生物化學(xué)及分子生物學(xué)人衛(wèi)第九版-27組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

作者:楊生生焦炳華單位:海軍軍醫(yī)大學(xué)第27章

組學(xué)與系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)第1頁第一節(jié)基因組學(xué)第二節(jié)轉(zhuǎn)錄組學(xué)第三節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)第四節(jié)代謝組學(xué)第五節(jié)其它組學(xué)第六節(jié)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)及其應(yīng)用第2頁重點(diǎn)難點(diǎn)熟悉了解掌握基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等概念及其研究?jī)?nèi)容系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)、分子醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等內(nèi)涵糖組學(xué)、脂組學(xué)研究?jī)?nèi)容；系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)在當(dāng)代醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用第3頁基因組學(xué)第一節(jié)第4頁結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）比較基因組學(xué)（comparativegenomics）功效基因組學(xué)（functionalgenomics）基因組學(xué)是說明整個(gè)基因組結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系以及基因之間相互作用科學(xué)第5頁一、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)揭示基因組序列信息L.Yanetal.PNAS;100:6263-6268遺傳圖譜(geneticmap)物理圖譜(physicalmap)序列圖譜(sequencemap)第6頁1.遺傳作圖就是繪制連鎖圖（一）經(jīng)過遺傳作圖和物理作圖繪制人類基因組草圖第一代多態(tài)性標(biāo)識(shí)：限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性-RFLP第二代多態(tài)性標(biāo)識(shí)：可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列-VNTR第三代多態(tài)性標(biāo)識(shí)：?jiǎn)魏塑账岫鄳B(tài)性-SNP遺傳作圖（geneticmapping）:就是確定連鎖遺傳標(biāo)志位點(diǎn)在一條染色體上排列次序及它們之間相對(duì)遺傳距離，用厘摩爾根（centi-Morgan，cM）表示，當(dāng)兩個(gè)遺傳標(biāo)識(shí)之間重組值為1%時(shí)，圖距即為1cM。

慣用遺傳標(biāo)志第7頁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（physicalmapping）以物理尺度（bp或kb）標(biāo)示遺傳標(biāo)志在染色體上實(shí)際位置和它們間距離，是在遺傳作圖基礎(chǔ)上繪制更為詳細(xì)基因組圖譜。

慣用物理作圖方法熒光原位雜交圖（fluorescentinsituhybridizationmap，F(xiàn)ISHmap）限制性酶切圖（restrictionmap）連續(xù)克隆系圖（clonecontigmap）第8頁遺傳圖譜與物理圖譜示意

遺傳圖譜標(biāo)示了分子標(biāo)志間相對(duì)距離，以cM標(biāo)示物理圖譜標(biāo)示了分子標(biāo)志間絕對(duì)距離，以kb表示第9頁（二）經(jīng)過EST文庫繪制轉(zhuǎn)錄圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜又稱為cDNA圖或表示圖（expressionmap），是一個(gè)以表示序列標(biāo)簽（expressedsequencetag，EST）為標(biāo)識(shí)，依據(jù)轉(zhuǎn)錄次序位置和距離繪制分子遺傳圖譜。

EST是指從cDNA文庫中隨機(jī)選取某一克隆進(jìn)行測(cè)序所取得cDNA5'-或3'-末端序列，每個(gè)EST長(zhǎng)度普通在300~500bp之間就能夠包含已表示該基因信息。第10頁基因圖譜中序列標(biāo)簽位點(diǎn)（STS）和表示序列標(biāo)簽（EST）分布示意第11頁（三）經(jīng)過BAC克隆系和鳥槍法測(cè)序等構(gòu)建序列圖譜BAC文庫構(gòu)建與鳥槍法測(cè)序流程示意圖第12頁二、比較基因組學(xué)判別基因組相同性和差異性種間比較基因組學(xué)說明物種間基因組結(jié)構(gòu)異同種內(nèi)比較基因組學(xué)說明群體內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)變異和多態(tài)性比較基因組學(xué)是在基因組序列基礎(chǔ)上，經(jīng)過與已知生物基因組比較，判別基因組相同性和差異性，首先可為說明物種進(jìn)化關(guān)系提供依據(jù)，另首先可依據(jù)基因同源性預(yù)測(cè)相關(guān)基因功效。研究?jī)?nèi)容第13頁三、功效基因組學(xué)系統(tǒng)探討基因活動(dòng)規(guī)律EJIFCC.;19(1):22–30.基因組表示基因組功效注釋基因組表示調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及機(jī)制第14頁四、ENCODE識(shí)他人類基因組全部功效元件NHGRI于年9月開啟了DNA元件百科全書（ENCyclopediaOfDNAElements，ENCODE）計(jì)劃；該計(jì)劃意在解析人類基因組中全部功效性元件，內(nèi)容包含編碼基因、非編碼基因、調(diào)控區(qū)域、染色體結(jié)構(gòu)維持和調(diào)整染色體復(fù)制動(dòng)力DNA元件等。/ENCODE/第15頁（一）ENCODE是HGP延續(xù)與深入ENCODE研究?jī)?nèi)容與策略第16頁（二）ENCODE已取得主要階段性結(jié)果人類基因組大部分序列（80.4%）含有功效；人類基因組中有399,124個(gè)區(qū)域含有增強(qiáng)子樣特征，70,292個(gè)區(qū)域含有開啟子樣特征；RNA產(chǎn)生和加工與開啟子結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性親密相關(guān)；非編碼功效元件富含與疾病相關(guān)SNP，大部分疾病表型與轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)。第17頁轉(zhuǎn)錄組學(xué)第二節(jié)第18頁轉(zhuǎn)錄組（transcriptome）:指生命單元（通常是一個(gè)細(xì)胞）所能轉(zhuǎn)錄出來全部轉(zhuǎn)錄本，包含mRNA、rRNA、tRNA和其它非編碼RNA總和。轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）：是在整體水平上研究細(xì)胞編碼基因（編碼RNA和蛋白質(zhì)）轉(zhuǎn)錄情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律科學(xué)。第19頁一、轉(zhuǎn)錄物學(xué)全方面分析基因表示譜Leukemia.

;27(4):992-5大規(guī)模基因表示譜（expressionprofile）分析第20頁二、轉(zhuǎn)錄組研究采取整體性分析技術(shù)微陣列（microarray）基因表示系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）大規(guī)模平行信號(hào)測(cè)序系統(tǒng)（massivelyparallelsignaturesequencing,MPSS）第21頁微陣列技術(shù)基本步驟（一）微陣列是大規(guī)?；蚪M表示譜研究主要技術(shù)/10000533/dna-microarray-technology/第22頁基因表示系列分析(SAGE)（二）SAGE在轉(zhuǎn)錄物水平研究細(xì)胞或組織基因表示模式/findings/index.html第23頁大規(guī)模平行信號(hào)測(cè)序系統(tǒng)(MPSS)/probe/docs/techmpss/（三）MPSS是以序列測(cè)定為基礎(chǔ)基因表示譜高通量分析新技術(shù)第24頁（一）高通量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序是取得基因表示調(diào)控信息基礎(chǔ)（二）單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組有利于解析單個(gè)細(xì)胞行為分子基礎(chǔ)三、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析是轉(zhuǎn)錄組學(xué)關(guān)鍵任務(wù)第25頁蛋白質(zhì)組學(xué)第三節(jié)第26頁蛋白質(zhì)組（proteome）是指細(xì)胞、組織或機(jī)體在特定時(shí)間和空間上表示全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）以全部這些蛋白質(zhì)為研究對(duì)象，分析細(xì)胞內(nèi)動(dòng)態(tài)改變蛋白質(zhì)組成、表示水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間相互作用與聯(lián)絡(luò)，并在整體水平上說明蛋白質(zhì)調(diào)控活動(dòng)規(guī)律，故又稱為全景式蛋白質(zhì)表示譜（globalproteinexpressionprofile）分析。第27頁1.蛋白質(zhì)種類和結(jié)構(gòu)判定是蛋白質(zhì)組研究基礎(chǔ)（一）蛋白質(zhì)判定是蛋白質(zhì)組學(xué)基本任務(wù)2.翻譯后修飾判定有利于蛋白質(zhì)功效說明一、蛋白質(zhì)組學(xué)研究細(xì)胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)組成及其活動(dòng)規(guī)律（二）蛋白質(zhì)功效確定是蛋白質(zhì)組學(xué)根本目標(biāo)1.各種蛋白質(zhì)均需要判定其基本功效特征2.蛋白質(zhì)相互作用研究是認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)功效主要內(nèi)容第28頁二、二維電泳、液相分離和質(zhì)譜是蛋白質(zhì)組研究常規(guī)技術(shù)基于二維（雙向）凝膠電泳（two-dimensionalgelelectrophoresis，2-DE）分離為關(guān)鍵研究路線；基于液相色譜（liquidchromatography，LC）分離為關(guān)鍵技術(shù)路線。蛋白質(zhì)組研究主要有兩條技術(shù)路線第29頁（一）2-DE-MALDI-MS依據(jù)等電點(diǎn)和分子量分離判定蛋白質(zhì)1．2-DE是分離蛋白質(zhì)組有效方法2．MALDI-MS判定2-DE膠內(nèi)蛋白質(zhì)點(diǎn)第30頁（二）LC-ESI-MS經(jīng)過液相層析技術(shù)分離判定蛋白質(zhì)1．層析分離肽混合物

從組織中提取目標(biāo)蛋白質(zhì)混合物首先進(jìn)行選擇性酶解，取得肽段混合物，然后進(jìn)行二維液相分離。2．電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜判定肽段

利用高電場(chǎng)使MS進(jìn)樣端毛細(xì)管柱流出液滴帶電，帶電液滴在電場(chǎng)中飛向與其所帶電荷相反電勢(shì)一側(cè)。液滴在飛行過程中變得細(xì)小而呈噴霧狀，被分析物離子化成為帶單電荷或多電荷離子，使被分析物得以判定。第31頁代謝組學(xué)第四節(jié)第32頁代謝組學(xué)（metabonomics）就是測(cè)定一個(gè)生物/細(xì)胞中全部小分子（Mr≤1000）組成，描繪其動(dòng)態(tài)改變規(guī)律，建立系統(tǒng)代謝圖譜，并確定這些改變與生物過程聯(lián)絡(luò)。第33頁一、代謝組學(xué)任務(wù)是分析生物/細(xì)胞代謝產(chǎn)物全貌①代謝物靶標(biāo)分析（metabolitetargetanalysis）：對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)特定組分進(jìn)行分析；②代謝譜分析（metabolicprofilinganalysis）：對(duì)一系列預(yù)先設(shè)定目標(biāo)代謝物進(jìn)行定量分析。如某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)化合物或某一代謝路徑中全部代謝物或一組由多條代謝路徑共享代謝物進(jìn)行定量分析；③代謝組學(xué)：對(duì)某一生物或細(xì)胞全部代謝物進(jìn)行定性和定量分析；④代謝指紋分析（metabolicfingerprintinganalysis）：不分離判定詳細(xì)單一組分，而是對(duì)代謝物整體進(jìn)行高通量定性分析。代謝組學(xué)分為四個(gè)層次第34頁二、核磁共振、色譜及質(zhì)譜是代謝組學(xué)主要分析工具①NMR：是當(dāng)前代謝組學(xué)研究中主要技術(shù)。代謝組學(xué)中慣用NMR譜是氫譜（1H-NMR）、碳譜（13C-NMR）及磷譜（31P-NMR）；②MS：按質(zhì)荷比（m/z）進(jìn)行各種代謝物定性或定量分析，可得到對(duì)應(yīng)代謝產(chǎn)物譜；③色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)：這種聯(lián)用技術(shù)使樣品分離、定性、定量一次完成，含有較高靈敏度和選擇性。當(dāng)前慣用聯(lián)用技術(shù)包含氣相色譜—質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用和液相色譜—質(zhì)譜（LC-MS）聯(lián)用。代謝組主要分析工具第35頁代謝組學(xué)研究技術(shù)系統(tǒng)及伎倆第36頁三、代謝組學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域含有遼闊應(yīng)用前景能夠提供疾?。ㄈ缫恍┠[瘤、肝臟疾病、遺傳性代謝病等）診療、預(yù)后和治療評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并有利于加深對(duì)疾病發(fā)生、發(fā)展機(jī)制了解；能夠快速檢測(cè)毒物和藥品在體內(nèi)代謝產(chǎn)物和對(duì)機(jī)體代謝影響，有利于判定毒物、藥品代謝規(guī)律，為深入說明毒物中毒機(jī)制和發(fā)展個(gè)體化用藥提供理論依據(jù)；利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)中酶功效進(jìn)行有效整體性分析，能夠發(fā)覺已知酶新活性并發(fā)掘未知酶功效；最終，因?yàn)榇x組學(xué)分析技術(shù)含有整體性、分辨率高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于中藥作用機(jī)制、復(fù)方配伍、毒性和安全性等方面研究，為中藥當(dāng)代化提供技術(shù)支撐。第37頁其它組學(xué)第五節(jié)第38頁（一）糖組學(xué)分為結(jié)構(gòu)糖組學(xué)與功效糖組學(xué)兩個(gè)分支（二）色譜分離/質(zhì)譜判定和糖微陣列技術(shù)是糖組學(xué)研究主要技術(shù)（三）糖組學(xué)與腫瘤關(guān)系親密一、糖組學(xué)碩士命體聚糖多樣性及其生物學(xué)功效第39頁（一）脂組學(xué)是代謝組學(xué)一個(gè)分支（二）脂組學(xué)研究三大步驟——分離、判定和數(shù)據(jù)庫檢索

1.樣品分離

2.脂質(zhì)判定 3.數(shù)據(jù)庫檢索（三）脂組學(xué)促進(jìn)脂質(zhì)生物標(biāo)志物發(fā)覺和疾病診療二、脂組學(xué)揭示生命體脂質(zhì)多樣性及其代謝調(diào)控第40頁系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)及其應(yīng)用第六節(jié)第41頁一、系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)是以整體性研究為特征一個(gè)整合科學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)（systemsbiology）是系統(tǒng)性地研究一個(gè)生物系統(tǒng)中全部組成成份（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）組成以及在特定條件下這些組分間相互關(guān)系，并分析生物系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)動(dòng)力學(xué)過程。系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)（systemsbiomedicine）應(yīng)用系統(tǒng)生物學(xué)原理與方法研究人體（包含動(dòng)物和細(xì)胞模型）生命活動(dòng)本質(zhì)、規(guī)律以及疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制，實(shí)際上就是系統(tǒng)生物學(xué)醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。第42頁（一）系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)強(qiáng)調(diào)機(jī)體組成要素和功效全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)從全方位、多層次（分子、細(xì)胞器、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體/基因型、環(huán)境因子、種群、生態(tài)系統(tǒng)）和整體性研究角度，揭示一個(gè)機(jī)體全部組成成份（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）組成，以及在特定條件下這些組分間相互關(guān)系及其效應(yīng)。第43頁（二）系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)將極大地推進(jìn)當(dāng)代醫(yī)學(xué)科學(xué)發(fā)展預(yù)測(cè)醫(yī)學(xué)（predictivemedicine）預(yù)防醫(yī)學(xué)（preventivemedicine）個(gè)性化醫(yī)學(xué)（personalizedmedicine）第44頁二、分子醫(yī)學(xué)是發(fā)展當(dāng)代醫(yī)學(xué)科學(xué)主要基礎(chǔ)分子醫(yī)學(xué)（molecularmedicine）就是從分子水平闡述疾病狀態(tài)下基因組結(jié)構(gòu)、功效及其表示調(diào)控規(guī)律，并從中發(fā)展當(dāng)代高效預(yù)測(cè)、預(yù)防、診療和治療伎倆。第45頁（一）疾病基因組學(xué)說明發(fā)病分子基礎(chǔ)（二）藥品基因組學(xué)揭示遺傳變異對(duì)藥品效能和毒性影響（三）疾病轉(zhuǎn)錄組學(xué)說明疾病發(fā)生機(jī)制并推進(jìn)新診治方式進(jìn)步（四）疾病蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)覺和判別藥品新靶點(diǎn)（五）醫(yī)學(xué)代謝組學(xué)提供新小分子疾病標(biāo)志物第46頁三、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是實(shí)現(xiàn)個(gè)體化醫(yī)學(xué)主要伎倆精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)（precisionmedicine）目標(biāo)就是全方面推進(jìn)個(gè)體基因組研究，依據(jù)個(gè)人基因組信息“量體裁衣”式制訂最正確個(gè)性化治療方案，以期到達(dá)療效最大化和副作用最小化。短期目標(biāo)——癌癥治療長(zhǎng)久目標(biāo)——健康管理第47頁四、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)是加速基礎(chǔ)研究實(shí)際應(yīng)用主要路徑轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)（translationalme