是包含额外的遗传物质。某些情况下,比如对致病微生物的基因组测序,这里基因组就包含了在质粒中的遗传物质。在这种情况下基因组就包含了所有的基因和非编码DNA。

而对于像人类这样的脊椎动物,基因组通常指的只是染色体DNA。因此,尽管人类线粒体里包含了基因,但这些基因并不作为基因组的一部分。事实上,有时候称线粒体拥有自己的基因组,通常叫做线粒体基因组

基因组和遗传变异[编辑]

必须指出仅有一个基因组并不能获得物种的遗传差异或遗传多态性。例如,原则上讲,人类基因组序列可以仅仅从某个个体的一个细胞的一半DNA中测定。要知道是哪些DNA变异导致特定性状或疾病则需要进行个体间比较。这一点也解释了通常使用“基因组”(与通常使用“基因”相提并论)不仅仅指某特定DNA序列,也指某物种整个家族的序列。

尽管这个概念看上去与直觉相抵触,其实这与说没有任何一个特定的形状是印度豹的形状是相同的概念。印度豹形状各异,它们的基因组序列也并不相同。然而各动物个体和它们的序列都有共性,因此可以从单一实例中来了解印度豹和“豹性”。

测序与拼接[编辑]

在1976年,比利时根特大学瓦尔特·菲尔斯英语Walter Fiers第一个完成了一个基因组的完整测序——RNA病毒噬菌体MS2英语Bacteriophage MS2的基因组。次年,弗雷德里克·桑格完成了Φ-X174噬菌体英语Phi X 174的测序,这是第一个完成测序的DNA基因组,全基因组只有5386个碱基对[1]。在20世纪90年代中期,生物三域的第一个全基因组测序在很短一段时间内陆续完成。第一个被测序的细菌基因组是流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae),由The Institute for Genomic Research团队于1995年完成。几个月以后,第一个真核生物基因组的测序也由欧洲科学家完成了。它是一种带有16个染色体的芽殖酵母——酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae),其测序工作开始于80年代中期。很快地在1996年,第一个古菌基因组——詹氏甲烷球菌英语Methanocaldococcus jannaschii(Methanococcus jannaschii)基因组也被测序,同样由The Institute for Genomic Research团队完成。

新技术的发展使得测序成本快速地下降,测序耗时也显著减少,完成全基因组测序的生物越来越多。其他基因组计划包括小鼠水稻拟南芥河豚和细菌(如大肠杆菌)等皆被完成测序。1990年启动的人类基因组计划旨在对人类基因组绘制物理图谱测序[2][3]

新的测序技术,如大规模并行测序英语massive parallel sequencing也开辟了个人基因组测序作为一种诊断工具的前景。其中标志性的一步是2007年完成了对DNA双螺旋结构的发现者之一詹姆斯·杜威·沃森个人的基因组的测序[4]。而测序费用也一直在降低,可能最终测序单个基因组只需要几千美元

基因组构成[编辑]

基因組大小[编辑]

提交到GenBank中的各物种的基因组大小与已注释的蛋白质总数对比的双对数坐标图[5],蓝色:病毒基因组、红色:原核基因组、绿色:真核基因组

基因組大小是指一种生物单倍体基因组的全部DNA碱基对数。在原核生物和低等真核生物中,基因组大小与生物形态的复杂性基本呈正相关关系;但是在软体动物 以及其它更高等的真核生物中,这种相关性就不存在了[6][7]。这一现象可能是由基因组中的重复DNA引起。

鉴于基因组如此复杂,一种研究策略就是使生物体在理论上可以生存的条件下减少基因组中的基因数目直至最小。对于单细胞生物和多细胞生物最小基因组的实验研究已经开展(见发育生物学),这些工作在体内in vivo)和体外in silico)进行[8][9]

生物 基因組大小(鹼基對
病毒, 噬菌體Φ-X174; 5387 - 最早完成測序的基因組
病毒, 噬菌體λ 5×104
细菌, 大腸桿菌 4×106
變形蟲, 無恒變形蟲Amoeba dubia 67×1010 - 2005年12月已知的最大基因組
植物,一種貝母Fritillary assyriaca 13×1010
真菌釀酒酵母 2×107
線蟲, 秀麗隱桿線蟲 8×107
昆蟲, 黑腹果蠅 2×108
哺乳動物, 3×109

註:一個人類細胞的DNA長度約爲1.8米。

基因組演化[编辑]

其他“-組”和“-組學[编辑]

基因組的次領域[编辑]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ [1]
  2. ^ What's a Genome?. Genomenewsnetwork.org. 2003-01-15 [27 January 2011]. 
  3. ^ NCBI_user_services. Mapping Factsheet. 2004-03-29 [27 January 2011]. 
  4. ^ Wade, Nicholas. Genome of DNA Pioneer Is Deciphered. The New York Times. 2007-05-31 [2 April 2010]. 
  5. ^ Koonin, Eugene V. The Logic of Chance: The Nature and Origin of Biological Evolution. FT Press. 2011-08-31. ISBN 9780132542494. 
  6. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为Lewin_2004的引用提供文字
  7. ^ Gregory TR, Nicol JA, Tamm H, Kullman B, Kullman K, Leitch IJ, Murray BG, Kapraun DF, Greilhuber J, Bennett MD. Eukaryotic genome size databases. Nucleic Acids Research. 3 January 2007, 35 (Database): D332–D338. doi:10.1093/nar/gkl828. 
  8. ^ Glass JI, Assad-Garcia N, Alperovich N, Yooseph S, Lewis MR, Maruf M, Hutchison CA 3rd, Smith HO, Venter JC; Assad-Garcia; Alperovich; Yooseph; Lewis; Maruf; Hutchison; Smith; Venter. Essential genes of a minimal bacterium. Proc Natl Acad Sci USA. 2006, 103 (2): 425–30. Bibcode:2006PNAS..103..425G. doi:10.1073/pnas.0510013103. PMC 1324956. PMID 16407165. 
  9. ^ Forster AC, Church GM. Towards synthesis of a minimal cell. Mol Syst Biol. 2006, 2 (1): 45. doi:10.1038/msb4100090. PMC 1681520. PMID 16924266. 

书目[编辑]

  • Benfey, P and Protopapas, AD (2004). Essentials of Genomics. Prentice Hall.
  • Brown, TA (2002). Genomes 2. Bios Scientific Publishers.
  • Gibson, G and Muse, SV (2004). A Primer of Genome Science (Second Edition). Sinauer Assoc.
  • Gregory, TR (ed.) (2005). The Evolution of the Genome. Elsevier.
  • Reece, RJ (2004). Analysis of Genes and Genomes. John Wiley & Sons.
  • Saccone, C and Pesole, G (2003). Handbook of Comparative Genomics. John Wiley & Sons.

外部鏈接[编辑]

參見[编辑]