基因组学与系统毒理学.ppt

,Department of Health Toxicology,Xiangya School of Public Health,CSU,【,主要内容,】,概述,毒理基因组学研究的技术平台,毒理基因组学研究内容及应用,从毒理基因组学到系统毒理学,毒理基因组学与系统毒理学,*,1,掌握毒理基因组学含义，,熟悉,人类基因组计划的主要研究内容；,熟悉毒理基因组学研究的技术平台；,了解,毒理基因组学研究内容及应用；,【,目的要求,】,毒理基因组学与系统毒理学,*,2,第一节,概 述,毒理基因组学与系统毒理学,*,3,一般的定义是单倍体细胞中的全套染色体为一个基因组，或是单倍体细胞中的全部基因为一个基因组。,基因组（,Genome,）,基因组测序的结果发现基因编码序列只占整个基因组序列的很小一部分。因此，基因组应该是,单倍体细胞中包括编码序列和非编码序列在内的全部,DNA,分子。,更确切的说，,核基因组,是单倍体细胞核内的全部,DNA,分子；,线粒体基因组,则是一个线粒体所包含的全部,DNA,分子；,叶绿体基因组,则是一个叶绿体所包含的全部,DNA,分子。,毒理基因组学与系统毒理学,*,6,人类基因组研究大事记,1860,至,1870,年，,孟德尔,根据豌豆,杂交实验提出遗,传因子概念，总,结出孟德尔遗传,定律。,1944,年，,艾弗里,、,麦克劳德,和,麦卡蒂,3,位美国科学家分离出细菌的,DNA,，发现,DNA,是携带生命遗传物质的分子,1953,年,美国人,沃森,和英国人,克里克,通过实验提出了,DNA,分子的双螺旋模型,1969,年,美国科学家,夏皮罗,分离出第一个基因,(,乳糖操纵子,),。,1990,年,10,月，人类基因组计划在美国正式启动。,1984,年,卡瑞,缪里斯,博士等发明大规模复制,DNA,的技术,-PCR,技术。,1977,年，美国和英国科学家开发出,DNA,测序的方法。,1909,年，丹麦植物学,家和遗传学家,约翰逊,首次提出,“,基因,”的,名词，用以表达孟德,尔的遗传因子概念。,摩尔根,1926,年发表了,基因论,，建立了,基因学说，奠定细胞,遗传学的基础。,毒理基因组学与系统毒理学,*,7,人类基因组计划（,HGP,）,人类基因组计划,(human genome project,HGP),是由美国科学家于,1985,年率先提出，于,1990,年正式启动的。,这一计划旨在为,30,多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达,30,亿美元的人类基因组计划（各国所承担工作比例约为美国,54%,，英国,33%,，日本,7%,，法国,2.8%,，德国,2.2%,，,中国,1%,）。按照这个计划的设想，在,2005,年，要把人体内约,10,万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。换句话说，就是要揭开组成人体,4,万个基因的,30,亿个碱基对的秘密。,毒理基因组学与系统毒理学,*,8,人类基因组计划,三大科学计划,曼哈顿原子弹计划,阿波罗计划,HGP,目的,解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。,毒理基因组学与系统毒理学,*,9,HGP,的主要任务是人类的,DNA,测序，包括四张谱图。,1.,建立遗传图：,利用染色体上基因交换频率，推断基因之间的遗传距离，根据点测交实验确定各个基因的相互位置和排列顺序，绘制基因连锁图。,2.,建立物理图：,用限制酶将染色体切割成若干片段，利用互补原理通过分子杂交法，以一小段,DNA,序列作为标记，分析标记间的距离并确定各个片段在染色体上的实际排列顺序。,3.,序列图谱（,DNA,序列测定）：,DNA,序列分析技术是一个包括制备,DNA,片段化及碱基分析、,DNA,信息翻译的多阶段的过程。通过测序得到基因组的序列图谱,（核心的工作）,。,4.,基因图谱：,是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。,主要内容,毒理基因组学与系统毒理学,*,10,1997,年美国国立环境卫生科学研究所（,NIEHS,）,环境基因组计划（,Environmental Genome Project,，,EGP,）,主要目标：,推进有重要功能意义的环境应答基因的多态性研究，确定其引起环境暴露致病危险性差异的遗传因素，以开展和推动环境,-,基因相互作用对疾病发生影响的人群流行病学研究为最终目的,毒理基因组学与系统毒理学,*,11,毒理基因组学（,toxicogenomics,）,研究生物体的整个基因组如何对,环境有害因素,发生反应的一门新兴学科。,化学因素（化学物，混合化学物等）,物理因素（电离与非电离辐射，噪声，异常气温等）,生物因素（细菌，病毒等）,研究基因组与化学毒物间的交互作用及其方式的学科称为,毒物基因组学,。,毒理基因组学与系统毒理学,*,12,毒理基因组学研究计划（,Toxicogenomics Research Program,，,TRP,）,研究,内容,基因组水平的效应,基因的,RNA,表达（转录组学）,蛋白产物表达（蛋白组学）,代谢谱的改变（代谢组学）,遗传多态性,生物信息学,利用人类基因组的资料，帮助筛选和鉴别潜在的环境毒物，并在基因组水平上阐明毒作用发生的机制。,毒理基因组学与系统毒理学,*,13,TRP,研究目标,确定某种有害因素的反应基因（信号基因）用于毒理学和相关疾病的研究,建立全基因组与蛋白质组毒性反应知识库，并在此基础上开辟以芯片技术和生物信息技术为特征的数字毒理学（,Digitized toxicology),。,从传统的遗传毒性检测方法 基因群检测方法,显著提高遗传损伤检测水平和降低检测的阈值,毒理基因组学与系统毒理学,*,14,2000,年，美国环境卫生科学研究所（,NIEHS,）国家毒理基因组学中心（,National Center for Toxicogenomics,，,NCT,）的主要任务：,促进基因和蛋白表达技术在毒理学中的应用,促进人类环境暴露和疾病易感性关系的研究,确定暴露和毒效应的生物标志,推进暴露与生物学反应关系的计算和处理方法,建立毒理基因组学公用数据库。,毒理基因组学与系统毒理学,*,15,2000,年,6,月,26,日克林顿宣布人类基因组草图绘制完成,2003,年,4,月,14,日，中、美、日、德、法、英等,6,国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因区域的,99,，精确率达到,99.99%,。,基因组时代,后基因组时代,毒理基因组学与系统毒理学,*,16,后基因组时代（,post-genome era,）,人类后基因组计划,-,对基因组生物学功能的研究和应用,序列（结构）基因组学,功能基因组学,功能基因组学 生物信息学,比较基因组学 蛋白质组学,结构基因组学,整体生物学,DNA,芯片,药物基因组学 基因敲除,毒理基因组学与系统毒理学,*,17,毒理基因组学面临的基本挑战,高通量筛选系统,如微阵列（芯片技术）,计算机技术,如何获取,大规模生物学数据,包括,基因组、转录组、,蛋白质组和代谢组,的表达数据,对获取的大量信息,进行,及时而,合理的处理,如,DNA,微阵列技术的基因,表达数据；还有经典的,毒理学实验数据,毒理基因组学与系统毒理学,*,18,毒理基因组学研究的技术平台,第二节,毒理基因组学与系统毒理学,*,19,一、基因组学与转录组学技术平台,（一）差异显示反转录,PCR,技术,差异显示反转录,PCR,（,DDRT-PCR,）技术是以分子生物学应用最广泛的两种技术,PCR,和,聚丙烯酰胺凝胶电泳,为基础。,基本原理：,是以一对细胞（或组织）的总,RNA,反转录而成的,cDNA,为模板，利用,PCR,的高效扩增，通过,5,端和,3,端引物的合理设计和组合，将细胞（或组织）中表达的约,15000,种基因片段直接显示在,DNA,测序胶上，从而找出其表达有差异的,cDNA,片断。,优点：,DDRT-PCR,具有周期短，功能多，灵敏度高，所需,RNA,量少和重复性高等。,缺点：,DDRT-PCR,技术假阳性率高、凝胶中单条,cDNA,带成分不均一、一些低拷贝数,mRNA,不能有效呈现等。,毒理基因组学与系统毒理学,*,20,（二）基因表达序列分析,(serial analysis of gene expression,，,SAGE),SAGE,的理论依据是：,来自,cDNA 3,端特定位置的一段,9-11bp,长的序列能够区分基因组中,95,的基因。这一段基因特异的序列被称为标签,(SAGEtag),。通过对,cDNA,制备,SAGE,标签并将这些标签串联起来，然后对其进行测定。,SAGE,应用的前提条件：,GenBank,中必须有足够的某一物种的,DNA,序列信息，尤其是表达序列标签,(expressed sequence tag,，,EST),的序列资料。,各,SAGE,所代表的基因在特定组织中是否表达；,根据各,SAGE,标签所出现的频率作为其所代表,的基因表达丰度的指标。,毒理基因组学与系统毒理学,*,21,（三）微阵列分析,DNA,微阵列,(microarray assay),或,DNA,芯片,(DNA chip),技术，,可以在同时定量的分析大量的基因表达，具有快速、精确、低成本之分析检验能力。,基因芯片通过微加工技术，将数千或数万个特定序列的,DNA,片段（基因探针）有规律地排列固定于,2c,的硅片、玻片等支持物上，构成一个二维的,DNA,探针阵列，因与电子计算机上的电子芯片十分相似所以被称为基因芯片。,使用的基本硬件，,是一块带有DNA微阵列（micorarray）的特殊玻璃片或硅芯片片，在数平方厘米之面积上布放数千或数万个核,寡聚核苷酸片段或,cDNA,探针,(cDNA,、,EST,或基因特异的寡核苷酸,),，按一定顺序以矩阵方式排列在载玻片大小的塑料或玻璃板上，其,敏感性可达,1,5,个拷贝,mRNA/,细胞,。与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析，即可获得样品的遗传信息。,毒理基因组学与系统毒理学,*,22,基因表达的测定：,先将受试动物染毒，其靶器官或细胞与毒物接触后，发生反应或被活化的基因会产生,mRNA,。然后将这些,mRNA,用核素或荧光色素标记后，加入基因芯片。在一个单个的阵列中加入两种标记样品进行杂交。杂交完成后，可用图像解析显微镜或激光扫描显微镜进行探测和分析。根据发生的结合反应的情况，便可以判断是哪些基因发生了改变。,通常采用发红色荧光的,Cy3,和发绿色荧光的,Cy5,荧光色素，分别标记实验和对照样品中的,RNAs,。由于荧光的强度和,RNAs,的含量间有一定的相关关系，可通过两种荧光的相对强度变化来确定实验组样品中,DNA,表达的差异。如果再与实时,PCR,相结合，就可得到特定基因的定量表达信息，,发现新的致病基因或疾病相关基因,等多个研究领域。,毒理基因组学与系统毒理学,*,23,优点：,灵敏度高,mRNA,丰度低至,10,万分之一仍能被检测出；,可同时采用几种不同颜色的荧光染料标记探针，在同一张阵列膜进行一次杂交实验就可分析不同样品间基因表达的差异。,缺点：,成本较高，需要特殊的信号检测分析系统；,玻片上的微阵列不能重复使用。,毒理基因组学与系统毒理学,*,24,（四）,RNA,干扰技术（,RNA interference,，,RNAi,）,将外源性双链,RNA,导入细胞后，可产生,21-23nt,（,nucleotide,，核苷酸）长度的小分子干扰,RNA,（,siRNA,），引起与其序列同源的特异基因,mRNA,降解的现象，为转录后的基因沉默（,post-transcriptional gene silencing,，,PTGS,）,在哺乳动物细胞进行,RNAi,实验包括五个步骤：,选取目的基因,设计相应的,siRNA,制备,siRNA,siRNA,转染哺乳动物细胞,RNAi,效果分析,毒理基因组学与系统毒理学,*,25,靶,siRNA,序列选择是,RNAi,实验成败的关键；,siRNA,的制备方法：化学合成法，体外转录法，合成法和“鸡尾酒”法；,siRNA,转染是将,siRNA,，,siRNA,表达载体或,siRNA,表达框架（,siRNA expression cassettes,SECs,）导入哺乳动物细胞；,RNAi,的效果可从,mRNA,和蛋白质水平进行评价；,mRNA,水平可通过,Northern blot,和实时定量,PCR,（,real-time RT-PCR,）的方法；蛋白质水平可通过,Western blot,、荧光免疫法、流式细胞技术和表型分析等方法检测。,毒理基因组学与系统毒理学,*,26,染色体基因组水平上单个核苷酸变异引起的,DNA,序列多态性，在人群中发生频率大于,1%,。,（五）单核苷酸多态性检测（,single nucleotide polymorphisms,SNPs,）,在基因组中搜索,SNPs,的最普遍的方法是将已定位的序列标签位点（,sequence tagged sites,STS,）和表达序列标签（,expressed sequence tags,EST,）进行测序,DNA,芯片技术的应用可大规模发现和识别,SNPs,有单碱基的转换、颠换、插入、缺失等形式,在基因组中分布不均匀，随机分布在基因组的单碱基变异，在基因编码区估计有,210,5,个,SNPs,称为,cSNPs,（,coding-regions SNPs,），与蛋白质功能有关。,毒理基因组学与系统毒理学,*,27,限制性酶切片段长度多态性技术（,RFLP,）,SNPs,的检测方法,等位基因特异寡聚核苷酸杂交技术（,ASO,）,单链构象多态性技术（,SSCP,）,基因芯片技术,毒理基因组学与系统毒理学,*,28,Take a break,毒理基因组学与系统毒理学,*,29,二、蛋白组学技术平台,目前最常用技术路线是利用双向凝胶电泳分离蛋白、综合质谱和生物信息学分析技术进行鉴定,双向凝胶电泳,和,质谱技术,是目前蛋白质组学研究的核心技术,毒理基因组学与系统毒理学,*,30,（一）双向凝胶电泳（,2-dimensional gel electrophoresis,2-DE,）,样品制备,原理：,细胞抽提物在电泳过程中，依据蛋白质所带电荷及分子大小而被分离。,实验成败的关键,要尽可能使样品转变为适合进行电聚焦的状态，同时保持原有的电荷和等电点,为尽可能多地获得样品中的蛋白质，可采用预分级处理方法,根据蛋白质溶解性的不同进行分步顺序提取，增强特定蛋白点的浓度，提高低丰度蛋白质的上样量；,预先对细胞亚结构进行分离，利用传统梯度离心法分离各种细胞器，再提取蛋白进行二维电泳，建立相应的亚细胞蛋白质组数据库,毒理基因组学与系统毒理学,*,31,电泳,梯度凝胶电泳：,使用窄,pH,及极窄,pH,范围梯度凝胶电泳，提高,2-DE,分辨率。,适用于低丰度蛋白的检测,胶上差示电泳（,differential in-gel electrophoresis,DIGE,）,将不同样品蛋白质标上不同的荧光染料，在同一块胶上进行电泳分离，用荧光扫描仪进行识别。,该方法重复性好，灵敏度高，质谱兼容等优点。,缺点,不能很好显示低丰度蛋白、疏水性膜蛋白、极酸或极碱性、极大和极小分子量蛋白；,不同样本间难以进行定量比较；,费时、费力，不容易自动化；,重复性差。,毒理基因组学与系统毒理学,*,32,（二）生物质谱技术（,biological mass spectrometry BMS,）,基本原理：,使样品分子离子化后，根据不同离子间质荷比（,m/z,）的差异来分离并确定相对分子质量。,基质辅助激光解吸离子质谱,（,metrix assisted laser desorption ionization mass spectrometry,，,MALDI,）,电喷雾离子化质谱,（,electrospray ionization mass spectrometry,，,ESI,）,表面增强激光解吸电离,-,飞行时间质谱,（,surface-enhanced laser desorption ionization,，,SELDI,）,结合芯片和质谱技术，将蛋白质样品制备、生化反应和检测分析等过程集成在芯片上进行，在数分钟内同时分析几百种蛋白质，样品体积可低至,0.5l,，利于微量样本研究。,毒理基因组学与系统毒理学,*,33,多向蛋白鉴定技术,（,multi-dimensional protein identification,technology,，,MudPIT),将蛋白质酶解后得到,多肽混合物,，进样到强阳离子交换色谱柱，直接洗脱后进样到反相液相色谱柱上，然后进行梯度洗脱，用,MS/MS,对分离的馏分进行鉴定。,一个分析周期可检测,100,多种蛋白质，适用于,大规模蛋白质的分离鉴定。,同位素亲和标签,（,isotope-coded affinity tag,，,ICAT,）,利用化学性质相同而质量不同的两种,同位素分子,，对蛋白样品的半胱氨酸进行,标记,，然后对混合的样品进行质谱分析，通过比较,质谱峰的强弱,可以对蛋白质进行定量比较。,具有广泛的兼容性和高度专一性，而且适用于低丰度蛋白分析，是差异蛋白质组定量分析研究的有力工具。,毒理基因组学与系统毒理学,*,34,分子扫描技术,（,molecular scanner technology,）,将双向凝胶转到涂有酶解液的膜上，在转膜的同时进行酶切，再利用质谱扫描鉴定,抗体与蛋白质阵列技术,（,antibody and protein array technologies,）,将双向凝胶转到涂有酶解液的膜上，在转膜的同时进行酶切，再利用质谱扫描鉴定,毒理基因组学与系统毒理学,*,35,三、代谢组学技术平台,代谢组学（,metabonomics/metabolomics,）,是研究关于生物体被扰动后其代谢产物（内源性代谢物质）种类、数量及其变化规律的科学。,代谢组学研究生物整体、器官或组织的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在和外在因素的影响及随时间变化的规律。,作为全局系统生物学的基础和重要组成部分，代谢组学是以物理学基本原理为基础的分析化学、以数学计算与建模为基础的化学计量学和以生物化学为基础的生命科学等学科交叉的学科。,作为基因组、转录组和蛋白组的,“终端”，,能够更直接、更准确地反映生物体的病理生理状态。,毒理基因组学与系统毒理学,*,36,技术路线及方法,检测和分析内源性代谢物信息技术,核磁共振,（,NMR,）,色谱及联用技术,（,GC-MSLC-MS,）,红外光谱,(,IR spectrum,）,毛细管电泳,（,CE,）,采样（血样尿样或其他）,代谢物的提取,上机检测（,GC-MSLC-MSNMR,）,数据预处理（信息峰提取、识别）,多元变量统计分析（,PCA,、,PLS-DA,、,OPLS-DA,）,深度数据挖掘（代谢通路分析、关联分析）,毒理基因组学与系统毒理学,*,37,（一）磁共振,（,nuclear magnetic resonance,，,NMR,）,可在一次单独检测中获得生物体液中成百上千的代谢物组分信息，而无需预先确定被检测物质的性质。,所需样品量较少，不需要复杂的样品处理或衍生措施，且样品还可回收用于其他分析。,氢谱（,HNMR),：,对含氢化学物均有响应，能完成对样品中大多数代谢物的检测，具有较高的灵敏度和较好的重复性。,碳谱（,CNMR),：,可以给出分子量在,500,以下的有机化学物丰富的碳骨架信息，适合检测低分子量物质，并可为氢谱提供物质结构的补充信息，但存在灵敏度低，采样时间长，所需样品量大的缺点,毒理基因组学与系统毒理学,*,38,（二）色谱,-,质谱联用技术,气相色谱,（,gas chromatograph,，,GC,）,主要用于微量或痕量组分的分析，如血清中各种糖和脂肪酸的含量分析,高效液相色谱,（,high performance liquid chromatography,，,HPLC,）,适用于挥发性低、热稳定性差的物质,质谱及其联用技术,色谱技术为质谱分析提供纯化的试样,质谱可提供准确的结构信息，样品分离，定性和定量一次完成,具有较高的灵敏度和选择性,毒理基因组学与系统毒理学,*,39,毛细管电泳,（,capillary electrophoresis,，,CE,）,分离样品的速度和效率快且好,往往在,10 min,内完成一个样品的分析过程,利用毛细管中被分析的带电分子在电场作用下，因移动速率不同而达到分离不同分子的目的。,毒理基因组学与系统毒理学,*,40,四、生物信息学,获取、处理、储存、分析和解释生物信息的一门学科。,综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，以,核酸、蛋白质等生物大分子数据库,作为主要研究对象，对巨量生物学原始实验数据进行存储、管理、注释、加工，使之成为具有明确生物学意义的生物信息。,通过对生物信息的查询、搜索、比较、分析，从中获取基因编码、基因调控、核酸和蛋白质结构功能及其相互关系等知识，在大量信息和知识的基础上，探索生命起源、生物进化以及细胞、器官和个体的发生、发育、病变、衰亡等生命科学中的重大问题。,生物信息学由,生物数据库,、,分析方法,和,应用软件,3,部分组成。,毒理基因组学与系统毒理学,*,41,（一）生物数据库,按照一定的标准收集和处理生物学实验数据，并提供相关的数据查询和处理等。,DNA,序列数据库,基本数据库,蛋白质一级结构数据库,蛋白质二级结构数据库,PROSITE,，,BLOCKS,，,PRINTS,GenBank,，,EMBL,，,DDJB,，,ESTdb,，,OMIM,，,GDB,，,GSDB,SWISS-PROT,，,PIR,，,OWL,，,ISSD,，,MIPS,蛋白质三级结构数据库,PDB,，,NDB,，,CCSD,蛋白质结构分类数据库,SCOP,，,CATH,，,FSSP,二次数据库,UniGene,；,TransFac,；,EPD,；,Prosite,；,Prints,；,Pfam,；,Blocks,；,Profiles,；,DSSP,；,PubMed,毒理基因组学与系统毒理学,*,42,毒理基因组学与系统毒理学,*,43,毒理基因组学与系统毒理学,*,44,毒理基因组学与系统毒理学,*,45,毒理基因组学与系统毒理学,*,46,（二）生物信息学分析方法,借助于计算机科学、信息科学及其他学科的共同参与,序列比对预测法：,碱基、氨基酸水平、两两序列、多序列,比对,结构比对预测法：,蛋白质分子空间结构的相似性或差异性,功能比对预测法：,以序列为依据，预测物理性质，功能。,毒理基因组学与系统毒理学,*,47,（三）应用软件,GCG,序列分析软件,Staden,分析核酸序列和蛋白质序列的软件包,Sequencher,用于大规模测序,VectorNTI,用于快速克隆,Alfresco,用于比较基因组,CINEMA,用于多序列比对,毒理基因组学与系统毒理学,*,48,毒理基因组学研究内容及其应用,第三节,毒理基因组学与系统毒理学,*,49,一、毒作用机制研究,阐明毒作用机制和预测新化学物毒性的关键，在于识别毒物所特有的分子标志或指纹基因,依赖于对基因转录表达的分析,单基因的检测分析能力有限，不具备单独作为指纹基因的特异性多种变量（多个基因），分析其综合表达变化（基因组表达谱）才能反映出特征性的改变,对毒作用指纹基因的鉴别必须基于多基因、甚至全基因组水平的分析。,基因表达的变化常常是早期、敏感的分子事件，基因表达谱的改变可反映亚病理状态的毒性效应，同时也为毒作用阈剂量的确定，提供低剂量暴露的分子信息。,毒理基因组学与系统毒理学,*,50,二、化学物毒性预测,通过基因微阵列分析基因组在,mRNA,水平上的改变，得到具有“诊断功能”的基因表达谱，并与已知标准参照物的基因表达谱比较，从而预测待测物的毒性。,将一种新化学物基因表达谱与已知化学物的指纹基因相比较，初步推测新化学物是否具有某种相似的毒性效应，从而,加速筛选,可疑有毒化学物的过程，为下一步全面的毒性检测，提供信息参考。,毒理基因组学与系统毒理学,*,51,设计识别化学物毒性、毒作用途径或靶器官的阵列、基本程序,选定已知毒物作为标准参照物,选定参照物已知或可能作用的,靶基因作为阵列目标基因,参照物,靶基因表达谱,受试物,表达谱,统计学分类方法发现两类毒物间基因表达模式差异,利用“毒性指纹”还有望以基因表达谱为基础对化学物进行重新分类,对基因表达谱还能同时分析多种效应的交互作用，能识别具有联合毒效应的化学物,研究各种暴露剂量和时间与基因组表达模式之间的关系，有助于阐明毒作用的分子机制及由体外实验向体内实验的外推,DNA,微阵列能快速、有效地检测多种化学物的遗传效应,毒理基因组学与系统毒理学,*,52,三、比较毒理学研究,微阵列技术可用于研究生物化学和分子生物学的级联过程中，毒性反应的,空间定位,和,时间特征。,特定的毒物标签,（,toxicant signature,）,有助于了解不同种属的动物是否有着相同的、类似的或交叉的基因毒性反应。,比较,不同物种间基因表达谱的相似程度,，还有助于选择与人类反应最接近的实验动物，从而使毒理学研究结果更接近人类的实际情况,采用高通量的,DNA,微阵列技术，可以从大量甚至全部基因分子中筛选出适当的桥梁生物学标志，用于,比较化学物毒作用的种属间差异,，从而更准确地将动物实验结果外推到人。,对比动物模型或细胞模型与人之间反映的异同，尤其是关键基因表达的相似程度，可以帮助选择,合适的模型,进行安全性评价或危险度评定，大大减少评价过程中的不稳定度。,毒理基因组学与系统毒理学,*,53,四、混合物联合作用研究,基因组学可以方便地进行交叉设计，均匀设计等各类,“拆分”,性研究，探讨各组分间的交互作用,对多个,已知毒作用的化学物,，比较单个和多个基因的表达改变，阐明相同或不同毒作用化学物的联合基因毒性。,对,未知毒作用的混合化学物,，通过测定基因表达图谱和数据库检索，可预测混合化学物的毒作用方式及有害健康效应,人类接触的环境化学物大多以混合物的形式存在。在机体内呈交互作用，通过影响彼此的生物转运和生物转化，或竞争同一受体，或相互直接发生反应而影响各自毒性或联合作用。,毒理基因组学与系统毒理学,*,54,在已知明确毒效应的动物模型上，将混合物染毒后的基因表达谱与每一单个化学物染毒后的基因表达谱进行比较，分析不同化学物间可能的相互作用。,对含有各种未知化学物或未知毒作用特性的混合物，可根据实验动物或原代人细胞中的基因表达谱的改变进行联合作用评价。,将由混合物产生的指纹,DNA,在数据库中进行搜索，可了解混合物的毒作用类型，并确定其对人体的潜在有害效应。,将混合物的表达谱与参考化学物的表达谱进行对比，还有助于分析混合物中的成分，识别混合物中的微量污染物。,在已知单一化学物毒性的前提下，通过单一化学物和混合物的表达图谱比对，可判断化学物间是否存在相加、协同或拮抗效应。,毒理基因组学与系统毒理学,*,55,五、危险度评定,利用基因芯片技术，对生物样品中成千上万的基因对外源性有害因素的反应活性进行定量测定，阐明,在不同接触时间和接触剂量下出现的基因毒作用。,环境反应基因的多态性研究能提供大量的,个体易感性分子生物标志,，将个体易感性分析融入危险度评定，可以帮助阐明个体对不同环境因素的易感机制，筛选和确定易感人群，预测敏感个体。,基因表达谱随时间的动态变化，有助于认识毒作用的,时间,-,效应关系,，从分子水平阐明慢性毒性、致癌性或继发毒性效应。,通过微阵列技术测定的基因表达谱的改变，有可能成为新型的灵敏生物标志。,毒理基因组学与系统毒理学,*,56,六、表型锚定,（,phenotypic anchoring,）,表型锚定：,是将特定的,基因图谱改变,与特定剂量或时间条件下的,毒性损害相联系,的过程。,在化学性肝损伤或病毒性肝炎时，血碱性磷酸酶（,ALT,）和天冬氨酸氨基转移酶（,AST,）升高，可作为诊断指标；相对应，可将这些酶基因表达图谱的变化与血清或组织细胞中酶含量或活性的变化相联系。两类指标可以互补。将酶活性改变用一定剂量和时间的基因表达图谱加以“锚定”，可以帮助提高诊断的准确性。,可发现具有临床诊断价值的生物标志；,通过鉴别出重要的毒性反应的靶基因，可帮助建立新的毒性测试和筛选模型，为人群流行病学调查提供分子生物学标志；,将最敏感的生物学终点与危险相关基因的表达谱相结合，可望产生新的危险度评定模型。,毒理基因组学与系统毒理学,*,57,七、信息整合,（,information integration,）,对经某种暴露后一个个体（动物或人）由不同技术平台（基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等）获得的测定结果进行比较和分析，找出其联系和变化规律,对不同个体甚至不同种属生物的实验结果进行分析处理，找出相同或差异之处,对不同实验室的研究结果进行比对，获得能够重复的、可进入公共数据库的可信资料,毒理基因组学与系统毒理学,*,58,从毒理基因组学到系统毒理学,第四节,毒理基因组学与系统毒理学,*,59,系统毒理学（,systems toxicology,）：,是以毒理基因组学为,基础,，通过,分析,有害物质不同暴露（方式、剂量、时间等）后基因表达谱、蛋白质表达谱和毒物代谢谱的,改变,，结合传统毒理学的研究资料，利用生物信息学和计算毒理学技术，系统研究外源化学物,/,环境应激因素与生物系统（在细胞、组织、器官和生物体整体水平上）的交互作用，,定量描述,生物功能、表型和行为，,阐明,毒作用通路与机制，,揭示,联合（复合）暴露效应，,发现,新的生物标志物，,进行安全性评价和危险度评定，实现毒物毒性的快速筛选、预测和分类,。,毒理基因组学与系统毒理学,*,60,美国,NCT,（,National Center for Toxicogenomics,）,提出综合研究和利用各类毒理学资料的长期计划,建立生物系统化学物效应知识库（,Chemical Effects in Biological Systems Knowledge Base,CEBS,），包括多种系统毒理学的全面信息，如基因组与蛋白质组的表达信息、化学物体内代谢信息、生物体对毒性的反应信息等。,第一阶段,收集基因组表达、毒理学和病理学实验资，并对各种来源的资料进行注释，同时发展解读基因组和蛋白质组的生物信息学工具。,第二阶段,建立蛋白质组学和代谢组学数据库,第三阶段,综合各组学和,SNP,数据库，与已知的代谢和功能途径相联系。,第四阶段,开发综合性分析模型，产生新的知识和发展新的系统毒理学。,毒理基因组学与系统毒理学,*,61,？,毒理基因组学、人类基因组计划（,HGP,）、表型锚定、,系统毒理学的定义,毒理基因组学研究计划的研究内容，任务和目标,毒理基因组学,研究的主要技术平台,毒理基因组学主要研究内容及其应用,毒理基因组学与系统毒理学,*,62,