人類后基因組時代

后基因組時代

（Post-genomeera)

8/3/20231基本概念基因（Gene）：生物體的遺傳單位，由脫氧核糖核酸（DNA）組成。DNA由4種核苷酸（A、T、C、G）組成。8/3/20232人類基因組的23對染色體8/3/20233從DNA到蛋白質(zhì)8/3/20234FromDNAtoHuman8/3/202358/3/202362000年是基因組之年，完成了人類基因組的工作框架圖，完成了一系列模式生物和微生物的基因組序列分析。8/3/20237我國94年啟動“中華民族基因組若干位點基因研究”“重大疾病相關(guān)基因研究”課題，99年承擔了人類基因組1%序列的測序任務(wù)，負責第3號染色體3千萬核苷酸的序列測定工作。8/3/20238人類后基因組時代的特點人類首次了解了自身的基因序列，了解了很多遠親生物的基因序列人類正在面對指數(shù)擴增的基因序列資料和各種數(shù)據(jù)庫人類面臨的挑戰(zhàn)是如何將基因序列資料轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫闹R，進而讓這些知識服務(wù)于人類，使之能夠造福于人類的健康。8/3/20239前基因組時代的“釣魚”和后基因組時代的“撈魚”8/3/202310后基因組時代研究的重要方向1.單基因遺傳病的致病基因研究和基因診斷我國有豐富的疾病資源，特別是一些我國特有的單基因遺傳病家系，可提供良好的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)新的致病基因.8/3/202311單基因遺傳病和復(fù)雜疾病8/3/2023122.復(fù)雜性疾病的相關(guān)基因研究和疾病易感性分析

在復(fù)雜性疾病的中，由于基因的變異加環(huán)境和生活習慣等因素的共同影響，使得每個人對不同的疾病的易感性不同。基因變異的一個重要的指標是單核苷酸多態(tài)性。8/3/202313

單核苷酸多態(tài)性（SingleNucleotidePolymorphisms，SNPs）

不同個體間在基因水平上的單核苷酸變異，平均每1000對鹼基出現(xiàn)一個SNP,2個無關(guān)個體間有300萬SNPs.8/3/202314SNP研究為了解疾病的發(fā)病機理，疾病的診斷及疾病易感性研究提供基礎(chǔ)。位于外顯子區(qū)并改變氨基酸序列的SNP以及位于基因表達調(diào)控區(qū)的SNP可能具有重要臨床意義和功能意義生物信息學可提供SNP的數(shù)據(jù)庫和功能預(yù)測8/3/202315可能具有重要功能意義的SNP位于外顯子區(qū)并改變氨基酸序列的SNP位于基因表達調(diào)控區(qū)如啟動子、增強子、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合區(qū)、加尾信號的SNP位于外顯子和內(nèi)含子交界區(qū)域的SNP8/3/2023163.藥物基因組學研究與個體化治療在臨床上對同樣一種疾病使用同一種藥物，不同的個體對藥物的敏感性和毒性反應(yīng)有很大的區(qū)別，這種區(qū)別主要由基因決定的,特別是藥物靶點基因、藥物代謝基因等的單核苷酸多態(tài)性，影響了藥物作用的強弱和藥物代謝的不同。8/3/2023174.人類功能基因組學研究

以全基因組為背景，開展人類基因及其編碼蛋白的功能研究。目前雖然完成了絕大部分基因的序列分析，但約60%的人類基因的功能未知。目前認為人類有3.2萬個基因，其中1.5萬已知功能，1.7萬未知功能。

8/3/202318人類功能基因組學研究涉及眾多的新技術(shù)，包括生物信息學技術(shù)、生物芯片技術(shù)、轉(zhuǎn)基因和基因敲除技術(shù)、酵母雙雜交技術(shù)、基因表達譜系分析、蛋白質(zhì)組學技術(shù)、高通量細胞篩選技術(shù)等。人類功能基因組學必須多學科協(xié)作生物信息學是人類功能基因組學研究的必要工具8/3/202319人類功能基因組計算機科學家生物化學家細胞生物學家結(jié)構(gòu)生物學家生理學家遺傳學家臨床和病理學家8/3/2023205.基于基因組的新型藥物（Genome-baseddrug）利用反向生物學原理，根據(jù)人類基因序列數(shù)據(jù)，經(jīng)生物信息學分析、高通量基因表達、高通量功能篩選和體內(nèi)外藥效研究開發(fā)得到的新藥候選物。8/3/202321人類基因序列生物信息學重組蛋白質(zhì)表達高通量生物活性篩選功能研究藥物靶標研究先導(dǎo)化合物篩選基因工程藥物開發(fā)化學新藥基因組藥物開發(fā)流程蛋白質(zhì)序列基因治療8/3/202322人類基因組與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)一個人類基因有可能帶動和形成一個生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)。例如基因工程的胰島素、干擾素等基因的開發(fā)研究基因組藥物、基因芯片、基因診斷、基因治療、實驗室儀器試劑、基因數(shù)據(jù)庫和分析軟件等8/3/202323人類基因組為藥物開發(fā)提供了新源泉迄今已應(yīng)用的人類藥物靶標約500種，包括受體、酶、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子等。開發(fā)成功的藥物約2000種。估計人類基因組中2-2.5萬個基因中，約5000個基因產(chǎn)物可成為潛在的藥物靶標8/3/2023248/3/202325基因組藥物的種類1?；蚬こ讨亟M蛋白質(zhì)藥物2。以人類基因編碼蛋白為靶標的化學藥物3。以人類基因編碼蛋白為靶標的人源化抗體4。反義核酸類和RNA類藥物5?；蛑委?/3/202326國際新藥開發(fā)的三個浪潮基因組學

藥物靶標發(fā)現(xiàn)、反義治療、基因治療蛋白質(zhì)組學

藥物靶標評價、藥物篩選、抗體治療、重組蛋白質(zhì)治療分子設(shè)計

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)確定、蛋白質(zhì)工程、以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的小分子藥物設(shè)計8/3/2023276.基因治療將人類基因?qū)肴梭w，糾正缺陷基因或輔助機體抵抗疾病。具有良好開發(fā)前景，但近期離產(chǎn)業(yè)化尚有距離。8/3/202328AshantideSilva,Now13,wasthefirstpatienttobetreatedwithgenetherapy.重癥聯(lián)合免疫缺陷的基因治療腺苷脫氨酶基因治療(1990)8/3/2023297.生物信息學（Bioinformatics）生物信息學需要處理指數(shù)擴增的海量基因和蛋白質(zhì)序列資料摩爾定律8/3/202330核酸序列的生物信息學分析結(jié)構(gòu)分析（基因組序列注釋）包括啟動子、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列、內(nèi)含子、外顯子、重復(fù)序列、開放讀碼框架等。同源分析和檢索，包括Nr數(shù)據(jù)庫、EST數(shù)據(jù)庫、STS數(shù)據(jù)庫、Unigene數(shù)據(jù)庫、Swissprot數(shù)據(jù)庫、HTGS數(shù)據(jù)庫等?；蛲蛔兎治霭‥ST數(shù)據(jù)庫，SNP數(shù)據(jù)庫等Data-mining從基因數(shù)據(jù)庫發(fā)掘重要的功能基因8/3/202331蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)分析：結(jié)構(gòu)特點分析，包括等電點、信號肽、穿膜區(qū)、DNA結(jié)合序列等同源分析和檢索，包括Nr數(shù)據(jù)庫、Swissprot數(shù)據(jù)庫等功能區(qū)分析，包括Prosite、Emotif、Identify分析等。8/3/202332蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫檢索，如PDB數(shù)據(jù)庫。蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)預(yù)測，如Homology等軟件分析。8/3/202333人類功能基因研究的二級數(shù)據(jù)庫要求提供未知功能的靶基因cDNA、基因組DNA、編碼區(qū)蛋白質(zhì)序列，應(yīng)有EST序列的支持。提供蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)，包括等電點、穿膜區(qū)、核定位信號、DNA結(jié)合域、功能區(qū)、特殊結(jié)構(gòu)分析結(jié)果等提供核酸和蛋白質(zhì)序列同源性分析的結(jié)果（應(yīng)定期更新）提供外顯子、內(nèi)含子、啟動子等基因組結(jié)構(gòu)的圖譜提供表達譜分析8/3/202334cDNA序列Nr數(shù)據(jù)庫EST數(shù)據(jù)庫HGP數(shù)據(jù)庫Unigen數(shù)據(jù)庫SNP數(shù)據(jù)庫同源序列檢索序列拼接；新剪切體分析基因組序列結(jié)構(gòu)表達譜分析基因變異cDNA序列的數(shù)據(jù)庫分析8/3/2023358。蛋白質(zhì)組學（Proteomics）研究細胞或組織的基因組表達的全部蛋白質(zhì)（表達蛋白質(zhì)組學，Expressionproteomics）通過細胞內(nèi)蛋白質(zhì)復(fù)合物研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用（細胞作圖蛋白質(zhì)組學，Cell-mapproteomics）雙相電泳技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)是蛋白質(zhì)組學研究的最重要技術(shù)8/3/2023368/3/202337蛋白質(zhì)2D電泳分析8/3/2023389。結(jié)構(gòu)基因組學高通量的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)分析，為蛋白質(zhì)的功能研究和藥物設(shè)計提供基礎(chǔ)8/3/20233910。模式生物和病原生物基因組學對其它生物進行全基因組序列分析,開展比較基因組學（comparativegenomics）研究。迄今至少已有5種真核生物，38種微生物完成全基因組序列分析8/3/202340模式生物的基因敲除（Knockout）小鼠、酵母、果蠅等生物的基因敲除8/3/202341我國在人類基因組計劃中取得了重要成果，但在功能基因組研究中尚處滯后階段人類功能基因組研究必須多學科、多實驗室協(xié)作完成，必須吸引功能實驗室和臨床實驗室參加對人類未知功能的基因進行系統(tǒng)性的功能和開發(fā)研究將成為我國生命科學知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的新生長點我國在人類基因組計劃中的研究現(xiàn)狀8/3/202342人類分泌蛋白二級數(shù)據(jù)庫的建立由于細胞因子、生長因子、蛋白質(zhì)激素等具有重要功能及應(yīng)用價值的生物學活性物質(zhì)均為小分子的分泌蛋白質(zhì)，從人類基因組中尋找未知功能的小分子分泌蛋白及編碼基因有可能發(fā)掘出新的細胞因子類生物活性物質(zhì)，為進一步的功能研究和基因工程藥物的開發(fā)研究提供源頭創(chuàng)新的靶基因。8/3/2023438/3/202344新細胞因子cDNA克隆化策略8/3/202345細胞因子（Cytokine）：由機體各種細胞分泌的具有調(diào)控細胞生長分化、調(diào)節(jié)免疫功能和生理活性并參與病理反應(yīng)的小分子肽或蛋白質(zhì)。包括：白細胞介素(IL)

集落刺激因子(CSF)腫瘤壞死因子(TNF)趨化因子(Chemokine)

轉(zhuǎn)化生長因子-(TGF-)

生長因子(GrowthFactor)

干擾素(IFN)等8/3/2023461.細胞因子的常規(guī)克隆化策略活性篩選發(fā)現(xiàn)細胞因子的活性線索細胞因子表達細胞提取mRNA逆轉(zhuǎn)錄成為cDNA克隆化至真核表達載體轉(zhuǎn)化大腸桿菌細胞因子活性篩選鑒定8/3/202347例1：IL-3猴T細胞系UCD-144MLA，可刺激CML細胞增殖。提取UCD-144MLA細胞mRNA，構(gòu)建含30000個克隆的cDNA表達文庫，提取質(zhì)粒DNA，分成100份，每份200個克隆，分別轉(zhuǎn)染COS-7細胞，上清測定刺激活性，8份具有活性，其中只有1份不被抗GM-CSF抗體所抑制，進一步有限稀釋法篩選，獲得猴IL-3cDNA，再經(jīng)雜交篩選人的基因文庫，獲得人IL-3序列（Cell1986，47：3，）。8/3/2023482.細胞因子產(chǎn)生細胞cDNA的大規(guī)模測序和生物信息學分析細胞因子產(chǎn)生細胞cDNA文庫大規(guī)模隨即測序基因和蛋白數(shù)據(jù)庫同源性比較與已知細胞因子有同源性的克隆全長cDNA克隆化真核原核表達活性篩選鑒定8/3/202349

例1：MPIF（MyeloidProgenitorInhibitoryFactor-1）：

從動脈內(nèi)皮細胞cDNA文庫大規(guī)模隨機測序，發(fā)現(xiàn)其中之一編碼氨基酸與MIP-1有51%同源性，昆蟲細胞表達蛋白具有趨化T細胞和單核巨噬細胞的活性，抑制骨髓細胞集落形成活性。（J.Exp.Med.1997,185:1163）?，F(xiàn)已作為造血細胞保護劑進入II期臨床實驗。8/3/202350例2：新白細胞介素的克隆化8/3/202351國內(nèi)第二軍醫(yī)大學曹雪濤，軍事醫(yī)學科學院賀福初，復(fù)旦大學余龍,毛裕民等均利用此策略發(fā)現(xiàn)一些新細胞因子。8/3/2023523.染色體中細胞因子聚集區(qū)的大規(guī)模測序例1：17對染色體存在CC趨化因子Cluster，通過適當?shù)腨AC克隆測序和生物信息學分析，克隆了MIP-4，與MIP-1有49.5%的同源性，趨化T細胞（Genomics1999Mar15;56(3):296-302）例2：在7q11.23發(fā)現(xiàn)Eotaxin-3（JBC，1999，274：27975）8/3/2023534．差異顯示技術(shù)克隆細胞因子利用同一細胞在不同條件下表達細胞因子的差異克隆新細胞因子，例如T細胞活化前低表達細胞因子，活化后則高表達細胞因子，利用DD-PCR、RDA、SSH等技術(shù)可克隆T細胞活化后高表達的基因，其中可能含有新細胞因子cDNA。8/3/2