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1、目目录录生物化学与分子生物学八年制课件2 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望目目录录第一节第一节基因组学基因组学Genomics 目目录录一、基因组就是一种生物拥有的所有遗一、基因组就是一种生物拥有的所有遗传信息的总合传信息的总合是是一一个个细细胞胞（或或病病毒毒）所所载载的的全全部部遗遗传传信信息息，它它代代表表了一种生物所具有的全部遗传信息。了一种生物所具有的全部遗传信息。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
2、色色体体DNA）及及线线粒粒体体或或叶叶绿绿体体DNA的的全全部部序序列列，既既有有编编码码序序列列，也有大量存在的非编码序列。也有大量存在的非编码序列。细菌基因组包含了拟核和质粒中的细菌基因组包含了拟核和质粒中的DNA序列。序列。病病毒毒基基因因组组有有的的为为DNA（DNA病病毒毒），有有的的则则为为RNA（RNA病毒）。病毒）。*基因组基因组（genome）目目录录二、基因组学包括结构基因组学、功二、基因组学包括结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学能基因组学和比较基因组学1.基因组学（基因组学（genomics）是阐明整个基因组的结构、是阐明整个基因组的结构、结构与功能的关系以及基因
3、之间相互作用的科学。结构与功能的关系以及基因之间相互作用的科学。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。功能基因组学（功能基因组学（functionalgenomics）:分析鉴定基分析鉴定基因组功能。因组功能。比较基因组学（比较基因组学（comparativegenomics）：）：基因组基因组之间比较鉴定，研究生物进化，预测新基因。之间比较鉴定，研究生物进化，预测新基因。目目录录三、结构基因组学的主要任务是基因三、结构基因组学的主
4、要任务是基因组作图和大规模测序组作图和大规模测序通过基因作图、构建连续克隆系及大规模测序通过基因作图、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）：）：目目录录1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的重要策略组草图的重要策略染色体染色体DNA很长，不能
5、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、标记，使之成为可操作的进行分解、标记，使之成为可操作的较小结构区域，这一过程称为作图。较小结构区域，这一过程称为作图。目目录录遗遗传传作作图图（geneticmapping）:就就是是确确定定连连锁锁的的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的的排排列列顺顺序序及及它它们们之之间间的的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记记之之间间的的重重组组值为值为1%时，图距即为时，图距即为1cM。1遗传作图就是绘制连锁图遗传作图就是
6、绘制连锁图遗传图遗传图(geneticmap)又称连锁图又称连锁图(linkagemap)。目目录录*DNA标记标记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）目目录录v限制性片段长度多态性（限制性片段长度多态性（RFLP）：）：利用特定的限制性内切酶识别
7、并切割基因利用特定的限制性内切酶识别并切割基因组组DNA，得到大小不等的，得到大小不等的DNA片段，所产生的片段，所产生的DNA数目和各个片段的长度反映了数目和各个片段的长度反映了DNA分子上不分子上不同酶切位点的分布情况。同酶切位点的分布情况。目目录录v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），是一种重复一种重复DNA短序列。短序列。VNTR基本原理与基本原理与RFLP大大致相同，通过限制性内切酶的酶切和致相同，通过限制性内切酶的酶切和DNA探针杂探针杂交，可一次性检测到众多微卫星位点，得到个体交，可一次
8、性检测到众多微卫星位点，得到个体特异性的特异性的DNA指纹图谱。指纹图谱。目目录录v单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNP）：）：SNP不以不以“长度长度”的差异作为检测手段，而的差异作为检测手段，而是直接以序列的变异作为标记。是直接以序列的变异作为标记。SNP是指在基因是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所造成的组水平上由单个核苷酸变异所造成的DNA序列多序列多态性。态性。SNP是人类可遗传的变异中最常见的一种，是人类可遗传的变异中最常见的一种，也是基因组中最为稳定的变异。也是基因组中最为稳定的变异。SNP最大限度地最大限度地代表了不同个体之间的遗传差异，因而成为研究代表了不同个体之间的遗传差
9、异，因而成为研究多基因疾病、药物遗传学及人类进化的重要遗传多基因疾病、药物遗传学及人类进化的重要遗传标记。标记。目目录录物理作图（物理作图（physicalmapping）是在遗传作图基）是在遗传作图基础上制作的更详细的人类基因组图谱。包括：础上制作的更详细的人类基因组图谱。包括：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目目录录荧光原位杂交图（荧光原位杂交图（fluoresc
10、entin situ hybridizationmap，FISHmap）：）：将荧光标记将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在的位置。的探针与染色体杂交确定分子标记所在的位置。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分子的相对位置。分子的相对位置。目目录录连续克隆系图（连续克隆系图（clonecontigmap）：）：采用酶采用酶切位点稀有的限制性内切酶或高频超声破碎技术切位点稀有的限制性内切酶或高频超声破碎技术将将DNA分解成大片段后，再通过构建酵母人工分解成大片段后，再通过构建酵母人工染色体（染色体（yeast
11、artificialchromosome，YAC）或）或细菌人工染色体（细菌人工染色体（bacterialartificialchromosome，BAC）获取含已知基因组序列标）获取含已知基因组序列标签位点（签位点（sequencetaggedsite，STS）的）的DNA大大片段。片段。目目录录*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，并且可用是指染色体定位明确，并且可用PCR扩增扩增的单拷贝序列，每隔的单拷贝序列，每隔100kb距离就有一个标志。距离就有一个标志。在在STS基础上构建能够覆盖每条染色体的大片段基础上构
12、建能够覆盖每条染色体的大片段DNA连续克隆系就可绘制精细物理图谱，为大规连续克隆系就可绘制精细物理图谱，为大规模模DNA测序做好了准备。测序做好了准备。目目录录（二）通过（二）通过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克隆系的构建是大规模克隆系的构建是大规模DNA测序的基础测序的基础YAC载体装载量偏大（载体装载量偏大（1 2Mb），自身稳定性），自身稳定性不够。不够。BAC具有插入片段较大（几具有插入片段较大（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。目目录录2鸟枪法是大规模鸟枪法是大规
13、模DNA测序的重要方法测序的重要方法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同大小的直接将整个基因组打成不同大小的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，最后运用生物信息学方法将测序片段拼接成全基因后运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。目目录录鸟枪法鸟枪法DNA测序的主要步骤：测序的主要步骤：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左右的基因组文库。左右的基因组文库。高效、大规模的克隆双向测序。高效、大规模的克隆双向测序。序列组
14、装（序列组装（sequenceassembly）产生一定数）产生一定数量的重叠群（量的重叠群（contig）。）。缺口填补。缺口填补。目目录录鸟枪法（鸟枪法（shotgun）测序的的原理与策略）测序的的原理与策略目目录录3高通量测序技术大大加快了基因组高通量测序技术大大加快了基因组DNA测序的进行测序的进行v高通量测序（高通量测序（high-throughputsequencing）技术：）技术：不仅具备毛细管电泳测序不具备的优点，还不仅具备毛细管电泳测序不具备的优点，还能进行能进行“平行平行/多点多点”、“单分子单分子”和和“混合混合”序序列分析。这种高通量测序一次实验可以读取几十列分析。这
15、种高通量测序一次实验可以读取几十万到几百万万到几百万DNA片段的序列，极大加速了基因组片段的序列，极大加速了基因组测序。测序。目目录录（三）生物信息学是预测基因组结构和功能（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段的重要手段v数据库的建设：数据库的建设：汇集了大量汇集了大量DNA序列、蛋白质信息序列、蛋白质信息预测基因、基因产物的结构、功能；分析基因预测基因、基因产物的结构、功能；分析基因-基因、基因基因、基因-产物、产物产物、产物-产物之间的相互作用或联系；描述细胞或整产物之间的相互作用或联系；描述细胞或整体水平的基因表达谱；推测系统发生关系。体水平的基因表达谱；推测系统发生关系。v主
16、要的生物信息中心主要的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）目目录录四、功能基因组学系统探讨基因的四、功能基因组学系统探讨基因的活动规律活动规律v功能基因组学：功能基因组学：从整体水平上研究一种组织或细从整体水平上研究一种组织或细胞在同一时间或同一条件下所表达基因的种类
17、、胞在同一时间或同一条件下所表达基因的种类、数量、功能及在基因组中的定位，或同一细胞在数量、功能及在基因组中的定位，或同一细胞在不同状态下基因表达的差异。不同状态下基因表达的差异。v主要研究内容包括主要研究内容包括基因组的表达基因组的表达基因组功能注释基因组功能注释基因组表达调控网络及机制基因组表达调控网络及机制目目录录（一）通过全基因组扫描鉴定（一）通过全基因组扫描鉴定DNA序列序列中的基因中的基因v对测得的基因组序列进行对测得的基因组序列进行“注释注释”，包括鉴定和描，包括鉴定和描述推测的编码序列、非编码序列及其功能。述推测的编码序列、非编码序列及其功能。v技术支持：人类基因组技术支持：人
18、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改进的十进制计算机进行全基因组扫描，鉴定内含改进的十进制计算机进行全基因组扫描，鉴定内含子与外显子之间的衔接，寻找全长子与外显子之间的衔接，寻找全长ORFs，确定多肽，确定多肽链编码序列。链编码序列。目目录录v同源基因：同源基因：在进化过程来自共同的祖先的基因，通在进化过程来自共同的祖先的基因，通过核苷酸或氨基酸序列的同源性比较，可以推测基过核苷酸或氨基酸序列的同源性比较，可以推测基因组内相似基因的功能。因组内相似基因的功能。v有效工具：有效工具：NCBI的序列局部相似性查询（的序列局部相似性查询（BasicLocalAlig
19、nmentSearch，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的比对。多条访问号码，就可实现两两或多对序列的比对。（二）通过（二）通过BLAST等程序搜索同源基因等程序搜索同源基因目目录录（三）通过实验设计验证基因功能（三）通过实验设计验证基因功能v转基因（转基因（transgene）v基因过表达（基因过表达（overexpression）v基因敲除（基因敲除（knock-out）v基因敲减（基因敲减（kno
20、ck-down）或基因沉默）或基因沉默（genesilencing）v合适的模式生物替代人体进行实验合适的模式生物替代人体进行实验目目录录（四）通过转录组和蛋白质组描述基因（四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式表达模式v基因表达：基因表达：RNA的转录和蛋白质的翻译的转录和蛋白质的翻译v基因的表达模式及调控描述：借助转录组学基因的表达模式及调控描述：借助转录组学和蛋白质组学相关技术与方法和蛋白质组学相关技术与方法目目录录第二节第二节 转录组学转录组学 Transcriptomics目目录录一、转录组学研究全部一、转录组学研究全部RNA的表达及功能的表达及功能v转录组（转录组（transcr
21、iptome）指生命单元（通常是一种指生命单元（通常是一种细胞）所能转录出来的所有细胞）所能转录出来的所有RNA包括指导蛋白包括指导蛋白质翻译的质翻译的mRNA和非编码和非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)的总和。的总和。vRNA功能基因组学，又称功能基因组学，又称RNA组学（组学（RNomics）：）：是分析、鉴定非信使小是分析、鉴定非信使小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNA）在特定状态下表达差异、功能及）在特定状态下表达差异、功能及其与蛋白质的相互作用。其与蛋白质的相互作用。目目录录v转录组学（转录组学（transcriptomics）：）：
22、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的科学。的科学。v转录组的特点：转录组的特点：受到内外多种因素的调节，因受到内外多种因素的调节，因而是而是动态可变动态可变的。能够揭示不同物种、不同个的。能够揭示不同物种、不同个体、不同细胞、不同发育阶段及不同生理病理体、不同细胞、不同发育阶段及不同生理病理状态下的基因差异表达信息。状态下的基因差异表达信息。目目录录二、转录组学的核心工作是分析基因二、转录组学的核心工作是分析基因表达谱表达谱n大规模表达谱或全景式表达谱（大规模表达谱或全景式表达谱（globalexpressionprofil
23、e）：）：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达的整体状况。下基因表达的整体状况。n基因功能的研究方法：基因功能的研究方法：基因的差异表达方法；基基因的差异表达方法；基因表达谱芯片（因表达谱芯片（cDNA芯片、芯片、EST芯片等）。芯片等）。（一）采用（一）采用cDNA芯片可实现大规模已知（序芯片可实现大规模已知（序列）基因表达谱分析列）基因表达谱分析目目录录（二）（二）SAGE和和MPSS分析可鉴定未知分析可鉴定未知/新新基因表达信息基因表达信息基基因因表表达达系系列列分分析析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）和和大
24、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达达谱谱芯芯片片很很难难检检测测某某些些特特定定时段表达或表达水平较低的基因或未知基因的表达。时段表达或表达水平较低的基因或未知基因的表达。目目录录（三）推断未知基因功能，探索生命机制（三）推断未知基因功能，探索生命机制v转录组分析可以提供特定条件下（生理、转录组分析可以提供特定条件下（生理、病理、诱导刺激等）基因表达的信息，通过使病理、诱导刺激等）基因表达的信息，通过使用基因碱基序列数据和比较已知及未知功能的用基因碱基序列数据和比较已知及未知
25、功能的基因，推断相应未知基因的功能，揭示特定调基因，推断相应未知基因的功能，揭示特定调节基因的作用机制。节基因的作用机制。目目录录三、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：基因转录的区域基因转录的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目目录录（一）微阵列是大规模基因组表达谱研究的（一）微阵列是大规模基因组表达谱研究的主要技术主要技术v微阵列或基因芯片（微阵列或基因芯片（DNAchip）原理
26、）原理利用光导化学合成、照相平板印刷以及固相表面利用光导化学合成、照相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记的核苷酸探针，并与放射性同位素或荧光物标记的来自不同细胞、组织或整个器官的来自不同细胞、组织或整个器官的DNA或或mRNA反转录生成的第一链反转录生成的第一链cDNA进行杂交，然后用特进行杂交，然后用特殊的检测系统对每个杂交点进行定量分析。殊的检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，甚至整个基因组的基因可同时对大量基因，甚至整个基因组的基因表达进行对比分析。
27、表达进行对比分析。目目录录微阵列技术的基本步骤微阵列技术的基本步骤目目录录（二）（二）SAGE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达模式组织基因表达模式vSAGE的基本原理：的基本原理：用来自用来自cDNA3端特定位置端特定位置910bp长度的序列所含有长度的序列所含有的足够信息鉴定基因组中的所有基因的足够信息鉴定基因组中的所有基因利用锚定酶（利用锚定酶（anchoringenzyme，AE）和位标酶）和位标酶（taggingenzyme，TE）切割）切割DNA分子的特定位置（靠分子的特定位置（靠近近3端），分离端），分离SAGE标签，并将这些标签串联起来，标签，并将这些标签
28、串联起来，然后对其进行测序然后对其进行测序v特点：特点：可全面提供生物体基因表达谱信息可全面提供生物体基因表达谱信息可用来定量比较不同状态下组织或细胞的所有差异表达可用来定量比较不同状态下组织或细胞的所有差异表达基因基因目目录录（三）（三）MPSS是以基因测序为基础的是以基因测序为基础的基因表达谱分析新技术基因表达谱分析新技术vMPSS的原理：的原理：一个含有能够特异识别转录子的信息标签序列（一个含有能够特异识别转录子的信息标签序列（1020bp）与长的连续分子连接在一起，测出）与长的连续分子连接在一起，测出mRNA的一端包含一的一端包含一个个10至至20个碱基的标签序列。每一标签序列在样品中
29、的频率个碱基的标签序列。每一标签序列在样品中的频率（拷贝数）代表了与该标签序列相应的基因表达水平。（拷贝数）代表了与该标签序列相应的基因表达水平。基因表达水平是以计算基因表达水平是以计算mRNA拷贝数为基础，是一个拷贝数为基础，是一个数字表达系统。只要将病理和对照样品分别进行测定，即可数字表达系统。只要将病理和对照样品分别进行测定，即可进行严格的统计检验，能测定表达水平较低、差异较小的基进行严格的统计检验，能测定表达水平较低、差异较小的基因，而且不必预先知道基因的序列。因，而且不必预先知道基因的序列。目目录录目目录录目目录录四、四、RNA组学研究全部非组学研究全部非mRNA小小RNA的集合的集
30、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有有关关的的序序列列占占整整个个基基因因组组的的2%左左右右，其其余余98%的基因组序列没有得到注释。的基因组序列没有得到注释。vRNA组学研究范畴：组学研究范畴：小分子小分子RNA，包括，包括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）目目录录第三节第三节蛋白质组学蛋白质组学Proteomics目目录
31、录以细胞、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达的所有蛋白质即蛋白质组（达的所有蛋白质即蛋白质组（proteome）为研究）为研究对象，分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达对象，分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，并在整体水平上研究蛋白质调控的活动规联系，并在整体水平上研究蛋白质调控的活动规律，故又称为律，故又称为全景式蛋白质表达谱（全景式蛋白质表达谱（globalproteinexpressionprofile）分析）分析。蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics）目
32、目录录与蛋白质组研究相关的数据库与蛋白质组研究相关的数据库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/；
33、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）目目录录一、研究细胞内所有蛋白质组成及其一、研究细胞内所有蛋白质组成及其活动规律是蛋白质组学的中心任务活动规律是蛋白质组学的中心任务v蛋白质组学的研究内容：蛋白质组学的研究内容：一是蛋白质组表达模式的研究，即结构蛋白一是蛋白质组表达模式的研究，即结构蛋白质组学（质组学（structuralproteomics）二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白质
34、组学（质组学（functionalproteomics）目目录录v蛋白质组学的主要任务：蛋白质组学的主要任务：蛋白质鉴定：蛋白质鉴定：可以利用一维电泳和二维电泳并可以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，对蛋白质进行全面的鉴定研究。术，对蛋白质进行全面的鉴定研究。翻译后修饰的鉴定：翻译后修饰的鉴定：如磷酸化、糖基化、酶原如磷酸化、糖基化、酶原激活等过程。激活等过程。蛋白质功能确定：蛋白质功能确定：包括蛋白质定位研究，蛋白包括蛋白质定位研究，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
35、物，细胞因子的生物分析，配基物，细胞因子的生物分析，配基-受体结合分析受体结合分析等。等。目目录录二、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的常用技术质组学研究的常用技术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目目录录（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法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，IE
36、F）电泳：）电泳：利用蛋白质分子的等电点不同使蛋白质得以利用蛋白质分子的等电点不同使蛋白质得以分离；分离；SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）：）：按蛋白质分子量的大小进行分离。按蛋白质分子量的大小进行分离。目目录录蛋白质的二维电泳蛋白质的二维电泳目目录录（二）生物质谱是蛋白质组鉴定的重（二）生物质谱是蛋白质组鉴定的重要工具要工具v质谱（质谱（massspectroscopy，MS）是蛋白质组学中）是蛋白质组学中分析与鉴定肽和蛋白质最重要的手段。主要方法：分析与鉴定肽和蛋白质最重要的手段。主要方法：1用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质：用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质：蛋白质经
37、蛋白质经过酶解成肽段后，获得所有肽段的分子质量，过酶解成肽段后，获得所有肽段的分子质量，形成一个特异的肽质量指纹图谱（形成一个特异的肽质量指纹图谱（peptidemassfingerprinting，PMF），通过数据库搜），通过数据库搜索与比对，便可确定待分析蛋白质分子的性质。索与比对，便可确定待分析蛋白质分子的性质。目目录录目目录录2用串联质谱（用串联质谱（MS/MS）鉴定蛋白质）鉴定蛋白质：v用用PMF方法未能鉴定的蛋白质可通过质谱技方法未能鉴定的蛋白质可通过质谱技术获得该蛋白质一段或数段多肽的串连质谱术获得该蛋白质一段或数段多肽的串连质谱信息（氨基酸序列）并通过数据库检索来鉴信息（氨基
38、酸序列）并通过数据库检索来鉴定该蛋白质。定该蛋白质。v混合蛋白质酶解后的多肽混合物直接通过混合蛋白质酶解后的多肽混合物直接通过（多维）液相色谱分离，然后进入质谱进行（多维）液相色谱分离，然后进入质谱进行分析。分析。目目录录蛋白质的质谱分析蛋白质的质谱分析（MS谱获得蛋白质的谱获得蛋白质的PMF；MS/MS可测定蛋白质的部分氨基酸序列）可测定蛋白质的部分氨基酸序列）目目录录三、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能的重要内容功能的重要内容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的基本方
39、式，主）是维持细胞生命活动的基本方式，主要包括受体与配体的结合、信号转导分子间的相互要包括受体与配体的结合、信号转导分子间的相互作用及其机制等。作用及其机制等。v常用的方法有：酵母双杂交常用的方法有：酵母双杂交(yeast two-hybrid system)、亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联和、亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联和基于绿色荧光蛋白的细胞内蛋白质相互作用研究方基于绿色荧光蛋白的细胞内蛋白质相互作用研究方法等。法等。目目录录第四节第四节“组学组学”在医学中的应用在医学中的应用Omics Application in Medicine目目录录一、疾病基因组学研究疾病相关基因一、疾病基
40、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疾病基因组学研究的两大任务：疾病基因组学研究的两大任务：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的遗传学基础疾病易感性的遗传学基础目目录录（一）定位克隆技术是发现、鉴定疾病（一）定位克隆技术是发现、鉴定疾病基因的重要手段基因的重要手段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，根据该区域的基因、根据该区域的基因、EST或模式生物所对应的同或模式生物所对应的同源区的已知基因等有关信息，直接进行基因突变源
41、区的已知基因等有关信息，直接进行基因突变筛查，经过多次重复，可最终确定疾病相关基因。筛查，经过多次重复，可最终确定疾病相关基因。目目录录（二）（二）SNPs是疾病易感性的重要遗传学基础是疾病易感性的重要遗传学基础vSNPs被认为是人类疾病易感性的决定性因素被认为是人类疾病易感性的决定性因素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的抗性的抗性慢乙酰化基因型的吸烟者慢乙酰化基因型的吸烟者肝癌肝癌MPO基因启动子（基因启动子（-463GA）低肺癌患病低肺癌患病HER-2基因编码区的一个基因编码区的一个SNP胃癌胃癌目目录录二、药
42、物基因组学研究遗传变异对二、药物基因组学研究遗传变异对药物效能和毒性的影响药物效能和毒性的影响v药物基因组学（药物基因组学（pharmacogenomics）是功能基因组学与分子药理学的有机结合，它不是以发是功能基因组学与分子药理学的有机结合，它不是以发现人体基因组基因为主要目的，而是运用已知的基因组现人体基因组基因为主要目的，而是运用已知的基因组学知识改善患者的治疗。学知识改善患者的治疗。以药物效应及安全性为目标，研究各种基因突变与药效以药物效应及安全性为目标，研究各种基因突变与药效及安全性的关系，是研究高效、特效药物的重要途径，及安全性的关系，是研究高效、特效药物的重要途径，通过它为患者或
43、者特定人群寻找合适的药物。通过它为患者或者特定人群寻找合适的药物。使药物治疗模式：诊断定向治疗使药物治疗模式：诊断定向治疗基因定向治疗。基因定向治疗。目目录录（一）药物基因组学预测药物反应性并（一）药物基因组学预测药物反应性并指导个体化用药指导个体化用药v阐明影响药物吸收、转运、代谢、消除等个阐明影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性体差异的基因特性v阐明基因变异所致的不同病人对药物的不同阐明基因变异所致的不同病人对药物的不同反应性反应性v指导合理用药和设计个体化用药，以提高药指导合理用药和设计个体化用药，以提高药物作用的有效性、安全性和经济性物作用的有效性、安全性和经济性目目录录
44、（二）基因多态性是药物基因组学的基础（二）基因多态性是药物基因组学的基础和重要研究内容和重要研究内容v药物代谢酶多态性：药物代谢酶多态性：其多态性决定表型多态性和药物代谢酶其多态性决定表型多态性和药物代谢酶的活性，并呈显著的基因剂量的活性，并呈显著的基因剂量-效应关系，从而造成不同个效应关系，从而造成不同个体间药物代谢反应的差异，是产生药物毒副反应、降低或丧体间药物代谢反应的差异，是产生药物毒副反应、降低或丧失药效的主要原因；失药效的主要原因；v药物转运蛋白多态性：药物转运蛋白多态性：转运蛋白在药物的吸收、排泄、分布、转运蛋白在药物的吸收、排泄、分布、转运等方面起重要作用，其变异对药物吸收和消
45、除具有重要转运等方面起重要作用，其变异对药物吸收和消除具有重要意义；意义；v药物作用靶点多态性药物作用靶点多态性：靶蛋白对特定药物产生不同的亲和力，：靶蛋白对特定药物产生不同的亲和力，导致药物疗效的不同。导致药物疗效的不同。目目录录（三）鉴定基因序列的变异是药物基因组学（三）鉴定基因序列的变异是药物基因组学的主要研究策略的主要研究策略v主要策略包括选择药物起效、活化、排泄等相关过主要策略包括选择药物起效、活化、排泄等相关过程的候选基因进行研究，程的候选基因进行研究，鉴定基因序列的变异。鉴定基因序列的变异。v在生物化学与分子生物学水平进行研究，估测它们在生物化学与分子生物学水平进行研究，估测它们
46、在药物作用中的意义（在药物作用中的意义（SNPs）。）。v在人群中进行研究，用统计学原理分析基因突变与在人群中进行研究，用统计学原理分析基因突变与药效的关系。药效的关系。目目录录三、肿瘤基因组解剖工程阐明三、肿瘤基因组解剖工程阐明肿瘤相关基因肿瘤相关基因v基因激活和基因激活和/或失活及其复杂的相互作用是肿瘤发生或失活及其复杂的相互作用是肿瘤发生的根本原因的根本原因v癌症基因组解剖计划（癌症基因组解剖计划（CancerGenomeAnatomyProject，CGAP；又称肿瘤；又称肿瘤cDNA工程）：工程）：拟逐步建立人类肿瘤细胞表达基因索引拟逐步建立人类肿瘤细胞表达基因索引发展快速分析肿瘤细
47、胞的技术发展快速分析肿瘤细胞的技术获知与肿瘤相关的基因、蛋白质及其他生物标记物获知与肿瘤相关的基因、蛋白质及其他生物标记物建立肿瘤研究信息（数据与分析工具）、资源（克隆和建立肿瘤研究信息（数据与分析工具）、资源（克隆和文库）及技术和方法学平台文库）及技术和方法学平台目目录录（一）（一）CGAP提供了解码肿瘤相关基因提供了解码肿瘤相关基因所需的信息和技术工具所需的信息和技术工具vCGAP包括包括5个部分：个部分：人类肿瘤基因索引（人类肿瘤基因索引（hTGI）指明了在人类肿瘤发生过程中）指明了在人类肿瘤发生过程中的基因表达；的基因表达；分子表达谱（分子表达谱（MP）展示了以前列腺为例从分子水平分析
48、）展示了以前列腺为例从分子水平分析人类组织样品的概念；人类组织样品的概念；癌症染色体变异计划（癌症染色体变异计划（CCAP）描述了与恶性转移相关的）描述了与恶性转移相关的染色体改变；染色体改变；遗传注解索引（遗传注解索引（GAI）指明和描绘了与癌症相关的多态性；）指明和描绘了与癌症相关的多态性；小鼠肿瘤基因索引（小鼠肿瘤基因索引（mTGI）确定了在小鼠肿瘤发生过程）确定了在小鼠肿瘤发生过程中的基因表达（中的基因表达（http:/cgap.nci.nih.gov/）。）。目目录录（二）（二）CGAP的目标是建立肿瘤细胞基因表达的目标是建立肿瘤细胞基因表达数据库和完整的基因及其变异目录数据库和完整
49、的基因及其变异目录vCGAP的第一个目标是建立各种不同类型肿瘤的正的第一个目标是建立各种不同类型肿瘤的正常、癌前病变、癌细胞基因表达数据库，为肿瘤研常、癌前病变、癌细胞基因表达数据库，为肿瘤研究者描绘出完整的肿瘤细胞分子特征。究者描绘出完整的肿瘤细胞分子特征。（http:/cgap.nci.nih.gov/SAGE）vCGAP的另一目标是建立一套完整的基因及其变异的另一目标是建立一套完整的基因及其变异目录，不仅有利于评价癌症的危险程度，而且可以目录，不仅有利于评价癌症的危险程度，而且可以根据遗传变化确定预防或治疗策略，最终根据分子根据遗传变化确定预防或治疗策略，最终根据分子特征达到治疗的目的。
50、特征达到治疗的目的。目目录录（三）癌症染色体畸变计划是（三）癌症染色体畸变计划是CGAP的的另一个任务另一个任务v染色体畸变包括结构变异和数目变异等染色体畸变包括结构变异和数目变异等v鉴定染色体畸变有利于鉴定染色体畸变有利于对肿瘤进行诊断、分类和选择性治疗对肿瘤进行诊断、分类和选择性治疗可以与某种肿瘤进行连锁或关联分析，进而定位可以与某种肿瘤进行连锁或关联分析，进而定位克隆肿瘤相关基因克隆肿瘤相关基因v染色体畸变人基因组染色体畸变人基因组BAC克隆库克隆库（http:/cgap.nci.nih.gov/Chromosomes/CCAP）目目录录v代谢组学（代谢组学（metabonomics）测