分子生物學(xué):第十二章 功能基因組學(xué)_第1頁
分子生物學(xué):第十二章 功能基因組學(xué)_第2頁
分子生物學(xué):第十二章 功能基因組學(xué)_第3頁
分子生物學(xué):第十二章 功能基因組學(xué)_第4頁
分子生物學(xué):第十二章 功能基因組學(xué)_第5頁
已閱讀5頁,還剩47頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

1、第十二章 功能基因組學(xué) 關(guān)于基因組學(xué)的研究,越來越多地放在對系統(tǒng)和整體的功能把握上,而信息技術(shù)的支持,使高通量的研究成為可能。本章介紹了功能基因組學(xué)研究中對生物大分子和生物活性小分子分析的相關(guān)技術(shù),以及功能基因組學(xué)的部分分支領(lǐng)域:藥物基因組學(xué)、中藥基因組學(xué)、疾病基因組學(xué)、化學(xué)基因組學(xué)和元基因組學(xué)的有關(guān)知識,還介紹了化學(xué)生物學(xué)與功能基因組學(xué)的關(guān)系。 第一節(jié) 功能基因組學(xué)的內(nèi)涵 第二節(jié) 功能基因組學(xué)相關(guān)技術(shù)第三節(jié) 功能基因組學(xué)的分支領(lǐng)域 第四節(jié) 中藥基因組學(xué)與中藥化學(xué)組學(xué) 第一節(jié) 功能基因組學(xué)的內(nèi)涵 功能基因組學(xué)(functional genomics)是以全面研究所有基因的功能為中心,并結(jié)合基因

2、功能解決生物醫(yī)學(xué)中的基礎(chǔ)和應(yīng)用問題的學(xué)科。 后基因組學(xué)時代九大變化趨勢, (1)由結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)轉(zhuǎn)變;(2)由基因組學(xué)向蛋白質(zhì)組學(xué)轉(zhuǎn)變;(3)由以作圖為基礎(chǔ)的基因鑒定向以序列為基礎(chǔ)的基因鑒定轉(zhuǎn)變;(4)由單基因病研究向多基因病研究轉(zhuǎn)變;(5)由對疾病的特異性診斷向疾病易感性監(jiān)測轉(zhuǎn)變;(6)由分析單個基因向分析基因家族、生化通路和系統(tǒng)中的多基因組合轉(zhuǎn)變;(7)由研究基因的作用向研究基因作用的調(diào)控機制轉(zhuǎn)變;(8)由研究疾病的病因(特異性突變)向研究疾病的病理發(fā)生(機制)轉(zhuǎn)變;(9)由研究單一種屬向研究多種種屬轉(zhuǎn)變。功能基因組研究內(nèi)容包括 以模式生物體作為功能基因組學(xué)的工具 基因組的表達

3、調(diào)控研究 基因組多樣性的研究 第二節(jié) 功能基因組學(xué)相關(guān)技術(shù) 2.1 基因打靶和基因敲除 基因打靶是指外源DNA分子與受體細胞染色體上的同源序列之間發(fā)生重組,并整合到預(yù)定位點,從而改變細胞遺傳特性的方法?;虼虬屑夹g(shù)能把外源基因引入到染色體DNA的特定片斷上,除了基因敲除的效果外,還可對宿主細胞染色體的基因進行精細的改造,還可以進行基因敲入。 2.2基因表達譜系分析 表達譜差異分析,主要包括基因表達譜和蛋白質(zhì)表達譜。 芯片(微陣列)技術(shù)是研究基因組織表達譜的利器。 2.3 基因芯片技術(shù) 基因芯片檢測基因突變,主要應(yīng)用于與腫瘤和遺傳疾病相關(guān)的基因多態(tài)性?;蚨鄳B(tài)性研究雖屬于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的范疇,但與

4、功能基因組學(xué)密不可分。其重點是研究基因多態(tài)性與表型的關(guān)系。 2.4 蛋白互作功能鑒定技術(shù) 酵母雙雜交系統(tǒng) ,免疫共沉淀,表面等離子共振技術(shù)(SPR) ,酵母雙雜交系統(tǒng)的工作原理 2.5細胞篩選技術(shù) 包括高通量細胞篩選技術(shù)和高內(nèi)涵細胞表型篩選技術(shù) 2.5.1高通量細胞篩選技術(shù) 除了與細胞表型或形態(tài)學(xué)相關(guān)的檢測指標外,細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、糖代謝、能量產(chǎn)生和代謝產(chǎn)物分析等也是基因功能重要的研究內(nèi)容。 2.5.2 高內(nèi)涵細胞表型篩選技術(shù) 高內(nèi)涵技術(shù)建立在自動高解析度光學(xué)/熒光顯微圖像獲取技術(shù)(硬件)和后續(xù)的自動數(shù)字圖像分析處理儲存技術(shù)(軟件)整合基礎(chǔ)之上。這種技術(shù)主要是用于各種細胞表型的篩選,如增殖、凋

5、亡、分化、衰老、細胞周期、黏附等細胞表型的變化等。 2.6 細胞芯片技術(shù) 通過基因轉(zhuǎn)染將候選基因?qū)爰毎蛑苯訉⒒虮磉_產(chǎn)物加入細胞培養(yǎng)液中。然后篩選有相應(yīng)變化的細胞。細胞芯片技術(shù)最初在2001年發(fā)明。將表達質(zhì)粒、凝膠核轉(zhuǎn)染試劑混合物,以點陣形式點樣到經(jīng)過包被的玻片上。再把細胞以鋪片方法覆蓋在點樣的玻片上。細胞可以攝取并表達點在玻片上的質(zhì)粒,結(jié)果一個質(zhì)粒DNA點僅僅轉(zhuǎn)染覆蓋在它上面的細胞,使得被轉(zhuǎn)染的細胞和DNA序列點陣以同樣形式排列在玻片上。 用于單細胞檢測和篩選的芯片 2.7 硅片基因克隆技術(shù) 不經(jīng)過有化學(xué)藥品的實驗室工作,將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)資料進行整理、分析和拼接,得到新基因全長序列,并對

6、其推導(dǎo)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能作初步預(yù)測,是一種高效多產(chǎn)的基因克隆方法,又稱硅片克隆。 硅片克隆的序列分析和基因定位 基因定位用電子PCR方法 2.8 功能基因組研究策略存在的問題 前提是細胞中mRNA的水平反映了蛋白質(zhì)表達的水平,但事實并不完全如此,從DNA到mRNA再到蛋白質(zhì),至少存在三個層次的調(diào)控。組織中mRNA豐度與蛋白質(zhì)豐度的相關(guān)性并不好,尤其對于低豐度蛋白質(zhì)來說,相關(guān)性更差。蛋白質(zhì)復(fù)雜的翻譯后修飾、蛋白質(zhì)的亞細胞定位或遷移、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用等,則幾乎無法從mRNA水平來判斷。 第三節(jié) 功能基因組學(xué)的分支領(lǐng)域 3.1 藥物基因組學(xué)3.1.1 藥物基因組學(xué)的定義藥物基因組學(xué)(phamaco

7、genomics),是一門利用HGP對基因結(jié)構(gòu)與功能研究的成就,來研究藥物對基因結(jié)構(gòu)和功能的影響,也即研究藥物與基因組的相互作用及其作用規(guī)律的學(xué)科 (也有譯為藥理基因?qū)W)。它是功能基因組學(xué)與分子藥理學(xué)的有機結(jié)合 。藥物基因組學(xué)不是發(fā)現(xiàn)新的基因,不是探明疾病的發(fā)生機理,不是預(yù)見發(fā)病風(fēng)險及診斷疾病,而是研究遺傳因素對藥物效應(yīng)的影響,確定藥物作用的靶點,即從表型到基因型的藥物反應(yīng)的個體多樣性的研究。 3.1.2 基于基因型的個體化治療 HGP測序研究結(jié)果表明,全人類各個個體之間有99.9%以上的基因堿基順序是相同的,各個體之間的差別僅僅在于基因中這不足0.1%的序列上。藥理基因組學(xué)就是要研究個體之間

8、在藥物代謝和效應(yīng)方面發(fā)生差別的遺傳基礎(chǔ)。 3.1.3 多態(tài)性與藥效的關(guān)系 基因多態(tài)性及表達水平的多態(tài)性與藥效的關(guān)系,可以有如下三類關(guān)系:(1) 基因多態(tài)性;(2) 表達水平多態(tài)性;(3) 基因多態(tài)性和微生物的抗藥性。 3.2 疾病基因組學(xué) 3.2.1 疾病基因組學(xué)的定義 疾病基因組學(xué)(也叫醫(yī)學(xué)基因組學(xué))就是研究人類疾病在基因水平上的發(fā)病機制。 3.2.2 單核苷酸多態(tài)性與疾病基因組學(xué) 在反義序列和已公布的250萬SNPs的基因組之間進行比較,這些SNP中可能僅僅一個部分證明與藥物反應(yīng)和疾病過程有關(guān),由此可確定所有功能性重要變異。 與疾病有關(guān)的一定的SNPs并不一定預(yù)示著必然發(fā)病。 3.2.3

9、定位候選基因 由于人類基因很快地被精確定位于染色體的不同區(qū)域,因此一旦某個疾病位點被定位(通過正?;蛐蛄泻图膊』蛐蛄袑Ρ染涂纱_定),就可從局部序列圖中挑選出結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)的基因,并對比加以分析,采用這種“定位候選基因”策略,就可在分子水平上找到治療的準確方法。 疾病基因型與表型存在多因素致病、多基因調(diào)控、涉及多個層次、臨床表形復(fù)雜等特征。 3.2.4 系統(tǒng)生物學(xué)思想 運用“序列結(jié)構(gòu)功能”的生物學(xué)觀點是疾病機制研究的基礎(chǔ)。當前從“相互作用網(wǎng)絡(luò)功能”的模式出發(fā),在轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組層次研究基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)的豐富信息成為后基因組學(xué)、生物信息學(xué)的前沿和熱點。功能基因組研究也開始朝復(fù)雜

10、系統(tǒng)的方向發(fā)展。這為復(fù)雜性疾病在大量已有數(shù)據(jù)資料的分析處理基礎(chǔ)上,由局部朝向整體,由孤立朝向系統(tǒng)提供了可能。 3.3 比較基因組學(xué) 來自不同生物的同源基因的相似性,可以提供未知基因的功能信息。通過一種生物的基因組信息,有助于了解另一種生物的基因組。 3.4 元基因組學(xué) 3.4.1 元基因組學(xué)的定義 把多種微生物聚居在一起形成的系統(tǒng)叫做“微生物群落”,也稱菌群。微生物生態(tài)群落中的所有微生物基因組的總和稱為“元基因組”。 分析菌群中微生物基因組序列和功能, 可以發(fā)現(xiàn)大量新的基因。這個方法,就是元基因組學(xué)。 3.4.2 人類元基因組計劃 人體內(nèi)生活著大量的“親密的陌生者”,它們的組成和活動與人的生長

11、發(fā)育、生老病死息息相關(guān),是我們離不了的“另一半”。它們就是人體內(nèi)的共生菌群。 人類元基因組是對生活在人體內(nèi)微生物基因組的統(tǒng)稱。 3.5化學(xué)基因組學(xué) 3.5.1 化學(xué)基因組學(xué)與化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)化學(xué)基因組學(xué)的研究,主要是在化學(xué)配基的合成、篩選和確認的精密技術(shù)快速發(fā)展的背景下產(chǎn)生的,整合了組合化學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、分子生物學(xué)、藥物學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù),采用具有生物活性的化學(xué)小分子配體作為探針,研究與人類疾病密切相關(guān)的基因、蛋白質(zhì)的生物功能,同時為新藥開發(fā)提供具有高親和性的藥物先導(dǎo)化合物。3.5.2 靶點發(fā)現(xiàn)的意義 藥物作用靶點的探測與驗證,是新藥發(fā)現(xiàn)階段中的重點和難點,成為制約新藥開發(fā)速度的瓶頸。

12、人類基因組計劃初步完成后,人體中可以做為潛在藥物作用的靶點,是人類過去100年中發(fā)現(xiàn)的靶點的20倍。大量潛在靶點的發(fā)現(xiàn)成為新藥研究的突破口。3.5.3 組合化學(xué) 組合化學(xué), 亦稱同步多重合成化學(xué),或組合合成化學(xué), 是一種將化學(xué)合成、組合理論、計算機輔助設(shè)計和機械手結(jié)為一體的技術(shù)。藥物化學(xué)家可在短時間內(nèi)將購買的或自己合成的不同結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)模塊, 通過化學(xué)合成或生物合成,以共價鍵系統(tǒng)地、反復(fù)地進行連接, 從而產(chǎn)生大批相關(guān)的化合物, 總稱為化合物庫。 合成的化合物庫提供給藥理學(xué)家進行藥理篩選,試驗它們的生物活性, 分離鑒定出活性化合物的結(jié)構(gòu),并且作為深入開發(fā)的目的物。如此就免除了單個化合物的單獨合成及

13、結(jié)構(gòu)測定, 大大簡化了藥物的發(fā)現(xiàn)過程。組合化學(xué)使短時間大量合成不同化合物成為可能。 3.5.4 化學(xué)基因組學(xué)的技術(shù)平臺(一) 用于小分子測定的質(zhì)譜技術(shù) (二) 核磁共振技術(shù) (三) 其他新技術(shù)如毛細管電泳技術(shù)、原子力顯微鏡技術(shù)、差式掃描量熱技術(shù)等等。 3.5.5 化學(xué)基因組學(xué)藥物發(fā)現(xiàn)模式 靶標的確認 高通量篩選 組合化學(xué)合成生物學(xué)功能測試等 3.5.6 化學(xué)基因組學(xué)的應(yīng)用 化學(xué)基因組學(xué)是以小分子配基的合成為背景產(chǎn)生的。小分子配體由于分子體積小可以自由進入細胞內(nèi)部,并與靶蛋白具有特異性的親和作用,這些特點使得小分子配體廣泛應(yīng)用于與藥物靶點相關(guān)的基因表達譜、蛋白質(zhì)表達譜和基因相互作用的全功能分析等

14、。 3.5.7化學(xué)基因組學(xué)的發(fā)展前景 哈佛大學(xué)Schreiber教授提出的化學(xué)基因組學(xué)的“一個基因一個化合物(one gene one compound)”計劃,即為每一個基因發(fā)現(xiàn)一個調(diào)控其功能的小分子化合物,用于功能基因組研究和藥物開發(fā)。 化學(xué)基因組學(xué)的目的,是為基因組中的每一個生物大分子(主要是蛋白質(zhì))尋找一類特異性結(jié)合小分子化合物(天然產(chǎn)物或合成化合物),再用這些化合物為探針研究基因組的功能以及發(fā)現(xiàn)新的藥物作用靶標、途徑和網(wǎng)絡(luò) 3.6 化學(xué)生物學(xué) 化學(xué)生物學(xué)是一門運用小分子化合物作為探針,研究基因組的功能、發(fā)現(xiàn)能夠調(diào)控基因功能的活性化合物的科學(xué) 。3.6.1由化學(xué)生物學(xué)驅(qū)動的功能基因組/

15、化學(xué)基因組學(xué)研究 系統(tǒng)生物學(xué)是系統(tǒng)性地研究一個生物系統(tǒng)中所有組成成分(基因、mRNA、蛋白質(zhì)、小分子代謝產(chǎn)物等)的構(gòu)成,以及在特定條件下這些組分間的相互關(guān)系。 3.6.2 由化學(xué)生物學(xué)驅(qū)動的細胞凋亡和信號傳導(dǎo)通路功能基因組研究 美國Harvard大學(xué)袁鈞瑛教授“化學(xué)生物學(xué)中的細胞水平篩選(Cell Based Screen in Chemical Biology)”的工作,發(fā)現(xiàn)可以選擇性抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力應(yīng)急導(dǎo)致的細胞凋亡的小分子的作用機制,利用正向化學(xué)生物學(xué)的方式來研究細胞凋亡過程信號傳導(dǎo)的機制,是新思路。 3.6.3 發(fā)展藥物作用新靶標、通路和網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)生物學(xué)方法 用化學(xué)生物學(xué)方法發(fā)現(xiàn)和確證藥

16、物作用新靶標的策略和方法,證明小分子化合物作為探針發(fā)現(xiàn)藥物靶標具有優(yōu)勢?;瘜W(xué)生物學(xué)方法,是計算化學(xué)與化學(xué)基因組學(xué)的整合。計算化學(xué)在功能基因組研究中具有應(yīng)用價值,生物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的計算模擬方法和策略也與計算化學(xué)相關(guān)。 3.6.4研究化學(xué)探針分子的設(shè)計、合成和生物轉(zhuǎn)化 多維特征化學(xué)庫的構(gòu)建,具有必要性?;衔锾结槑旖Y(jié)構(gòu)多樣性對于研究基因功能和發(fā)現(xiàn)新化合物實體十分重要。多維特征化合物庫是化合物多樣性的重要來源,必將在化學(xué)生物學(xué)及創(chuàng)新藥物研究中發(fā)揮重要作用。 第四節(jié) 中藥基因組學(xué)與中藥化學(xué)組學(xué) 中藥,指在中國的生物資源以及少量礦物資源基礎(chǔ)上,經(jīng)過長期實踐,被證明有疾病治療效果的天然藥物,其中的生物材料,是

17、以組織水平甚至是個體水平出現(xiàn)的。各國都有類似的天然藥物。 4.1 傳統(tǒng)的中藥藥性理論體系 中藥經(jīng)歷了幾千年的實踐,已證明是行之有效的疾病治療物質(zhì),并形成了一套完整的藥性理論體系,是祖國醫(yī)學(xué)理論體系中的重要組成部分,是指導(dǎo)中醫(yī)臨床用藥的重要依據(jù)。 一系列中藥有效成分的發(fā)現(xiàn)及產(chǎn)業(yè)化開發(fā),證明中藥理論及療效的確具有其物質(zhì)基礎(chǔ)。然而這些研究并沒有給中藥理論帶來應(yīng)有的繁榮,相反,甚至引起了中藥學(xué)研究和應(yīng)用危機。其原因是多方面的 。4.2 “中藥基因組學(xué)”與“中藥化學(xué)組學(xué)”的含義 “中藥基因組學(xué)”的含義,是通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段,結(jié)合傳統(tǒng)中藥理論和現(xiàn)代科學(xué)理論,將中藥的藥性、功能及主治,與其對特定疾病相關(guān)基因群表達和調(diào)控的影響關(guān)聯(lián)起來,在分子水平上用現(xiàn)代基因組學(xué),特別是功能或疾病基因組學(xué)的理論,來詮釋傳統(tǒng)中藥理論及作用機理。 “中藥化學(xué)組學(xué)”的含義,是通過現(xiàn)代技術(shù)手段結(jié)合傳統(tǒng)中藥理論和現(xiàn)代科學(xué)理論,闡明與中藥藥性、功能及主治有關(guān)的物質(zhì)基礎(chǔ),即藥效成分的組成、結(jié)構(gòu)、含量、相互作用及性質(zhì)等。 “中藥基因組學(xué)與化學(xué)組學(xué)”的理論依據(jù) (1)中藥的有效性 (2)基因功能異常引起疾病 (3)藥物有其相應(yīng)的作用靶標 (4)中藥有其作用的物質(zhì)基礎(chǔ) 4.3 研究的策略 研究策略是“翻譯”,即采用現(xiàn)代技術(shù)手

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論