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1、生命科学前沿1第1页，本讲稿共42页人类基因组计划人类基因组计划 结构基因组学后基因组研究后基因组研究 功能基因组学第2页，本讲稿共42页后基因组研究后基因组研究任务与目标任务与目标人类对自身的认识过程人类对自身的认识过程目前的研究内容目前的研究内容基因的cDNA 基因cDNA的克隆克隆 基因cDNA的功能预测功能预测 基因的功能研究方法功能研究方法 基因转录调控研究基因转录调控研究 基因相互作用的研究基因相互作用的研究 基因功能研究的应用基因功能研究的应用第3页，本讲稿共42页一，一，破解贮存于基因组之中的遗传语言，破解贮存于基因组之中的遗传语言，这种语言不同于现在人类已知的所有语言；这种语
2、言不同于现在人类已知的所有语言；二，二，识别、分离、鉴定和克隆所有基因（现识别、分离、鉴定和克隆所有基因（现 在只克隆出一万多个）；在只克隆出一万多个）；三，搞清每个基因的功能及基因之间的相互作三，搞清每个基因的功能及基因之间的相互作 用和相互关系。用和相互关系。任务与目标任务与目标第4页，本讲稿共42页人类对自身的认识过程人类对自身的认识过程整体水平整体水平细胞水平细胞水平分子水平分子水平器官水平器官水平第5页，本讲稿共42页一，基因的一，基因的cDNA 1，识别、分离、鉴定和克隆所有基因，识别、分离、鉴定和克隆所有基因,2，确定所有基因的功能，确定所有基因的功能，3，确定所有基因的表达谱及
3、调控机制。，确定所有基因的表达谱及调控机制。二，基因的多态性二，基因的多态性 1，多态性的种类及定位，多态性的种类及定位，2，基因的多态性与功能的联系，基因的多态性与功能的联系，3，单核苷酸多态性（，单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms SNPs）。）。目前的研究内容目前的研究内容第6页，本讲稿共42页基因的cDNA第7页，本讲稿共42页转录调控区转录调控区基因表达区基因表达区起动子起动子促进子促进子外显子外显子3外显子外显子2外显子外显子1内含子内含子内含子内含子转录起始点转录起始点真核基因的结构第8页，本讲稿共42页基因cDNA的克隆克隆第9页，本
4、讲稿共42页cDNA的概念DNA53转录，剪接转录，剪接mRNAAAAAAAA逆转录逆转录 （用（用TTTTTT引物）引物）cDNA第一链第一链外显子外显子以以cDNA第一链为模板，第一链为模板，合成互补的合成互补的cDNA第二链第二链cDNA3 引物引物5 引物引物第10页，本讲稿共42页基因cDNA的意义 人工地翻译基因编码蛋白质人工地翻译基因编码蛋白质1，研究基因编码蛋白质的功能，研究基因编码蛋白质的功能2，从核苷酸水平研究基因功能，从核苷酸水平研究基因功能3，扩増基因，扩増基因4，生产基因重组的产品，生产基因重组的产品研究基因的功能实际上是通过研究基因的研究基因的功能实际上是通过研究基
5、因的cDNA来实现来实现第11页，本讲稿共42页大规模克隆基因cDNA的策略估计人体有估计人体有30亿对核苷酸，亿对核苷酸，10万个万个基因，迄今克隆得约基因，迄今克隆得约 1万多个基因万多个基因必须克服的障碍必须克服的障碍：1，低丰度，低丰度mRNA基因的克隆基因的克隆-mRNA的富集的富集2，避免大量的重复，避免大量的重复-差减法差减法3，cDNAcDNA的全长完整性的全长完整性-cDNA-cDNA第二链的合成第二链的合成4 4，大规模测序，大规模测序-高通量测序仪的应用高通量测序仪的应用第12页，本讲稿共42页基因cDNA的功能预测功能预测Bioinformatics第13页，本讲稿共4
6、2页核苷酸水平核苷酸水平1，cDNAcDNA全长完整性全长完整性2，阅读框（，阅读框（ORF，open reading fram）3，核苷酸序列同源性比较，核苷酸序列同源性比较4，染色体定位，染色体定位蛋白质水平蛋白质水平1，氨基酸，氨基酸序列同源性比较序列同源性比较2，功能域预测，功能域预测3，信号肽预测，信号肽预测4，亚细胞结构定位，亚细胞结构定位生物信息学（生物信息学（Bioinformatics)分析分析第14页，本讲稿共42页第第22号染色体号染色体第15页，本讲稿共42页Start(bp)End(bp)Locus Observation Title Name Method26172
7、 24046 AP000522.1 Predicted Similar to gene Tr:P33897 34549576 34550048 AC002055.4 Predicted Matches gene EST cluster Chromosome 22 Gene and Predicted Gene 22号染色体至少有碍号染色体至少有碍34550048 bp,按人体共有按人体共有30亿亿 bp，10万万条基因估算，应有条基因估算，应有 900基因基因,而生物信息学预测而生物信息学预测 237基因。因此基因。因此还需用其它方法确定基因，还需用其它方法确定基因，cDNA克隆就起很大的作用
8、。克隆就起很大的作用。第16页，本讲稿共42页基因的功能研究功能研究第17页，本讲稿共42页基因表达谱用于功能研究功能研究1，组织、细胞表达谱，组织、细胞表达谱2，差异的组织、细胞表达谱，差异的组织、细胞表达谱3，诱导的细胞表达谱表达谱，诱导的细胞表达谱表达谱专用技术专用技术1，SAGE分析分析2，生物芯片技术，生物芯片技术 基因芯片，细胞芯片，组织芯片基因芯片，细胞芯片，组织芯片3，其它，其它第18页，本讲稿共42页 Serial Analysis of Gene Expression(SAGE)用于用于定量地、平行地分析大量的转录本。若要知道一种定量地、平行地分析大量的转录本。若要知道一种
9、组织，器官或细胞的基因表达谱，首先从组织细胞组织，器官或细胞的基因表达谱，首先从组织细胞里分离出短转录本里分离出短转录本，归类、连接并克隆。测定数千，归类、连接并克隆。测定数千个克隆的个克隆的DNA序列就可以了解代表这种组织、器官序列就可以了解代表这种组织、器官或细胞的功能的基因表达谱。所以或细胞的功能的基因表达谱。所以SAGE提供了一提供了一种广泛应用的工具，定量地分析比较各种正常组织种广泛应用的工具，定量地分析比较各种正常组织细胞，各种发育状态和各种病理状态下的基因表达细胞，各种发育状态和各种病理状态下的基因表达谱。谱。http:/www.sagenet.org/网站搜集了大量的网站搜集了
10、大量的SAGE供供研究者检索。研究者检索。Serial Analysis of Gene Expression(SAGE)第19页，本讲稿共42页Description of SAGE Serial analysis of gene expression(SAGE)is a method for comprehensive analysis of gene expression patterns.Three principles underlie the SAGE methodology:1)A short sequence tag(10-14bp)contains sufficient in
11、formation to uniquely identify a transcript provided that that the tag is obtained from a unique position within each transcript;2)Sequence tags can be linked together to from long serial molecules that can be cloned and sequenced;and 3)Quantitation of the number of times a particular tag is observe
12、d provides the expressionlevel of the corresponding transcript.第20页，本讲稿共42页Sequencingthausands tagsLivercDNA Express sequence tagcloningDetermining a gene expression pattern characteristic oflivers functionSAGE+EST第21页，本讲稿共42页基因芯片技术信息时代的产物信息时代的产物9090年代兴起的一项前沿年代兴起的一项前沿生物技术生物技术 横跨：生命科学、物理学、计算机科学、微电子技术
13、 光电技术、材料科学 等现代高科技高度集约化高度集约化 高灵敏度高灵敏度 大通量平行分析大通量平行分析第22页，本讲稿共42页 其基本原理是将一系列的核酸其基本原理是将一系列的核酸片段固定在芯片载体上作为固相靶片段固定在芯片载体上作为固相靶片段（片段（target），），待测的核酸片段人待测的核酸片段人工标记上不同的荧光、或同位素等作工标记上不同的荧光、或同位素等作为探针（为探针（probe），一定条件下两者），一定条件下两者杂交，根据杂交后不同的信号即可获杂交，根据杂交后不同的信号即可获得靶片段的信息，进行计算机分析。得靶片段的信息，进行计算机分析。第23页，本讲稿共42页制备靶制备靶片段片
14、段结果观察，信息分析结果观察，信息分析制备固相制备固相探针探针对照组对照组（组织，细胞）（组织，细胞）实验组实验组（组织，细胞）（组织，细胞）提取提取mRNA提取提取mRNACy5标记标记Cy3标记标记杂交杂交第24页，本讲稿共42页散点图散点图第25页，本讲稿共42页第26页，本讲稿共42页膜芯片膜芯片第27页，本讲稿共42页扫描图扫描图第28页，本讲稿共42页DNA芯片芯片寡核苷酸芯片寡核苷酸芯片蛋白质芯片蛋白质芯片细胞芯片细胞芯片组织芯片组织芯片化学感受器与图像结合的新型生物芯化学感受器与图像结合的新型生物芯片片第29页，本讲稿共42页单克隆抗体及免疫组织化学单克隆抗体及免疫组织化学1
15、1，了解基因编码蛋，了解基因编码蛋 白的组织分布白的组织分布2 2，了解基因编码蛋，了解基因编码蛋 白的亚细胞结构白的亚细胞结构 定位定位第30页，本讲稿共42页基因功能的分类研究功能的分类研究生物化学的方法生物化学的方法分子生物学方法分子生物学方法细胞生物学方法细胞生物学方法模式生物的应用模式生物的应用核苷酸水平核苷酸水平蛋白质水平蛋白质水平第31页，本讲稿共42页Cytokine,chemokine and growth factorsPlasmid proteinsHormonesApoptosisOncogene,cancer and tumor supressorsAdhesion
16、molecules and cell structureCell receptorsIon channels and transportationSignal transduction,cell signaling Cell cycleStress responseDNA replication and repairTranscriptionTranslationProtein modificationMetablism,enzymesHouskeeping and cell structure以功能为基础的基因分类以功能为基础的基因分类第32页，本讲稿共42页基因转染和基因剔除转染和基因剔除
17、细胞水平细胞水平：超表达超表达(overexpression)瞬时表达瞬时表达 稳定表达稳定表达 阻断和关闭阻断和关闭(shout down)反义技术反义技术 核酶技术（核酶技术（Ribozyme)RNAi 第33页，本讲稿共42页生物体水平生物体水平 线虫，果蝇，小鼠线虫，果蝇，小鼠转基因小鼠（转基因小鼠（Transgeneic mouse)基因剔除小鼠基因剔除小鼠(Gene knock-out mouse)第34页，本讲稿共42页b b d d单克隆抗体单克隆抗体的制备的制备免疫组化免疫组化免疫电镜免疫电镜抗体结合抗体结合（Western,Western,EMSA)EMSA)基因的基因的功
18、能研究功能研究基因的转染基因的转染和超值表达和超值表达基因的阻抑基因的阻抑或敲除或敲除基因的转录基因的转录调控研究调控研究基因功能的基因功能的全面定位全面定位 应用开发研究应用开发研究发表研究论文发表研究论文蛋白质纯化蛋白质纯化基因的翻译基因的翻译（原核（原核/真核表达）真核表达）基因功能的基因功能的初步定位初步定位确定研究方向确定研究方向点突变，点突变，缺省突变缺省突变蛋白质结构蛋白质结构和功能分析和功能分析抑制剂，抑制剂，拮抗剂拮抗剂磷酸磷酸化化细胞细胞增殖增殖细胞细胞分化分化细胞细胞凋亡凋亡信号信号途径途径细胞细胞受体受体双杂双杂交交细胞学细胞学分析研究分析研究酶蛋白酶蛋白功能分析功能分
19、析细胞诱导性细胞诱导性表达谱分析表达谱分析细胞表达细胞表达谱分析谱分析原位杂交原位杂交染色体染色体定位定位第35页，本讲稿共42页模式生物的应用模式生物的应用线虫线虫果蝇果蝇小鼠小鼠拟南芥拟南芥第36页，本讲稿共42页基因转录调控研究基因转录调控研究1，基因转录调控区预测，基因转录调控区预测 http:/biosci.cbs.umn.edu/software/software.html2，基因转录调控的实验研究基因转录调控的实验研究第37页，本讲稿共42页基因相互作用的研究基因相互作用的研究受体受体-配体配体细胞内信号传递途径细胞内信号传递途径蛋白质分子蛋白质分子-DNA 分子分子蛋白质分子蛋
20、白质分子-RNA 分子分子第38页，本讲稿共42页基因功能研究的应用基因功能研究的应用疾病相关基因疾病相关基因基因工程药物基因工程药物化学药物的靶基因化学药物的靶基因第39页，本讲稿共42页 基因产业将成为基因产业将成为21世纪朝阳产业，它的世纪朝阳产业，它的巨额经济效益吸着投资商和企业向这一巨额经济效益吸着投资商和企业向这一领域汇聚。目前美国的一些著名公司正领域汇聚。目前美国的一些著名公司正在进行着一场重组和改造，把主要目标在进行着一场重组和改造，把主要目标放在与基因相关的产业开发上。如今，放在与基因相关的产业开发上。如今，如果有哪家公司宣布克隆出具有某种功如果有哪家公司宣布克隆出具有某种功
21、能的基因，其股票马上大幅升值。人类能的基因，其股票马上大幅升值。人类基因研究的任何成果都会给无所不能的基因研究的任何成果都会给无所不能的“基因工程基因工程”增添强大的驱动力，创造出人增添强大的驱动力，创造出人间奇迹。间奇迹。基因产业基因产业第40页，本讲稿共42页小小 结结基因的cDNA 基因cDNA的克隆克隆 基因cDNA的功能预测功能预测 基因的功能研究方法功能研究方法 基因转录调控研究基因转录调控研究 基因相互作用的研究基因相互作用的研究 基因功能研究的应用基因功能研究的应用第41页，本讲稿共42页思考题1，后基因组学的主要内容是什么？，后基因组学的主要内容是什么？2，基因的功能研究有什么意义？，基因的功能研究有什么意义？3，如果让你分析一个基因的功能，如果让你分析一个基因的功能，你将如何设计研究线路？你将如何设计研究线路？第42页，本讲稿共42页