基因组学 2016PDF电子书下载

第一部分 基因组学概论 3

第一篇 《基因组学》导读 3

第一节 基因组学的一般定义 3

一、基因组学和基因组 3

二、基因组学的分科及与其他学科的关系 5

第二节 基因组学的两个理念 5

一、生命是序列的 5

二、生命是数字的 6

第三节 基因组学的三个源流 7

一、演化学说 7

二、细胞学说 8

三、基因学说 10

第四节 测序技术的四个突破 14

一、直读 14

二、自动化 14

三、规模化 14

四、MPH 15

第五节 基因组学发展的五大趋势 15

一、重绘“生命之树” 15

二、群体基因组分析 16

三、个体基因组分析 16

四、“跨组学”分析 17

五、基因组的生物学 17

第六节 基因组学应用的六个方面 17

一、外显子和全外显子组测序——单基因性状与遗传病 17

二、全基因组测序——复杂性状与常见疾病 18

三、单细胞测序——基因组异质性 18

四、META基因组测序——微生物及病原基因组 18

五、微（痕）量DNA测序——无创检测、法医和古DNA研究 19

六、“数据化”育种与生物条码 19

第七节 正在改变世界的七项技术 19

一、基因组编写 19

二、基因组编辑 20

三、干细胞与iPS 22

四、动物克隆 23

五、大数据与生物库 24

六、表型组分析 24

七、“组学”与相关技术 25

第八节 基因组伦理学的八个方面（HELPCESS） 25

一、人文（H，Humanity） 25

二、伦理（E，Ethics） 25

三、法律（L，Law） 25

四、公众关系和决策（P，Public-relationship/Policy-making） 26

五、文化（C，Culture） 26

六、经济和教育（E，Economy/Education） 26

七、生物安全和防护（S，Safety/Security） 26

八、社会（S，Society） 26

第九节 中国对基因组学的九大贡献 27

一、1%国际人类基因组计划（HGP） 27

二、10%国际单体型图计划（HapMap计划） 28

三、国际千人基因组计划（G1K计划） 28

四、国际癌症基因组计划（ICGP） 29

五、水稻和家蚕基因组计划 30

六、META基因组 31

七、“生命之树”与动植物基因组 31

八、第二代酵母全基因组设计和合成 31

九、倡导“HGP精神”和“合作”的文化 32

第二篇 基因组学的发展史 33

第一节 HGP的起源 33

一、HGP的讨论和启动 33

二、HGP的国际化 35

三、HGP的学术源流 40

第二节 HGP的目标和技术路线 42

一、HGP的技术目标 42

（一）遗传图 43

（二）物理图 43

（三）转录图 45

（四）序列图 45

二、HGP的技术路线 45

第三节 HGP中的模式生物 46

一、大肠杆菌 47

二、酿酒酵母 47

三、秀丽线虫 48

四、黑腹果蝇 49

五、拟南芥 50

六、河豚鱼 51

七、小鼠 51

第四节 HGP的完成与后续计划 52

一、HGP的完成 52

二、HGP的后续计划 54

（一）国际HapMap计划 55

（二）ENCODE计划 56

（三）国际千人基因组计划（G1K计划） 56

（四）国际癌症基因组计划（ICGP） 57

（五）百万人基因组计划与一亿人基因组建议（G1M与G 100M） 58

（六）其他国际合作计划 58

第五节 HGP的意义和影响 61

一、创造了一种新的文化：合作 61

二、催生了一门新的学科：组学 61

三、提供了一个新的技术：测序 61

第二部分 基因组学的方法学 67

第一篇 DNA测序 67

第一章 测序仪 67

第一节 测序技术的四个突破 68

一、第一个突破：直读 68

（一）前直读法 68

（二）直读法 69

1.SBC法 70

2.SBS法 71

二、第二个突破：自动化 74

三、第三个突破：规模化 77

四、第四个突破：MPH测序 80

（一）焦磷酸测序 81

1.454 81

2.Ion Torrent/Proton 83

（二）新一代SBS 85

1.Illumina 85

2.BGISEQ-500 88

3.Max-Seq 90

4.LaserGen 91

（三）连接测序 92

第二节 下一代测序仪及其基本原理 94

一、单分子测序 94

（一）HeliScope 94

（二）PacBio 94

二、纳米孔测序 97

（一）物理纳米孔 98

（二）生物纳米孔 100

三、杂交测序 101

四、显微测序 102

第二章 关键技术与方法 104

第一节 Southern测序 105

一、测序策略 105

（一）点测序 105

1.PCR扩增 106

2.质粒克隆 108

（二）靶区域测序 109

（三）外显子组测序 111

（四）全基因组测序 112

（五）单细胞测序 113

（六）META测序 114

（七）Indexing 114

二、基因组概貌评估 115

（一）评估参数 115

1.基因组大小 115

2.测序深度 116

（二）评估方法 116

1.基因组速览 116

2.K-mer分析 116

三、测序的技术路线 120

（一）定位克隆霰弹法 120

（二）全基因组霰弹法 121

四、测序材料 121

（一）常用材料 122

1.细胞培养物和外周血细胞 122

2.其他组织细胞 122

（二）特殊材料 122

1.单细胞或痕量DNA 122

2.石蜡包埋材料 123

3.古DNA样本 123

4.META样本 124

（三）DNA的制备、纯化和质检 124

1.盐析法：血液样本 125

2.CTAB法：植物组织、真菌类样本 125

五、测序文库 125

第二节 Northern测序 126

一、测序材料及RNA模板制备 126

二、RNA的测序和分析 129

（一）数字化表达谱 129

（二）全转录组 130

1.已有基因组参考序列的转录组分析 131

2.无基因组参考序列的转录组分析 132

（三）单细胞的转录组或表达谱分析 132

第三节 Western测序 132

一、染色质免疫沉淀测序 133

二、核糖体保护 134

第四节 Eastern测序 134

一、化学法 135

二、亲和法 136

三、酶切法 137

第五节 其他重要技术 138

一、GWAS 138

二、基因组编辑 140

三、芯片技术 142

（一）基因表达芯片 142

（二）SNP芯片 142

（三）CGH芯片 142

（四）突变检测芯片 143

（五）捕获芯片 143

（六）测序芯片 143

第二篇 序列的组装和分析 143

第一章 序列的组装 143

第一节 测序数据的质控和预处理 143

一、碱基读取 143

二、载体和接头序列的去除 146

第二节 序列的组装 146

一、基于参考序列的组装 147

二、de novo组装 148

（一）OLC法 148

（二）de Bruijn图法 150

（三）“穷举”法 152

三、多策略结合组装 152

（一）复杂基因组 152

（二）基因组精细图 153

四、组装的质控 154

第二章 基因组概貌分析 156

第一节 基因组大小 156

第二节 GC含量 157

一、GC含量和染色体带型 158

二、GC含量和基因密度 160

三、GC含量和CpG岛 161

第三节 重复序列 161

一、重复序列的分类 161

二、重复序列的识别 162

第四节 编码基因 164

一、编码基因的注释 164

（一）de novo预测 164

（二）同源比对预测 166

二、基因的功能注释 168

（一）InterProScan 168

（二）GO 168

（三）COG 169

（四）KEGG 169

第五节 假基因 170

第六节 非编码序列 171

一、rRNA 171

二、tRNA 172

三、miRNA 173

（一）miRNA比对预测 174

（二）miRNA结构预测 175

（三）miRNA靶基因注释 176

第七节 基因组变异 177

一、单核苷酸多态性 177

二、拷贝数变异 180

三、其他结构变异 181

（一）倒位 181

（二）易位 181

四、个体杂合度 182

第三章 基因组比较分析 183

第一节 演化基因组 183

一、基因家族 183

二、系统发生 186

三、同源与直系同源基因 190

四、基因的选择和演化 191

五、多基因家族 193

六、转位因子 195

七、保守性区域及共线性 196

八、全基因组加倍 198

第二节 META基因组 202

一、16S rDNA 203

二、环境基因标签和K-mer 204

三、参考基因组集和共有核心细菌 205

四、核心基因家族 207

五、整合基因集构建 207

六、META微生物组群与疾病相关性 208

七、MWAS 209

第三部分 基因组的生物学 214

第一篇 人类基因组 214

第一章 人类基因组概貌 214

一、人类基因组大小 216

二、编码基因 218

（一）编码基因的估计数目 218

（二）基因序列、外显子和编码序列 219

（三）编码基因的分布和密度 220

三、假基因 222

四、GC含量 222

五、重复序列 222

六、CpG岛和甲基化 223

七、非编码RNA 223

（一）rRNA 223

（二）tRNA 224

（三）miRNA 224

八、线粒体DNA基因组 224

第二章 人类基因组的生物学 226

一、人类基因组多样性与泛基因组 226

二、演化与群体基因组 227

第三章 临床基因组学 228

第一节 基于序列数据的检测技术 229

一、无创产前检测 229

二、植入前检测 233

三、症状前检测 235

四、精准医学和21世纪的医学 237

第二节 单基因病及基因定位 240

一、单基因病 240

二、基因定位 241

（一）遗传分析定位 241

（二）细胞遗传学定位 242

（三）原位杂交 243

（四）外显子组测序 244

第三节 癌症基因组 244

一、癌症与基因组学 244

二、癌症的组学研究 246

（一）全基因组MPH测序与癌症基因组分析 246

1.点突变与InDel 247

2.结构变异 247

3.基因扩增 247

（二）单细胞组学技术与癌症基因组异质性 248

（三）外饰基因组变异与癌症发生 249

（四）癌症病原组 251

1.癌症病原组 251

2.细胞内致癌病毒的检测 252

三、癌症基因组学与精准医学 254

第四节 人体内微生物组群与疾病 256

一、肥胖 256

二、冠心病 257

三、肝硬化 257

四、免疫系统病 257

五、糖尿病 258

六、神经类疾病 258

七、临床干预 259

（一）饮食的调整 259

（二）调节物的使用 259

（三）肠内含物的移植 259

八、其他人体共生微生物 260

九、人体病原组 260

第五节 长寿与老年病 261

一、长寿与衰老 261

（一）长寿基因与代谢途径 261

（二）长寿与端粒 262

（三）长寿与外饰基因组 263

（四）长寿与线粒体基因组 263

（五）其他动物的长寿“秘诀” 263

二、老年病 266

（一）阿尔兹海默病 266

（二）帕金森病 266

（三）老年性黄斑变性 267

第六节 法医基因组学 267

一、前DNA标记 268

二、DNA标记 268

（一）第一代DNA标记：RFLP和AFLP 268

（二）第二代DNA标记：VNTR及STR 270

（三）第三代DNA标记：SNP 274

（四）第四代DNA标记：全基因组序列 274

第二篇 动物基因组 279

第一章 脊椎动物门 281

第一节 哺乳纲 281

一、灵长目 281

（一）黑猩猩 281

（二）中国恒河猴 281

（三）食蟹猴 282

二、食肉目 283

（一）大熊猫 283

（二）北极熊 284

（三）家犬 285

（四）猫 286

（五）东北虎 287

三、偶蹄目和奇蹄目 287

（一）家猪 287

（二）双峰驼 290

（三）牦牛 291

（四）牛 292

（五）藏羚羊 292

（六）家山羊 293

（七）绵羊 294

（八）马 294

（九）驴 295

四、啮齿目 296

（一）小鼠 296

（二）大鼠 297

（三）中国仓鼠 298

五、食虫目 298

（一）裸鼹鼠 298

（二）盲鼹鼠 299

（三）达马拉鼹鼠 300

六、鲸目 301

（一）小须鲸 301

（二）白？豚 301

七、后兽亚纲双门齿目 302

（一）短尾负鼠 302

（二）袋鼠 303

八、原兽亚纲单孔目——鸭嘴兽 303

第二节 鸟纲 305

一、鸡 307

二、北京鸭 307

三、朱鹮 308

四、鸽子 309

五、游隼和猎隼 310

六、流苏鹬 310

第三节 爬行纲 311

一、中华鳖和绿海龟 311

二、眼镜王蛇和缅甸蟒 312

三、壁虎 312

第四节 两栖纲——爪蟾 313

第五节 鱼纲 313

一、斑马鱼 313

二、姥鲨 314

三、河豚鱼 314

第二章 脊索动物门——文昌鱼 315

第三章 无脊柱动物门 315

第一节 昆虫纲 315

一、家蚕 315

二、飞蝗 317

三、黑腹果蝇 317

四、大头切叶蚁 318

第二节 蜘形纲 318

一、丝绒蜘蛛 318

二、马氏正钳蝎 319

第三节 无脊椎动物 319

一、线虫动物门——秀丽隐杆线虫 319

二、软体动物门 320

（一）牡蛎 320

（二）章鱼 321

三、扁形动物门——血吸虫 321

四、腔肠动物门——水螅 322

五、棘皮动物门——海胆 322

六、缓步动物门——水熊虫 323

第三篇 植物基因组 332

第一章 模式植物 334

一、拟南芥 334

二、其他芥类植物 334

（一）琴叶芥 335

（二）条叶蓝芥 335

（三）盐芥 335

第二章 主粮类 336

一、水稻 336

二、谷子 338

三、玉米 339

四、高粱 340

五、小麦 341

六、大麦 343

七、马铃薯 343

第三章 蔬菜类 344

一、黄瓜 344

二、白菜 345

三、甘蓝 345

四、西红柿 346

五、辣椒 346

六、萝卜 347

第四章 瓜果类 347

一、西瓜 347

二、甜瓜 348

三、香蕉 348

四、葡萄 349

五、梨 350

第五章 经济类 350

一、大豆 350

二、木豆 351

三、雷蒙德氏棉 352

四、木本棉 352

五、杨树 353

六、胡杨 353

七、毛竹 354

第六章 花卉类 354

一、梅花 354

二、兰花 355

第七章 单细胞植物类——甲藻 355

第四篇 微生物基因组 361

第一章 真菌 361

一、酿酒酵母 361

二、黄曲霉 362

三、米曲霉 362

四、白色念珠菌 363

五、稻瘟病菌 363

六、灵芝 363

七、兔脑炎原虫 364

第二章 细菌 364

一、医学细菌 366

（一）大肠杆菌 366

1.大肠杆菌K-12 368

2.EHEC 368

（二）流感嗜血杆菌 369

（三）鼠疫耶尔森菌 369

（四）幽门螺旋杆菌 371

二、工业细菌 372

（一）嗜热细菌 372

1.腾冲嗜热菌 373

2.嗜热栖热菌 374

3.超嗜热棒菌 375

（二）枯草芽孢杆菌 375

三、农业细菌 375

（一）农杆菌 375

（二）苏云金芽孢杆菌 376

第三章 病毒 377

一、DNA病毒 378

（一）HBV 378

（二）HPV 379

二、RNA病毒 382

（一）HN 382

（二）登革热病毒 383

（三）冠状病毒 384

1.SARS 384

2.MERS 385

（四）流感病毒 385

1.H1N1 386

2.H7N9 386

（五）布尼亚病毒 386

（六）Ebola病毒 387

（七）Zika病毒 387

第四章 环境微生物组群 387

一、海洋环境 388

二、土壤环境 389

三、极端环境 390

四、大气环境 391

五、工业环境 391

第四部分 基因组的设计和合成 395

第一节 合成基因组学和合成生物学 395

第二节 合成生物学的发展史 398

一、人工合成“前基因”生物材料 399

二、人工合成寡核苷酸和基因 399

三、人工设计和合成遗传装置 401

四、人工设计和合成代谢途径 402

五、人工设计和合成全基因组 402

第三节 合成生物学方法学 406

一、全基因组的设计和合成 406

（一）Synthia 406

（二）第二代酵母基因组计划 409

二、基因组组分的设计与合成 411

（一）代谢途径的设计和改建 411

1.青蒿素合成途径的重新设计和改造 411

2.吗啡合成途径的重新设计和重建 413

（二）系统和装置的设计与组装 415

（三）基因元件的设计和“生物砖” 416

1.基本元件 416

2.标准化元件——“生物砖” 417

（四）遗传密码的改写与遗传物质的改造 421

1.非天然氨基酸的导入 421

2.非天然核苷酸的合成 422

第四节 合成生物学的应用及展望 425

一、合成生物学的应用实例 425

（一）环境及作物监测系统 425

1.芳香烃生物传感器 425

2.砷离子生物传感器 425

（二）疾病监控系统 426

（三）生物能源 426

1.丁醇的合成生物学生产 426

2.生物石油 427

（四）生物材料 427

（五）DNA计算 428

（六）DNA信息存储 429

二、合成生物学和人类未来的思考 430

（一）改变人类对生存方式的思维和生物产业的格局 430

（二）合成生物学与人类的未来 432

1.工程细胞的全基因组设计 432

2.合成生物学的碳基原料 432

3.未来农业的思考 433

第五部分 基因组伦理学 437

第一节 生命伦理学是基因组学的题中应有之义 437

第二节 基因组伦理学的八个方面 437

一、H：将“人”字写在天上 437

二、E：生命伦理是生命科学的准则 438

三、L：有法可依、“无”法则立、违法必究 439

四、P：科学决策与“鱼水之情” 440

五、C：科学也是美丽的 440

六、E：“无形之手”与科学的未来 440

七、S：防患于未然 441

八、S：为了人类福祉与社会和谐 442

参考书目 443

参考文献 445

常用术语与缩写简释 478