基因組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)

1、會計(jì)學(xué)1基因組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)基因組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)代謝組學(xué)第1頁/共39頁1基因組學(xué)基因組學(xué)2蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)3代謝組學(xué)代謝組學(xué)第1頁/共39頁第2頁/共39頁1.基因組學(xué)基因組學(xué)第2頁/共39頁第3頁/共39頁 儲存和表達(dá)某一多肽鏈信息或RNA分子信息所必須的全部核苷酸序列基因（gene） 生物所具有的攜帶遺傳信息的遺傳物質(zhì)的總和。包括所有基因和基因區(qū)域。基因組(genome) 對所有的基因進(jìn)行基因作圖、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能的一門科學(xué)?；蚪M學(xué)(genomics)基本概念第3頁/共39頁第4頁/共39頁研究歷史前遺傳學(xué)時代1900年以前經(jīng)典遺傳學(xué)時代1900-1950年分

2、 子 生物 學(xué) 時代1950-1990年基因組學(xué)時代1 9 9 0 -2000年后基因組學(xué)時代2001年以后1859年，達(dá)爾文自然選擇學(xué)說1865年，孟德爾分離規(guī)律、獨(dú)立分配原則1900年，孟德 爾 遺 傳規(guī)律再被發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著遺傳學(xué)的誕生Waston&C r i c k DNA雙螺旋模型的發(fā)現(xiàn)人類基因組計(jì)劃功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)的興起第4頁/共39頁第5頁/共39頁研究意義 基因組學(xué)的研究已經(jīng)涉及到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、制藥工業(yè)、社會經(jīng)濟(jì)、生物進(jìn)化、倫理、法律等眾多領(lǐng)域。尤其在人類疾病基因的研究方面，顯現(xiàn)和發(fā)揮著十分重要的作用。疾病的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。致病基因及相關(guān)基因的克隆在基因組學(xué)研究占據(jù)著核心

3、位置。對疾病的預(yù)防、診斷、治療等有重要意義。人類基因組計(jì)劃的直接動因是解決包括腫瘤在內(nèi)的人類疾病的遺傳學(xué)基礎(chǔ)問題。第5頁/共39頁第6頁/共39頁研究分支1.結(jié)構(gòu)基因組學(xué)u通過基因組作圖、核苷酸序列分析、研究基因組結(jié)構(gòu)，確定基因組成、基因定位的科學(xué)。1.1基因組測序 DNA測序每次反應(yīng)僅能讀取不到1000bp的長度。整個基因組的DNA分解為一些小片段 逐個測序 將測序的小片段按序列組裝。1.2基因組作圖 在長鏈DNA分子的不同位置尋找特征性的分子標(biāo)記，繪制基因組圖。根據(jù)分子標(biāo)記可以準(zhǔn)確無誤地將已測序的DNA小片段錨定到染色體的位置上。第6頁/共39頁第7頁/共39頁研究分支結(jié)構(gòu)基因組學(xué) 根據(jù)使

4、用的遺傳標(biāo)志和分析方法不同，初期的基因組作圖有四張:一是計(jì)算連鎖的遺傳標(biāo)記之間的重組頻率，確定它們之間相對距離（一般用厘摩cM來表示）的遺傳圖；二是確定遺傳標(biāo)記之間物理距離的物理圖；三是以表達(dá)序列標(biāo)簽為位標(biāo)繪制的轉(zhuǎn)錄圖；四是基因組核苷酸序列圖。第7頁/共39頁第8頁/共39頁研究分支2.功能基因組學(xué)u利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息和產(chǎn)物，在基因組系統(tǒng)水平上全面分析研究基因功能的科學(xué)。2.1進(jìn)一步識別基因以及基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控信息。2.2弄清楚所有基因產(chǎn)物的功能，這是目前基因組功能分析的主要層次。2.3研究基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制，研究基因在生物發(fā)育工程以及代謝途徑中的地位，分析基因、基因之間的產(chǎn)物之間的相互作

5、用關(guān)系，繪制基因調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)。第8頁/共39頁第9頁/共39頁研究分支3.比較基因組學(xué) 比較研究不同生物、不同物種之間在基因組結(jié)構(gòu)和功能方面的親源關(guān)系及內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)科。3.1勾畫出詳盡的系統(tǒng)進(jìn)化樹，將顯示進(jìn)化過程中最主要的變化所發(fā)生的時間及特點(diǎn)。據(jù)此可以追蹤物種的起源和分支路徑。3.2分析了解同源基因的功能。3.3通過對序列差異性的研究有助于認(rèn)識大自然生物多樣性的產(chǎn)生基礎(chǔ)。幾種生物基因組學(xué)比較模式圖第9頁/共39頁第10頁/共39頁研究相關(guān)技術(shù)和方法1.重組DNA技術(shù)第10頁/共39頁第11頁/共39頁研究相關(guān)技術(shù)和方法2.分子雜交與印跡技術(shù)u分子雜交：在分子生物學(xué)上一般指核酸分子雜交，是指核酸

6、分子在變性后再復(fù)性的過程中，來源不同但是互補(bǔ)配對的DNA或RNA單鏈相互結(jié)合形成雜合雙鏈的特征或現(xiàn)象。u分子雜交技術(shù)：根據(jù)此特性建立的一種對目的核酸分子進(jìn)行定性和定量分析的技術(shù)，這種技術(shù)通常是將一種核酸單鏈用同位素或非同位素標(biāo)記即探針，再與另一種核酸單鏈進(jìn)行雜交，通過對探針的檢測而實(shí)現(xiàn)對未知核酸分子的檢測和分析。2.1分子雜交技術(shù)第11頁/共39頁第12頁/共39頁p參加反應(yīng)的核酸和探針都游離在溶液中。p缺點(diǎn)：1.雜交后過量的未雜交探針在溶液中除去較為困難；2.誤差較高，操作繁瑣 p將參加反應(yīng)的核酸等分子首先固定在硝酸纖維素濾膜、尼龍膜、乳膠顆粒、磁珠和微孔板等固體支持物上，然手進(jìn)行雜交反應(yīng)。

7、p優(yōu)點(diǎn)：未雜交的游離探針片段容易被漂洗除去，操作簡單、重復(fù)性好研究相關(guān)技術(shù)和方法u分子雜交技術(shù)分類液相雜交固相雜交（包括原位、印跡、斑點(diǎn)）第12頁/共39頁第13頁/共39頁研究相關(guān)技術(shù)和方法2.2印跡技術(shù)u將核酸或或蛋白質(zhì)等生物大分子通過一定方式轉(zhuǎn)移并固定至尼龍膜等支持載體上的一種方法。u在實(shí)際研究中，電泳分離待轉(zhuǎn)印的生物分子或樣品 將他們從膠轉(zhuǎn)移至印跡膜上 對被轉(zhuǎn)印的物質(zhì)顯色進(jìn)行檢測（包括染料直接染色、通過和一些標(biāo)記抗體或寡核苷酸探針結(jié)合顯色）u被轉(zhuǎn)印的物質(zhì)是DNA或RNA-核酸分子雜交技術(shù)u被轉(zhuǎn)印的物質(zhì)是蛋白質(zhì)-免疫印跡技術(shù)（與標(biāo)記的特異性抗體通過抗原抗體結(jié)合反應(yīng)而間接顯色） 第13頁/

8、共39頁第14頁/共39頁研究相關(guān)技術(shù)和方法3.生物芯片狹義：將生物分子固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝膠、尼龍膜等固相介質(zhì)上形成的生物分子微點(diǎn)陣，待分析樣品中的生物分子與生物芯片的探針分子發(fā)生雜交或互相作用后，利用激光共聚焦顯微掃描儀對雜交信號進(jìn)行檢測和分析。廣義：指能對生物分子或生物分子進(jìn)行快速并行處理和分析的厘米見方的固體薄型器件。第14頁/共39頁第15頁/共39頁研究相關(guān)技術(shù)和方法生物芯片基因芯片組織芯片芯片實(shí)驗(yàn)室蛋白芯片第15頁/共39頁第16頁/共39頁2.蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)第16頁/共39頁第17頁/共39頁基本概念u蛋白質(zhì)組：由一個細(xì)胞或一個組織的基因組所表達(dá)的全部相應(yīng)的蛋白

9、質(zhì)。u蛋白質(zhì)組學(xué)：對在一定的時間或一定的環(huán)境條件下表達(dá)的所有蛋白質(zhì)的研究。第17頁/共39頁第18頁/共39頁研究意義l基因是遺傳信息的攜帶者，而生命活動的執(zhí)行者卻是蛋白質(zhì)，即基因的表達(dá)產(chǎn)物。 l在獲得了基因的全部序列之后，進(jìn)一步了解所有這些基因的功能。l這些基因是怎么發(fā)揮功能的，只有這樣，基因的遺傳信息才能與生命活動之間建立直接的聯(lián)系。第18頁/共39頁第19頁/共39頁研究階段u第一階段：即所謂“組成蛋白質(zhì)組”，建立一個細(xì)胞或一個組織或一個機(jī)體在“正?！睏l件下的蛋白質(zhì)雙向凝膠圖譜,或稱參考圖譜,u第二階段稱為“功能蛋白質(zhì)組”，要研究在各種條件下的蛋白質(zhì)組的變化,從中總結(jié)出生命活動的規(guī)律。圖

10、 雙向凝膠電泳鑒定代謝狀態(tài)下雜交瘤細(xì)胞蛋白的差異表達(dá)第19頁/共39頁第20頁/共39頁研究方法及相關(guān)技術(shù)1.雙向凝膠電泳u其原理是第一向基于蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)不同用等電聚焦分離,第二向則按分子量的不同用SDS-PAGE分離,把復(fù)雜蛋白混合物中的蛋白質(zhì)在二維平面上分開。第20頁/共39頁第21頁/共39頁研究方法及相關(guān)技術(shù)-雙向凝膠電泳雙向凝膠電泳技術(shù)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)?(1)低拷貝蛋白的檢定。人體的微量蛋白往往還是重要的調(diào)節(jié)蛋。但當(dāng)前的技術(shù)還不足以檢出拷貝數(shù)低于1000的蛋白質(zhì)。(2)極酸或極堿蛋白的分離。(3)極大(200 kD)或極小(10 kD)蛋白的分離。(4)難溶蛋白的檢測。這類蛋白中包括

11、一些重要的膜蛋白。(5)為得到高質(zhì)量的雙向凝膠電泳需要精湛的技術(shù),因此迫切需要能自動進(jìn)行二維電泳的“機(jī)器”。第21頁/共39頁第22頁/共39頁研究方法及相關(guān)技術(shù)2.“雙向”高效柱層析（二維液相色譜）原理：先進(jìn)行一次分子篩柱層析,從柱上流出的蛋白峰自動進(jìn)入第二向?qū)游?通常是利用蛋白質(zhì)表面疏水性質(zhì)進(jìn)行分離的反向柱層析。這第二次分離的原理與雙向電泳中利用蛋白質(zhì)等電點(diǎn)分離完全不同,因此兩種方法起到互相補(bǔ)充的作用。第22頁/共39頁第23頁/共39頁研究方法及相關(guān)技術(shù)-“雙向”高效柱層析“雙向”高效柱層析的優(yōu)點(diǎn)u和雙向電泳相比是可以適當(dāng)放大,分離得到較多的蛋白量以供鑒定u流出的蛋白峰可以直接連通進(jìn)入質(zhì)

12、譜進(jìn)行鑒定,避免了“印跡”的步驟和因此引起的的缺點(diǎn)。第23頁/共39頁第24頁/共39頁25進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)離子源離子源質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器檢測器檢測器1.氣體擴(kuò)散氣體擴(kuò)散2.直接進(jìn)樣直接進(jìn)樣3.色譜進(jìn)樣色譜進(jìn)樣1.電子轟擊電子轟擊2.化學(xué)電離化學(xué)電離3.場致電離場致電離4.場解析場解析5.快原子轟擊快原子轟擊1.單聚焦單聚焦 2.雙聚焦雙聚焦 3.四級桿四級桿4.離子肼離子肼5.飛行時間飛行時間 1.電子倍增器電子倍增器 2.閃爍檢測器閃爍檢測器 3.法拉第杯法拉第杯4.照相檢測照相檢測研究方法及相關(guān)技術(shù)3.質(zhì)譜技術(shù)(基本原理：樣品分子離子化后，根據(jù)不同離子間的質(zhì)荷比（m/z）的差異來分離樣

13、品分子并鑒定其分子量。)第24頁/共39頁第25頁/共39頁3.代謝組學(xué)代謝組學(xué)第25頁/共39頁第26頁/共39頁基本概念第26頁/共39頁第27頁/共39頁研究內(nèi)容針對某一種或某幾種代謝物。例如，為了研究某基因被改造后的主要影響，研究可以限制為該基因編碼的蛋白所作用的特定底物或者作用產(chǎn)生的直接產(chǎn)物。為了闡釋整個代謝途徑或感興趣的代謝途徑的作用，不用看基因的改變對植物代謝所有途徑的影響，可以只關(guān)注一定數(shù)量的預(yù)先確定的代謝產(chǎn)物。研究試圖避免代謝產(chǎn)物化學(xué)結(jié)構(gòu)或在生物組織中的表觀豐度造成某些代謝物在研究時的偏向或忽略。不分離鑒定具體單一組分，只用得到某生物體的代謝物圖譜。代謝物靶標(biāo)分析代謝輪廓分析

14、代謝組學(xué)代謝指紋分析第27頁/共39頁第28頁/共39頁第28頁/共39頁第29頁/共39頁研究應(yīng)用1.醫(yī)藥領(lǐng)域 在疾病研究中的應(yīng)用主要包括病變標(biāo)記物的發(fā)現(xiàn)，疾病的診斷、治療和預(yù)后的判斷。尤其與疾病診斷和治療相關(guān)的代謝標(biāo)記物的尋找是最受關(guān)注的方面。疾病研究 在疾病動物模型（包括轉(zhuǎn)基因動物）的確證、藥物篩選、藥效及毒性評價、作用機(jī)制和臨床評價等方面有著廣泛的應(yīng)用。藥物開發(fā)第29頁/共39頁第30頁/共39頁研究應(yīng)用2.生物學(xué)領(lǐng)域u植物代謝組學(xué)通過對不同基因型、生態(tài)型植物代謝組的比較，研究基因的改變，環(huán)境的改變對植物代謝的影響，或因外界刺激引起的植物應(yīng)答反應(yīng)在代謝物上的變化 ；另外，通過代謝物指紋

15、圖譜的比較，可以進(jìn)行代謝表型的分類。微生物代謝組的研究可應(yīng)用于微生物表型分類、突變體篩選和微生物代謝途徑研究等。其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，可以通過對微生物細(xì)胞內(nèi)代謝物質(zhì)的分析來實(shí)現(xiàn)對發(fā)酵過程的動態(tài)監(jiān)測，以優(yōu)化發(fā)酵條件。還可以通過微生物代謝工程的方法，得到更適合于生產(chǎn)的菌株。植物代謝組微生物代謝組第30頁/共39頁第31頁/共39頁研究應(yīng)用3.其他領(lǐng)域u在資源環(huán)境方面，通過對微生物代謝組的研究，可以更好地利用微生物降解環(huán)境污染物；u在農(nóng)業(yè)，利用代謝組學(xué)技術(shù)能更快地尋找植物的功能基因，了解植物與環(huán)境的互作過程，加快農(nóng)作物品質(zhì)改良的進(jìn)程；u在食品方面，還能用于食品的質(zhì)量和營養(yǎng)價值的評價，因?yàn)槭称返馁|(zhì)量如表

16、觀、風(fēng)味和氣味、貨架期，以及營養(yǎng)價值如維生素含量、抗氧化性和營養(yǎng)成分等都是食品中所由代謝產(chǎn)物共同決定的；第31頁/共39頁第32頁/共39頁第32頁/共39頁第33頁/共39頁1基因組學(xué)基因組學(xué)2蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)3代謝組學(xué)代謝組學(xué)第33頁/共39頁第34頁/共39頁研究分支3.比較基因組學(xué) 比較研究不同生物、不同物種之間在基因組結(jié)構(gòu)和功能方面的親源關(guān)系及內(nèi)在聯(lián)系的學(xué)科。3.1勾畫出詳盡的系統(tǒng)進(jìn)化樹，將顯示進(jìn)化過程中最主要的變化所發(fā)生的時間及特點(diǎn)。據(jù)此可以追蹤物種的起源和分支路徑。3.2分析了解同源基因的功能。3.3通過對序列差異性的研究有助于認(rèn)識大自然生物多樣性的產(chǎn)生基礎(chǔ)。幾種生物基因組學(xué)

17、比較模式圖第34頁/共39頁第35頁/共39頁研究相關(guān)技術(shù)和方法2.分子雜交與印跡技術(shù)u分子雜交：在分子生物學(xué)上一般指核酸分子雜交，是指核酸分子在變性后再復(fù)性的過程中，來源不同但是互補(bǔ)配對的DNA或RNA單鏈相互結(jié)合形成雜合雙鏈的特征或現(xiàn)象。u分子雜交技術(shù)：根據(jù)此特性建立的一種對目的核酸分子進(jìn)行定性和定量分析的技術(shù)，這種技術(shù)通常是將一種核酸單鏈用同位素或非同位素標(biāo)記即探針，再與另一種核酸單鏈進(jìn)行雜交，通過對探針的檢測而實(shí)現(xiàn)對未知核酸分子的檢測和分析。2.1分子雜交技術(shù)第35頁/共39頁第36頁/共39頁基本概念u蛋白質(zhì)組：由一個細(xì)胞或一個組織的基因組所表達(dá)的全部相應(yīng)的蛋白質(zhì)。u蛋白質(zhì)組學(xué)：對在一定的時間或一定的環(huán)境條件下表達(dá)的所有蛋白質(zhì)的研究。第36頁/共39頁第37頁/共39頁研究方法及相關(guān)技術(shù)2.“雙向”高效柱層析（二維液相色譜）原理：先進(jìn)行一次分子篩柱層析,從柱上流出的蛋白峰自動進(jìn)入第二向?qū)游?通常是利用蛋白質(zhì)表面疏水性質(zhì)進(jìn)行分離的反向柱層析。這第二次分離的原理與雙向電泳中利用蛋白質(zhì)等電點(diǎn)分離完全不同,因此兩種方法起到互相補(bǔ)充的作用。第37頁/共39頁第38頁/共39頁39進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)