第26章 組學與醫(yī)學課件

第二十六章組學與醫(yī)學-omicsandMedicine第26章組學與醫(yī)學第26章組學與醫(yī)學第一節(jié)

基因組學

Genomics第26章組學與醫(yī)學基因組(genome)一個細胞（或病毒）所載的全部遺傳信息，它代表了一種生物所具有的全部遺傳信息。對真核生物體而言，基因組是指一套完整單倍體DNA（染色體DNA）及線粒體或葉綠體DNA的全部序列，既有編碼序列，也有大量存在的非編碼序列。

第26章組學與醫(yī)學基因組學(genomics)是闡明整個基因組的結構、結構與功能關系以及基因之間相互作用的科學。一、基因組學包含結構基因組學、功能基因組學和比較基因組學

第26章組學與醫(yī)學基因組學包括3個不同的亞領域結構基因組學(structuralgenomics)功能基因組學(functionalgenomics)比較基因組學(comparativegenomics)基因組學概念第26章組學與醫(yī)學二、結構基因組學的主要任務是基因組作圖和大規(guī)模測序結構基因組學(structuralgenomics)是通過HGP的實施來完成的。HGP的內容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組DNA序列測定，因此HGP屬于結構基因組學范疇。第26章組學與醫(yī)學（一）遺傳作圖和物理作圖是繪制人類基因組草圖的重要策略1．遺傳作圖就是繪制連鎖圖遺傳圖（geneticmap）又稱連鎖圖（linkagemap）。遺傳作圖（geneticmapping）就是確定連鎖的遺傳標志位點在一條染色體上的排列順序以及它們之間的相對遺傳距離，用厘摩爾根（centi-Morgan，cM）表示，當兩個遺傳標記之間的重組值為1%時，圖距即為1cM。（1）限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）（2）可變數目串聯(lián)重復序列（VNTR）（3）單核苷酸多態(tài)性（SNP）第26章組學與醫(yī)學2．物理作圖就是描繪雜交圖、限制性酶切圖及克隆系圖物理作圖包括：①熒光原位雜交圖（fluorescentinsituhybridizationmap，FISHmap）：將熒光標記的探針與染色體雜交確定分子標記所在的位置；②限制性酶切圖（restrictionmap）；將限制性酶切位點標定在DNA分子的相對位置；③克隆相連重疊群圖（clonecontigmap）酵母人工染色體（yeastartificialchromosome，YAC）細菌人工染色體（bacterialartificialchromosome，BAC）

第26章組學與醫(yī)學（二）通過BAC克隆系、鳥槍法等完成大規(guī)模DNA測序1．BAC克隆系的構建是大規(guī)模DNA測序的基礎BAC是一種裝載DNA大片段的克隆載體系統(tǒng)，用于人、動物和植物基因組文庫構建。BAC具有插入片段較大（數kb

數百

kb）、嵌合率低、遺傳穩(wěn)定性好、易于操作等優(yōu)點。第26章組學與醫(yī)學2．鳥槍法是大規(guī)模DNA測序的重要方法步驟：①建立高度隨機、插入片段大小為1.6kb到4kb左右的基因組文庫；②高效、大規(guī)模的克隆雙向測序；③序列組裝（sequenceassembly）：借助軟件將所測得的序列進行組裝，產生一定數量的相連重疊群；④缺口填補：利用引物延伸或其他方法對BAC克隆中還存在的缺口進行填補。3．高通量測序技術大大加快了基因組DNA測序進度第26章組學與醫(yī)學鳥槍法測序的原理與策略第26章組學與醫(yī)學（三）生物信息學是預測基因組結構和功能的重要手段三大生物信息中心：美國國家生物技術信息中心（NCBI，）歐洲生物信息研究所（EBI，）日本DNA數據庫（DDBJ，）GenBank（）是NIH的基因序列數據庫，包含所有已知的核苷酸及蛋白質序列、以及與之相關的生物學信息和參考文獻，是世界上的權威序列數據庫。第26章組學與醫(yī)學三、功能基因組學系統(tǒng)探討基因的活動規(guī)律功能基因組學的主要研究內容包括基因組的表達、基因組功能注釋、基因組表達調控網絡及機制的研究等。它從整體水平上研究一種組織或細胞在同一時間或同一條件下所表達基因的種類、數量、功能及在基因組中的定位，或同一細胞在不同狀態(tài)下基因表達的差異。第26章組學與醫(yī)學（一）通過全基因組掃描鑒定DNA序列中的基因（二）通過BLAST等程序搜索同源基因（三）通過實驗設計驗證基因功能（四）通過轉錄組和蛋白質組描述基因表達模式第26章組學與醫(yī)學第二節(jié)轉錄組學Transcriptomics

第26章組學與醫(yī)學轉錄組（transcriptome）指生命單元（通常是一種細胞）所能轉錄出來的可直接參與蛋白質翻譯的mRNA（編碼RNA）總和，而其他所有非編碼RNA均可歸為RNA組（RNome）。轉錄組學（transcriptomics）是在整體水平上研究細胞編碼基因轉錄情況及轉錄調控規(guī)律的科學。第26章組學與醫(yī)學一、轉錄組學研究全部mRNA的表達及功能轉錄組學就是要闡明生物體或細胞在特定生理或病理狀態(tài)下表達的所有種類的mRNA及其功能。目前，轉錄組學研究的側重點涉及基因轉錄的區(qū)域、轉錄因子結合位點、染色質修飾點、DNA甲基化位點等。轉錄組研究的主要技術：微陣列（microarray）基因表達系列分析（SAGE）大規(guī)模平行信號測序系統(tǒng)（MPSS）第26章組學與醫(yī)學二、RNA組學研究非編碼RNA的集合除了mRNA以外，細胞內還存在著許多其他種類的小分子RNA，研究它們的種類、時空表達情況及其生物學意義便是RNA組學的范疇。這些小分子RNA包括snRNA、snoRNA、scRNA、催化性小RNA、siRNA、miRNA等。這些調控型小分子非編碼RNA，在基因的轉錄和翻譯、細胞分化和個體發(fā)育、遺傳和表觀遺傳等生命活動中發(fā)揮重要的組織和調控作用,從而形成了細胞中高度復雜的RNA網絡。第26章組學與醫(yī)學第三節(jié)蛋白質組學

Proteomics第26章組學與醫(yī)學蛋白質組學（proteomics）以細胞、組織或機體在特定時間和空間上表達的所有蛋白質即蛋白質組（proteome）為研究對象，分析細胞內動態(tài)變化的蛋白質組成、表達水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質之間的相互作用與聯(lián)系，并在整體水平上研究蛋白質調控的活動規(guī)律，故又稱為全景式蛋白質表達譜（globalproteinexpressionprofile）分析。第26章組學與醫(yī)學蛋白質組研究相關的數據庫蛋白序列數據庫（SWISS-PROT/TrEMBL；）、基因序列數據庫（GenBank，EMBL；，）、蛋白質模式數據庫（Prosite；）、蛋白質二維凝膠電泳數據庫、蛋白質三維結構數據庫（PDB，；FSSP，），蛋白翻譯后修飾數據庫（O-GLYCBASE，）第26章組學與醫(yī)學一、蛋白質組學研究細胞內所有蛋白質的組成及其活動規(guī)律蛋白質組學的研究主要涉及兩個方面：一是蛋白質組表達模式的研究，即結構蛋白質組學（structuralproteomics）；二是蛋白質組功能模式的研究，即功能蛋白質組學（functionalproteomics）。（一）蛋白質鑒定是蛋白質組學的基本任務（二）翻譯后修飾的鑒定有助于蛋白質功能的闡明（三）蛋白質功能確定是蛋白質組學的根本目的第26章組學與醫(yī)學二、二維電泳和質譜是蛋白質組學研究的常規(guī)技術二維凝膠電泳（2-DE）技術、質譜（MS）技術以及大規(guī)模數據處理仍然是蛋白質組學的三大基本支撐技術。蛋白質組學研究的主要技術路線有兩條：①以2-DE分離為核心的研究路線：混合蛋白首先通過2-DE分離，然后進行膠內酶解，再用質譜進行鑒定。②以色譜分離為核心的技術路線：混合蛋白先進行酶解，經色譜或多維色譜分離后，對肽段進行串聯(lián)質譜分析以實現蛋白的鑒定。第26章組學與醫(yī)學（一）二維電泳是分離蛋白質組的有效方法2-DE是分離蛋白質組最基本的工具，其原理是蛋白質在高壓電場作用下先進行等電聚焦（isoelectricfocusing，IEF）電泳，利用蛋白質分子的等電點不同使蛋白質得以分離；隨后進行SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS），按蛋白質分子量的大小進行分離。第26章組學與醫(yī)學蛋白質的二維電泳第26章組學與醫(yī)學（二）質譜技術是蛋白質組鑒定的重要工具1．用肽質量指紋圖譜鑒定蛋白質2．用串聯(lián)質譜鑒定蛋白質蛋白質經過酶解成肽段后，獲得所有肽段的分子質量，形成一個特異的肽質量指紋圖譜（PMF），通過數據庫搜索與比對，便可確定待分析蛋白質分子的性質。用PMF方法不能鑒定的蛋白質可通過質譜技術獲得該蛋白質一段或數段多肽的串聯(lián)質譜（MS/MS）信息并通過數據庫檢索來鑒定該蛋白質。第26章組學與醫(yī)學蛋白質的質譜分析第26章組學與醫(yī)學三、蛋白質相互作用研究是認識蛋白質功能的重要內容蛋白質-蛋白質相互作用是維持細胞生命活動的基本方式。研究蛋白質相互作用常用的方法有酵母雙雜交、親和層析、免疫共沉淀、蛋白質交聯(lián)、熒光共振能量轉移（FRET）等。第26章組學與醫(yī)學第四節(jié)代謝組學Metabonomics第26章組學與醫(yī)學代謝組學（metabonomics）就是測定一個生物/細胞中所有的小分子（Mr

1000d）組成，描繪其動態(tài)變化規(guī)律，建立系統(tǒng)代謝圖譜，并確定這些變化與生物過程的聯(lián)系。第26章組學與醫(yī)學一、代謝組學的任務是分析生物/細胞代謝產物的全貌代謝組學分為四個層次：①代謝物靶標分析：對某個或某幾個特定組分的分析；②代謝譜分析：對一系列預先設定的目標代謝物進行定量分析；③代謝組學：對某一生物或細胞所有代謝物進行定性和定量分析；④代謝指紋分析：不分離鑒定具體單一組分，而是對代謝物整體進行高通量的定性分析。第26章組學與醫(yī)學代謝組學主要以生物體液為研究對象，如血樣、尿樣等，另外還可采用完整的組織樣品、組織提取液或細胞培養(yǎng)液等進行研究。第26章組學與醫(yī)學二、核磁共振、色譜及質譜是代謝組學的主要分析工具①NMR：是當前代謝組學研究中的主要技術。代謝組學中常用的NMR譜是氫譜（1H-NMR）、碳譜（13C-NMR）及磷譜（31P-NMR）；②MS：按質荷比（m/z）進行各種代謝物的定性或定量分析，可得到相應的代謝產物譜；③色譜-質譜聯(lián)用技術：這種聯(lián)用技術使樣品的分離、定性、定量一次完成，具有較高的靈敏度和選擇性。目前常用的聯(lián)用技術包括氣相色譜-質譜聯(lián)用（GC-MS）和液相色譜-質譜聯(lián)用（LC-MS）。第26章組學與醫(yī)學代謝組學研究的技術系統(tǒng)及手段第26章組學與醫(yī)學三、代謝組學數據依賴模式識別技術進行分析代謝組學所得信息可利用模式識別技術進行數據分析，以達到對樣本分類或判別的目的，包括無監(jiān)督模式識別和有監(jiān)督模式識別兩類。第26章組學與醫(yī)學無監(jiān)督方法主要用于采用原始譜圖信息或預處理后的信息對樣本進行歸類。應用最廣泛的是主成分分析（PCA）和聚類分析。有監(jiān)督的方法包括人工神經網絡（ANNs）、偏最小二乘（PLS）、判別函數分析（DFA）等。主成分分析法是模式識別方法。通過將分散于一組變量上的信息集中于幾個綜合指標上，利用主成分描述機體代謝的變化情況。第26章組學與醫(yī)學第五節(jié)其他組學

第26章組學與醫(yī)學一、糖組學研究生命體聚糖多樣性及其生物學功能糖組學（glycomics）側重于糖鏈組成及其功能的研究，其主要研究對象為聚糖，具體內容包括研究糖與糖之間、糖與蛋白質之間、糖與核酸之間的聯(lián)系和相互作用。第26章組學與醫(yī)學（一）糖組學分為結構糖組學與功能糖組學兩個分支糖組（glycome）指單個個體的全部聚糖，糖組學則對糖組（主要針對糖蛋白）進行全面的分析研究，包括結構和功能兩方面內容，可為結構糖組學（structuralglycomics）和功能糖組學（functionalglycomics）兩個分支。糖組學主要要回答4個方面的問題：①什么基因編碼糖蛋白，即基因信息；②可能糖基化位點中實際被糖基化的位點；③聚糖結構，即結構信息；④糖基化功能，即功能信息。第26章組學與醫(yī)學（二）色譜分離/質譜鑒定和糖微陣列技術是糖組學研究的主要技術1．色譜分離與質譜鑒定技術2．糖微陣列技術3．生物信息學糖微陣列技術是生物芯片中的一種，是將帶有氨基的各種聚糖共價連接在包被有化學反應活性表面的玻璃芯片上，一塊芯片上可排列200種以上的不同糖結構，幾乎涵蓋了全部末端糖的主要類型。第26章組學與醫(yī)學（三）糖組學與腫瘤的關系密切已報道有多種血清糖蛋白可作為腎細胞癌、乳腺癌、結直腸癌等的標記物；糖基化改變普遍存在于腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中，分析糖基化修飾對于深入研究腫瘤的發(fā)生機制及診斷治療有著重要的價值；糖基化差異也可用于構建特異的多糖類癌癥疫苗，以發(fā)展新的免疫治療策略。第26章組學與醫(yī)學二、脂組學揭示生命體脂質多樣性及其代謝調控脂組學（lipidomics）就是對生物樣本中脂質進行全面系統(tǒng)的分析，從而揭示其在生命活動和疾病中發(fā)揮的作用。第26章組學與醫(yī)學（一）脂組學是代謝組學的一個分支脂組學的研究內容為生物體內的所有脂質分子，并以此為依據推測與脂質作用的生物分子的變化，揭示脂質在各種生命活動中的重要作用機制。通過研究脂質提取物，可獲得脂質組（lipidome）的信息，了解在特定生理和病理狀態(tài)下脂質的整體變化。第26章組學與醫(yī)學（二）脂組學研究的三大步驟——分離、鑒定和數據庫檢索1．樣品分離2．脂質鑒定3．數據庫檢索脂質主要從細胞、血漿、組織等樣品中提取。常規(guī)的技術有薄層色譜、氣相色譜-質譜聯(lián)用、電噴霧質譜、液相色譜-質譜聯(lián)用、高效液相色譜-芯片-質譜聯(lián)用、超高效液相色譜-質譜聯(lián)用、超高效液相色譜-傅立葉變換質譜聯(lián)用等。第26章組學與醫(yī)學（三）脂組學促進脂質生物標志物的發(fā)現和疾病診斷發(fā)現疾病相關的診斷標志物是進行疾病診斷的關鍵。脂組學所提供的方法能夠監(jiān)測患者與正常人之間的脂質變化，從中找到差異較大的脂質化合物，作為疾病早期診斷的指標。溶血磷脂酸在卵巢癌的診斷中表現出高度的敏感性和特異性，能夠作為早期診斷卵巢癌及術后隨訪的生物學標志物。第26章組學與醫(yī)學第六節(jié)組學在醫(yī)學上的應用第26章組學與醫(yī)學一、疾病基因組學闡明疾病發(fā)病機制（一）定位克隆技術是發(fā)現和鑒定疾病基因的重