基因组学

比较基因组学

比较基因组学是将不同物种的基因组相互比较,以了解物种间进化和分子差异的生物学领域。低成本、下一代测序技术的发展使得使用比较基因组学分析大量相关基因组成为可能。本文旨在描述比较基因组学中使用的技术及其优缺点。

基因组测序和基因组比较

遗传信息由四个核苷编码:腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。在线性DNA中确定这些核苷的顺序是测序的基础。除了人类基因组,一些模型生物的基因组现在已经测序——包括黑猩猩、老鼠、果蝇、河豚鱼、蛔虫、面包酵母和细菌。迄今为止,已对1000多种原核生物和1300种物种的基因组进行了测序。

比较基因组学的第一步是比较一般特征,如基因组大小、基因数量和染色体数量。例如,拟南芥(一种植物)的基因组比果蝇小,果蝇有两倍多的基因。有趣的是,拟南芥的基因组大小与人类相似,这表明基因组大小并不是复杂性或进化状态的指标。

DNA测序和合成

Synteny是一种方法,通过在不同物种之间以相似的区块排列基因来识别相似和不同的区域。相似和不相似的程度可能因染色体而异。例如,人类的20号染色体几乎完全对应于老鼠的第二条染色体。

同样,人类的第17条染色体与老鼠的第11条染色体相对应。因此,分析可以显示自从大约7500万至8000万年前小鼠和人类的染色体从一个共同祖先分化以来,染色体发生了怎样的变化。

同源DNA分析

比较基因组学的另一种方法是同源分析,即不同物种的同源染色体排列一致。例如,在一项研究中,人类丙酮酸酶激酶的基因与狗、老鼠、鸡和斑马鱼(等等)的同源酶序列一致,然后绘制出序列高度相似的区域。

如分析显示人类和猕猴(灵长类)的酶序列高度相似,而鸡和斑马鱼仅在编码区域相似。这样的分析可以用来发现哪些基因组特征在进化过程中被保存下来,反之,哪些特征已经多样化。

遗传距离

系统发育距离是用来衡量两个生物体分离程度的非参数特征。此参数基于多年或几代累积的序列更改数。这个距离与生物体之间的序列相似性成反比,即序列相似性越小,它们之间的系统发育距离就越大。

在较长的系统发育距离(例如10亿年)中,自生物体分离以来,只能收集一般的推论。然而,对于更近的系统发育距离,如分离后的5000 - 2亿年,可能会区分功能性和非功能性DNA,从而导致编码区域、非编码RNA、调控区域等的识别。

对于小于500万年的系统发育距离,序列差异可以用来推断形状和形式上较小的和微妙的差异。因此,比较基因组差异可以提供很多强有力的信息。

比较基因组学的优势

比较基因组带来了有趣的发现,比如人类基因组和果蝇有60%的基因相同。此外,几乎三分之二的癌症基因在果蝇中有同源基因。这些结果对人类健康研究产生了深远的影响。除了健康,它还在农业、生物技术、动物学、保护生物学等多个领域具有意义。







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