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第1章 基因组学 1

1.1 引言 1

1.2 定义和分类 1

1.2.1 根据系统特性分类 2

1.2.2 根据同其他科学学科的关系分类 4

1.2.3 根据所研究生物体的种类分类 5

1.3 基因组学的历史回顾 6

1.4 研究功能基因组学的挑战 8

1.4.1 阐释基因功能 8

1.4.2 鉴别和表征生命的分子机构 8

1.4.3 描绘基因调节网络 9

1.4.4 系统水平上而非单个细胞水平上对生物系统的认识 9

1.4.5 计算上的挑战 10

1.4.6 多学科协作 10

1.5 范围和一般方法 10

1.5.1 结构基因组学 10

1.5.2 转录物组学 11

1.5.3 蛋白质组学 12

1.5.4 代谢物组学 12

1.6 微生物功能基因组学在真核生物研究中的重要性 13

1.7 总结 13

推荐读物 14

第2章 微生物多样性与基因组学 15

2.1 引言 15

2.2 生物化学多样性 15

2.3 基因多样性 17

2.3.1 大多数未被发现的基因多样性信息 17

2.3.2 有多少种原核生物？ 18

2.4 描述原核生物多样性的挑战 19

2.4.1 研究微生物多样性的方法 19

2.4.2 非培养法的局限性 20

2.4.3 非培养方法的一些有意义的发现 21

2.5 微生物基因组多样性和全基因组测序 23

2.5.1 种内的基因组多样性 26

2.5.2 基因结构与生境的联系 27

2.5.3 基因组功能内容的总趋势 28

2.5.4 采集测序菌种的偏好：对理解的限制性 29

2.6 总结 29

推荐读物 30

第3章 计算基因组注释 31

3.1 引言 31

3.2 编码蛋白质基因的预测 32

3.2.1 评估编码潜能 32

3.2.2 翻译起点的确定 34

3.2.3 通过信息融合从头预测基因 36

3.2.4 应用比较分析确定基因 38

3.2.5 基因预测的解读 40

3.3 编码RNA基因的预测 41

3.4 鉴定启动子 43

3.4.1 通过特征识别预测启动子 43

3.5 操纵子的鉴定 44

3.6 基因的功能类别 45

3.7 基因组中其他性质的特性描述 47

3.8 基因组尺度的基因作图 48

3.9 现有的基因组注释系统 48

3.10 总结 50

推荐读物 50

第4章 微生物进化的基因组学 52

4.1 引言 52

4.2 直向进化同源基因的鉴定 52

4.3 基因组中的分子钟 54

4.3.1 背景 54

4.3.2 当前关于分子进化钟的基因组观点 55

4.3.3 定时基因组趋异 56

4.4 水平基因转移的基因组 58

4.4.1 水平基因转移的背景 58

4.4.2 HGT的鉴定 58

4.4.3 HGT潜在的机制 60

4.4.4 易发生HGT的基因类型 61

4.4.5 水平基因转移（HGT）的分类和范围 62

4.4.6 HGT对进化的影响 63

4.5 基因重复、基因缺失和其他进化过程的基因组学 64

4.5.1 基因和基因组重复 64

4.5.2 基因丢失的基因组学研究 66

4.5.3 其他进化过程的基因组学 68

4.6 系统进化树 69

4.6.1 建立系统进化树 69

4.6.2 系统进化树面临的挑战和当前的一些观点 72

4.6.3 基于基因组学的系统发育分析 74

4.7 最小基因组 76

4.8 基于生活方式进化的基因组学观点 77

4.9 基因组学有关线粒体进化的观点 78

4.10 总结 81

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第5章 基因功能预测的计算方法 84

5.1 引言 84

5.2 基因功能推断的方法 84

5.2.1 不同层次的基因功能 84

5.2.2 查找基因功能的线索 85

5.3 从基因序列到功能 86

5.3.1 蛋白质家族的级别 87

5.3.2 查询家族树 90

5.3.3 直向同源与横向同源基因 93

5.3.4 有多个结构域的基因 93

5.4 序列基序的鉴定 95

5.5 以结构为基础的功能预测 96

5.5.1 通过蛋白质穿线法进行蛋白质折叠识别 96

5.5.2 从结构到功能 98

5.5.3 蛋白质的有序区域和无序区域 100

5.6 非同源的方法进行功能推断 100

5.7 在系统水平上的功能推断 101

5.8 总结 104

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第6章 DNA微阵列技术 105

6.1 引言 105

6.2 微阵列的种类和优点 106

6.2.1 概念、原理和历史 106

6.2.2 微阵列的种类和它们的优点 106

6.3 微阵列制造 108

6.3.1 微阵列的制造基质和修饰 108

6.3.2 阵列技术 112

6.3.3 微阵列制作的关键点 115

6.4 微阵列杂交和检测 116

6.4.1 探针设计、靶序列制备和质量 116

6.4.2 杂交 119

6.4.3 检测 119

6.4.4 杂交和检测中的几个重要问题 120

6.5 微阵列图像处理 121

6.5.1 获得数据 121

6.5.2 斑点质量和真实性，及背景减少的评估 122

6.6 用微阵列技术去监测基因表达 124

6.6.1 用常规的方法揭示基因表达中的不同 124

6.6.2 基于微阵列技术监测基因表达的检测的特异性、灵敏度、重现性和定量 125

6.6.3 监测基因表达的微阵列实验的设计 125

6.7 总结 126

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第7章 微阵列基因表达谱数据分析 128

7.1 引言 128

7.2 微阵列基因表达数据的归一化 129

7.2.1 系统误差的来源 129

7.2.2 系统误差最小化的实验设计 130

7.2.3 选择参照点进行数据归一化 131

7.2.4 归一化方法 131

7.3 数据分析 133

7.3.1 数据转化 133

7.3.2 主成分分析 134

7.4 差异表达基因的识别 134

7.5 共表达基因的识别 136

7.5.1 基因表达数据聚类的基础 138

7.5.2 基因表达数据的聚类 139

7.5.3 从噪声背景中识别簇 142

7.5.4 EXCAVATOR：一个用于基因表达数据分析的软件 144

7.5.5 通过数据聚类发现亚型 146

7.6 基因表达数据分析在途径推理的应用 146

7.6.1 数据限制途径的建立 147

7.7 总结 148

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第8章 诱变 150

8.1 引言 150

8.2 转座子诱变 151

8.2.1 细菌中的转座概述 151

8.2.2 转座子作为突变的工具 152

8.2.3 依赖转座子来进行必需基因的鉴定 154

8.2.4 研究细菌致病性的特异标签突变法 158

8.3 通过等位基因交换进行定向突变 162

8.3.1 等位交换用的自杀性载体系统 162

8.3.2 通过等位交换进行定向突变的常用策略 163

8.3.3 等位基因交换法在已测序微生物功能基因组研究中的应用 167

8.4 反义mRNA分子导致基因沉默 169

8.4.1 体内反义RNA调控 169

8.4.2 反义法在大规模功能基因组研究中的应用 169

8.5 总结 173

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第9章 质谱 175

9.1 引言 175

9.2 质谱的基本原理 176

9.2.1 质谱的基本构件 176

9.2.2 离子化的方法 177

9.2.3 质量分析器 177

9.2.4 分离方法和质谱的连接 179

9.2.5 离子结构鉴定 179

9.3 蛋白质和肽的质谱基础 180

9.3.1 蛋白质测量 180

9.3.2 肽的测量 182

9.4 蛋白质和蛋白质组鉴定中的质谱 184

9.4.1 质谱用于蛋白质组学研究总论 184

9.4.2 自下而上质谱的蛋白质组学 188

9.4.3 自上而下的质谱蛋白质组学 200

9.4.4 将质谱蛋白质数据和生物学信息相联系 204

9.5 总结 205

推荐读物 206

第10章 蛋白质-配体相互作用的鉴定 207

10.1 引言 207

10.2 可读框的高通量克隆 207

10.2.1 λ噬菌体att重组克隆 207

10.2.2 拓扑异构酶法克隆 209

10.2.3 酵母的体内重组克隆 210

10.2.4 重组克隆系统的优缺点 210

10.3 酵母双杂交选择系统 211

10.3.1 酵母中基因组范围的蛋白质相互作用分析 212

10.3.2 对其他生物基因组范围的酵母双杂交分析 215

10.4 使用噬菌体展示来检测蛋白质-配体的相互作用 216

10.4.1 在M13纤维状噬菌体中展示蛋白 216

10.4.2 T7噬菌体的蛋白展示 217

10.4.3 酵母双杂交和噬菌体展示相结合 218

10.5 在蛋白片段互补实验中检测相互作用 218

10.5.1 简介 218

10.5.2 利用二氢叶酸还原酶的蛋白片段的互补 219

10.5.3 用β-半乳糖苷酶互补来检测蛋白质的相互作用 219

10.6 利用质谱仪研究蛋白质-蛋白相互作用的图谱 220

10.6.1 概论 220

10.6.2 鉴定E.coli的GroEL作用底物 220

10.6.3 啤酒酵母蛋白复合物的鉴定 221

10.7 蛋白表达谱以及相互作用中的蛋白质阵列 221

10.7.1 用于蛋白表达图谱的抗体阵列 222

10.7.2 运用肽、蛋白质和小分子阵列进行功能分析 222

10.8 表面细胞质基因组共振生物传感器分析 231

10.8.1 用SPR探测生物分子的相互作用 231

10.8.2 SPR生物传感器与质谱的联合 232

10.9 总结 233

推荐读物 233

第11章 模式生物的功能基因组学：从新的视角看老问题 235

11.1 引言 235

11.2 大肠杆菌：模式真细菌 236

11.2.1 大肠杆菌基因组 236

11.2.2 E.coli转录物组学 237

11.2.3 E.coli蛋白质组学 240

11.2.4 E.coli的模式代谢：计算机代谢物组学 242

11.3 枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）：革兰阳性菌的典范 244

11.3.1 B.subtilis基因组 244

11.3.2 B.subtilis转录物组学 245

11.3.3 B.subtilis蛋白质组学 250

11.4 酿酒酵母：高等真核生物的模型 251

11.4.1 酵母基因组 252

11.4.2 酵母的转录物组学 253

11.4.3 酵母蛋白质组学 260

11.4.4 酵母蛋白质相互作用组：蛋白质-蛋白质相互作用网络图谱 263

11.5 模式真核生物的比较基因组学 268

11.6 总结 270

推荐读物 271

第12章 病原菌与环境中重要微生物的功能基因组分析 273

12.1 引言 273

12.2 通过基因组序列与功能注释研究细菌的致病机理 274

12.2.1 从序列同源性预测毒力基因 274

12.2.2 重复的DNA元件提示潜在的毒力因子 275

12.2.3 病原菌的进化：基因的获得与丢失 276

12.3 比较基因组学：研究细菌致病性的线索 280

12.3.1 结核分枝杆菌的基因组：毒力基因的鉴定和基因组可塑性 281

12.3.2 基于微阵列技术的幽门螺杆菌的比较基因组学 282

12.3.3 比较分析布氏疏螺旋体与苍白密螺旋体的基因组 284

12.3.4 序列分析比较致病与不致病的李斯特菌 285

12.3.5 肺炎衣原体（Chlamydia pneumoniae）与沙眼衣原体（Chlamydia trachomatis）：两个密切相关的专性细胞内病原体的比较基因组学 287

12.4 用信号物标记突变来发现新的感染相关基因 288

12.4.1 霍乱弧菌重要的定植基因 289

12.4.2 金黄色葡萄球菌的致病基因 289

12.4.3 大肠杆菌K1：侵袭基因的鉴定 290

12.4.4 不同基因参与的肺炎链球菌的致病性 290

12.5 应用微阵列描绘基因的功能和相互作用 291

12.5.1 探索病原菌的转录物组 292

12.5.2 阐述宿主-病原体相互作用的分子机理 293

12.5.3 鉴定抗微生物的药物靶标 295

12.6 病原菌的蛋白质组学 296

12.6.1 比较蛋白质组学 296

12.6.2 定义不同病原菌的蛋白质组 297

12.6.3 研究宿主与病原菌互作的蛋白质组学 298

12.7 环境中重要微生物的基因组测序以及功能分析 298

12.7.1 异化的金属离子还原细菌Shewanella oneidensis 299

12.7.2 极端抗放射性细菌Deinococcus radiodurans 300

12.7.3 耐高热古菌Pyrococcus furiosus 301

12.8 总结 303

推荐读物 304

第13章 基因组学对抗菌药物发现及毒理学的影响 305

13.1 引言 305

13.2 抗生素药物的发现：历史回顾 306

13.3 新药开发所遇到的挑战 308

13.3.1 抗生素的抗性和需要发现新型的抗生素 308

13.3.2 抗菌靶点所需要具有的特性 310

13.4 微生物基因组学和药物靶点的筛选 311

13.4.1 从基因组中挖掘抗菌药物的作用靶点 311

13.4.2 比较基因组学：评价目标的范围和选择性 313

13.4.3 遗传学策略：验证基因靶点的重要性或表达 314

13.4.4 微阵列分析：建立新药物靶点的功能性 315

13.5 确定治疗用途：药物靶点筛选和验证 317

13.5.1 靶点为基础的药物筛选 317

13.5.2 微阵列与药物靶点的验证 320

13.6 基因组学和毒理学：毒物基因组学的产生 322

13.6.1 微阵列技术与机制毒理学 323

13.6.2 微阵列在预测毒理学中的应用 325

13.7 总结 325

推荐读物 326

第14章 微阵列基因组技术在突变分析和微生物检测中的应用 327

14.1 引言 327

14.2 寡核苷酸微阵列用于突变分析 327

14.2.1 等位基因专一性寡核苷酸微阵列杂交测定 328

14.2.2 基于微阵列的单碱基延伸用于基因分型 332

14.2.3 基于微阵列的连接检测反应用于基因分型 334

14.3 微阵列用于自然环境中微生物的检测 334

14.3.1 传统的分子方法检测微生物的局限性 334

14.3.2 微阵列用于自然环境中微生物检测的优势与挑战 335

14.3.3 功能基因阵列 335

14.3.4 系统发育寡核苷酸阵列 339

14.3.5 群落基因组阵列 341

14.3.6 全基因组可读框阵列揭示的基因组差异与相关性 342

14.3.7 用于微生物检测的其他类型的阵列 343

14.4 总结 343

推荐读物 344

第15章 展望未来：基因组学将超越单细胞学 346

15.1 引言 346

15.2 微生物学的信息基础：基因组序列 347

15.2.1 已培养和未培养微生物遗传物质的测定 347

15.2.2 群落基因组学或者环境基因组学 348

15.3 基因功能和表达调控网络 350

15.4 生态学和进化 350

15.5 系统水平理解微生物群落动力学 351

15.6 总结 352

推荐读物 352

术语表 354

参考文献 363