組學(xué)和醫(yī)學(xué)課件

1、關(guān)于組學(xué)與醫(yī)學(xué)第一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十六章組學(xué)與醫(yī)學(xué)-omics and Medicine第二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié)基因組學(xué) Genomics第四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月基因組(genome)一個細(xì)胞（或病毒）所載的全部遺傳信息，它代表了一種生物所具有的全部遺傳信息。對真核生物體而言，基因組是指一套完整單倍體DNA（染色體DNA）及線粒體或葉綠體DNA的全部序列，既有編碼序列，也有大量存在的非編碼序列。 第五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月基因組學(xué)(genomics)

2、是闡明整個基因組的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系以及基因之間相互作用的科學(xué)。 一、基因組學(xué)包含結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)和比較基因組學(xué) 第六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月基因組學(xué)包括3個不同的亞領(lǐng)域結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomics) 功能基因組學(xué)(functional genomics)比較基因組學(xué)(comparative genomics) 基因組學(xué)概念第七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月二、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)(structural genomics)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

3、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。第八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）遺傳作圖和物理作圖是繪制人類基因組草圖的重要策略 1遺傳作圖就是繪制連鎖圖 遺傳圖（genetic map）又稱連鎖圖（linkage map）。遺傳作圖（genetic mapping）就是確定連鎖的遺傳標(biāo)志位點(diǎn)在一條染色體上的排列順序以及它們之間的相對遺傳距離，用厘摩爾根（centi-Morgan，cM）表示，當(dāng)兩個遺傳標(biāo)記之間的重組值為1%時，圖距即為1 cM。 （1）限制性片段長度多態(tài)性（RFLP） （2） 可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列（VNTR

4、） （3）單核苷酸多態(tài)性（SNP） 第九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2物理作圖就是描繪雜交圖、限制性酶切圖及克隆系圖 物理作圖包括： 熒光原位雜交圖（fluorescent in situ hybridization map，F(xiàn)ISH map）：將熒光標(biāo)記的探針與染色體雜交確定分子標(biāo)記所在的位置； 限制性酶切圖（restriction map）；將限制性酶切位點(diǎn)標(biāo)定在DNA分子的相對位置； 克隆相連重疊群圖（clone contig map）酵母人工染色體（yeast artificial chromosome，YAC）細(xì)菌人工染色體（bacterial artificial c

5、hromosome，BAC） 第十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）通過BAC克隆系、鳥槍法等完成大規(guī)模DNA測序 1BAC克隆系的構(gòu)建是大規(guī)模DNA測序的基礎(chǔ) BAC是一種裝載DNA大片段的克隆載體系統(tǒng)，用于人、動物和植物基因組文庫構(gòu)建。BAC具有插入片段較大（數(shù)kb數(shù)百 kb）、嵌合率低、遺傳穩(wěn)定性好、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。 第十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2鳥槍法是大規(guī)模DNA測序的重要方法 步驟： 建立高度隨機(jī)、插入片段大小為1.6 kb到4 kb左右的基因組文庫； 高效、大規(guī)模的克隆雙向測序； 序列組裝（sequence assembly）：借助軟件將所測得的

6、序列進(jìn)行組裝，產(chǎn)生一定數(shù)量的相連重疊群； 缺口填補(bǔ)：利用引物延伸或其他方法對BAC克隆中還存在的缺口進(jìn)行填補(bǔ)。 3高通量測序技術(shù)大大加快了基因組DNA測序進(jìn)度 第十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月鳥槍法測序的原理與策略 第十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）生物信息學(xué)是預(yù)測基因組結(jié)構(gòu)和功能的重要手段 三大生物信息中心： 美國國家生物技術(shù)信息中心（NCBI，）歐洲生物信息研究所（EBI，http:/ebi.ac.uk）日本DNA數(shù)據(jù)庫（DDBJ，http:/www.ddbj.nig.ac.jp） GenBank（/Genbank）是NIH的基因序列數(shù)據(jù)庫，包含所有已知

7、的核苷酸及蛋白質(zhì)序列、以及與之相關(guān)的生物學(xué)信息和參考文獻(xiàn)，是世界上的權(quán)威序列數(shù)據(jù)庫。 第十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月三、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)、基因組功能注釋、基因組表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及機(jī)制的研究等。它從整體水平上研究一種組織或細(xì)胞在同一時間或同一條件下所表達(dá)基因的種類、數(shù)量、功能及在基因組中的定位，或同一細(xì)胞在不同狀態(tài)下基因表達(dá)的差異。 第十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）通過全基因組掃描鑒定DNA序列中的基因 （二）通過BLAST等程序搜索同源基因 （三）通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計驗(yàn)證基因功能 （四）通過轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)

8、組描述基因表達(dá)模式 第十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 轉(zhuǎn) 錄 組 學(xué)Transcriptomics 第十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月轉(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)。 第十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月一、轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究全部mRNA的表達(dá)及功能 轉(zhuǎn)錄組學(xué)就是要闡明生物體或細(xì)胞在特定生理或病理狀態(tài)下

9、表達(dá)的所有種類的mRNA及其功能。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。 轉(zhuǎn)錄組研究的主要技術(shù)： 微陣列（microarray）基因表達(dá)系列分析（SAGE）大規(guī)模平行信號測序系統(tǒng)（MPSS） 第十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月二、RNA組學(xué)研究非編碼RNA的集合 除了mRNA以外，細(xì)胞內(nèi)還存在著許多其他種類的小分子RNA，研究它們的種類、時空表達(dá)情況及其生物學(xué)意義便是RNA組學(xué)的范疇。這些小分子RNA包括snRNA、snoRNA、scRNA、催化性小RNA、siRNA、miRNA等。這些調(diào)控型小分子非編碼RNA，在基因的

10、轉(zhuǎn)錄和翻譯、細(xì)胞分化和個體發(fā)育、遺傳和表觀遺傳等生命活動中發(fā)揮重要的組織和調(diào)控作用, 從而形成了細(xì)胞中高度復(fù)雜的RNA網(wǎng)絡(luò)。 第二十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié)蛋 白 質(zhì) 組 學(xué) Proteomics 第二十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）以細(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）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（global protein expressio

11、n profile）分析。 第二十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(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.d

12、tu.dk/databases/OGLYCBASE）第二十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月一、蛋白質(zhì)組學(xué)研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)的組成及其活動規(guī)律 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)（structural proteomics）；二是蛋白質(zhì)組功能模式的研究，即功能蛋白質(zhì)組學(xué)（functional proteomics）。 （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 第二十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月二、二維電泳和質(zhì)譜是蛋白質(zhì)組學(xué)研究的常規(guī)技術(shù)

13、 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： 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。 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。 第二十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（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（isoelectric focusing，IEF）電泳，利用蛋白質(zhì)分子的

14、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。 第二十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)的二維電泳 第二十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（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)。 第二十八

15、張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析 第二十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月三、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。 第三十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié)代 謝 組 學(xué)Metabonomics 第三十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月代謝組學(xué)（metabonomics）就是測定一個生物/細(xì)胞中所有的小分子（Mr1 000 d）組成，描繪其動態(tài)變化規(guī)律，建立系統(tǒng)代謝

16、圖譜，并確定這些變化與生物過程的聯(lián)系。 第三十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月一、代謝組學(xué)的任務(wù)是分析生物/細(xì)胞代謝產(chǎn)物的全貌 代謝組學(xué)分為四個層次： 代謝物靶標(biāo)分析：對某個或某幾個特定組分的分析； 代謝譜分析：對一系列預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)代謝物進(jìn)行定量分析； 代謝組學(xué)：對某一生物或細(xì)胞所有代謝物進(jìn)行定性和定量分析； 代謝指紋分析：不分離鑒定具體單一組分，而是對代謝物整體進(jìn)行高通量的定性分析。 第三十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月代謝組學(xué)主要以生物體液為研究對象，如血樣、尿樣等，另外還可采用完整的組織樣品、組織提取液或細(xì)胞培養(yǎng)液等進(jìn)行研究。 第三十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)

17、作于2022年6月二、核磁共振、色譜及質(zhì)譜是代謝組學(xué)的主要分析工具 NMR：是當(dāng)前代謝組學(xué)研究中的主要技術(shù)。代謝組學(xué)中常用的NMR譜是氫譜（1H-NMR）、碳譜（13C-NMR）及磷譜（31P-NMR）； MS：按質(zhì)荷比（m/z）進(jìn)行各種代謝物的定性或定量分析，可得到相應(yīng)的代謝產(chǎn)物譜； 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)：這種聯(lián)用技術(shù)使樣品的分離、定性、定量一次完成，具有較高的靈敏度和選擇性。目前常用的聯(lián)用技術(shù)包括氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）。第三十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月代謝組學(xué)研究的技術(shù)系統(tǒng)及手段 第三十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月

18、三、代謝組學(xué)數(shù)據(jù)依賴模式識別技術(shù)進(jìn)行分析 代謝組學(xué)所得信息可利用模式識別技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以達(dá)到對樣本分類或判別的目的，包括無監(jiān)督模式識別和有監(jiān)督模式識別兩類。 第三十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月無監(jiān)督方法主要用于采用原始譜圖信息或預(yù)處理后的信息對樣本進(jìn)行歸類。應(yīng)用最廣泛的是主成分分析（PCA）和聚類分析。 有監(jiān)督的方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （ANNs）、偏最小二乘（PLS）、判別函數(shù)分析（DFA）等。主成分分析法是模式識別方法。通過將分散于一組變量上的信息集中于幾個綜合指標(biāo)上，利用主成分描述機(jī)體代謝的變化情況。 第三十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié)其 他 組

19、學(xué) 第三十九張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月一、糖組學(xué)研究生命體聚糖多樣性及其生物學(xué)功能 糖組學(xué)（glycomics）側(cè)重于糖鏈組成及其功能的研究，其主要研究對象為聚糖，具體內(nèi)容包括研究糖與糖之間、糖與蛋白質(zhì)之間、糖與核酸之間的聯(lián)系和相互作用。 第四十張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）糖組學(xué)分為結(jié)構(gòu)糖組學(xué)與功能糖組學(xué)兩個分支 糖組（glycome）指單個個體的全部聚糖，糖組學(xué)則對糖組（主要針對糖蛋白）進(jìn)行全面的分析研究，包括結(jié)構(gòu)和功能兩方面內(nèi)容，可為結(jié)構(gòu)糖組學(xué)（structural glycomics）和功能糖組學(xué)（functional glycomics）兩個分支。

20、糖組學(xué)主要要回答4個方面的問題： 什么基因編碼糖蛋白，即基因信息； 可能糖基化位點(diǎn)中實(shí)際被糖基化的位點(diǎn)； 聚糖結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)信息； 糖基化功能，即功能信息。 第四十一張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）色譜分離/質(zhì)譜鑒定和糖微陣列技術(shù)是糖組學(xué)研究的主要技術(shù) 1色譜分離與質(zhì)譜鑒定技術(shù) 2糖微陣列技術(shù) 3生物信息學(xué) 糖微陣列技術(shù)是生物芯片中的一種，是將帶有氨基的各種聚糖共價連接在包被有化學(xué)反應(yīng)活性表面的玻璃芯片上，一塊芯片上可排列200種以上的不同糖結(jié)構(gòu)，幾乎涵蓋了全部末端糖的主要類型。 第四十二張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）糖組學(xué)與腫瘤的關(guān)系密切 已報道有多種血清糖蛋

21、白可作為腎細(xì)胞癌、乳腺癌、結(jié)直腸癌等的標(biāo)記物；糖基化改變普遍存在于腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中，分析糖基化修飾對于深入研究腫瘤的發(fā)生機(jī)制及診斷治療有著重要的價值；糖基化差異也可用于構(gòu)建特異的多糖類癌癥疫苗，以發(fā)展新的免疫治療策略。 第四十三張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月二、脂組學(xué)揭示生命體脂質(zhì)多樣性及其代謝調(diào)控 脂組學(xué)（lipidomics）就是對生物樣本中脂質(zhì)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，從而揭示其在生命活動和疾病中發(fā)揮的作用。 第四十四張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）脂組學(xué)是代謝組學(xué)的一個分支 脂組學(xué)的研究內(nèi)容為生物體內(nèi)的所有脂質(zhì)分子，并以此為依據(jù)推測與脂質(zhì)作用的生物分子的變化

22、，揭示脂質(zhì)在各種生命活動中的重要作用機(jī)制。通過研究脂質(zhì)提取物，可獲得脂質(zhì)組（lipidome）的信息，了解在特定生理和病理狀態(tài)下脂質(zhì)的整體變化。 第四十五張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）脂組學(xué)研究的三大步驟分離、鑒定和數(shù)據(jù)庫檢索1樣品分離 2脂質(zhì)鑒定 3數(shù)據(jù)庫檢索 脂質(zhì)主要從細(xì)胞、血漿、組織等樣品中提取。 常規(guī)的技術(shù)有薄層色譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、電噴霧質(zhì)譜、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、高效液相色譜-芯片-質(zhì)譜聯(lián)用、超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用、超高效液相色譜-傅立葉變換質(zhì)譜聯(lián)用等。 第四十六張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）脂組學(xué)促進(jìn)脂質(zhì)生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)和疾病診斷 發(fā)現(xiàn)疾病相關(guān)的診斷標(biāo)志物是進(jìn)行疾病診斷的關(guān)鍵。脂組學(xué)所提供的方法能夠監(jiān)測患者與正常人之間的脂質(zhì)變化，從中找到差異較大的脂質(zhì)化合物，作為疾病早期診斷的指標(biāo)。 溶血磷脂酸在卵巢癌的診斷中表現(xiàn)出高度的敏感性和特異性，能夠作為早期診斷卵巢癌及術(shù)后隨訪的生物學(xué)標(biāo)志物。 第四十七張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第六節(jié)組學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用第四十八張，PPT共五十四頁，創(chuàng)作于2