生物化學(xué)教學(xué)課件：Chapte 15 生物化學(xué)與新生物技術(shù)

第十五章生物化學(xué)與新生物技術(shù)Chapter15Biochemistryand

newbiotechnology主要內(nèi)容第一節(jié)基因組學(xué)（

Genomics）第二節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）第三節(jié)生物信息學(xué)（Bioinformatics）第四節(jié)生物芯片（Biochip）GenomicsDNA(Gene)FunctionalGenomicsTranscriptomicsRNAProteomicsPROTEINMetabolomicsMETABOLITETranscriptionTranslationEnzymaticreactionThe“omics”nomenclature…基因組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)轉(zhuǎn)錄學(xué)代謝學(xué)代謝產(chǎn)物功能性基因組學(xué)GenProte~omeSequenceofacompletesetofGenesProteins=GenProte~omics=AnalysisoftheGenomeProteomeAfewdefinitions…生命科學(xué)的發(fā)展新的生命學(xué)科和新的生物技術(shù)基因組學(xué)（

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

Genomics

一、基因組和基因組學(xué)的概念基因組（Genome）：指一個(gè)生物機(jī)體的一套完整的遺傳物質(zhì)；一種生物全部基因的集合。包括決定蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)的編碼區(qū)，以及非直接決定蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu)的非編碼區(qū)?；蚓幋a序列只占整個(gè)基因組序列的很小一部分。一個(gè)生物體只有一個(gè)確定的基因組，組成生物體的所有細(xì)胞都共享同一個(gè)基因組；基因組的大小基因組學(xué)(genomics)Genomics–studyofthesequence,structureandfunctionofthegenome.Studyrelationshipsamongsetsofgenesratherthansinglegenes.研究基因組序列、結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)。研究不同的全套基因（不是單個(gè)基因）之間的關(guān)系。1986年美國(guó)科學(xué)家ThomasRoderick提出了基因組學(xué)，指對(duì)所有基因進(jìn)行基因組作圖（包括遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)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(xué)。特點(diǎn)：是以基因組為研究單位，而不是單個(gè)基因基因組學(xué)的分類以全基因組物理結(jié)構(gòu)的作圖和測(cè)序?yàn)槟繕?biāo)（早期階段）又稱為后基因組學(xué)(postgenomics)。以基因功能鑒定為目標(biāo)。蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）生物信息學(xué)（Bioinformatics）生物芯片（Biochip）基因組學(xué)(genomics)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)功能基因組學(xué)(functionalgenomics)二、基因組圖譜(自學(xué)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(zhuǎn)錄圖譜為主，通過(guò)基因作圖、堿基序列分析來(lái)確定基因組成和基因定位。由于染色體不能直接用來(lái)測(cè)序，因此必須將基因組分解成為較易操作的小的結(jié)構(gòu)區(qū)域，這個(gè)過(guò)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(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)。基因組圖譜的類型基因組圖譜物理圖譜

(physicalmap)遺傳圖譜(geneticmap)表達(dá)（轉(zhuǎn)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(jì)劃（GenomeProject）：是指對(duì)人類以及其它生物體全基因組的測(cè)序工作(sequencing)。人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject，HGP）：90年代提出并已基本完成，是人類科學(xué)史上最偉大的壯舉之一，被譽(yù)為是生命科學(xué)中的登月計(jì)劃。。HistoryoftheHumanGenomeProject1990OfficialstartofHGPwith3billion$anda15yearhorizon.1999SangerCentrepublisheschromosome222001DraftGenomepublished:Celera&Public2003Completion(almost)ofHumanGenomeCelera:Dr.CraigVenterIntl.Cons:FrancisCollins人類基因組計(jì)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(zhì)組學(xué)Proteomics一、蛋白質(zhì)組學(xué)的涵義蛋白質(zhì)組（proteome）：是由澳大利亞學(xué)者Wilkins和Williams等人于1994年提出的。他們將“Protein”與“genome”雜合。一個(gè)基因組編碼的全部蛋白質(zhì)；（1995，Wilkins）一個(gè)基因組或組織所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)；（1997，Wilkins）在一個(gè)細(xì)胞的整個(gè)生命活動(dòng)過(guò)程中由基因組表達(dá)的以及表達(dá)后修飾的全部蛋白質(zhì)。（1999年，Nature）蛋白組學(xué)（Proteomics）：一門在整體水平上研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成、數(shù)量及其在不同生理?xiàng)l件下活動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。主要研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)過(guò)程中的時(shí)空表達(dá)、蛋白質(zhì)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(gè)生物體的蛋白質(zhì)組卻不只一個(gè)，隨時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境條件而不同。蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）二、蛋白質(zhì)組研究的技術(shù)簡(jiǎn)介（自學(xué)為主）蛋白質(zhì)組研究雙向電泳圖像數(shù)字化分析質(zhì)譜分析在細(xì)胞水平上對(duì)蛋白質(zhì)組進(jìn)行分離和分析的三大基本支撐技術(shù)：一個(gè)完整的蛋白質(zhì)組研究步驟包括：樣品制備蛋白質(zhì)檢測(cè)第一相等電聚焦第二相SDS圖譜數(shù)字化分析建立蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)譜分析三、蛋白質(zhì)組學(xué)的應(yīng)用前景確定一個(gè)蛋白質(zhì)功能最直接的方法是直接驗(yàn)證它的功能。功能蛋白質(zhì)組學(xué)（functionalproteomics）或比較蛋白質(zhì)組學(xué)，是一個(gè)相對(duì)較新的進(jìn)展，它可以直接進(jìn)行大規(guī)模蛋白質(zhì)功能測(cè)定。比較不同生長(zhǎng)時(shí)期蛋白質(zhì)組的差異，正常細(xì)胞和異常細(xì)胞蛋白質(zhì)組的差異等疾病蛋白質(zhì)組學(xué)：研究正常與疾病狀態(tài)下某一組織的蛋白質(zhì)組。1999年瑞士生物信息學(xué)研究所（CIB）和歐洲生物信息學(xué)研究所（EBI）發(fā)布了啟動(dòng)人類蛋白質(zhì)組研究計(jì)劃（humanproteomicsinitiative,HPI）。蛋白質(zhì)組學(xué)不僅在認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)上發(fā)揮重要作用，而且在應(yīng)用上也具有廣闊的前景。22第三節(jié)生物信息學(xué)

BiologicalData+ComputerCalculationsBioinformatics生物信息學(xué)一、生物信息學(xué)的涵義Bioinformatics

isthefieldofscienceinwhichbiology,computerscience,andinformationtechnologymergeintoasinglediscipline.Theultimategoalofthefieldistoenablethediscoveryofnewbiologicalinsightsandtocreateaglobalperspectivefromwhichunifyingprinciplesinbiologycanbediscerned.

/About/primer/bioinformatics.html

生物信息學(xué)(bioinformatics)：是生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)以及應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科相互滲透而形成的一門交叉學(xué)科。它以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，以數(shù)據(jù)庫(kù)為載體，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)實(shí)驗(yàn)生物學(xué)中產(chǎn)生的大量生物學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索、處理與分析，并用生物學(xué)知識(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋，從而闡明生命本質(zhì)及其變化規(guī)律。二、生物信息學(xué)的基本研究方法生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立世界著名的三大核心數(shù)據(jù)庫(kù)：PDB生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)SWISS-PROT蛋白質(zhì)系列數(shù)據(jù)庫(kù)GenBank核酸系列數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的檢索數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用一些重要的生物信息學(xué)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(xué)中心三、生物信息學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容（自學(xué)為主）1.基因組測(cè)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(guò)信息分析預(yù)測(cè)出來(lái)的。3.非編碼區(qū)結(jié)構(gòu)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(jìn)化的研究用生物信息學(xué)研究比較不同物種的核酸和蛋白質(zhì)的序列差異，在一定程度上可反映物種的進(jìn)化。生物信息學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容5.比較基因組學(xué)研究對(duì)不同生物的全基因組進(jìn)行比較分析。6.基因功能的研究采用生物信息學(xué)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(jié)構(gòu)模擬與藥物設(shè)計(jì)理論模擬、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與直接實(shí)驗(yàn)手段的結(jié)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(guān)。生物芯片將象計(jì)算機(jī)芯片一樣成為新世紀(jì)即將來(lái)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(diǎn)生物芯片（biochip）：生物芯片的概念來(lái)自計(jì)算機(jī)。實(shí)際上是一種微型多參數(shù)生物傳感器。指通過(guò)微電子、微加工技術(shù)在芯片表面構(gòu)建的一種微型生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，即在一個(gè)小的基片表面固定大量的分子識(shí)別探針或構(gòu)建微分析元件和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)核酸、DNA、蛋白質(zhì)及其他細(xì)胞組分的準(zhǔn)確、快速、大通量的篩選、分析或檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)序、定向反應(yīng)、概念分析等。生物芯片的特點(diǎn)：微型化自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)化生物芯片的類別基因芯片(Genechip)蛋白質(zhì)芯片(Proteinchip)芯片實(shí)驗(yàn)室生物芯片（biochip）用于DNA序列測(cè)定、基因表達(dá)譜鑒定和基因突變的檢測(cè)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(zhì)分子間的特異親和力，進(jìn)行蛋白組學(xué)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(guó)內(nèi)外概況Affymetrix開(kāi)發(fā)多種基因芯片(HIV,p53,p450等等)Hyseq開(kāi)發(fā)的薄膜測(cè)序芯片（標(biāo)記的探針為已知序列）Synteni(Incyte)兩種熒光標(biāo)記，mRNA表達(dá)情況Nanogen主動(dòng)式電子生物芯片，檢測(cè)速度更快Agilent(HP)CMS(Motorola)的eSensorTM利用雜交電信號(hào)檢測(cè)Stanford、Pennsylvania、MIT等國(guó)外大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)清華大學(xué)、東南大學(xué)、上海細(xì)胞所與陜西超群公司第四軍醫(yī)大與陜西高科集團(tuán)聯(lián)合基因科技公司與第一軍醫(yī)大復(fù)旦大學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京博奧臺(tái)灣、香港（HKtU、HKcityU,中藥篩選、白血病、腫瘤)生物芯片研究的國(guó)內(nèi)外概況二、生物芯片技術(shù)簡(jiǎn)介（自學(xué)為主）基因芯片技術(shù)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(cè)DNA樣品與之雜交，然后通過(guò)定性、定量分析得出待測(cè)樣品的基因系列及表達(dá)的信息?；蛐酒夹g(shù)①芯片制作把探針固定于載體表面②樣品準(zhǔn)備目標(biāo)分子富集③分子間的雜交④

結(jié)果檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析基因芯片在疾病診斷中的應(yīng)用腫瘤細(xì)胞等量結(jié)合探針與芯片雜交使用基因芯片對(duì)正常細(xì)胞和癌細(xì)胞進(jìn)行基因表達(dá)分析比較基因芯片雜交結(jié)果圖三、生物芯片的應(yīng)用（自學(xué)為主）

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