功能基因组学与比较基因组学

一旦基因组被测序，更棘手的问题便浮出水面：哪些序列具有功能，它们的作用是什么，以及通过与其他物种的基因组进行比较能学到什么。

Definition

功能基因组学旨在在全基因组范围内确定基因和其他基因组元件的生物学作用，而比较基因组学则通过比对和对比不同物种的基因组来推断功能和进化历史。

Scope

本主题涵盖基因组注释以识别基因和调控元件、通过转录组学进行高通量表达研究、通过基因敲除和筛选系统性地确定基因功能、跨物种基因组比对和比较以检测保守和分化区域、推断直系同源物和旁系同源物，以及组织这些信息的基因组浏览器和数据库。它涉及基因组序列的解读；基因组序列的测定则在相邻主题中讨论。

Core questions

• 如何在原始基因组序列中识别和注释基因和调控元件？
• 测量不同条件下的基因表达如何揭示基因的功能？
• 跨物种的序列保守性如何指示功能重要性？
• 如何区分直系同源物和旁系同源物，以及这为何重要？

Key concepts

• 基因和调控元件的基因组注释
• 转录组学和表达谱分析
• 功能筛选和基因敲除
• 跨物种序列比对和保守性
• 直系同源物、旁系同源物和基因组浏览器

Mechanisms

注释结合了开放阅读框和剪接位点等序列信号以及表达转录本的证据；比较分析比对基因组，使得超出中性进化所允许的保守序列显得具有功能性，而基因的复制和丢失则追溯谱系特异性创新。

Clinical relevance

功能基因组学和比较基因组学优先筛选候选疾病基因，通过其保守性解释变异的可能影响，指导模式生物的选择，并提供临床医生和研究人员用于理解患者基因组的注释和浏览器。

History

随着基因组序列自1990年代后期开始积累，焦点从测序转向解读：大型联盟注释功能元件，模式生物比较揭示了深层保守性，而2002年推出的UCSC浏览器等公共基因组浏览器使全基因组注释变得广泛可及。

Key figures

• David Haussler
• Eric Lander
• Michael Ashburner

Seminal works

• kent2002
• brown2018

Frequently asked questions

功能基因组学和比较基因组学有什么区别？

功能基因组学探究基因组元件的作用，通常通过测量表达或破坏基因效应的实验进行；而比较基因组学则通过比较不同物种的基因组来推断功能和进化历史。

为什么序列保守性暗示功能？

执行重要功能的区域往往在漫长的进化时间中通过自然选择得以保留，因此在远缘相关物种之间保持相似的序列可能受到功能约束，而不是可以自由突变。