生物化學(xué)_第十六章_基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)

1、第十六章第十六章基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)Genomics and Proteomics基因組學(xué)基因組學(xué)Genomics第第 一一 節(jié)節(jié)基因組基因組( (genome) )是指一個有生命體、病毒或細(xì)胞器的全部是指一個有生命體、病毒或細(xì)胞器的全部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套染色遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套染色體（單倍體）體（單倍體）DNADNA。 一、基因組學(xué)的概念一、基因組學(xué)的概念基因組學(xué)基因組學(xué)( (genomics) )就是發(fā)展和應(yīng)用就是發(fā)展和應(yīng)用DNADNA制圖、測序新技術(shù)以及制圖、測序新技術(shù)以及計算機(jī)程序，分析生命體（包括人類）全部基計算機(jī)程序，分析生命體

2、（包括人類）全部基因組結(jié)構(gòu)及功能。因組結(jié)構(gòu)及功能?；蚪M學(xué)包括基因組學(xué)包括3 3個不同的亞領(lǐng)域個不同的亞領(lǐng)域 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomics) 功能基因組功能基因組學(xué)學(xué)(functional genomics)比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)(comparative genomics) 基因組學(xué)概念基因組學(xué)概念亞領(lǐng)域亞領(lǐng)域內(nèi)容內(nèi)容結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué) 整個基因組的遺傳制圖、物理制圖及整個基因組的遺傳制圖、物理制圖及DNADNA測序。測序。功能基因組學(xué)功能基因組學(xué) 認(rèn)識、分析整個基因組所包含的基因、非基因序列及其功能。認(rèn)識、分析整個基因組所包含的基因、非基因序列及其

3、功能。比較基因組學(xué)比較基因組學(xué) 比較不同物種的整個基因組，增強(qiáng)對各個基因組功能及發(fā)育相關(guān)比較不同物種的整個基因組，增強(qiáng)對各個基因組功能及發(fā)育相關(guān) 性的認(rèn)識。性的認(rèn)識。二、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)二、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomics)是通過是通過HGPHGP的實的實施來完成的。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理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組因組DNA序列測定及在染色體上的準(zhǔn)確定位。序列測定及在染色體上的準(zhǔn)確定位。（一）物理制圖（一）物理制圖 （二）

4、遺傳制圖（二）遺傳制圖 （三）基因組（三）基因組DNA序列測定序列測定 （四）創(chuàng)建計算機(jī)分析管理系統(tǒng)（四）創(chuàng)建計算機(jī)分析管理系統(tǒng) HGP包括以下研究內(nèi)容包括以下研究內(nèi)容結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究工作程序結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究工作程序 HGP主要任務(wù)及內(nèi)容主要任務(wù)及內(nèi)容主要任務(wù)主要任務(wù)內(nèi)內(nèi) 容容物理制圖物理制圖( (physical mapping) ) 確定染色體確定染色體DNADNA上諸如限制性內(nèi)切核酸酶識別位點，或序上諸如限制性內(nèi)切核酸酶識別位點，或序 列標(biāo)志位點列標(biāo)志位點(STSs)等的位置圖。等的位置圖。遺傳制圖遺傳制圖( (genetic mapping) ) 確定標(biāo)志位點在染色體確定標(biāo)志位點在染色

5、體DNADNA上的線性排列順序。標(biāo)志位點上的線性排列順序。標(biāo)志位點 間的圖距以遺傳學(xué)（重組）距離表示，單位為分摩爾根間的圖距以遺傳學(xué)（重組）距離表示，單位為分摩爾根 ( (cM) )?；蚪M基因組DNADNA序列測定序列測定 測定人類測定人類2323條染色體的、有條染色體的、有3 310109 9個核苷酸組成的全部個核苷酸組成的全部 DNADNA序列，繪制人類基因組圖譜。序列，繪制人類基因組圖譜。通過通過HGPHGP獲得的廣泛基因組信息組成了結(jié)構(gòu)基獲得的廣泛基因組信息組成了結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的基本內(nèi)容，是開展功能基因組學(xué)的因組學(xué)的基本內(nèi)容，是開展功能基因組學(xué)的研究的基礎(chǔ)；同時為詳盡研究每一個單基因研

6、究的基礎(chǔ)；同時為詳盡研究每一個單基因遺傳病提供遺傳病提供“平臺平臺”，并將成為復(fù)雜的多基，并將成為復(fù)雜的多基因遺傳病研究的發(fā)端。因遺傳病研究的發(fā)端。結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究常用方法結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究常用方法脈沖場瓊脂糖凝膠電泳脈沖場瓊脂糖凝膠電泳 毛細(xì)管電泳（毛細(xì)管電泳（capillary electrophoresis,CE）基因芯片（基因芯片（gene microarray）技術(shù)）技術(shù)全基因組隨機(jī)測序全基因組隨機(jī)測序幾種脈沖場凝膠電泳示意圖幾種脈沖場凝膠電泳示意圖 毛細(xì)管電泳模式圖毛細(xì)管電泳模式圖 基因芯片檢測原理示意圖基因芯片檢測原理示意圖 基因組鳥槍策略基因組鳥槍策略三、功能基因組學(xué)三、功能基因

7、組學(xué) 完成一個生物體全部基因組測序后即進(jìn)入后完成一個生物體全部基因組測序后即進(jìn)入后基因組測序階段基因組測序階段詳盡分析序列，描述基因組詳盡分析序列，描述基因組所有基因的功能，包括研究基因的表達(dá)及其調(diào)控所有基因的功能，包括研究基因的表達(dá)及其調(diào)控模式，這就是功能基因組學(xué)模式，這就是功能基因組學(xué)(functional genomics)。 鑒定鑒定DNADNA序列中的基因序列中的基因同源搜索設(shè)計基因功能同源搜索設(shè)計基因功能 實驗性設(shè)計基因功能實驗性設(shè)計基因功能 描述基因表達(dá)模式描述基因表達(dá)模式 主要具體內(nèi)容包括以下方面主要具體內(nèi)容包括以下方面 功能基因組學(xué)研究策略及主要內(nèi)容功能基因組學(xué)研究策略及主要

8、內(nèi)容內(nèi)內(nèi) 容容主要研究策略主要研究策略鑒定（注釋）基因鑒定（注釋）基因 通過通過“ORFORF搜索搜索”，發(fā)現(xiàn)理論性蛋白質(zhì)編碼序列。，發(fā)現(xiàn)理論性蛋白質(zhì)編碼序列。分析基因功能分析基因功能 利用計算機(jī)進(jìn)行利用計算機(jī)進(jìn)行“同源搜索同源搜索”，根據(jù)已知序列、進(jìn)化相關(guān)，根據(jù)已知序列、進(jìn)化相關(guān) 性，發(fā)現(xiàn)重要的蛋白質(zhì)功能域。也可對性，發(fā)現(xiàn)重要的蛋白質(zhì)功能域。也可對DNADNA序列進(jìn)行突變或序列進(jìn)行突變或 剔除后，結(jié)合功能就、表達(dá)變化的實驗鑒定基因功能。剔除后，結(jié)合功能就、表達(dá)變化的實驗鑒定基因功能。描述基因表達(dá)模式描述基因表達(dá)模式 采用采用DNADNA微點陣進(jìn)行整體基因表達(dá)譜微點陣進(jìn)行整體基因表達(dá)譜- -轉(zhuǎn)

9、錄組分析；采用蛋轉(zhuǎn)錄組分析；采用蛋 白質(zhì)或多肽微點陣、改進(jìn)的雙向電泳結(jié)合飛行質(zhì)譜技術(shù)分析白質(zhì)或多肽微點陣、改進(jìn)的雙向電泳結(jié)合飛行質(zhì)譜技術(shù)分析 蛋白表達(dá)譜蛋白表達(dá)譜-蛋白質(zhì)組分析。蛋白質(zhì)組分析。功能基因組學(xué)研究的主要方法功能基因組學(xué)研究的主要方法基因組表達(dá)譜研究基因組表達(dá)譜研究 基因表達(dá)的系列分析基因表達(dá)的系列分析 cDNA微陣列技術(shù)微陣列技術(shù) 差異顯示反轉(zhuǎn)錄差異顯示反轉(zhuǎn)錄PCRPCR技術(shù)技術(shù) 基因組功能研究基因組功能研究 基因轉(zhuǎn)導(dǎo)基因轉(zhuǎn)導(dǎo)（gene transfer） RNAi技術(shù)和反義技術(shù)和反義RNA 反向遺傳學(xué)反向遺傳學(xué)（reverse genetics） 基因敲除基因敲除（gene kn

10、ock-out） 轉(zhuǎn)基因技術(shù)轉(zhuǎn)基因技術(shù)（transgenic technology）蛋白質(zhì)組學(xué)分析蛋白質(zhì)組學(xué)分析生物信息學(xué)應(yīng)用生物信息學(xué)應(yīng)用 四、比較基因組學(xué)四、比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)比較基因組學(xué) (comparative genomics) 涉及涉及比較不同物種的整個基因組，以便深入理解每個比較不同物種的整個基因組，以便深入理解每個基因組的功能和進(jìn)化關(guān)系?；蚪M的功能和進(jìn)化關(guān)系。 第第 二二 節(jié)節(jié) 基因組學(xué)與醫(yī)學(xué)關(guān)系基因組學(xué)與醫(yī)學(xué)關(guān)系Relation between Genomics and Medicine一、基因病的概念一、基因病的概念以基因組學(xué)為基礎(chǔ)，從疾病和健康的角度考慮，以基因組

11、學(xué)為基礎(chǔ)，從疾病和健康的角度考慮，人類疾病大多直接或間接地與基因相關(guān)，故有人類疾病大多直接或間接地與基因相關(guān)，故有“基因基因病病”概念產(chǎn)生。根據(jù)這一概念，人類疾病大致分為三概念產(chǎn)生。根據(jù)這一概念，人類疾病大致分為三類：類：（一）單基因?。ㄒ唬﹩位虿?（二）多基因病（二）多基因病 （三）獲得性基因?。ㄈ┇@得性基因病 二、疾病相關(guān)基因的鑒定二、疾病相關(guān)基因的鑒定（一）檢測人類基因變異或突變（一）檢測人類基因變異或突變 （二）疾病時基因組差異表達(dá)分析（二）疾病時基因組差異表達(dá)分析 （三）染色體制圖定位及疾病相關(guān)基因克隆（三）染色體制圖定位及疾病相關(guān)基因克隆寡核苷酸雜交分析寡核苷酸雜交分析SNP和

12、等位基因特和等位基因特異寡核苷酸雜交異寡核苷酸雜交 DNA芯片檢測的差異表達(dá)譜芯片檢測的差異表達(dá)譜三、基因組學(xué)與腫瘤病因?qū)W三、基因組學(xué)與腫瘤病因?qū)W四、基因組學(xué)與流行病病因?qū)W四、基因組學(xué)與流行病病因?qū)W五、基因組學(xué)與醫(yī)學(xué)倫理、法律和社會問題五、基因組學(xué)與醫(yī)學(xué)倫理、法律和社會問題第第 三三 節(jié)節(jié) 蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)proteomics一、蛋白質(zhì)組學(xué)概念一、蛋白質(zhì)組學(xué)概念蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)組（proteome）： 是指基因組、細(xì)胞或生物的組織器官所表達(dá)的全 部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）： 是以蛋白質(zhì)組為研究對象、研究細(xì)胞內(nèi)各種蛋白質(zhì)的 組成、表達(dá)及其規(guī)律的學(xué)科，包括蛋白質(zhì)的翻譯

13、后修飾、轉(zhuǎn)運、定位、構(gòu)象形成及蛋白質(zhì)間的相互作用等。二、蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法二、蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法雙向電泳雙向電泳（two dimension electrophoresis，2-DE ）生物質(zhì)譜技術(shù)生物質(zhì)譜技術(shù)（bio-mass spectrometry） 酵母雙雜交（酵母雙雜交（yeast two-hybrid system）蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)芯片蛋白質(zhì)組生物信息學(xué)蛋白質(zhì)組生物信息學(xué) 酵母雙雜交系統(tǒng)分析蛋白質(zhì)相互作用原理示意圖酵母雙雜交系統(tǒng)分析蛋白質(zhì)相互作用原理示意圖 問題和答案問題和答案單選題：單選題：1. 建立具有高分辨的生物遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄 圖譜和序列圖譜是以下哪項研究的主要

14、內(nèi)容： A.功能基因組學(xué) B.結(jié)構(gòu)基因組學(xué) C.比較基因組學(xué) D.蛋白質(zhì)組學(xué) E.腫瘤基因組學(xué)2. 基因組泛指： A.指人的24條染色體的遺傳物質(zhì)總合 B.線粒體內(nèi)遺傳物質(zhì)的總和 C.指一套染色體（單倍體）DNA D.一個生物體、細(xì)胞器或病毒的全部遺傳物質(zhì) E.E.細(xì)菌內(nèi)所有遺傳物質(zhì)3. 根據(jù)不同時期的理論知識和相關(guān)技術(shù)手段的發(fā)展 和應(yīng)用，繪制遺傳圖譜可分為三個階段，第三代遺 傳標(biāo)志為： A. 限制性片段長度多態(tài)性 （ RFLP） B. 短串聯(lián)重復(fù)序列（STR） C. 微衛(wèi)星序列（MS) D. 單（鏈）核苷酸多態(tài)性（SNP） E. 序列標(biāo)簽位點（STS） 4. 物理圖譜是基因組全序列組裝的基礎(chǔ)

15、，物理圖譜的 繪制是以遺傳圖譜為基礎(chǔ)，它以哪項作為標(biāo)記： A.序列標(biāo)簽位點（STS） B.表達(dá)序列標(biāo)簽（EST） C.轉(zhuǎn)錄體序列 D.轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)序列 E.微衛(wèi)星序列（MS)5. 以下那種方法分離較大的DNA分子效果最好： A.聚丙烯酰胺凝膠電泳 B.脈沖場瓊脂糖凝膠電泳 C.毛細(xì)管電泳 D.液相色譜技術(shù) E.雙向電泳6. 當(dāng)前全基因組測序最主要的方法是哪種： A.全基因組鳥槍策略 B.Sanger雙脫氧鏈終止法 C.亞克隆法 D.鳥槍法 E.cDNA芯片技術(shù)多選題多選題1. 根據(jù)其研究重點，基因組學(xué)研究內(nèi)容主要包括 ：A.結(jié)構(gòu)基因組學(xué) B.腫瘤基因組學(xué) C.功能基因組學(xué) D.比較基因組學(xué) E.藥

16、物基因組學(xué)2. 結(jié)構(gòu)基因?qū)W研究常用的方法:A.毛細(xì)管電泳 B.全基因組隨機(jī)測序 C.基因芯片技術(shù)D.脈沖場瓊脂糖凝膠電泳 E.酵母雙雜交技術(shù)3. 功能基因組研究主要包括： A. cDNA克隆與測序 B.DNA芯片等基因轉(zhuǎn)錄圖譜 C.突變體庫的構(gòu)建 D.高通量的遺傳轉(zhuǎn)化鑒定系統(tǒng) E.生物信息技術(shù)平臺與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建 4. 模式生物應(yīng)具有的特點包括： A.其生物學(xué)特征可代表生物界的某一大類群 B.一定要是哺乳動物 C.較容易獲得且易于在實驗室內(nèi)飼養(yǎng)繁殖 D.生物的基因組較大 E.容易進(jìn)行實驗操作，包括遺傳學(xué)分析5. 以下哪些可以作為蛋白質(zhì)組學(xué)研究的方法： A.雙向電泳 B.生物質(zhì)譜技術(shù) C.酵母

17、雙雜交技術(shù) D.蛋白質(zhì)芯片技術(shù) E.RT-PCR技術(shù)單選題答案1.B 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究的主要內(nèi)容是通過基因作圖、 序列分析及基因鑒定，建立具有高分辨的生物遺 傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜和序列圖譜 2.D 基因組是指一個生物體、細(xì)胞器或病毒的全部遺 傳物質(zhì)。在真核生物，基因是指一套染色體（單 倍體）DNA，在人類基因組是指人的24條染色體 的遺傳物質(zhì)總和。 3.D 單個堿基變異作為第三代遺傳標(biāo)志，即單（鏈） 核苷酸多態(tài)性（SNP）。4.A 物理圖譜是基因組全序列組裝的基礎(chǔ)，物理圖譜的 繪制是以遺傳圖譜為基礎(chǔ)，以序列標(biāo)簽位點（STS） 作為標(biāo)記，采用分子生物學(xué)技術(shù)直接將DNA分子標(biāo) 記或基因定位在

18、基因組的實際位置。 5.B 一般的瓊脂糖凝膠電泳不能區(qū)分大于60kb的DNA 分子，分離大分子DNA應(yīng)采用脈沖場瓊脂糖凝膠電 泳技術(shù)。 6.A 全基因組鳥槍策略為當(dāng)前全基因組測序最主要的方 法，該方法最早由Craig Venter和他的同事提出， 是一種能提高從大基因組如人類基因組和其它真核 生物獲得重疊序列資料的方法。多選題答案1.ACD 基因組學(xué)研究內(nèi)容主要包括：結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、 功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué)。2.ABCD毛細(xì)管電泳、全基因組隨機(jī)測序 、基因芯片 技術(shù)和脈沖場瓊脂糖凝膠電泳等3.ABCDE 功能基因組研究主要包括：cDNA克隆與測序 、DNA芯片等基因轉(zhuǎn)錄圖譜 、突變體庫的構(gòu)建 、高 通量的遺傳轉(zhuǎn)化鑒定系統(tǒng)和生物信息技術(shù)平臺與相應(yīng) 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建等。4.ACE 模式生物應(yīng)具有如下特點: 1、其生物學(xué)特征可代表生物界的某一大類群；2、較容易獲得且易于在實驗室內(nèi)飼養(yǎng)繁殖；3、容易進(jìn)行實驗操作，包括遺傳學(xué)分析。 5.ABCD 蛋白質(zhì)組學(xué)研究的方法包括雙向電泳、生物質(zhì)譜技術(shù)、酵母雙雜交技術(shù)、蛋白質(zhì)芯片技術(shù)等?？茖W(xué)家的故事科學(xué)家的故事-