備課素材：人類后基因組研究進(jìn)展-高一下學(xué)期生物人教版必修2

人類后基因組研究進(jìn)展隨著人類基因組計(jì)劃(HGP)的順利進(jìn)行，生物醫(yī)學(xué)研究已進(jìn)入后基因組時(shí)代(Postgenomeera)［1］。基因組學(xué)的研究從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(Structuralgenomics)過渡到功能基因組學(xué)(Functionalgenomics)。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)代表基因組分析的早期階段，這個(gè)階段以建立生物體高分辨遺傳、物理和轉(zhuǎn)錄圖譜為主。而以功能基因組學(xué)為代表的后基因組時(shí)代是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，系統(tǒng)的研究基因功能。它以高通量、大規(guī)模實(shí)驗(yàn)方法及統(tǒng)計(jì)與計(jì)算機(jī)分析為特征［2］。8～10萬個(gè)基因的功能研究比HGP更為復(fù)雜和艱巨，必將成為下個(gè)世紀(jì)生命科學(xué)研究的主戰(zhàn)場。后基因組研究涉及的主要內(nèi)容及方法有：

1．生物信息學(xué)(Bioinformatics)

隨著人類基因組計(jì)劃(HGP)在世界范圍內(nèi)的展開，產(chǎn)生了巨量的基因信息，分析這些信息是人類基因組研究必不可少的內(nèi)容。這也促成了生物信息學(xué)的發(fā)展。生物信息學(xué)是用數(shù)理和信息科學(xué)的觀點(diǎn)、理論和方法去研究生命現(xiàn)象，組織和分析呈指數(shù)增長的生物學(xué)數(shù)據(jù)的一門學(xué)科。研究DNA和蛋白質(zhì)，以計(jì)算機(jī)為主要工具，發(fā)展各種軟件，把基因組DNA序列信息分析作為源頭，在獲得蛋白質(zhì)編碼區(qū)的信息之后進(jìn)行蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的模擬和預(yù)測，然后依據(jù)特定蛋白質(zhì)功能進(jìn)行必要的藥物設(shè)計(jì)。故此，生物信息學(xué)是由數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件三大部分組成，對基因組信息學(xué)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬以及藥物設(shè)計(jì)的研究為主要目的的學(xué)科。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供了巨大的DNA和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)，功能基因組學(xué)的一個(gè)任務(wù)就是如何充分利用數(shù)據(jù)庫去研究基因功能。

生物信息學(xué)在人類基因中的應(yīng)用主要有：

(1)新基因的發(fā)現(xiàn)與鑒定

使用基因組信息學(xué)的方法是發(fā)現(xiàn)新基因的重要手段，比如在啤酒酵母完整基因組(約1200萬bp)所包含的5932個(gè)基因中，大約60%是通過信息分析得到的。

(2)非編碼區(qū)信息結(jié)構(gòu)分析

雖然對約占人類基因組95%的非編碼區(qū)的作用人們還不清楚，但從生物進(jìn)化的觀點(diǎn)看來，這部分序列必定具有重要的生物功能。普遍的認(rèn)識是，它們與基因在四維時(shí)空的表達(dá)調(diào)控有關(guān)。應(yīng)用生物信息學(xué)可以分類與確定非編碼區(qū)中各種組分、尋找新的非三聯(lián)體的編碼方式、研究編碼區(qū)和非編碼區(qū)中信息調(diào)節(jié)規(guī)律等三個(gè)方面來揭示非編碼區(qū)的秘密。

(3)對生物進(jìn)化的研究

自1859年Darwin的物種起源(OriginofSpecies)發(fā)表以來，進(jìn)化是對人類自然科學(xué)和自然哲學(xué)發(fā)展的最重大貢獻(xiàn)之一。自上世紀(jì)中葉以來，隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，進(jìn)化論的研究也進(jìn)入了分子水平，并建立了一套依賴于核酸、蛋白質(zhì)序列信息的理論方法。現(xiàn)在隨著序列信息的大量出現(xiàn)開展分子進(jìn)化的研究具有了極好時(shí)機(jī)。

(4)完整基因組的比較研究

在后基因組時(shí)代，生物信息學(xué)家面對的不僅是序列和基因而是越來越多的完整基因組，由此而來的比較基因組學(xué)必須通過生物信息分析法采用現(xiàn)代手段來完成。

(5)大規(guī)?；蚬δ鼙磉_(dá)譜的分析

大規(guī)模基因功能表達(dá)譜的分析從數(shù)學(xué)角度看不是簡單的NP問題、動力系統(tǒng)問題或不確定性問題，目前發(fā)展的新方法和工具無論是生物芯片還是蛋白質(zhì)組技術(shù)都更強(qiáng)烈地依賴于生物信息學(xué)的理論、技術(shù)與數(shù)據(jù)庫。

(6)藥物設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的藥物研制主要是從大量的天然產(chǎn)物，如動物、植物、微生物和合成有機(jī)、無機(jī)化合物中進(jìn)行篩選。往往得到一個(gè)可供臨床使用的藥物要篩選1萬種不同的化合物，要經(jīng)過10年左右的時(shí)間和耗資2.5～3.0億美元。當(dāng)前生物信息學(xué)的研究不僅可提供生物大分子空間結(jié)構(gòu)的信息，還能提供電子結(jié)構(gòu)的信息，如能級、表面電荷分布、分子軌道相互作用等以及動力學(xué)行為的信息，如生物化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、電荷遷移、構(gòu)象變化等。理論模擬還可研究包括生物分子及其周圍環(huán)境(如水、離子等)的復(fù)雜體系和生物分子的量子效應(yīng)。這些模擬的結(jié)果為天然生物大分子的改性和基于受體結(jié)構(gòu)的藥物分子設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2．基因功能研究

人類后基因組計(jì)劃的關(guān)鍵點(diǎn)是基因的功能研究，這也是對功能基因加以開發(fā)利用研究的基礎(chǔ)。主要包括以下內(nèi)容：

2.1

基因表達(dá)譜的繪制

基因表達(dá)ｍＲＮＡ的水平反映了在一定環(huán)境、細(xì)胞類型、生長階段和一定細(xì)胞狀態(tài)下基因的功能信息。因此繪制所有基因的表達(dá)譜非常重要。目前，科學(xué)工作者已相繼建立了ｍＲＮＡ差異顯示、代表性差異分析、抑制性消減雜交、基因表達(dá)系列分析和ｃＤＮＡ微陣列等技術(shù)。新近在綜合上述技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立的基因鑒定集成法是具有充分利用生物基因信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基因鑒定(識別)，并能提高稀有拷貝基因鑒定效率的優(yōu)點(diǎn)。

2.2

基因調(diào)控研究

基因表達(dá)調(diào)控是功能基因組學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，不同條件下基因表達(dá)譜的變化是基因組調(diào)控的結(jié)果。這種調(diào)控直接決定了不同組織細(xì)胞中蛋白質(zhì)的變化，進(jìn)而影響相應(yīng)的生化代謝通路的作用，最終引起一定的表型變化。所以，欲研究某一特定基因的功能，就不能不研究其表達(dá)的調(diào)控方式和機(jī)理。此外，現(xiàn)已知道，許多模式生物基因組雖然在長度上比人類的少，但所包含的基因數(shù)基本一致，只是少了一些非編碼序列和在基因組中所處位置有所不同，這種差異造成他們表達(dá)譜的很大不同，因此，基因表達(dá)譜的差異是基因調(diào)控的不同之故。

2.3

模式生物體和比較基因組學(xué)研究

利用模式生物基因組與人類基因組之間編碼順序上和組織結(jié)構(gòu)上的同源性，克隆人類疾病基因，揭示基因功能和疾病分子機(jī)制，闡明物種進(jìn)化關(guān)系，及基因組的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，這便是比較基因組學(xué)。

所有生物都是通過一個(gè)共同的進(jìn)化樹聯(lián)系在一起。因此研究一個(gè)生物可為其它生物提供有用的信息，其主要促進(jìn)作用體現(xiàn)在：(1)利用基因順序上的同源性克隆人類疾病基因。(2)模式生物基因組研究揭示人類疾病基因。(3)充分利用模式生物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的優(yōu)越性來為最終了解人類基因服務(wù)。(4)模式生物基因組研究加深了對基因組結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。(5)比較基因組作圖使連鎖信息和基因組資源從作圖較為詳盡的物種轉(zhuǎn)移到作圖不完善的物和用于復(fù)雜性狀的分析。

目前與人類基因組計(jì)劃同步進(jìn)行的模式生物有E.coli、酵母、線蟲、果蠅和小鼠，還有一些與人類生活密切相關(guān)的哺乳動物。酵母作為第一個(gè)真核生物基因組于1996年完成ＤＮＡ測序;線蟲作為第一個(gè)多細(xì)胞生物基因組于1998年底完成測序。而果蠅、小鼠和其它模式生物的基因組也以驚人的速度在進(jìn)行。大量數(shù)據(jù)的積累將使人類對于生命以及人類自身有嶄新的認(rèn)識。

2.4

功能基因組學(xué)的研究方法

(1)誘變技術(shù)

定向誘變(targetedmutagenesis):定向誘變是利用同源重組技術(shù)，使胚胎干細(xì)胞(embryonicstemcell，EScell)內(nèi)目的基因產(chǎn)生定點(diǎn)突變，這些突變可進(jìn)一步用于基因敲除、轉(zhuǎn)基因動物、顯性負(fù)突變等研究。最近兩年發(fā)展了許多構(gòu)建靶結(jié)構(gòu)的新方法如釀酒酵母中微同源重組(microhomologousrecombination)，通過ＰＣＲ的方法產(chǎn)生一個(gè)特定的靶ＤＮＡ片段，這個(gè)片段含有一個(gè)兩側(cè)帶有與酵母基因同源的35～50bp作為選擇性標(biāo)記，就足以促進(jìn)酵母的同源重組，而在小鼠ＥＳ細(xì)胞中，至少需要19kb的連續(xù)基因組ＤＮＡ才能產(chǎn)生有效的同源重組。以往這種方法只用在酵母中，現(xiàn)在也用到小鼠上。

表型誘變(phenotypedrivenmutagenesis)定向誘變方法是用于已知基因的突變，而表型誘變是用于未知基因，其主要優(yōu)點(diǎn)是無需知道哪個(gè)基因以及這些基因的何種突變導(dǎo)致特定的表型或疾?。?］。用表型誘變劑進(jìn)行誘變后，可以用篩查整個(gè)基因組的辦法來尋找新的顯性或隱性突變。該方法需要大量的小鼠雜交群體，工作量較大，但這種全基因組掃描法是篩查整個(gè)基因組中單一突變的最好方法，因?yàn)槿魏我粋€(gè)導(dǎo)致一定表型的可能突變都可以被檢測出來。

(2)進(jìn)化印記方法

基于生物的進(jìn)化歷程必定會在分子序列上留下相應(yīng)的進(jìn)化印記，即家族特異模體和直系同源簇特異模體組成的功能特異模體。首先用嚴(yán)格的進(jìn)化分析方法把基因家族劃分成各個(gè)直系同源簇，然后構(gòu)建家族及每個(gè)直系同源簇的特異模體，借助已有的生物學(xué)事實(shí)，形成功能模體庫。每一個(gè)未知基因產(chǎn)物的功能就用搜索此功能模體庫來鑒定。

3．蛋白質(zhì)組學(xué)研究(Proteomics)

由于生物功能的主要體現(xiàn)者是蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)有其自身特有的活動規(guī)律，僅僅從基因的角度來研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。蛋白質(zhì)的修飾加工、轉(zhuǎn)運(yùn)定位、結(jié)構(gòu)形成、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用、蛋白質(zhì)與核酸的相互作用等，均無法從在基因組水平上的研究獲知。1990年代中期，國際上萌發(fā)了一門在整體水平上研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成及其活動規(guī)律的新興學(xué)科——蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)。

蛋白質(zhì)組(Proteome)的概念最早是在1994年由澳大利亞Macquarie大學(xué)的MarcWilkins和KeithWilliams首先提出來的。目前，美國、澳大利亞、歐洲和日本等已紛紛成立了有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)和公司，有人預(yù)測21世紀(jì)生命科學(xué)的重心將從基因組學(xué)轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)組學(xué)。蛋白質(zhì)組學(xué)以蛋白質(zhì)組為研究對象，從蛋白質(zhì)整體水平上來認(rèn)識生命活動的規(guī)律。蛋白質(zhì)組學(xué)的核心內(nèi)容包括兩個(gè)部分：蛋白質(zhì)組研究體系的建立、完善和重要的生物學(xué)問題有關(guān)的功能蛋白質(zhì)組研究［9］。

3.1

蛋白質(zhì)組研究的主要手段

相對于基因組研究的進(jìn)展速度，蛋白質(zhì)組的研究顯得相對滯后，主要原因是研究手段中眾多技術(shù)問題尚未很好解決。從這幾年中對基因組全序列分析已經(jīng)完成的一些低等生物蛋白質(zhì)組的研究看來，目前最現(xiàn)實(shí)、最有效的技術(shù)是雙向凝膠電泳分離純化蛋白質(zhì)，結(jié)合計(jì)算機(jī)定量分析電泳圖譜，并進(jìn)一步用質(zhì)譜對分離到的蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定，并運(yùn)用現(xiàn)代生物信息學(xué)的知識和技術(shù)對所得到的天文數(shù)字的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對蛋白質(zhì)以及它們執(zhí)行的生命活動作出盡可能最精細(xì)、最準(zhǔn)確、最本質(zhì)的闡述［10］。當(dāng)前蛋白質(zhì)組的研究可分為兩個(gè)階段：第一階段是建立一個(gè)細(xì)胞或一個(gè)組織或一個(gè)機(jī)體在“正?！睏l件下的蛋白質(zhì)二維凝膠圖譜，或稱參考圖譜，即所謂“組成蛋白質(zhì)組”。第二階段則要研究在各種條件下的蛋白質(zhì)組的變化，從中總結(jié)出生命活動的規(guī)律，可以稱為“功能蛋白質(zhì)組”。

(1)雙向凝膠電泳

雙向凝膠電泳在1975年由O’Farrell以及Klose和Scheele等人發(fā)明，其原理是第一向基于蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)不同用等電聚焦分離，第二向則按分子量的不同用SDS分離，把復(fù)雜蛋白混合物中的蛋白質(zhì)在二維平面上分開。近年來經(jīng)過多方面改進(jìn)已成為研究蛋白質(zhì)組的最有實(shí)用價(jià)值的核心方法。

(2)“雙向”高效柱層析

所謂“雙向”高效柱層析，實(shí)際上是先進(jìn)行一次分子篩柱層析，從柱上流出的蛋白峰自動進(jìn)入第二向?qū)游觯ǔＪ抢玫鞍踪|(zhì)表面疏水性質(zhì)進(jìn)行分離的反向柱層析［12］。這第二次分離的原理與雙向電泳中利用蛋白質(zhì)等電點(diǎn)分離完全不同，因此兩種方法起到互相補(bǔ)充的作用。和雙向電泳相比，“雙向”高效柱層析的優(yōu)點(diǎn)是可以適當(dāng)放大，分離得到較多的蛋白量以供鑒定。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是流出的蛋白峰可以直接連通進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)行鑒定，避免了“印跡”的步驟和因此引起的的缺點(diǎn)。

(3)質(zhì)譜技術(shù)上面所說的兩種技術(shù)都是分離技術(shù)，而質(zhì)譜則是鑒定技術(shù)。質(zhì)譜技術(shù)的原理并不新鮮，但是在1980年代早期出現(xiàn)的兩種新的離子化技術(shù)，使質(zhì)譜從僅能分析小分子揮發(fā)物質(zhì)到可以研究生物大分子，1980年代末又發(fā)明了兩種更新的離子化技術(shù)，一種是介質(zhì)輔助的激光解吸/離子化(matrix-assistedlaserdesorption/ionization，MALDI),另一種是電噴霧離子化(electrosprayionization，ESI)。這些技術(shù)使能快速而極為準(zhǔn)確地測定生物大分子的分子量；再結(jié)合各種新的質(zhì)譜分析技術(shù)，便可以在各種水平上研究蛋白質(zhì)，為蛋白質(zhì)研究開辟了新的道路，使蛋白質(zhì)組研究從蛋白質(zhì)鑒定深入到高級結(jié)構(gòu)研究，以及各種蛋白之間的相互作用研究?？梢灶A(yù)見，未來的質(zhì)譜技術(shù)必將是從基因組到其功能的各級水平的蛋白質(zhì)研究的主要工具。用質(zhì)譜技術(shù)可以進(jìn)行的從基因組到蛋白質(zhì)功能的研究可以歸納為表1。

表1

用質(zhì)譜技術(shù)可以進(jìn)行的從基因組到其功能的蛋白質(zhì)研究問題/任務(wù)有關(guān)的質(zhì)譜技術(shù)在基因組，蛋白序列庫和EST序列庫用MALDI或ESIMS，ESIMS/MS中篩到的蛋白是已知蛋白嗎?MALDIPSD做肽譜，或做全蛋白的ESIMS/MS如未知，提供足夠的序列信息做克隆蛋白鑒定，二級修飾，二硫鍵，異構(gòu)體(序列錯(cuò)誤)ESIMS/MS，MALDIPSD分子量測定，再用MALDI或ESIMS或MS/S做肽譜高級結(jié)構(gòu):折疊，穩(wěn)定性，單體或多聚體用ESIMS監(jiān)測重氫交換，MALDI或ESIMS監(jiān)測表面標(biāo)記，非變性條件下ESIMS,MALDIMS監(jiān)測交聯(lián)蛋白質(zhì)何時(shí)和什么分子，怎樣相互作用?親和技術(shù)與MALDI或ESIMS結(jié)合，MALDI或ESIMS監(jiān)測表面標(biāo)記和有限水解

(4)生物信息學(xué)當(dāng)前生物信息學(xué)已經(jīng)不僅是高效地進(jìn)行對基因組/蛋白組數(shù)據(jù)的分析，而且可以對已知的或新的基因產(chǎn)物進(jìn)行全面的功能分析。例如用生物信息學(xué)對用質(zhì)譜得到的肽指紋圖譜(peptidemassfingerprinting)數(shù)據(jù)分析出了一個(gè)新的在進(jìn)化過程中保守的模序(motif),它對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。用分子模建(molecularmodelling)揭示了在耐熱菌Thermusaquaticus的肽延伸因子EFTu中的一個(gè)模序(340～345)對維持三個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的整體構(gòu)象的完整性有重要意義。肽指紋圖譜原先只是一個(gè)普通的蛋白質(zhì)分析技術(shù)，但通過生物信息學(xué)處理則可以得到有功能意義的結(jié)構(gòu)信息，甚至預(yù)測部分蛋白質(zhì)的功能。

3.2

蛋白質(zhì)組研究的應(yīng)用

蛋白質(zhì)組研究在學(xué)術(shù)上的重大意義已如前述。同時(shí)，其研究成果還將在醫(yī)藥和工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。對人類基因組在不同病理?xiàng)l件下所表達(dá)的蛋白質(zhì)組的比較研究，和對一些致病細(xì)菌蛋白組的研究，將對了解疾病的原因和進(jìn)行防治起到?jīng)Q定性的作用?，F(xiàn)在肺病桿菌的基因全序列已經(jīng)測定，蛋白組的研究也已開始進(jìn)行［14］。心肌肥大癥的蛋白組研究也已經(jīng)起動，發(fā)現(xiàn)了與肌肉收縮密切有關(guān)的一種肌球蛋白的過度表達(dá)。農(nóng)業(yè)上，育種也將從現(xiàn)在的通過個(gè)別基因的轉(zhuǎn)移來改進(jìn)個(gè)別性能，進(jìn)人整體性能的改善。除人基因組外，有50多種生物的基因組分析已經(jīng)完成或即將完成。一種在90℃生長的單細(xì)胞生物Aquifex的基因組的信息顯然將對新的工業(yè)用酶的開發(fā)作出貢獻(xiàn)，而病原體Staohylococusaureus基因組和蛋白質(zhì)組的研究將發(fā)展新的抗菌素?？梢灶A(yù)期蛋白質(zhì)組研究必將對人類生活質(zhì)量的提高和人的壽命的延長起巨大的作用。

4．基