組學(xué)與醫(yī)學(xué)課件

組學(xué)與醫(yī)學(xué)OmicsandMedicine組學(xué)（Omics）是一種基于組群或集合的認(rèn)識論注重事物之間的相互聯(lián)系，即事物的整體性后基因組學(xué)

基因組學(xué)(genomics)基因組（genome）一詞是1920年Winkles從gene和chromosome組成的，用于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ThomasRoderick提出了基因組學(xué)（Genomics）是闡明整個基因組的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及基因之間相互作用的科學(xué)?；蚪M學(xué)包括3個不同的亞領(lǐng)域結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)功能基因組學(xué)(functionalgenomics)比較基因組學(xué)(comparativegenomics)基因組學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的主要任務(wù)是基因組作圖和大規(guī)模測序

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)是通過HGP的實(shí)施來完成的。HGP的內(nèi)容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組DNA序列測定，因此HGP屬于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)范疇。1990年以來，開始了全球性基因組計(jì)劃（1990）large-scalesequencingonmodelorganisms(August)NIH(NationalInstitutesofHealth)beginslarge-scalesequencingtrialsonfourmodelorganisms:Mycoplasmacapricolum(支原體),Escherichiacoli(大腸桿菌）Caenorhabditiselegans(線蟲),Saccharomycescerevisiae(啤酒酵母)and……….(2001)DraftSequenceofHumanGenomePublishedTheHGPconsortiumpublishesitsworkingdraftinNature(15February),andCelerapublishesitsdraftinScience(16February).功能基因組學(xué)系統(tǒng)探討基因的活動規(guī)律功能基因組學(xué)的主要研究內(nèi)容包括基因組的表達(dá)、基因組注釋（genomeannotation）、基因組表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及其機(jī)制的研究等。第一節(jié)轉(zhuǎn)錄組學(xué)Transcriptomics

轉(zhuǎn)錄組（transcriptome）指生命單元（通常是一種細(xì)胞）所能轉(zhuǎn)錄出來的可直接參與蛋白質(zhì)翻譯的mRNA（編碼RNA）總和，而其他所有非編碼RNA均可歸為RNA組（RNome）。轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）是在整體水平上研究細(xì)胞編碼基因轉(zhuǎn)錄情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的科學(xué)。一、轉(zhuǎn)錄組學(xué)的概述

轉(zhuǎn)錄組的特點(diǎn)揭示不同物種、不同個體、不同細(xì)胞、不同發(fā)育階段及不同生理病理狀態(tài)下的基因差異表達(dá)信息轉(zhuǎn)錄組是動態(tài)可變的，受內(nèi)外多種因素的調(diào)節(jié)目前，轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究的側(cè)重點(diǎn)涉及基因轉(zhuǎn)錄的區(qū)域、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)、染色質(zhì)修飾點(diǎn)、DNA甲基化位點(diǎn)等。

二、轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究內(nèi)容

轉(zhuǎn)錄起始中心環(huán)節(jié)DNA水平轉(zhuǎn)錄水平轉(zhuǎn)錄后加工翻譯水平翻譯后加工啟動子、RNA聚合酶、調(diào)節(jié)蛋白真核RNA聚合酶Ⅱ在轉(zhuǎn)錄因子幫助下，形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。PolⅡTFⅡHTAFTFⅡFTAFTAFTFⅡATFⅡBTBPDNATATAEBPTBP轉(zhuǎn)錄活化染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生改變（a）組蛋白與DNA組成的核小體；（b）組蛋白的氨基端伸出核小體，形成組蛋白尾巴；（c）四種組蛋白組成的八聚體組蛋白的修飾直接影響染色質(zhì)或核小體的結(jié)構(gòu)化學(xué)修飾募集了其他調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)，為其他功能分子與組蛋白結(jié)合搭建了一個平臺。這些理論構(gòu)成了“組蛋白密碼”的假說。組蛋白氨基酸殘基位點(diǎn)修飾類型功能H3Lys-4甲基化激活H3Lys-9甲基化染色質(zhì)濃縮H3Lys-9甲基化DNA甲基化所必需H3Lys-9乙?；せ頗3Ser-10磷酸化激活H3Lys-14乙酰化防止Lys-9的甲基化H3Lys-79甲基化端粒沉默H4Arg-3甲基化H4Lys-5乙?；b配H4Lys-12乙?；b配H4Lys-16乙酰化核小體裝配H4Lys-16乙?；疐lyX激活組蛋白修飾對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的影響

CpG島甲基化水平降低CpG島（CpGisland)

：CpG雙核苷酸在人類基因組中的分布很不均一，而在基因組的某些區(qū)段，CpG保持或高于正常概率，這些區(qū)段被稱作CpG島。CpG島主要位于基因的啟動子和第一外顯子區(qū)域三、轉(zhuǎn)錄組的研究方法微陣列（microarray）基因表達(dá)系列分析技術(shù)（SAGE）大規(guī)模平行信號測序系統(tǒng)（MPSS）（一）微陣列cDNA芯片（GeneChip）是大規(guī)?；蚪M表達(dá)譜研究的主要技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)是可以同時對大量基因，甚至整個基因組的基因表達(dá)進(jìn)行對比分析用于大規(guī)模基因表達(dá)譜研究、快速檢測基因差異表達(dá)、鑒定致病基因或疾病相關(guān)基因是指將許多特定的cDNA片段有規(guī)律地緊密排列固定于單位面積的支持物上，然后與待測的熒光標(biāo)記樣品進(jìn)行雜交，雜交后用熒光檢測系統(tǒng)等對芯片進(jìn)行掃描，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對每一位點(diǎn)的熒光信號做出檢測、比較和分析，從而迅速得出定性和定量的結(jié)果。該技術(shù)亦被稱作微陣列(microarray)。cDNA芯片（GeneChip）基因芯片的探針TaggedRNAfragmentsflushedoverarrayLaseractivationoffluorescenttagsOpticalscanningofhybridizationintensities基因芯片的雜交實(shí)驗(yàn)基因芯片工作流程示意圖（二）SAGE

基因表達(dá)系列分析（serialanalysisofgeneexpression,SAGE）原理：cDNA3’端特定位置9～10bp的短序列，每一條都代表轉(zhuǎn)錄組中存在的一種mRNA主要應(yīng)用：全基因組基因表達(dá)分析、尋找差異基因、發(fā)現(xiàn)新基因。SAGE的原理SAGE的主要依據(jù)有兩個:1、一個9～10堿基的核苷酸序列標(biāo)簽包含有足夠的信息，能夠唯一確認(rèn)一種轉(zhuǎn)錄物。例如，一個9堿基序列能夠分辨262144個不同的轉(zhuǎn)錄物，而人類基因組估計(jì)僅有約3萬個基因，所以理論上每一個9堿基標(biāo)簽?zāi)軌虼硪环N轉(zhuǎn)錄物的特征序列。

2、如果能將9個堿基的標(biāo)簽集中于一個克隆中進(jìn)行測序，并將得到的短序列核苷酸順序以連續(xù)的數(shù)據(jù)形式輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，就能對數(shù)以千計(jì)的mRNA轉(zhuǎn)錄物進(jìn)行分析。①獲得能代表某一轉(zhuǎn)錄體特異性信息的標(biāo)簽(tag)約為9～14bp;②連接標(biāo)簽組成的DNA片段,即形成串聯(lián)體(Concatemer),進(jìn)行擴(kuò)增后測序分析,得到代表轉(zhuǎn)錄體信息的標(biāo)簽序列;③同一標(biāo)簽的重復(fù)次數(shù)代表該轉(zhuǎn)錄體的表達(dá)水平。常規(guī)SAGE方法的操作流程SAGE在生命科學(xué)中的應(yīng)用

SAGE是一項(xiàng)快捷、有效的基因表達(dá)研究技術(shù)1、動物基因組轉(zhuǎn)錄圖譜的構(gòu)建可以利用SAGE技術(shù)得到的特定的數(shù)據(jù)信息，將基因定位在染色體上，根據(jù)基因?qū)?yīng)的標(biāo)簽豐度，以染色體長度為橫軸，轉(zhuǎn)錄水平（標(biāo)簽豐度）為縱軸，繪制轉(zhuǎn)錄圖譜，這樣可以識別單純序列信息所不能預(yù)測的基因。2、動物基因功能的研究應(yīng)用SAGE研究未知基因的功能是其最主要的用途之一根據(jù)與未知基因表達(dá)圖譜一致或相似的已知基因，可以推測該新基因的功能Knoll等用SAGE技術(shù)和蛋白質(zhì)組學(xué)同時分析斑馬魚發(fā)育完全的卵泡中的基因表達(dá)，并與其它動物卵細(xì)胞的基因表達(dá)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)在27486個SAGE標(biāo)簽中有11339個表達(dá)水平不同，而且鼠李糖結(jié)合凝集素、β-肌動蛋白2和1個轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)與H2B組蛋白家族類似的3個基因在哺乳動物卵或未受精蛋中均高度表達(dá)，推測這3個基因可能參與了動物精子和胚胎的早期形成。

3、動物發(fā)病機(jī)制的研究疾病的發(fā)生多是由于正常的生理狀態(tài)下基因表達(dá)發(fā)生改變的結(jié)果通過比較分析發(fā)病組織細(xì)胞和正常組織細(xì)胞中基因表達(dá)的變化和差異，可以了解疾病發(fā)生、發(fā)展的過程，明確疾病發(fā)生的機(jī)制（三）MPSS大規(guī)模平行信號測序系統(tǒng)（massivelyparallelsignaturesequencing,MPSS）MPSS是以基因測序?yàn)榛A(chǔ)的新技術(shù)，其方法學(xué)基礎(chǔ)是一個標(biāo)簽序列(10~20bp)含有能夠特異識別轉(zhuǎn)錄子的信息，標(biāo)簽序列與長的連續(xù)分子連接在一起，便于克隆和序列分析。從生物樣品中提取mRNA，將mRNA分子轉(zhuǎn)換成cDNA通過固相克隆將該cDNA均勻地加載到特制的小分子載體表面，然后在小分子載體上進(jìn)行大量的PCR擴(kuò)增。將所有cDNA游離的一端進(jìn)行精確測序產(chǎn)生16至20個堿基。每一特定序列在整個生物樣品中所占的比例，就代表了含有該cDNA基因在樣品中的相對表達(dá)水平?；静僮髁鞒蹋篗PSS與基因芯片技術(shù)相比較,有下列優(yōu)點(diǎn):可以避免在cDNA芯片技術(shù)中出現(xiàn)的高度同源序列的交叉雜交，因此可以保證基因的高度特異性。MPSS的高分辨率可以檢測很低表達(dá)水平的基因;MPSS技術(shù)檢測基因不需要預(yù)先知道該基因的相關(guān)信息,可以應(yīng)用于任何生物體的基因表達(dá)檢測,而cDNA芯片技術(shù)需要將已知基因片段作為探針固定在片基上MPSS在生命科學(xué)中的應(yīng)用MPSS技術(shù)是基因表達(dá)定性和定量研究的一種有效工具

它能在短時間內(nèi)檢測細(xì)胞或組織內(nèi)全部基因的表達(dá)情況,并能通過與已知基因數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對,定量顯示出基因在細(xì)胞或組織內(nèi)的表達(dá)狀況（四）基因表達(dá)聚類分析轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究方法的應(yīng)用導(dǎo)致基因表達(dá)數(shù)據(jù)爆炸性增長。如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中提取有意義的生物學(xué)信息，已成為轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究熱點(diǎn)和技術(shù)瓶頸聚類分析技術(shù)能將待處理的對象分配到相應(yīng)的聚類中，使得同一聚類中的對象差別較小，不同聚類之間的對象差別較大聚類分析技術(shù)在轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究中，非常適合大批量分析基因群的功能四、轉(zhuǎn)錄組學(xué)的應(yīng)用辨別細(xì)胞的表型歸屬用于疾病的診斷尤其對于研究癌癥具有重大意義如自閉癥的診斷目前對自閉癥的診斷要靠長達(dá)十多個小時的臨床評估才能做出判斷基礎(chǔ)研究證實(shí)自閉癥不是由單一基因引起，而很可能是由一組不穩(wěn)定的基因造成的一種多基因病變，通過比對正常人群和患者的轉(zhuǎn)錄組差異，篩選出與疾病相關(guān)的具有診斷意義的特異性表達(dá)差異，一旦這種特異的差異表達(dá)譜被建立，就可以用于自閉癥的診斷，以便能更早地，甚至可以在出現(xiàn)自閉癥臨床表現(xiàn)之前就對疾病進(jìn)行診斷，并及早開始干預(yù)治療轉(zhuǎn)錄組的研究應(yīng)用于臨床的的另一個例子是可以將表面上看似相同的病癥分為多個亞型，尤其是對原發(fā)性惡性腫瘤，通過轉(zhuǎn)錄組差異表達(dá)譜的建立，可以詳細(xì)描繪出患者的生存期以及對藥物的反應(yīng)等等第二節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)

Proteomics蛋白質(zhì)組學(xué)概念的提出蛋白質(zhì)組(proteome)：PROTEOME=PROTEin+genOME最早是由澳大利亞學(xué)者Wilkins和Williams等人于1994年提出，并首次公開發(fā)表在1995年7月的Electrophoresis雜志上，指的是由一個細(xì)胞、一個組織或是一種生物的基因組所表達(dá)的全部相應(yīng)的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)組（proteome）意思是Proteinsexpressedbyagenome（基因組表達(dá)的所有蛋白質(zhì)）細(xì)胞、組織或機(jī)體在特定時間和空間上表達(dá)的所有蛋白質(zhì)即蛋白質(zhì)組（proteome）蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）以蛋白質(zhì)組為研究對象，分析細(xì)胞內(nèi)動態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成、表達(dá)水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，并在整體水平上研究蛋白質(zhì)調(diào)控的活動規(guī)律，故又稱為全景式蛋白質(zhì)表達(dá)譜（globalproteinexpressionprofile）分析。一、蛋白質(zhì)組學(xué)研究內(nèi)容蛋白質(zhì)組學(xué)的研究主要涉及兩個方面：一是蛋白質(zhì)組表達(dá)模式的研究，即結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)（structuralproteomics）；二是蛋白質(zhì)組功能模式的研究，即功能蛋白質(zhì)組學(xué)（functionalproteomics）。（一）蛋白質(zhì)鑒定是蛋白質(zhì)組學(xué)的基本任務(wù)

（二）翻譯后修飾的鑒定有助于蛋白質(zhì)功能的闡明

（三）蛋白質(zhì)功能確定是蛋白質(zhì)組學(xué)的根本目的

二、蛋白質(zhì)組學(xué)的研究技術(shù)蛋白質(zhì)分離技術(shù)凝膠雙向電泳、HPLC蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)Edman測序、質(zhì)譜技術(shù)圖像分析與生物信息圖像分析軟件，數(shù)據(jù)庫相互作用研究技術(shù)酵母雙雜交技術(shù)、免疫共沉淀、蛋白質(zhì)芯片等蛋白質(zhì)組研究相關(guān)的數(shù)據(jù)庫

蛋白序列數(shù)據(jù)庫（SWISS-PROT/TrEMBL；http://www.expasy.ch/）、基因序列數(shù)據(jù)庫（GenBank，EMBL；/，http://www.ebi.ac.uk/）、蛋白質(zhì)模式數(shù)據(jù)庫（Prosite；http://www.expasy.ch/sprot/prosite.html）、蛋白質(zhì)二維凝膠電泳數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（PDB，/；FSSP，http://www.embl-ebi.ac.uk），蛋白翻譯后修飾數(shù)據(jù)庫（O-GLYCBASE，http://www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE）蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫瑞士的SWISS-PROT數(shù)據(jù)庫擁有目前世界上最大、種類最多的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)二維凝膠電泳（2-DE）技術(shù)、質(zhì)譜（MS）技術(shù)以及大規(guī)模數(shù)據(jù)處理仍然是蛋白質(zhì)組學(xué)的三大基本支撐技術(shù)。蛋白質(zhì)組學(xué)研究的主要技術(shù)路線有兩條：①以2-DE分離為核心的研究路線：混合蛋白首先通過2-DE分離，然后進(jìn)行膠內(nèi)酶解，再用質(zhì)譜進(jìn)行鑒定。②以色譜分離為核心的技術(shù)路線：混合蛋白先進(jìn)行酶解，經(jīng)色譜或多維色譜分離后，對肽段進(jìn)行串聯(lián)質(zhì)譜分析以實(shí)現(xiàn)蛋白的鑒定。蛋白質(zhì)組研究的技術(shù)路線流程圖（一）二維電泳是分離蛋白質(zhì)組的有效方法

2-DE是分離蛋白質(zhì)組最基本的工具，其原理是蛋白質(zhì)在高壓電場作用下先進(jìn)行等電聚焦（isoelectricfocusing，IEF）電泳，利用蛋白質(zhì)分子的等電點(diǎn)不同使蛋白質(zhì)得以分離；隨后進(jìn)行SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS），按蛋白質(zhì)分子量的大小進(jìn)行分離。雙向凝膠電泳two-dimensionalelectrophoresis，2-DE)利用蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)和分子量，結(jié)合凝膠化學(xué)特性，分離各種蛋白質(zhì)的方法特點(diǎn)可分離10～100kD分子量的蛋白質(zhì)高靈敏度和高分辨率便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像分析處理與質(zhì)譜分析匹配蛋白質(zhì)的二維電泳2-DE技術(shù)的缺點(diǎn)極酸、極堿性蛋白質(zhì)，疏水性蛋白質(zhì)，極大蛋白質(zhì)、極小蛋白質(zhì)以及低豐度蛋白質(zhì)用此種技術(shù)難于有效分離膠內(nèi)酶解過程費(fèi)時、費(fèi)力，難于與質(zhì)譜聯(lián)用實(shí)現(xiàn)自動化蛋白質(zhì)的膠內(nèi)酶切包括：感興趣蛋白點(diǎn)的挖取、含蛋白質(zhì)凝膠的脫色、膠內(nèi)蛋白質(zhì)的酶切等過程（二）質(zhì)譜技術(shù)是蛋白質(zhì)組鑒定的重要工具1．用肽質(zhì)量指紋圖譜鑒定蛋白質(zhì)

2．用串聯(lián)質(zhì)譜鑒定蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)經(jīng)過酶解成肽段后，獲得所有肽段的分子質(zhì)量，形成一個特異的肽質(zhì)量指紋圖譜（PMF），通過數(shù)據(jù)庫搜索與比對，便可確定待分析蛋白質(zhì)分子的性質(zhì)。用PMF方法不能鑒定的蛋白質(zhì)可通過質(zhì)譜技術(shù)獲得該蛋白質(zhì)一段或數(shù)段多肽的串聯(lián)質(zhì)譜（MS/MS）信息并通過數(shù)據(jù)庫檢索來鑒定該蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析

（三）蛋白質(zhì)相互作用研究是認(rèn)識蛋白質(zhì)功能的重要內(nèi)容

蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用是維持細(xì)胞生命活動的基本方式。研究蛋白質(zhì)相互作用常用的方法有酵母雙雜交、親和層析、免疫共沉淀、蛋白質(zhì)交聯(lián)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）等。蛋白質(zhì)相互作用研究技術(shù)酵母雙雜交各種親和分析（標(biāo)簽蛋白沉淀、免疫共沉淀等）熒光共振能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)分析噬菌體顯示系統(tǒng)篩選常用蛋白質(zhì)相互作用的研究技術(shù)標(biāo)簽融合蛋白結(jié)合實(shí)驗(yàn)是一個基于親和色譜原理，分析蛋白質(zhì)體外直接相互作用的方法。1.標(biāo)