生物化學教學課件：Chapte 15 生物化學與新生物技術

第十五章生物化學與新生物技術Chapter15Biochemistryand

newbiotechnology主要內容第一節(jié)基因組學（

Genomics）第二節(jié)蛋白質組學（Proteomics）第三節(jié)生物信息學（Bioinformatics）第四節(jié)生物芯片（Biochip）GenomicsDNA(Gene)FunctionalGenomicsTranscriptomicsRNAProteomicsPROTEINMetabolomicsMETABOLITETranscriptionTranslationEnzymaticreactionThe“omics”nomenclature…基因組學蛋白質組學轉錄學代謝學代謝產物功能性基因組學GenProte~omeSequenceofacompletesetofGenesProteins=GenProte~omics=AnalysisoftheGenomeProteomeAfewdefinitions…生命科學的發(fā)展新的生命學科和新的生物技術基因組學（

Genomics）蛋白質組學（Proteomics）生物信息學（Bioinformatics）生物芯片（Biochip）第一節(jié)基因組學

Genomics

一、基因組和基因組學的概念基因組（Genome）：指一個生物機體的一套完整的遺傳物質；一種生物全部基因的集合。包括決定蛋白質和核酸結構的編碼區(qū)，以及非直接決定蛋白質和核酸結構的非編碼區(qū)?；蚓幋a序列只占整個基因組序列的很小一部分。一個生物體只有一個確定的基因組，組成生物體的所有細胞都共享同一個基因組；基因組的大小基因組學(genomics)Genomics–studyofthesequence,structureandfunctionofthegenome.Studyrelationshipsamongsetsofgenesratherthansinglegenes.研究基因組序列、結構和功能的科學。研究不同的全套基因（不是單個基因）之間的關系。1986年美國科學家ThomasRoderick提出了基因組學，指對所有基因進行基因組作圖（包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉錄本圖譜）、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一門科學。特點：是以基因組為研究單位，而不是單個基因基因組學的分類以全基因組物理結構的作圖和測序為目標（早期階段）又稱為后基因組學(postgenomics)。以基因功能鑒定為目標。蛋白質組學（Proteomics）生物信息學（Bioinformatics）生物芯片（Biochip）基因組學(genomics)結構基因組學(structuralgenomics)功能基因組學(functionalgenomics)二、基因組圖譜(自學為主)在基因組分析的早期階段，以建立生物體高分辨率的物理、遺傳、轉錄圖譜為主，通過基因作圖、堿基序列分析來確定基因組成和基因定位。由于染色體不能直接用來測序，因此必須將基因組分解成為較易操作的小的結構區(qū)域，這個過程就是基因作圖。從不同角度制定基因組圖譜，是研究基因組的結構和功能的基礎?；蚪M圖譜的類型基因組圖譜物理圖譜

(physicalmap)遺傳圖譜(geneticmap)表達（轉錄）圖譜單核苷酸多態(tài)性圖譜WhatistheHumanGenome?Theentiregeneticmakeupofthehumancellnucleus.Genescarrytheinformationformakingalloftheproteinsrequiredbythebodyforgrowthandmaintenance.ThegenomealsoencodesrRNAandtRNAwhichareinvolvedinproteinsynthesis.三、人類基因組研究基因組計劃（GenomeProject）：是指對人類以及其它生物體全基因組的測序工作(sequencing)。人類基因組計劃（HumanGenomeProject，HGP）：90年代提出并已基本完成，是人類科學史上最偉大的壯舉之一，被譽為是生命科學中的登月計劃。。HistoryoftheHumanGenomeProject1990OfficialstartofHGPwith3billion$anda15yearhorizon.1999SangerCentrepublisheschromosome222001DraftGenomepublished:Celera&Public2003Completion(almost)ofHumanGenomeCelera:Dr.CraigVenterIntl.Cons:FrancisCollins人類基因組計劃6countriesinvolved（China）;10yearsand2,000MDollars；基因組大小30億堿基；Includesnon-codingsequenceslocatedbetweengenes,whichmakesupthevastmajorityoftheDNAinthegenome(~95%)Madeupof~35,000-50,000geneswhichcodeforfunctionalproteinsinthebody第二節(jié)蛋白質組學Proteomics一、蛋白質組學的涵義蛋白質組（proteome）：是由澳大利亞學者Wilkins和Williams等人于1994年提出的。他們將“Protein”與“genome”雜合。一個基因組編碼的全部蛋白質；（1995，Wilkins）一個基因組或組織所表達的全部蛋白質；（1997，Wilkins）在一個細胞的整個生命活動過程中由基因組表達的以及表達后修飾的全部蛋白質。（1999年，Nature）蛋白組學（Proteomics）：一門在整體水平上研究細胞內蛋白質的組成、數(shù)量及其在不同生理條件下活動規(guī)律的學科。主要研究細胞內所有蛋白質在生命活動過程中的時空表達、蛋白質分子間的相互作用、翻譯后的各種修飾等，最終確定它們的功能。一個生物體的蛋白質組卻不只一個，隨時間、地點和環(huán)境條件而不同。蛋白質組學（Proteomics）二、蛋白質組研究的技術簡介（自學為主）蛋白質組研究雙向電泳圖像數(shù)字化分析質譜分析在細胞水平上對蛋白質組進行分離和分析的三大基本支撐技術：一個完整的蛋白質組研究步驟包括：樣品制備蛋白質檢測第一相等電聚焦第二相SDS圖譜數(shù)字化分析建立蛋白質組數(shù)據(jù)庫質譜分析三、蛋白質組學的應用前景確定一個蛋白質功能最直接的方法是直接驗證它的功能。功能蛋白質組學（functionalproteomics）或比較蛋白質組學，是一個相對較新的進展，它可以直接進行大規(guī)模蛋白質功能測定。比較不同生長時期蛋白質組的差異，正常細胞和異常細胞蛋白質組的差異等疾病蛋白質組學：研究正常與疾病狀態(tài)下某一組織的蛋白質組。1999年瑞士生物信息學研究所（CIB）和歐洲生物信息學研究所（EBI）發(fā)布了啟動人類蛋白質組研究計劃（humanproteomicsinitiative,HPI）。蛋白質組學不僅在認識生命本質上發(fā)揮重要作用，而且在應用上也具有廣闊的前景。22第三節(jié)生物信息學

BiologicalData+ComputerCalculationsBioinformatics生物信息學一、生物信息學的涵義Bioinformatics

isthefieldofscienceinwhichbiology,computerscience,andinformationtechnologymergeintoasinglediscipline.Theultimategoalofthefieldistoenablethediscoveryofnewbiologicalinsightsandtocreateaglobalperspectivefromwhichunifyingprinciplesinbiologycanbediscerned.

/About/primer/bioinformatics.html

生物信息學(bioinformatics)：是生物學與計算機科學以及應用數(shù)學等學科相互滲透而形成的一門交叉學科。它以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，以數(shù)據(jù)庫為載體，以計算機為工具，對實驗生物學中產生的大量生物學數(shù)據(jù)進行存儲、檢索、處理與分析，并用生物學知識對結果進行解釋，從而闡明生命本質及其變化規(guī)律。二、生物信息學的基本研究方法生物學數(shù)據(jù)庫的建立世界著名的三大核心數(shù)據(jù)庫：PDB生物大分子結構數(shù)據(jù)庫SWISS-PROT蛋白質系列數(shù)據(jù)庫GenBank核酸系列數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的檢索數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)的應用一些重要的生物信息學中心EBI：EuropeanBioinformaticsInstitutehttp://www.ebi.ac.ukEMBnetEMBL:EuropeanMolecularBiologyLaboratoryhttp://embl-heidelberg.de/ServicesNIH：NationalInstituteofHealthNCBI：NationalCenterofBiotechnologyInstituteNLM：NationalLibraryofMedicineDDBJ:DNADataBankofJapanhttp://www.ddbj.nig.ac.jphttp://www.kazusa.or.jpCBI或PKUCBI/BioSino/華大基因組研究中心AMMSnic:軍科院/bio/一些重要的生物信息學中心三、生物信息學的主要研究內容（自學為主）1.基因組測序的信息分析將基因片段連接處完整的DNA序列。2.用于發(fā)現(xiàn)新基因大部分新基因是通過信息分析預測出來的。3.非編碼區(qū)結構與功能的研究在人類基因組中，非編碼區(qū)占95～97%，但其功能不詳。4.生物進化的研究用生物信息學研究比較不同物種的核酸和蛋白質的序列差異，在一定程度上可反映物種的進化。生物信息學的主要研究內容5.比較基因組學研究對不同生物的全基因組進行比較分析。6.基因功能的研究采用生物信息學的理論和規(guī)律處理大量的生物信息，才能了解某些基因的功能。7.大分子結構模擬與藥物設計理論模擬、結構預測與直接實驗手段的結合。8.遺傳疾病的研究約有6000種以上的人類疾患與人類各種基因的變化有關。生物芯片將象計算機芯片一樣成為新世紀即將來臨的又一次高新科技革命的奠基石第四節(jié)生物芯片Biochip(BiologicalChip)一、生物芯片的類別和特點生物芯片（biochip）：生物芯片的概念來自計算機。實際上是一種微型多參數(shù)生物傳感器。指通過微電子、微加工技術在芯片表面構建的一種微型生物化學反應系統(tǒng)，即在一個小的基片表面固定大量的分子識別探針或構建微分析元件和系統(tǒng)，實現(xiàn)對核酸、DNA、蛋白質及其他細胞組分的準確、快速、大通量的篩選、分析或檢測，以實現(xiàn)測序、定向反應、概念分析等。生物芯片的特點：微型化自動化網(wǎng)絡化生物芯片的類別基因芯片(Genechip)蛋白質芯片(Proteinchip)芯片實驗室生物芯片（biochip）用于DNA序列測定、基因表達譜鑒定和基因突變的檢測與分析基因芯片又被稱為DNA芯片、DNA陣列（DNAarray）、cDNA芯片（cDNAchips）、寡核苷酸陣列（oligonucleotidearray）等。(Laboratory-on-a-chip)(Microfluidics-basedchip)利用蛋白質分子間的特異親和力，進行蛋白組學的研究研究生物芯片作用原理和研制新的生物芯片生物芯片研究的國內外概況Affymetrix開發(fā)多種基因芯片(HIV,p53,p450等等)Hyseq開發(fā)的薄膜測序芯片（標記的探針為已知序列）Synteni(Incyte)兩種熒光標記，mRNA表達情況Nanogen主動式電子生物芯片，檢測速度更快Agilent(HP)CMS(Motorola)的eSensorTM利用雜交電信號檢測Stanford、Pennsylvania、MIT等國外大學和研究機構清華大學、東南大學、上海細胞所與陜西超群公司第四軍醫(yī)大與陜西高科集團聯(lián)合基因科技公司與第一軍醫(yī)大復旦大學、軍事醫(yī)學科學院、北京博奧臺灣、香港（HKtU、HKcityU,中藥篩選、白血病、腫瘤)生物芯片研究的國內外概況二、生物芯片技術簡介（自學為主）基因芯片技術是一種大規(guī)模集成的固相核酸分子雜交，即以已知堿基系列的寡核苷酸為探針，待測DNA樣品與之雜交，然后通過定性、定量分析得出待測樣品的基因系列及表達的信息?；蛐酒夹g①芯片制作把探針固定于載體表面②樣品準備目標分子富集③分子間的雜交④

結果檢測與數(shù)據(jù)分析基因芯片在疾病診斷中的應用腫瘤細胞等量結合探針與芯片雜交使用基因芯片對正常細胞和癌細胞進行基因表達分析比較基因芯片雜交結果圖三、生物芯片的應用（自學為主）

DNA系列測定：基因測序(genesequencing)基因表達(geneexpression)分析突變和多肽分析檢測在疾病診斷中的應用（基因芯片中最具商業(yè)化價值的應用）在藥物研究中的應用：新藥篩選和指導臨床合理用藥在微生物菌種鑒別及致病機制方面的應用在農林業(yè)方面的應用Affymetrix