遗传信息传递的整体性讲座.pptx

第十九章第十九章第十九章第十九章 遗传信息传递整遗传信息传递整体性体性 Integration of expression and transmission of genetic information 遗传信息传递的整体性讲座1/74第一节第一节基因组学基因组学Genomics 遗传信息传递的整体性讲座2/74一、基因组就是一个生物拥有全部遗传一、基因组就是一个生物拥有全部遗传信息总合信息总合是是一一个个细细胞胞（或或病病毒毒）所所载载全全部部遗遗传传信信息息，它它代代表表了了一个生物所含有全部遗传信息。一个生物所含有全部遗传信息。真真核核生生物物基基因因组组是是指指一一套套完完整整单单倍倍体体DNA（染染色色体体DNA）及及线线粒粒体体或或叶叶绿绿体体DNA全全部部序序列列，现现有有编编码码序序列列，也有大量存在非编码序列。也有大量存在非编码序列。细菌基因组包含了拟核和质粒中细菌基因组包含了拟核和质粒中DNA序列。序列。病病 毒毒 基基 因因 组组 有有 为为 DNA（DNA病病 毒毒），有有 则则 为为RNA（RNA病毒）。病毒）。*基因组基因组（genome）遗传信息传递的整体性讲座3/74二、基因组学包含结构基因组学、功二、基因组学包含结构基因组学、功效基因组学和比较基因组学效基因组学和比较基因组学1.基因组学（基因组学（genomics）是说明整个基因组结构、是说明整个基因组结构、结构与功效关系以及基因之间相互作用科学。结构与功效关系以及基因之间相互作用科学。2.研究内容研究内容结构基因组学（结构基因组学（structuralgenomics）:遗传图谱、遗传图谱、物理图谱、序列图谱以及转录图谱和大规模物理图谱、序列图谱以及转录图谱和大规模DNA测序。测序。功效基因组学（功效基因组学（functionalgenomics）:分析判定基分析判定基因组功效。因组功效。比较基因组学（比较基因组学（comparativegenomics）：）：基因组基因组之间比较判定，硕士物进化，预测新基因。之间比较判定，硕士物进化，预测新基因。遗传信息传递的整体性讲座4/74三、结构基因组学主要任务是基因组三、结构基因组学主要任务是基因组作图和大规模测序作图和大规模测序经过基因作图、构建连续克隆系及大规模测序经过基因作图、构建连续克隆系及大规模测序等方法，结合主要模式生物已知基因组等方法，结合主要模式生物已知基因组DNA序列，序列，辅以生物信息学和计算生物学技术，解密人类基因辅以生物信息学和计算生物学技术，解密人类基因组组DNA序列和结构。序列和结构。人类基因组计划（人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）：）：遗传信息传递的整体性讲座5/7419861986，DulbeccoDulbecco，提出人类基因组计划；，提出人类基因组计划；，提出人类基因组计划；，提出人类基因组计划；19901990，国际人类基因组计划开启；，国际人类基因组计划开启；，国际人类基因组计划开启；，国际人类基因组计划开启；19981998，CeleraGenomicsCeleraGenomics成立，挑战国际人类基因组成立，挑战国际人类基因组成立，挑战国际人类基因组成立，挑战国际人类基因组测序组织；测序组织；测序组织；测序组织；19991999年年年年9 9月，中国加入该计划；月，中国加入该计划；月，中国加入该计划；月，中国加入该计划；19991999年年年年1212月，第月，第月，第月，第2222号染色体破译；号染色体破译；号染色体破译；号染色体破译；年年年年6 6月月月月2626日，各国科学家公布人类基因组工作框日，各国科学家公布人类基因组工作框日，各国科学家公布人类基因组工作框日，各国科学家公布人类基因组工作框架图；架图；架图；架图；年年年年4 4月月月月1414日，国际人类基因组测序组织宣告人类日，国际人类基因组测序组织宣告人类日，国际人类基因组测序组织宣告人类日，国际人类基因组测序组织宣告人类基因组序列图绘制成功。基因组序列图绘制成功。基因组序列图绘制成功。基因组序列图绘制成功。遗传信息传递的整体性讲座6/741.1.toto generategenerate physical,physical,genetic,genetic,andand sequencesequence mapsmaps ofof thethehumangenome;humangenome;2.2.tosequencethegenomesofavarietyoftosequencethegenomesofavarietyofmodelorganismsmodelorganisms;3.3.toto developdevelop improvedimproved technologiestechnologies forfor mappingmapping andandsequencing;sequencing;4.4.toto developdevelop computationalcomputational toolstools forfor capturing,capturing,storing,storing,analyzing,analyzing,displaying,displaying,andand distributingdistributing mapmap andand sequencesequenceinformation;information;5.5.toto sequencesequence ESTEST fragmentsfragments ofof cDNAscDNAs (expressed expressed sequence sequence tags,tags,oror ESTs,ESTs,areare single-sequencesingle-sequence runsruns 600600 bpbp onon thethecDNAcDNA inserts)inserts)andand eventuallyeventually full-lengthfull-length cDNAscDNAs encodingencodingthetheexpressedexpressedmRNAsmRNAsinindifferentdifferentcellcelltypestypesofofhumanshumansandandmice;mice;6.6.totoconsiderconsiderthetheethical,ethical,social,social,andandlegallegalchallengeschallenges posedposedbybygenomicinformation.genomicinformation.人类基因组计划六个目标人类基因组计划六个目标人类基因组计划六个目标人类基因组计划六个目标遗传信息传递的整体性讲座7/741遗传作图遗传作图2物理作图物理作图（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基因（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基因组草图主要策略组草图主要策略染色体染色体DNA很长，不能直接进行测序，必须先很长，不能直接进行测序，必须先将基因组将基因组DNA进行分解、标识，使之成为可操作较进行分解、标识，使之成为可操作较小结构区域，这一过程称为作图。小结构区域，这一过程称为作图。遗传信息传递的整体性讲座8/74遗遗传传作作图图（geneticmapping）:就就是是确确定定连连锁锁遗遗传传标标志志位位点点在在一一条条染染色色体体上上排排列列次次序序及及它它们们之之间间相相对对遗遗传传距距离离，用用厘厘摩摩尔尔根根（centi-Morgan，cM）表表示示，当当两两个个遗遗传传标标识识之之间间重重组组值值为为1%时时，图距即为图距即为1cM。1遗传作图就是绘制连锁图遗传作图就是绘制连锁图遗传图遗传图(geneticmap)又称连锁图又称连锁图(linkagemap)。遗传信息传递的整体性讲座9/74*DNA*DNA标识标识v限限 制制 性性 片片 段段 长长 度度 多多 态态 性性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）v可可变变数数目目串串联联重重复复序序列列（variable number of tandem repeat，VNTR）v单单 核核 苷苷 酸酸 多多 态态 性性（single nucleotide polymorphism,SNP）遗传信息传递的整体性讲座10/74v限制性片段长度多态性（限制性片段长度多态性（RFLP）：）：利用特定限制性内切酶识别并切割基因组利用特定限制性内切酶识别并切割基因组DNA，得到大小不等，得到大小不等DNA片段，所产生片段，所产生DNA数目数目和各个片段长度反应了和各个片段长度反应了DNA分子上不一样酶切位分子上不一样酶切位点分布情况。点分布情况。遗传信息传递的整体性讲座11/74v可变数目串联重复序列（可变数目串联重复序列（VNTR）：）：又称微卫星又称微卫星DNA（minisatelliteDNA），是），是一个重复一个重复DNA短序列。短序列。VNTR基本原理与基本原理与RFLP大大致相同，经过限制性内切酶酶切和致相同，经过限制性内切酶酶切和DNA探针杂交，探针杂交，可一次性检测到众多微卫星位点，得到个体特异可一次性检测到众多微卫星位点，得到个体特异性性DNA指纹图谱。指纹图谱。遗传信息传递的整体性讲座12/74v单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNP）：）：SNP不以不以“长度长度”差异作为检测伎俩，而是差异作为检测伎俩，而是直接以序列变异作为标识。直接以序列变异作为标识。SNP是指在基因组水是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所造成平上由单个核苷酸变异所造成DNA序列多态性。序列多态性。SNP是人类可遗传变异中最常见一个，也是基因是人类可遗传变异中最常见一个，也是基因组中最为稳定变异。组中最为稳定变异。SNP最大程度地代表了不一最大程度地代表了不一样个体之间遗传差异，因而成为研究多基因疾病、样个体之间遗传差异，因而成为研究多基因疾病、药品遗传学及人类进化主要遗传标识。药品遗传学及人类进化主要遗传标识。遗传信息传递的整体性讲座13/74遗传信息传递的整体性讲座14/74物理作图（物理作图（physicalmapping）是在遗传作图基）是在遗传作图基础上制作更详细人类基因组图谱。包含：础上制作更详细人类基因组图谱。包含：荧光原位杂交图（荧光原位杂交图（FISHmap）限制性酶切图（限制性酶切图（restrictionmap）连续克隆系图（连续克隆系图（clonecontigmap）2 2物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图克隆系图遗传信息传递的整体性讲座15/74荧光原位杂交图（荧光原位杂交图（fluorescentin situ hybridizationmap，FISHmap）：）：将荧光标识将荧光标识探针与染色体杂交确定分子标识所在位置。探针与染色体杂交确定分子标识所在位置。限制性酶切图（限制性酶切图（restrictionmap）：）：将限制性将限制性酶切位点标定在酶切位点标定在DNA分子相对位置。分子相对位置。遗传信息传递的整体性讲座16/74连续克隆系图（连续克隆系图（clonecontigmap）：）：采取酶采取酶切位点稀有限制性内切酶或高频超声破碎技术将切位点稀有限制性内切酶或高频超声破碎技术将DNA分解成大片段后，再经过构建酵母人工染分解成大片段后，再经过构建酵母人工染色体（色体（yeastartificialchromosome，YAC）或细）或细菌人工染色体（菌人工染色体（bacterialartificialchromosome，BAC）获取含已知基因组序列标签位点）获取含已知基因组序列标签位点（sequencetaggedsite，STS）DNA大片段。大片段。遗传信息传递的整体性讲座17/74*STS（sequencetaggedsite，基因组序列标签位，基因组序列标签位点）：点）：是指染色体定位明确，而且可用是指染色体定位明确，而且可用PCR扩增扩增单拷贝序列，每隔单拷贝序列，每隔100kb距离就有一个标志。在距离就有一个标志。在STS基础上构建能够覆盖每条染色体大片段基础上构建能够覆盖每条染色体大片段DNA连续克隆系就可绘制精细物理图谱，为大规模连续克隆系就可绘制精细物理图谱，为大规模DNA测序做好了准备。测序做好了准备。遗传信息传递的整体性讲座18/74（二）经过（二）经过BAC克隆系、鸟枪法等完成大规模克隆系、鸟枪法等完成大规模DNA测序测序1BAC克隆系构建是大规模克隆系构建是大规模DNA测序基础测序基础YAC载体装载量偏大（载体装载量偏大（1 2Mb），本身稳定性），本身稳定性不够。不够。BAC含有插入片段较大（几含有插入片段较大（几kb 350kb）、嵌）、嵌合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。遗传信息传递的整体性讲座19/742 2鸟枪法是大规模鸟枪法是大规模DNADNA测序主要方法测序主要方法v全基因组鸟枪法测序全基因组鸟枪法测序（shotgunsequencing）直接将整个基因组打成不一样大小直接将整个基因组打成不一样大小DNA片段片段，构建，构建BAC文库，然后对文库进行随机测序，最文库，然后对文库进行随机测序，最终利用生物信息学方法将测序片段拼接成全基因终利用生物信息学方法将测序片段拼接成全基因组序列。组序列。遗传信息传递的整体性讲座20/74鸟枪法鸟枪法DNADNA测序主要步骤：测序主要步骤：建立高度随机、插入片段大小为建立高度随机、插入片段大小为1.6kb到到4kb左右基因组文库。左右基因组文库。高效、大规模克隆双向测序。高效、大规模克隆双向测序。序列组装（序列组装（sequenceassembly）产生一定数）产生一定数量重合群（量重合群（contig）。）。缺口填补。缺口填补。遗传信息传递的整体性讲座21/74鸟枪法（鸟枪法（shotgun）测序原理与策略）测序原理与策略遗传信息传递的整体性讲座22/743高通量测序技术大大加紧了基因组高通量测序技术大大加紧了基因组DNA测序进行测序进行v高通量测序（高通量测序（high-throughputsequencing）技术：）技术：不但具备毛细管电泳测序不具备优点，还能不但具备毛细管电泳测序不具备优点，还能进行进行“平行平行/多点多点”、“单分子单分子”和和“混合混合”序列序列分析。这种高通量测序一次试验能够读取几十万分析。这种高通量测序一次试验能够读取几十万到几百万到几百万DNA片段序列，极大加速了基因组测序。片段序列，极大加速了基因组测序。遗传信息传递的整体性讲座23/74（三）生物信息学是预测基因组结构和功效（三）生物信息学是预测基因组结构和功效主要伎俩主要伎俩v数据库建设：数据库建设：聚集了大量聚集了大量DNA序列、蛋白质信息序列、蛋白质信息预测基因、基因产物结构、功效；分析基因预测基因、基因产物结构、功效；分析基因-基因、基因基因、基因-产物、产物产物、产物-产物之间相互作用或联络；描述细胞或整体水产物之间相互作用或联络；描述细胞或整体水平基因表示谱；推测系统发生关系。平基因表示谱；推测系统发生关系。v主要生物信息中心主要生物信息中心美国国家生物技术信息中心（美国国家生物技术信息中心（NCBI，http:/www.ncbi.nih.gov）欧洲生物信息研究所（欧洲生物信息研究所（EBI，http:/ebi.ac.uk）日本日本DNA数据库（数据库（DDBJ，http:/www.ddbj.nig.ac.jp）GenBank（http:/www.ncbi.nih.gov/Genbank）遗传信息传递的整体性讲座24/74四、功效基因组学系统探讨基因四、功效基因组学系统探讨基因活动规律活动规律v功效基因组学：功效基因组学：从整体水平上研究一个组织或细从整体水平上研究一个组织或细胞在同一时间或同一条件下所表示基因种类、数胞在同一时间或同一条件下所表示基因种类、数量、功效及在基因组中定位，或同一细胞在不一量、功效及在基因组中定位，或同一细胞在不一样状态下基因表示差异。样状态下基因表示差异。v主要研究内容包含主要研究内容包含基因组表示基因组表示基因组功效注释基因组功效注释基因组表示调控网络及机制基因组表示调控网络及机制遗传信息传递的整体性讲座25/74（一）经过全基因组扫描判定（一）经过全基因组扫描判定DNA序列序列中基因中基因v对测得基因组序列进行对测得基因组序列进行“注释注释”，包含判定和描述，包含判定和描述推测编码序列、非编码序列及其功效。推测编码序列、非编码序列及其功效。v技术支持：人类基因组技术支持：人类基因组DNA序列数据库；高性能计序列数据库；高性能计算机。算机。v改进十进制计算机进行全基因组扫描，判定内含子改进十进制计算机进行全基因组扫描，判定内含子与外显子之间衔接，寻找全长与外显子之间衔接，寻找全长ORFs，确定多肽链编，确定多肽链编码序列。码序列。遗传信息传递的整体性讲座26/74v同源基因：同源基因：在进化过程来自共同祖先基因，经过核在进化过程来自共同祖先基因，经过核苷酸或氨基酸序列同源性比较，能够推测基因组内苷酸或氨基酸序列同源性比较，能够推测基因组内相同基因功效。相同基因功效。v有效工具：有效工具：NCBI序列局部相同性查询（序列局部相同性查询（BasicLocalAlignmentSearch，BLAST）程序。）程序。v操作流程：操作流程：GenBank中查找基因序列访问号码中查找基因序列访问号码（accessionnumber），在），在BLAST界面上输入界面上输入2条或条或多条访问号码，就可实现两两或多对序列比对。多条访问号码，就可实现两两或多对序列比对。（二）经过（二）经过BLAST等程序搜索同源基因等程序搜索同源基因遗传信息传递的整体性讲座27/74（三）经过试验设计验证基因功效（三）经过试验设计验证基因功效v转基因（转基因（transgene）v基因过表示（基因过表示（overexpression）v基因敲除（基因敲除（knock-out）v基因敲减（基因敲减（knock-down）或基因缄默）或基因缄默（genesilencing）v适当模式生物替换人体进行试验适当模式生物替换人体进行试验遗传信息传递的整体性讲座28/74（四）经过转录组和蛋白质组描述基因（四）经过转录组和蛋白质组描述基因表示模式表示模式v基因表示：基因表示：RNA转录和蛋白质翻译转录和蛋白质翻译v基因表示模式及调控描述：借助转录组学和基因表示模式及调控描述：借助转录组学和蛋白质组学相关技术与方法蛋白质组学相关技术与方法遗传信息传递的整体性讲座29/74第二节第二节 转录组学转录组学 Transcriptomics遗传信息传递的整体性讲座30/74一、转录组学研究全部一、转录组学研究全部RNARNA表示及功效表示及功效v转录组（转录组（transcriptome）指生命单元（通常是一个指生命单元（通常是一个细胞）所能转录出来全部细胞）所能转录出来全部RNA包含指导蛋白质包含指导蛋白质翻译翻译mRNA和非编码和非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)总和。总和。vRNA功效基因组学，又称功效基因组学，又称RNA组学（组学（RNomics）：）：是分析、判定非信使小是分析、判定非信使小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNA）在特定状态下表示差异、功效及）在特定状态下表示差异、功效及其与蛋白质相互作用。其与蛋白质相互作用。遗传信息传递的整体性讲座31/74v转录组学（转录组学（transcriptomics）：）：是在整体水平是在整体水平上研究细胞编码基因转录情况及转录调控规律上研究细胞编码基因转录情况及转录调控规律科学。科学。v转录组特点：转录组特点：受到内外各种原因调整，因而是受到内外各种原因调整，因而是动态可变动态可变。能够揭示不一样物种、不一样个体、。能够揭示不一样物种、不一样个体、不一样细胞、不一样发育阶段及不一样生理病不一样细胞、不一样发育阶段及不一样生理病理状态下基因差异表示信息。理状态下基因差异表示信息。遗传信息传递的整体性讲座32/74二、转录组学关键工作是分析基因表二、转录组学关键工作是分析基因表示谱示谱n大规模表示谱或全景式表示谱（大规模表示谱或全景式表示谱（globalexpressionprofile）：）：是生物体（组织、细胞）在某一状态是生物体（组织、细胞）在某一状态下基因表示整体情况。下基因表示整体情况。n基因功效研究方法：基因功效研究方法：基因差异表示方法；基因表基因差异表示方法；基因表示谱芯片（示谱芯片（cDNA芯片、芯片、EST芯片等）。芯片等）。（一）采取（一）采取cDNA芯片可实现大规模已知（序芯片可实现大规模已知（序列）基因表示谱分析列）基因表示谱分析遗传信息传递的整体性讲座33/74（二）（二）SAGE和和MPSS分析可判定未知分析可判定未知/新新基因表示信息基因表示信息基基因因表表示示系系列列分分析析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）和和大大规规模模平平行行信信号号测测序序系系统统（massivelyparallelsignaturesequencing，MPSS）可可实实现现基基因因表表示示谱谱芯芯片片极极难难检检测测一一些些特特定定时段表示或表示水平较低基因或未知基因表示。时段表示或表示水平较低基因或未知基因表示。遗传信息传递的整体性讲座34/74（三）推断未知基因功效，探索生命机制（三）推断未知基因功效，探索生命机制v转录组分析能够提供特定条件下（生理、转录组分析能够提供特定条件下（生理、病理、诱导刺激等）基因表示信息，经过使用病理、诱导刺激等）基因表示信息，经过使用基因碱基序列数据和比较已知及未知功效基因，基因碱基序列数据和比较已知及未知功效基因，推断对应未知基因功效，揭示特定调整基因作推断对应未知基因功效，揭示特定调整基因作用机制。用机制。遗传信息传递的整体性讲座35/74三、芯片、三、芯片、SAGE和和MPSS是转录组学是转录组学研究主要技术研究主要技术v转录组学研究重点：转录组学研究重点：基因转录区域基因转录区域转录因子结合位点转录因子结合位点染色质修饰点染色质修饰点DNA甲基化位点等甲基化位点等v研究技术：研究技术：微阵列（微阵列（microarray）SAGEMPSS遗传信息传递的整体性讲座36/74（一）微阵列是大规模基因组表示谱研究（一）微阵列是大规模基因组表示谱研究主要技术主要技术v微阵列或基因芯片（微阵列或基因芯片（DNAchip）原理）原理利用光导化学合成、摄影平板印刷以及固相表面利用光导化学合成、摄影平板印刷以及固相表面化学合成等技术，在固相表面合成成千上万个寡化学合成等技术，在固相表面合成成千上万个寡核苷酸探针，并与放射性同位素或荧光物标识来核苷酸探针，并与放射性同位素或荧光物标识来自不一样细胞、组织或整个器官自不一样细胞、组织或整个器官DNA或或mRNA反反转录生成第一链转录生成第一链cDNA进行杂交，然后用特殊检进行杂交，然后用特殊检测系统对每个杂交点进行定量分析。测系统对每个杂交点进行定量分析。v优点：优点：可同时对大量基因，甚至整个基因组基因表可同时对大量基因，甚至整个基因组基因表示进行对比分析。示进行对比分析。遗传信息传递的整体性讲座37/74微阵列技术基本步骤微阵列技术基本步骤遗传信息传递的整体性讲座38/74（二）（二）SAGESAGE在转录物水平研究细胞或在转录物水平研究细胞或组织基因表示模式组织基因表示模式vSAGE基本原理：基本原理：用来自用来自cDNA3端特定位置端特定位置910bp长度序列所含有足长度序列所含有足够信息判定基因组中全部基因够信息判定基因组中全部基因利用锚定酶（利用锚定酶（anchoringenzyme，AE）和位标酶）和位标酶（taggingenzyme，TE）切割）切割DNA分子特定位置（靠近分子特定位置（靠近3端），分离端），分离SAGE标签，并将这些标签串联起来，然标签，并将这些标签串联起来，然后对其进行测序后对其进行测序v特点：特点：可全方面提供生物体基因表示谱信息可全方面提供生物体基因表示谱信息可用来定量比较不一样状态下组织或细胞全部差异表示可用来定量比较不一样状态下组织或细胞全部差异表示基因基因遗传信息传递的整体性讲座39/74（三）（三）MPSSMPSS是以基因测序为基础是以基因测序为基础基因表示谱分析新技术基因表示谱分析新技术vMPSS原理：原理：一个含有能够特异识别转录子信息标签序列（一个含有能够特异识别转录子信息标签序列（1020bp）与长连续分子连接在一起，测出）与长连续分子连接在一起，测出mRNA一端包含一个一端包含一个10至至20个碱基标签序列。每一标签序列在样品中频率（拷贝数）个碱基标签序列。每一标签序列在样品中频率（拷贝数）代表了与该标签序列对应基因表示水平。代表了与该标签序列对应基因表示水平。基因表示水平是以计算基因表示水平是以计算mRNA拷贝数为基础，是一个拷贝数为基础，是一个数字表示系统。只要将病理和对照样品分别进行测定，即可数字表示系统。只要将病理和对照样品分别进行测定，即可进行严格统计检验，能测定表示水平较低、差异较小基因，进行严格统计检验，能测定表示水平较低、差异较小基因，而且无须预先知道基因序列。而且无须预先知道基因序列。遗传信息传递的整体性讲座40/74遗传信息传递的整体性讲座41/74遗传信息传递的整体性讲座42/74四、四、RNARNA组学研究全部非组学研究全部非mRNAmRNA小小RNARNA集合集合v人人类类基基因因组组序序列列特特点点：2万万 2.5万万个个基基因因，与与蛋蛋白白质质合合成成相相关关序序列列占占整整个个基基因因组组2%左左右右，其其余余98%基因组序列没有得到注释。基因组序列没有得到注释。vRNA组学研究范围：组学研究范围：小分子小分子RNA，包含，包含snRNA、snoRNA、scRNA、催催 化化 性性 小小RNA（small catalytic RNA）、小小片片段段干干涉涉RNA（small interfering RNA，siRNA）、微微小小RNA（microRNA，miRNA）遗传信息传递的整体性讲座43/74第三节第三节蛋白质组学蛋白质组学Proteomics遗传信息传递的整体性讲座44/74以细胞、组织或机体在特定时间和空间上表以细胞、组织或机体在特定时间和空间上表示全部蛋白质即蛋白质组（示全部蛋白质即蛋白质组（proteome）为研究对）为研究对象，分析细胞内动态改变蛋白质组成、表示水平象，分析细胞内动态改变蛋白质组成、表示水平与修饰状态，了解蛋白质之间相互作用与联络，与修饰状态，了解蛋白质之间相互作用与联络，并在整体水平上研究蛋白质调控活动规律，故又并在整体水平上研究蛋白质调控活动规律，故又称为称为全景式蛋白质表示谱（全景式蛋白质表示谱（globalproteinexpressionprofile）分析）分析。蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics）遗传信息传递的整体性讲座45/74与蛋白质组研究相关数据库与蛋白质组研究相关数据库v蛋白序列数据库（蛋白序列数据库（SWISS-PROT/TrEMBL；http:/www.expasy.ch）v基因序列数据库（基因序列数据库（Genbank，http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/EMBL；http:/www.ebi.ac.uk/）v蛋白模式数据库（蛋白模式数据库（Prosite；http:/www.expasy.ch/sprot/prosite.html）v蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白三维结构数据库（蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白三维结构数据库（PDB，http:/www.pdb.bnl.gov/；FSSP，http:/www.embl-ebi.ac.uk）v蛋白翻译后修饰数据库（蛋白翻译后修饰数据库（O-GLYCBASE，http:/www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE）遗传信息传递的整体性讲座46/74一、研究细胞内全部蛋白质组成及其一、研究细胞内全部蛋白质组成及其活动规律是蛋白质组学中心任务活动规律是蛋白质组学中心任务v蛋白质组学研究内容：蛋白质组学研究内容：一是蛋白质组表示模式研究，即结构蛋白质一是蛋白质组表示模式研究，即结构蛋白质组学（组学（structuralproteomics）二是蛋白质组功效模式研究，即功效蛋白质二是蛋白质组功效模式研究，即功效蛋白质组学（组学（functionalproteomics）遗传信息传递的整体性讲座47/74v蛋白质组学主要任务：蛋白质组学主要任务：蛋白质判定：蛋白质判定：能够利用一维电泳和二维电泳并能够利用一维电泳和二维电泳并结合生物质谱、结合生物质谱、Western印迹、蛋白质芯片等技印迹、蛋白质芯片等技术，对蛋白质进行全方面判定研究。术，对蛋白质进行全方面判定研究。翻译后修饰判定：翻译后修饰判定：如磷酸化、糖基化、酶原激如磷酸化、糖基化、酶原激活等过程。活等过程。蛋白质功效确定：蛋白质功效确定：包含蛋白质定位研究，蛋白包含蛋白质定位研究，蛋白质活性，蛋白质相互作用，酶活性和确定酶底质活性，蛋白质相互作用，酶活性和确定酶底物，细胞因子生物分析，配基物，细胞因子生物分析，配基-受体结合分析等。受体结合分析等。遗传信息传递的整体性讲座48/74二、二维电泳二、二维电泳生物质谱是蛋白生物质谱是蛋白质组学研究惯用技术质组学研究惯用技术v蛋白质组学研究三大基本支撑技术：蛋白质组学研究三大基本支撑技术：二维电泳技术二维电泳技术生物质谱技术生物质谱技术大规模数据处理大规模数据处理遗传信息传递的整体性讲座49/74（一）二维电泳是分离蛋白质组有效方法（一）二维电泳是分离蛋白质组有效方法v二维凝胶电泳（二维凝胶电泳（two-dimensionalgelelectrophoresis，2-DE）原理）原理:等电聚焦（等电聚焦（isoelectricfocusing，IEF）电泳：）电泳：利用蛋白质分子等电点不一样使蛋白质得以利用蛋白质分子等电点不一样使蛋白质得以分离；分离；SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）：）：按蛋白质分子量大小进行分离。按蛋白质分子量大小进行分离。遗传信息传递的整体性讲座50/74蛋白质二维电泳蛋白质二维电泳遗传信息传递的整体性讲座51/74（二）生物质谱是蛋白质组判定主要（二）生物质谱是蛋白质组判定主要工具工具v质谱（质谱（massspectroscopy，MS）是蛋白质组学中）是蛋白质组学中分析与判定肽和蛋白质最主要伎俩。主要方法：分析与判定肽和蛋白质最主要伎俩。主要方法：1用肽质量指纹图谱判定蛋白质：用肽质量指纹图谱判定蛋白质：蛋白质经蛋白质经过酶解成肽段后，取得全部肽段分子质量，形过酶解成肽段后，取得全部肽段分子质量，形成一个特异肽质量指纹图谱（成一个特异肽质量指纹图谱（peptidemassfingerprinting，PMF），经过数据库搜索与比），经过数据库搜索与比对，便可确定待分析蛋白质分子性质。对，便可确定待分析蛋白质分子性质。遗传信息传递的整体性讲座52/74遗传信息传递的整体性讲座53/742用串联质谱（用串联质谱（MS/MS）判定蛋白质）判定蛋白质：v用用PMF方法未能判定蛋白质可经过质谱技术方法未能判定蛋白质可经过质谱技术取得该蛋白质一段或数段多肽串连质谱信息取得该蛋白质一段或数段多肽串连质谱信息（氨基酸序列）并经过数据库检索来判定该（氨基酸序列）并经过数据库检索来判定该蛋白质。蛋白质。v混合蛋白质酶解后多肽混合物直接经过（多混合蛋白质酶解后多肽混合物直接经过（多维）液相色谱分离，然后进入质谱进行分析。维）液相色谱分离，然后进入质谱进行分析。遗传信息传递的整体性讲座54/74蛋白质质谱分析蛋白质质谱分析（MS谱取得蛋白质谱取得蛋白质PMF；MS/MS可测定蛋白质部分氨基酸序列）可测定蛋白质部分氨基酸序列）遗传信息传递的整体性讲座55/74三、蛋白质相互作用研究是认识蛋白质三、蛋白质相互作用研究是认识蛋白质功效主要内容功效主要内容v蛋白质蛋白质-蛋白质相互作用（蛋白质相互作用（protein-protein interaction）是维持细胞生命活动基本方式，主要包）是维持细胞生命活动基本方式，主要包含受体与配体结合、信号转导分子间相互作用及其含受体与配体结合、信号转导分子间相互作用及其机制等。机制等。v惯用方法有：酵母双杂交惯用方法有：酵母双杂交(yeast two-hybrid system)、亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联和基于绿色荧亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联和基于绿色荧光蛋白细胞内蛋白质相互作用研究方法等。光蛋白细胞内蛋白质相互作用研究方法等。遗传信息传递的整体性讲座56/74第四节第四节“组学组学”在医学中应用在医学中应用Omics Application in Medicine遗传信息传递的整体性讲座57/74一、疾病基因组学研究疾病相关基因一、疾病基因组学研究疾病相关基因揭示疾病发病机制揭示疾病发病机制v疾病基因组学研究两大任务：疾病基因组学研究两大任务：疾病基因或疾病相关基因疾病基因或疾病相关基因疾病易感性遗传学基础疾病易感性遗传学基础遗传信息传递的整体性讲座58/74（一）定位克隆技术是发觉、判定疾病（一）定位克隆技术是发觉、判定疾病基因主要伎俩基因主要伎俩v定位候选克隆（定位候选克隆（positionalcandidatecloning）：）：是将疾病相关位点定位于某一染色体区域后，是将疾病相关位点定位于某一染色体区域后，依据该区域基因、依据该区域基因、EST或模式生物所对应同源区或模式生物所对应同源区已知基因等相关信息，直接进行基因突变筛查，已知基因等相关信息，直接进行基因突变筛查，经过屡次重复，可最终确定疾病相关基因。经过屡次重复，可最终确定疾病相关基因。遗传信息传递的整体性讲座59/74（二）（二）SNPsSNPs是疾病易感性主要遗传学基础是疾病易感性主要遗传学基础vSNPs被认为是人类疾病易感性决定性原因被认为是人类疾病易感性决定性原因APOE基因单个碱基变异基因单个碱基变异Alzheimer病病CCR5单个碱基纯缺失突变单个碱基纯缺失突变HIV抗性抗性慢乙酰化基因型吸烟者慢乙酰化基因型吸烟者肝癌肝癌MPO基因开启子（基因开启子（-463GA）低肺癌患病低肺癌患病HER-2基因编码区一个基因编码区一个SNP胃癌胃癌遗传信息传递的整体性讲座60/74二、药品基因组学研究遗传变异对二、药品基因组学研究遗传变异对药品效能和毒性影响药品效能和毒性影响v药品基因组学（药品基因组学（pharmacogenomics）是功效基因组学与分子药理学有机结合，它不是以发觉是功效基因组学与分子药理学有机结合，它不是以发觉人体基因组基因为主要目标，而是利用已知基因组学知人体基因组基因为主要目标，而是利用已知基因组学知识改进患者治疗。识改进患者治疗。以药品效应及安全性为目标，研究各种基因突变与药效以药品效应及安全性为目标，研究各种基因突变与药效及安全性关系，是研究高效、特效药品主要路径，经过及安全性关系，是研究高效、特效药品主要路径，经过它为患者或者特定人群寻找适当药品。它为患者或者特定人群寻找适当药品。使药品治疗模式：诊疗定向治疗使药品治疗模式：诊疗定向治疗基因定向治疗。基因定向治疗。遗传信息传递的整体性讲座61/74（一）药品基因组学预测药品反应性并（一）药品基因组学预测药品反应性并指导个体化用药指导个体化用药v说明影响药品吸收、转运、代谢、消除等个说明影响药品吸收、转运、代谢、消除