基因組學(xué)與后基因組時代研究熱點(diǎn).ppt

1、第八章 基因組學(xué)和后基因組時代研究熱點(diǎn),Molecular Biology Course,第一節(jié) 基因組和基因組學(xué) 第二節(jié) 蛋白組學(xué) 第三節(jié) 代謝組學(xué) 第四節(jié) 人類元基因組計(jì)劃,本章內(nèi)容安排,重點(diǎn)掌握：,HGP 計(jì)劃的進(jìn)展及重要意義； 鳥槍法序列分析技術(shù)； HapMap計(jì)劃內(nèi)容 ； 人類元基因組計(jì)劃 基因組、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組、蛋白組學(xué)及代謝組學(xué)概念及進(jìn)展,基因研究是20世紀(jì)生命科學(xué)的主線, 20世紀(jì)的上半葉，以遺傳學(xué)為代表，生命科學(xué)通過對基因分離、獨(dú)立分配、連鎖及化學(xué)屬性等的研究，最后以作為遺傳信息載體的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出而告捷。, 20世紀(jì)下半葉，以分子生物學(xué)為代表，生命科學(xué)通過對基因

2、復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯及遺傳密碼的分析與破譯，最終以統(tǒng)一生命世界各層次，生命科學(xué)各分支的“中心法則”的問世而集成。, 20世紀(jì)90年代,隨著全球基因組計(jì)劃，尤其是人類基因組計(jì)劃(HGP)規(guī)模空前、速度驚人的推進(jìn)，基因研究已接近“登峰造極”，人類對生命世界的理性認(rèn)識達(dá)到了前所未有的深度與廣度。,第一節(jié)基因組和基因組學(xué)（Genome and Genomics ）,1.1 基因組（Genome）:,基因組一詞是從 genes 和 chromosomes 合成而來，用來描述生物的全部基因和染色體組成的概念。,1986年, 美國科學(xué)家 Thomas Roderick 首先提出了基因組學(xué) (genomics)

3、的概念。指對所有基因進(jìn)行基因組作圖（包括遺傳圖譜，物理圖譜和轉(zhuǎn)錄圖譜），核苷酸序列分析，基因定位和基因功能分析。, 基因組學(xué)應(yīng)該包括兩方面內(nèi)容：以全基因組測序?yàn)槟繕?biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué) (structural genomics) 和以基因功能鑒定為目標(biāo)的功能基因組學(xué) (functional genomics) ，后者又稱后基因組研究 (post-genome).,1986年月日，美國科學(xué)家、諾貝爾獎獲得者、腫瘤病毒專家雷托杜伯克在美國科學(xué)雜志上發(fā)表了一篇題為癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)人類基因組的全序列分析的短文，提出有關(guān)分析人類基因組全序列的重要科學(xué)構(gòu)想。,杜伯克在這篇文章后來被稱為“人類基因組計(jì)劃課題標(biāo)書”

4、 ，成為日后國際人類基因組計(jì)劃啟動和實(shí)施的重要推動力。 經(jīng)過反復(fù)討論，數(shù)易其稿，1990年美國國會正式批準(zhǔn)了人類基因組計(jì)劃。,1.2人類基因組計(jì)劃(human genome project, HGP ),1990年十月，國際人類基因組計(jì)劃啟動，美、英、日、法、德、中六國相繼加入其中。計(jì)劃用15年時間、30億美元的經(jīng)費(fèi)，測定大約30億堿基對的DNA序列和識別其中所有的基因。中國完成1的任務(wù)。, HGP的本質(zhì)是對人類基因組進(jìn)行作圖和序列測定，旨在破譯人類所有的遺傳信息。,In 1998, Craig Venter 挑戰(zhàn)國際人類基因組計(jì)劃,GREAT EXPECTATIONS 26th JUNE 2

5、000,The fully sequenced human genome: Without a doubt this is the most important and most wondrous map ever produced by mankind. This will symbolise the start of a new era of medical treatment and diagnosis which will have a profound effect on humankind for centuries to come., 2001年2月12日,美,日,德,法,英,中

6、六國科學(xué)家和美國賽萊拉公司聯(lián)合公布了人類基因組圖譜（草圖）及初步分析結(jié)果.,文特爾小組所做的人類基因組測序報(bào)告發(fā)表在科學(xué)雜志上（99%)，科林斯帶領(lǐng)的公共資金支持的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合體的報(bào)告同時發(fā)表在自然雜志上（85%)兩個研究組織同時公開他們的研究成果，但不是聯(lián)合研究的成果。私人公司公開與公共研究機(jī)構(gòu)叫板，最后與對手一起站在領(lǐng)獎臺上。,Shotgun sequencing determinate the genome sequence of Haemophilus influenzae (H. influenzae) “鳥槍法”測定流感嗜血桿菌（H. influenzae）基因組,步驟 將1.8Mb

7、 的基因組DNA 剪成很多隨機(jī)片段，平均長度1 kb； 將這些片段重組克隆到質(zhì)粒DNA載體； 從單個重組DNA菌落中制備DNA； 雙脫氧法測序； 用計(jì)算機(jī)程序?qū)λ鶞y序列組裝。,Mechanism of DNA shotgun sequencing,Sequencing Strategy of Human genome,人類基因組精細(xì)序列圖于2003年4月23日宣告完成，完成，但其中大量基因的結(jié)構(gòu)和功能尚不清楚。,與人類同步進(jìn)行基因組測序的模式生物有：大腸埃希菌、酵母、線蟲、果蠅、小鼠、擬南芥及一些與人類關(guān)系密切的哺乳動物。 Yeast is the first single-cellular

8、eukaryote sequenced (1996), 酵母是第一個完成測序的單細(xì)胞真核生物(1996)， Elegans is the first multicellular organisms sequenced (1998),線蟲是第一個完成測序的多細(xì)胞生物(1998) 。,其他生物基因組的研究,狗 2003.9 玉米 2003 10 蜜蜂 2004.1 小鼠（Mus musculus ） 2004. 10 腔棘魚 2004. 11 稻瘟病菌 (Magnaporthe Grisea ) 2005.4 海藻栽培品種壇紫菜 2005.4 變形蟲“阿米巴”（Dictyostelium disc

9、oideum）2005.5 Sino-Danish Pig Genome Project 2005.6 黑猩猩 2005.9 牛的全基因組 2006.8 石油去污菌的基因組 2006.8 聚羥基脂肪酸酯類(Polyhydroxyalkanoates,PHAs)產(chǎn)生菌富養(yǎng)羅爾斯通氏菌(RalstoniaeutrophaH16)基因組 2006.9 15種小鼠品系 2006.10 黑曲霉基因組測序 2007.2 Syntrophus aciditrophicus一種極端厭氧菌基因組 2007.4 恒河猴 2007.4 第一張馬基因組圖譜草圖公布 一種灰色短尾負(fù)鼠（Monodelphisdomest

10、ica）的基因組，首個有袋動物基因組 家貓基因組測序完成 九種靈長類動物分別為黑猩猩、大猩猩、倭黑猩猩、猩猩、長臂猿、短尾猿、狒狒、狨和狐猴。 屠志堅(jiān)等人參與完成伊蚊基因組測序工作 葡萄基因組測定完成 阿聯(lián)酋生技中心將測序海棗基因組 煙草基因組計(jì)劃 抗藥TB(結(jié)核桿菌）基因組序列公布 黑曲霉基因組測序計(jì)劃完成 人類基因組差異圖譜：在美國科學(xué)雜志評出的今年十大科學(xué)進(jìn)展中，有關(guān)“人類基因組差異”的研究被列為年度最重要的科學(xué)進(jìn)展。人類DNA堿基對因人而異，差異約為0.1%。這種差異使人有可能患癌癥等疾病，而且會影響藥物的療效。 雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者之一的詹姆斯沃森成為世界上首個擁有這種圖譜的人。,比較基

11、因組學(xué)(Comparative Genomics)： 是基于基因組圖譜和測序基礎(chǔ)上，對已知的基因和基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，來了解基因的功能、表達(dá)機(jī)理和物種進(jìn)化的學(xué)科。利用模式生物基因組與人類基因組之間編碼順序上和結(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)。,國際人類基因組單體型圖計(jì)劃(The international human genome haplotype map project, HapMap project),是描述人類基因組中最常見差異(SNP)的圖譜,將大大促進(jìn)疾病和人類進(jìn)化的研究。啟動于2002年10月29日，由加拿大、日本

12、、尼日利亞、中國、英國和美國六國11個研究中心的科學(xué)家共同承擔(dān)。其中，美國完成31，日本完成25，英國完成24，加拿大完成10，中國完成10的任務(wù)。此外，亞、非、歐裔各提供90份樣本。除了上世紀(jì)80年代在美國采集的歐裔樣本，亞裔樣本由中國和日本各提供一半，非裔樣本由尼日利亞提供。全部血樣品送到美國國立衛(wèi)生院下屬的人類遺傳細(xì)胞存儲中心，轉(zhuǎn)化成細(xì)胞株后統(tǒng)一提取成DNA分送至各參加中心進(jìn)行SNP分型檢定。,中國承擔(dān)的具體研究任務(wù)是3號、21號和8號染色體短臂單體型圖的繪制，以及提供45份亞裔樣品。該計(jì)劃“中國卷”的實(shí)施得到科技部、中國科學(xué)院、香港創(chuàng)新科技署和香港大學(xué)教育資助委員會的高度重視， 200

13、2年列入科技部“十五”國家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，撥款5000萬元。同時香港特區(qū)政府對參與HapMap“中國卷”的三所香港大學(xué)給予資助。2003年3月，中華單體型圖協(xié)作組在北京成立。,中科院北京基因組研究所所長楊煥明博士任主席。 從美國得州大學(xué)休斯頓醫(yī)學(xué)院回國，在基因組研究所擔(dān)任SNP研究項(xiàng)目的首席科學(xué)家及科研部部長的曾長青博士被委以重任，負(fù)責(zé)國際“人類基因組單體型圖”計(jì)劃的“中國卷”的實(shí)施與協(xié)調(diào)。 中科院北京基因組研究所負(fù)責(zé)3號染色體的大部分及其8號染色體短臂，約占整個基因組長度的6。 香港小組的港大平臺負(fù)責(zé)3號染色體短臂的70MB的一段區(qū)域，約占整個基因組的2.5。 國家人類基因組南方中心負(fù)責(zé)2

14、1號染色體的HapMap構(gòu)建，占整個基因組的1.1。,Nature：“And now for the proteome”（ 409:747,2001) Science：“Proteomics in genomeland” （ 291:1221,2001),第二節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics ）,蛋白質(zhì)組（ proteome）：,根據(jù)Wilkins Mr等的定義，Proteome一詞源于PROTEin與genOME的雜合，意指一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)； Swinbanks則指出proteome代表一完整生物的全套蛋白質(zhì)； Kahn P則認(rèn)為proteome反映不同細(xì)胞的不同蛋白質(zhì)組合。

15、由此可見，proteome的含義：一個基因組、一種生物或一種細(xì)胞/組織所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)。,What are Proteomics?,Study of the Proteome“,protein complement of the genome in a cell, tissue or organism“, proteins can be alternatively spliced and/or post-translationally modified (PTMs),Genome,Proteome,Cell-specific expression,stress,drugs,Metabolic

16、 state,Culture conditions,蛋白質(zhì)組研究的開端,Proteome一詞由Mare Wilkins于1994年在意大利Siena的一次2-DE會議上首次提出。 1995年，悉尼大學(xué)Humphery Smith I實(shí)驗(yàn)室與Williams等4家實(shí)驗(yàn)室合作，對至今已知最小的自我復(fù)制生物Mycoplasma genitalium（一種支原體）進(jìn)行了蛋白質(zhì)成分的大規(guī)模分離與鑒定，并在文獻(xiàn)中首次公開使用“proteome”一詞。,The smallest genome: Mycoplasma genitaium,1995年，分離和鑒定了一種最小的能自我復(fù)制的生物Mycoplasma

17、genitaium (580kb, 468ORFs)的全部蛋白質(zhì)，并首次提出蛋白質(zhì)組(Proteome)的概念。,一個獨(dú)立生存的細(xì)胞生命至少需要多少個基因和表達(dá)蛋白?,蛋白質(zhì)組研究的重要?dú)v史事件, 1994年，Marc Wilkins最早提出了蛋白質(zhì)組(Proteomics)的概念。 1995年，悉尼大學(xué)Humphery Smith 實(shí)驗(yàn)室與Willams等四家實(shí)驗(yàn)室共同分離與鑒定Mycoplasma genitaium的蛋白質(zhì)組，“Proteome”首次出現(xiàn)。(Electrophoresis, 1995, 16: 1090-4) 2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織(Human Proteome

18、 Organization, HUPO)宣告成立。 2002年，第一次國際人類蛋白質(zhì)組大會召開。 “人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃(Human Plasma Proteome Project, HPPP)” 和人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃(Human Liver Proteome Project, HLPP)首批執(zhí)行計(jì)劃啟動。,Eleven HUPO-sponsored Scientific Initiatives:,Human Liver Proteome Project (HLPP) ，中國牽頭的人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃。 Human Brain Proteome Project (HBPP)，德國牽頭的人類腦

19、蛋白質(zhì)組計(jì)劃。 Proteomic Standards Initiative (PSI)，英國牽頭的蛋白質(zhì)組標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃。 Human Antibody Initiative (HAI)，瑞士牽頭的大規(guī)?？贵w計(jì)劃。 Plasma Proteome Project (PPP) ，美國牽頭的人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃。 Mouse Models of Human Disease (MMHD)，加拿大牽頭的模式動物蛋白質(zhì)組計(jì)劃。 Human Disease Glycomics/Proteome Initiative (HGPI) ，日本科學(xué)家牽頭的糖蛋白質(zhì)組計(jì)劃。 HUPO Cardiovascular In

20、itiative (HUPO CVI)，英國牽頭的心血管蛋白質(zhì)組計(jì)劃。 Proteome Biology of Stem Cells Initiative ，新西蘭牽頭的干細(xì)胞蛋白質(zhì)組計(jì)劃。 Disease Biomarkers Initiatives，加拿大牽頭的疾病生物分子標(biāo)志計(jì)劃。 Human Kidney and Urine Proteome Project （HKUPP），日本牽頭的人類腎臟和尿蛋白質(zhì)組計(jì)劃。,第三節(jié)代謝組學(xué)Metabolomics,1999年，英國帝國理工學(xué)院尼科爾森等3名科研人員共同發(fā)表了第一篇“代謝組學(xué)”研究論文，一個新的學(xué)科從此誕生。短短7年，有關(guān)“代謝組學(xué)”

21、的研究論文和專利快速增長。隨著研究的深入，“代謝組學(xué)”在疾病的個性化治療、心血管病診斷、環(huán)境毒理等領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)撃堋?代謝組（Metabolome）：,指一個生物樣品（如生物體）所包含的一整套小分子代謝物（如代謝中間物、荷爾蒙及其他信號分子、次生代謝物等）。 Metabolome refers to the complete set of small-molecule metabolites (such as metabolic intermediates, hormones and other signalling molecules, and secondary metabolit

22、es) to be found within a biological sample, such as a single organism.,代謝組學(xué)Metabolomics: 屬物理學(xué)、分析化學(xué)、生物學(xué)的交叉研究領(lǐng)域，是系統(tǒng)生物學(xué)不可缺少的一部分。它把人體等生物系統(tǒng)作為一個完整的系統(tǒng)進(jìn)行研究，著重考察人體等生物系統(tǒng)的內(nèi)源性代謝物及其網(wǎng)絡(luò)在疾病和藥物作用下的變化規(guī)律。,繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后，代謝組學(xué)已成為生命科學(xué)和新藥研發(fā)領(lǐng)域又一個重要研究手段。代謝組學(xué)在中醫(yī)藥現(xiàn)代化研究領(lǐng)域具有特別廣泛的應(yīng)用前景。有專家預(yù)測，代謝組學(xué)是我國未來15年的研究重點(diǎn)之一。,“代謝組學(xué)”主要研究手段是基于核磁共

23、振波譜和質(zhì)譜的代謝產(chǎn)物分子質(zhì)量測定。 3年前，武漢物數(shù)所依托“波譜與原子分子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”,開始進(jìn)行“代謝組學(xué)”探索。去年，英國帝國理工學(xué)院唐惠儒博士回國加盟武漢物數(shù)所后，該所正式設(shè)立了“代謝組學(xué)分析”項(xiàng)目組，從“代謝組學(xué)”方法學(xué)的研究入手，為疾病早期診斷、中醫(yī)藥現(xiàn)代化、血吸蟲病防治等方面開展基礎(chǔ)性研究。,第四節(jié) 人類微生物群系項(xiàng)目(人類元基因組計(jì)劃) Human Microbiome Project (HMP),An enormous number of microorganisms, the vast majority of which are bacteria, colonize

24、and form specific communities (microbiota) at many human body sites. The human microbiota, including the most abundant gut microbiota, together with host cells forms a complex ecosystem that collaboratively conducts various biological processes. Thus, we must consider ourselves as superorganisms made up of both human cells and our indigenous microbes, whose composite genome is referred to as the human metagenome. The average human ad