人類(lèi)后基因組時(shí)代Postgenomeera課件

1、人類(lèi)后基因組時(shí)代（Post-genome era)8/9/20221基本概念基因（Gene）：生物體的遺傳單位，由脫氧核糖核酸（DNA）組成。DNA由4種核苷酸（A、T、C、G）組成。8/9/20222人類(lèi)基因組的23對(duì)染色體8/9/20223從DNA到蛋白質(zhì)8/9/20224From DNA to Human8/9/202258/9/202262000年是基因組之年，完成了人類(lèi)基因組的工作框架圖，完成了一系列模式生物和微生物的基因組序列分析。8/9/20227我國(guó)94年啟動(dòng)“中華民族基因組若干位點(diǎn)基因研究”“重大疾病相關(guān)基因研究”課題，99年承擔(dān)了人類(lèi)基因組1%序列的測(cè)序任務(wù)，負(fù)責(zé)第3號(hào)染色

2、體3千萬(wàn)核苷酸的序列測(cè)定工作。8/9/20228人類(lèi)后基因組時(shí)代的特點(diǎn)人類(lèi)首次了解了自身的基因序列，了解了很多遠(yuǎn)親生物的基因序列人類(lèi)正在面對(duì)指數(shù)擴(kuò)增的基因序列資料和各種數(shù)據(jù)庫(kù)人類(lèi)面臨的挑戰(zhàn)是如何將基因序列資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫闹R(shí)，進(jìn)而讓這些知識(shí)服務(wù)于人類(lèi)，使之能夠造福于人類(lèi)的健康。8/9/20229前基因組時(shí)代的“釣魚(yú)”和后基因組時(shí)代的“撈魚(yú)”8/9/202210后基因組時(shí)代研究的重要方向1.單基因遺傳病的致病基因研究和基因診斷 我國(guó)有豐富的疾病資源，特別是一些我國(guó)特有的單基因遺傳病家系，可提供良好的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)新的致病基因.8/9/202211單基因遺傳病和復(fù)雜疾病8/9/2022122.復(fù)雜性疾病

3、的相關(guān)基因研究和疾病易感性分析 在復(fù)雜性疾病的中，由于基因的變異加環(huán)境和生活習(xí)慣等因素的共同影響，使得每個(gè)人對(duì)不同的疾病的易感性不同。 基因變異的一個(gè)重要的指標(biāo)是單核苷酸多態(tài)性。8/9/202213 單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphisms， SNPs） 不同個(gè)體間在基因水平上的單核苷酸變異，平均每1000對(duì)鹼基出現(xiàn)一個(gè)SNP,2個(gè)無(wú)關(guān)個(gè)體間有300萬(wàn)SNPs.8/9/202214SNP研究為了解疾病的發(fā)病機(jī)理，疾病的診斷及疾病易感性研究提供基礎(chǔ)。位于外顯子區(qū)并改變氨基酸序列的SNP以及位于基因表達(dá)調(diào)控區(qū)的SNP可能具有重要臨床意義和功能意義生物信息學(xué)可提

4、供SNP的數(shù)據(jù)庫(kù)和功能預(yù)測(cè)8/9/202215可能具有重要功能意義的SNP位于外顯子區(qū)并改變氨基酸序列的SNP位于基因表達(dá)調(diào)控區(qū)如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合區(qū)、加尾信號(hào)的SNP位于外顯子和內(nèi)含子交界區(qū)域的SNP8/9/2022163.藥物基因組學(xué)研究與個(gè)體化治療 在臨床上對(duì)同樣一種疾病使用同一種藥物，不同的個(gè)體對(duì)藥物的敏感性和毒性反應(yīng)有很大的區(qū)別，這種區(qū)別主要由基因決定的,特別是藥物靶點(diǎn)基因、藥物代謝基因等的單核苷酸多態(tài)性，影響了藥物作用的強(qiáng)弱和藥物代謝的不同。8/9/202217影響CYP3A表達(dá)的SNP對(duì)藥物代謝產(chǎn)生不同作用8/9/202218疾病診斷藥物1藥物2藥物3疾病診斷藥物1藥物

5、2藥物3藥物敏感性測(cè)定目前的疾病治療將來(lái)的疾病治療8/9/2022194.人類(lèi)功能基因組學(xué)研究 以全基因組為背景，開(kāi)展人類(lèi)基因及其編碼蛋白的功能研究。 目前雖然完成了絕大部分基因的序列分析，但約60%的人類(lèi)基因的功能未知。目前認(rèn)為人類(lèi)有3.2萬(wàn)個(gè)基因，其中1.5萬(wàn)已知功能，1.7萬(wàn)未知功能。 8/9/202220人類(lèi)功能基因組學(xué)研究涉及眾多的新技術(shù)，包括生物信息學(xué)技術(shù)、生物芯片技術(shù)、轉(zhuǎn)基因和基因敲除技術(shù)、酵母雙雜交技術(shù)、基因表達(dá)譜系分析、蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)、高通量細(xì)胞篩選技術(shù)等。人類(lèi)功能基因組學(xué)必須多學(xué)科協(xié)作生物信息學(xué)是人類(lèi)功能基因組學(xué)研究的必要工具8/9/202221人類(lèi)功能基因組計(jì)算機(jī)科學(xué)家生

6、物化學(xué)家細(xì)胞生物學(xué)家結(jié)構(gòu)生物學(xué)家生理學(xué)家遺傳學(xué)家臨床和病理學(xué)家8/9/2022225.基于基因組的新型藥物（Genome-based drug） 利用反向生物學(xué)原理，根據(jù)人類(lèi)基因序列數(shù)據(jù)，經(jīng)生物信息學(xué)分析、高通量基因表達(dá)、高通量功能篩選和體內(nèi)外藥效研究開(kāi)發(fā)得到的新藥候選物。8/9/202223人類(lèi)基因序列生物信息學(xué)重組蛋白質(zhì)表達(dá)高通量生物活性篩選功能研究藥物靶標(biāo)研究先導(dǎo)化合物篩選基因工程藥物開(kāi)發(fā)化學(xué)新藥基因組藥物開(kāi)發(fā)流程蛋白質(zhì)序列基因治療8/9/202224人類(lèi)基因組與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)一個(gè)人類(lèi)基因有可能帶動(dòng)和形成一個(gè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。 例如基因工程的胰島素、干擾素等基因的開(kāi)發(fā)研究 基因組藥物、基因芯片

7、、基因診斷、基因治療、實(shí)驗(yàn)室儀器試劑、基因數(shù)據(jù)庫(kù)和分析軟件等8/9/202225人類(lèi)基因組為藥物開(kāi)發(fā)提供了新源泉 迄今已應(yīng)用的人類(lèi)藥物靶標(biāo)約500種，包括受體、酶、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子等。開(kāi)發(fā)成功的藥物約2000種。 估計(jì)人類(lèi)基因組中3-4萬(wàn)個(gè)基因中，約5000個(gè)基因產(chǎn)物可成為潛在的藥物靶標(biāo)8/9/2022268/9/202227基因組藥物的種類(lèi) 1。基因工程重組蛋白質(zhì)藥物 2。以人類(lèi)基因編碼蛋白為靶標(biāo)的化學(xué)藥物 3。以人類(lèi)基因編碼蛋白為靶標(biāo)的人源化抗體 4。反義核酸類(lèi)和RNA類(lèi)藥物 5?；蛑委?/9/202228國(guó)際新藥開(kāi)發(fā)的三個(gè)浪潮基因組學(xué) 藥物靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)、反義治療、基因治療蛋白質(zhì)組學(xué) 藥物靶標(biāo)評(píng)

8、價(jià)、藥物篩選、抗體治療、重組蛋白質(zhì)治療分子設(shè)計(jì) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)確定、蛋白質(zhì)工程、以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的小分子藥物設(shè)計(jì)8/9/2022296.基因治療 將人類(lèi)基因?qū)肴梭w，糾正缺陷基因或輔助機(jī)體抵抗疾病。具有良好開(kāi)發(fā)前景，但近期離產(chǎn)業(yè)化尚有距離。8/9/202230Ashanti de Silva, Now 13, was the first patient to be treated with gene therapy.重癥聯(lián)合免疫缺陷的基因治療 腺苷脫氨酶基因治療(1990)8/9/2022317.生物信息學(xué)（Bioinformatics）生物信息學(xué)需要處理指數(shù)擴(kuò)增的海量基因和蛋白質(zhì)序列資料摩爾定律8/

9、9/202232核酸序列的生物信息學(xué)分析結(jié)構(gòu)域分析（基因組序列注釋?zhuān)┌▎?dòng)子、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列、內(nèi)含子、外顯子、重復(fù)序列、開(kāi)放讀碼框架等。同源分析和檢索，包括Nr數(shù)據(jù)庫(kù)、EST數(shù)據(jù)庫(kù)、STS數(shù)據(jù)庫(kù)、Unigene數(shù)據(jù)庫(kù)、Swissprot數(shù)據(jù)庫(kù)、HTGS數(shù)據(jù)庫(kù)等?；蛲蛔兎治?包括EST數(shù)據(jù)庫(kù)，SNP數(shù)據(jù)庫(kù)等Data-mining 從基因數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)掘重要的功能基因8/9/202233蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)分析：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，包括等電點(diǎn)、信號(hào)肽、穿膜區(qū)、DNA結(jié)合序列等同源分析和檢索，包括Nr數(shù)據(jù)庫(kù)、Swissprot 數(shù)據(jù)庫(kù)等功能區(qū)分析，包括Prosite、Emotif、Identify分析等。8/9

10、/202234蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)分析：蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，如PDB數(shù)據(jù)庫(kù)。蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，如Homology等軟件分析。8/9/202235人類(lèi)功能基因研究的二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)要求提供未知功能的靶基因cDNA、基因組DNA、編碼區(qū)蛋白質(zhì)序列，應(yīng)有EST序列的支持。提供蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)，包括等電點(diǎn)、穿膜區(qū)、核定位信號(hào)、DNA結(jié)合域、功能區(qū)、特殊結(jié)構(gòu)分析結(jié)果等提供核酸和蛋白質(zhì)序列同源性分析的結(jié)果（應(yīng)定期更新）提供外顯子、內(nèi)含子、啟動(dòng)子等基因組結(jié)構(gòu)的圖譜提供表達(dá)譜分析8/9/202236cDNA序列Nr數(shù)據(jù)庫(kù)EST數(shù)據(jù)庫(kù)HGP數(shù)據(jù)庫(kù)Unigen數(shù)據(jù)庫(kù)SNP數(shù)據(jù)庫(kù)同源序列檢索 序列拼接；新剪切體分

11、析基因組序列結(jié)構(gòu)表達(dá)譜分析基因變異cDNA序列的數(shù)據(jù)庫(kù)分析8/9/2022378。蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics） 研究細(xì)胞或組織的基因組表達(dá)的全部蛋白質(zhì)（表達(dá)蛋白質(zhì)組學(xué)，Expression proteomics） 通過(guò)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)復(fù)合物研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用（細(xì)胞作圖蛋白質(zhì)組學(xué)，Cell-map proteomics） 雙相電泳技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的最重要技術(shù)8/9/2022388/9/202239蛋白質(zhì)2D電泳分析8/9/2022409。結(jié)構(gòu)基因組學(xué) 高通量的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析，為蛋白質(zhì)的功能研究和藥物設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)8/9/202241 10。模式生物和病原生物基因組學(xué)

12、對(duì)其它生物進(jìn)行全基因組序列分析,開(kāi)展比較基因組學(xué)（comparative genomics）研究。迄今至少已有5種真核生物，38種微生物完成全基因組序列分析8/9/202242模式生物的基因敲除 （Knock out） 小鼠、酵母、果蠅等生物 的基因敲除8/9/202243我國(guó)在人類(lèi)基因組計(jì)劃中取得了重要成果，但在功能基因組研究中尚處滯后階段人類(lèi)功能基因組研究必須多學(xué)科、多實(shí)驗(yàn)室協(xié)作完成，必須吸引功能實(shí)驗(yàn)室和臨床實(shí)驗(yàn)室參加對(duì)人類(lèi)未知功能的基因進(jìn)行系統(tǒng)性的功能和開(kāi)發(fā)研究將成為我國(guó)生命科學(xué)知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的新生長(zhǎng)點(diǎn)我國(guó)在人類(lèi)基因組計(jì)劃中的研究現(xiàn)狀8/9/202244北京大學(xué)人類(lèi)疾病基因研究中心研

13、究重點(diǎn) 人類(lèi)基因的功能研究 疾病相關(guān)基因研究（以SNPs研究為主）首期啟動(dòng)課題 33項(xiàng)功能基因組和疾病相關(guān)基因的課題 疾病DNA樣品庫(kù)的建立 病理組織標(biāo)準(zhǔn)化樣品庫(kù)的建立8/9/202245北大基因中心人類(lèi)功能基因研究的部分成果1。促進(jìn)凋亡的新基因TFAR192。抑制凋亡的新基因TFAR153。新的細(xì)胞因子CKLF1（chemokine-like factor 1）及其變異體 CKLF2、CKLF3、CKLF44。新細(xì)胞因子CKLF-H1（CKLF Homolog 1）5。已知基因Thioredoxin的新變異體8/9/202246人類(lèi)分泌蛋白二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立由于細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、蛋白質(zhì)激素等

14、具有重要功能及應(yīng)用價(jià)值的生物學(xué)活性物質(zhì)均為小分子的分泌蛋白質(zhì)，從人類(lèi)基因組中尋找未知功能的小分子分泌蛋白及編碼基因有可能發(fā)掘出新的細(xì)胞因子類(lèi)生物活性物質(zhì)，為進(jìn)一步的功能研究和基因工程藥物的開(kāi)發(fā)研究提供源頭創(chuàng)新的靶基因。8/9/2022478/9/202248新細(xì)胞因子cDNA克隆化策略8/9/202249細(xì)胞因子（Cytokine）：由機(jī)體各種細(xì)胞分泌的具有調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)分化、調(diào)節(jié)免疫功能和生理活性并參與病理反應(yīng)的小分子肽或蛋白質(zhì)。 包括：白細(xì)胞介素 (IL) 集落刺激因子 (CSF) 腫瘤壞死因子 (TNF) 趨化因子 (Chemokine) 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子- (TGF- ) 生長(zhǎng)因子 (Gro

15、wth Factor ) 干擾素 (IFN) 等8/9/2022501. 細(xì)胞因子的常規(guī)克隆化策略 活性篩選 發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子的活性線索細(xì)胞因子表達(dá)細(xì)胞 提取mRNA 逆轉(zhuǎn)錄成為cDNA 克隆化至真核表達(dá)載體 轉(zhuǎn)化大腸桿菌細(xì)胞因子活性篩選 鑒定8/9/202251 例1：IL-3 猴T細(xì)胞系UCD-144MLA，可刺激CML細(xì)胞增殖。提取UCD-144MLA細(xì)胞mRNA，構(gòu)建含30000個(gè)克隆的cDNA 表達(dá)文庫(kù)，提取質(zhì)粒DNA，分成100份，每份200個(gè)克隆，分別轉(zhuǎn)染COS-7細(xì)胞，上清測(cè)定刺激活性，8份具有活性，其中只有1份不被抗GM-CSF抗體所抑制，進(jìn)一步有限稀釋法篩選，獲得猴IL-3 c

16、DNA，再經(jīng)雜交篩選人的基因文庫(kù)，獲得人IL-3 序列（Cell 1986， 47：3，）。8/9/2022522.細(xì)胞因子產(chǎn)生細(xì)胞cDNA的大規(guī)模測(cè)序和生物信息學(xué)分析 細(xì)胞因子產(chǎn)生細(xì)胞cDNA文庫(kù)大規(guī)模隨即測(cè)序基因和蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)同源性比較與已知細(xì)胞因子有同源性的克隆全長(zhǎng)cDNA克隆化真核原核表達(dá)活性篩選鑒定8/9/202253 例1：MPIF（Myeloid Progenitor Inhibitory Factor-1）： 從動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞cDNA文庫(kù)大規(guī)模隨機(jī)測(cè)序，發(fā)現(xiàn)其中之一編碼氨基酸與MIP-1 有51%同源性，昆蟲(chóng)細(xì)胞表達(dá)蛋白具有趨化T細(xì)胞和單核巨噬細(xì)胞的活性，抑制骨髓細(xì)胞集落形成活性。

17、（J. Exp. Med. 1997, 185:1163）?，F(xiàn)已作為造血細(xì)胞保護(hù)劑進(jìn)入II期臨床實(shí)驗(yàn)。8/9/202254例2：新白細(xì)胞介素的克隆化8/9/202255國(guó)內(nèi)第二軍醫(yī)大學(xué)曹雪濤，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院賀福初，復(fù)旦大學(xué)余龍, 毛裕民等均利用此策略發(fā)現(xiàn)一些新細(xì)胞因子。8/9/2022563.染色體中細(xì)胞因子聚集區(qū)的大規(guī)模測(cè)序例1：17對(duì)染色體存在CC趨化因子Cluster，通過(guò)適當(dāng)?shù)腨AC克隆測(cè)序和生物信息學(xué)分析，克隆了MIP-4，與MIP-1有49.5%的同源性，趨化T細(xì)胞（Genomics 1999 Mar 15;56(3):296-302）例2：在7q11.23發(fā)現(xiàn)Eotaxin-3（

18、JBC，1999，274：27975）8/9/2022574差異顯示技術(shù)克隆細(xì)胞因子 利用同一細(xì)胞在不同條件下表達(dá)細(xì)胞因子的差異克隆新細(xì)胞因子，例如T細(xì)胞活化前低表達(dá)細(xì)胞因子，活化后則高表達(dá)細(xì)胞因子，利用DD-PCR、RDA、SSH等技術(shù)可克隆T細(xì)胞活化后高表達(dá)的基因，其中可能含有新細(xì)胞因子cDNA。8/9/202258例：本實(shí)驗(yàn)室克隆的CKLF1 利用IL-10為廣譜細(xì)胞因子抑制因子的特點(diǎn)，通過(guò)SSH技術(shù)克隆U937細(xì)胞被IL-10抑制的cDNA，發(fā)現(xiàn)新的細(xì)胞因子CKLF1（Chemokine-like factor 1，原名UCK-1，U937 derived chemokine-1）及其變異體CKLF2，3，4。CKLF1具有趨化效應(yīng)、促進(jìn)骨髓細(xì)胞集落形成效應(yīng)和刺激骨骼肌細(xì)胞效應(yīng)。8/9/2022595. EST（Expressed sequence tag）數(shù)據(jù)庫(kù)