分子生物學課件：第八章 基因組學與蛋白質(zhì)組學

基因組學與蛋白質(zhì)組學第八講

生命是蛋白體的存在方式，這個存在方式的基本因素在于和它周圍的外部自然界的不斷地新陳代謝，而且這種新陳代謝一停止，生命就隨之停止，結果便是蛋白質(zhì)的分解。恩格斯第一節(jié)基因組學與人類基因組計劃一、基因組（Genome）

是指生物細胞中所有的DNA，包括所有的基因和基因間區(qū)域。人的核基因組大約有30億個（最新資料說28.5億個）鹼基對(bp)，2-2.5萬個蛋白編碼基因，這些編碼區(qū)僅占整個基因組很少一部分（不到3%），而大部分是非編碼區(qū)。二、基因組學（Genomics）

簡言之，就是研究基因組結構和功能的科學，其內(nèi)容包括基因的結構、組成、存在方式、表達調(diào)控模式、基因的功能和相互作用等?；蚪M學分支:結構基因組學功能基因組學比較基因組學

導言——基因組學產(chǎn)生的歷史背景有史以來,人類就在為認識自身進行著不懈的努力1.自從人們認識到“基因決定生物性狀”,（達爾文到孟德爾）2.“基因的本質(zhì)就是核酸——主要是DNA”（1944）之后,就從來沒有停止對基因的研究。3.但真正有系統(tǒng)地研究基因組、解碼生命還是于1990年人類基因組計劃啟動后才開始的。人們回顧過去的20世紀一百年中所取得的輝煌成就時，認為最激動人心的偉大創(chuàng)舉之一就是和“曼哈頓原子彈計劃”、“阿波羅人類登月計劃”一起被譽為20世紀科學史上三個里程碑的“人類基因組計劃”(humangenomeproject,HGP)。這項人類生命科學史上最偉大的工程，第一次系統(tǒng)、全面地解讀和研究人類遺傳物質(zhì)DNA，它不僅具有重大的理論意義，而且對國計民生特別是生物醫(yī)學的發(fā)展更具有重大的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。三、人類基因組計劃1985年5月，美國能源部提出“人類基因組計劃”(humangenomeproject,HGP)草案；經(jīng)過一番討論后于1986年3月宣布實施這個草案；1986年3月7日，Dulbecco

R在Science上發(fā)表了一篇有關開展人類基因組計劃的短文，引起了全世界的強烈反響，不僅推動了美國，也推動了全世界的人類基因組計劃的發(fā)展；1988年2月，國家科學研究委員會的專家成立了“國家人類基因組研究中心”，1990年10月1日美國國會正式批準的“人類基因組計劃”。計劃在15年內(nèi)投入30億美元以上的資金進行人類基因組的分析，即對人類3109個核苷酸進行測序。1.HGP的內(nèi)容人類基因組作圖及序列分析，基因的鑒定、基因組研究技術的建立與創(chuàng)新、模式生物基因組作圖和測序、信息系統(tǒng)的建立、儲存及相應軟件的開發(fā)、相關產(chǎn)業(yè)的開發(fā)等。2.基本任務

可用4張圖譜來概括，即遺傳圖、物理圖、轉錄圖（基因圖）、序列圖。A.遺傳圖(geneticmap)：又稱連鎖圖(linkagemap),是以具有遺傳多態(tài)性的遺傳標記作為“位標”，遺傳學距離為“圖距”的基因組圖。需要應用多態(tài)性標志—（1）RFLP、（2）VNTR（重復順序，衛(wèi)星序列）、（3）SNPs。四、HGP的內(nèi)容、任務與進展

B.物理圖譜(physicalmap):是以一段已知核苷酸的DNA片段為“位標”，以DNA實際長度(Mb或Kb)作為圖距的基因組圖。C.轉錄圖（transcriptionmap）:是以表達序列標記(expressedsequencetags,EST)作為位標，實際上就是人類“基因圖”的雛形，又稱cDNA圖或“表達序列圖”。D.序列圖(sequencemap)：也就是人類基因組核苷酸序列圖，是分子水平上最高層次、最詳盡的物理圖。這四張圖被譽為人類“分子水平上的的解剖圖”或“生命元素周期表”，可見其重要性。遺傳圖譜基因圖譜序列圖譜物理圖譜100kbSTSmap（序列標簽位點）1kb或0.7cM3.進展

隨著工作的開展和私有企業(yè)壓力的加大，時間表在不斷提前，例如，原定2005年完成的序列圖譜已被兩次提前至2001年。（迄止2004.5.26，已完成了9條染色體的測序和分析；最近完成了第9號和10號染色體圖譜的繪制工作，認為癌癥、糖尿病和阿耳茨海默氏癥與這兩條染色體有關。）

中國的HGP始于1994年，是在吳旻，強伯勤，陳竺，楊煥明等人的倡導下啟動的。1998年3月由陳竺院士掛帥成立上海中心，10月改名為中國南方基因中心。1999年由強伯勤院士挑頭在北京先后成立了中國科學院北京人類基因組中心和北方人類基因組中心。在2000年6月完成“工作框架圖”。在2001年3月，Science和Nature同時發(fā)表了人類基因組草圖，人類基因組計劃的測序基本上是完成了。2003年4月HGP正式宣告全部完成，各項指標均如期完成。1999年9月，中國積極加入這一研究計劃，負責測定人類基因組全部序列的1%（貢獻率＞1%），也就是3號染色體短臂上的3000萬個堿基對，中國因此成為參與這一研究計劃的唯一發(fā)展中國家。截至2000年5月30日，中國科學院遺傳研究所人類基因組中心已經(jīng)完成了所承擔的人類基因組3p區(qū)域“工作框架圖”的任務，原申報的三項指標均如期完成。人類基因組中約有３萬到４萬個蛋白編碼基因(2001年)，現(xiàn)在認為只有2萬個左右（2004.10.21），比原先預計的10萬個基因數(shù)要少得多。五、HGP的幾個階段性工作Mouse

30,000Mouse

最新研究顯示人類基因數(shù)量比原先估計少得多，這是人類與其他種類基因數(shù)量的比較(2004.10.21《Nature》資料)

“產(chǎn)生一個愛因斯坦只需比線蟲多了約一萬二千個基因（實際只多500-5,500），或是比果蠅多了一萬七個左右的基因（實際只多6,400-11,400）

。”

生物體的復雜度為什么并沒有與其基因數(shù)量之間建立必然的聯(lián)系呢？其原因可能是：1.在于RNA切割作用可以保證從單個基因產(chǎn)生多個蛋白質(zhì)產(chǎn)物；2.脊椎動物基因比無脊椎動物基因會產(chǎn)生更多的這種切割；3.神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)達的程度與這種數(shù)值是相關的，線蟲比果蠅遲鈍，就需要更多的特異蛋白質(zhì)（相應更多的基因數(shù)）來對環(huán)境或天敵做出反應。同樣更遲鈍的植物，需要不斷地進化出新基因來對付不斷出現(xiàn)的新敵人和各種天氣環(huán)境的變化。mRNADNAhnRNAsplicing蛋白質(zhì)ei翻譯轉錄

“我們之所以同蒼蠅和線蟲不同，是由于我們的蛋白質(zhì)要復雜得多。我們額外的基因并沒有翻譯出許多新的蛋白質(zhì)種類。然而，它們用新的方法重構了古老蛋白質(zhì)的一些不同的部位……(蛋白質(zhì)后修飾)；使我們成為人類的是那些在生命的不同時期控制基因開啟和關閉的復雜內(nèi)在機制。”第二節(jié)蛋白質(zhì)組學

一、蛋白質(zhì)組學和蛋白質(zhì)組計劃產(chǎn)生的歷史背景

人類基因組計劃（HGP）被譽為20世紀的3大科技工程之一。經(jīng)過各國科學家十幾年的的努力，人類基因組計劃（HGP）已取得了巨大成績，整個計劃已提前完成。所取得的劃時代研究成果——人類基因草圖的完成宣告了一個新的紀元——“后基因組學（post-genomics）時代”的到來。其中，功能基因組學（functionnalgenomics）成為研究的重心，蛋白質(zhì)組學（protromics）則是其“中流砥柱”。InTheNews:“If2000wastheyearoftheGenome,2001willbetheyearoftheProteome”NightlyBusinessReport 12/27/00TimeMagazine7/3/00C&ENews7/31/00ScientificAmerican7/00TheEconomist12/9/00

科學家們已將蛋白質(zhì)組學的地位提高到前所未有的高度，認為是功能基因組學這一前沿研究的戰(zhàn)略制高點，將成為新世紀最大戰(zhàn)略資源——人類基因爭奪戰(zhàn)的重要“戰(zhàn)場”。也就是說，如何將人類基因組計劃所獲知的人類基因序列轉變?yōu)閷θ祟愖陨碚J識的知識？如何對這些基因加以利用呢？科學家們認為，生命科學已進入了后基因組學時代，而功能基因組學的研究，則可能是這一時代的核心內(nèi)容。

功能基因組學主要是采用一系列新技術，對成千上萬的基因表達進行分析比較，并從基因整體水平上對基因的活動規(guī)律進行闡述。它拋棄了經(jīng)典分子生物學零敲碎打地研究各別基因的習慣，力求從細胞水平上解決基因組問題，以建立對生命現(xiàn)象的整體認識。但是，生命現(xiàn)象的主要體現(xiàn)者是蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)有其自身的特定活動規(guī)律，僅僅從基因的角度來研究是遠遠不夠的。因此，旨在整體水平上研究細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成及其活動規(guī)律的新興科學——蛋白質(zhì)組學(Proteomics)，也就應運而生了。醫(yī)藥學領域應用：

近十多年來，蛋白質(zhì)組學研究迅猛發(fā)展，已被廣泛應用于醫(yī)學研究的各個領域。它著眼于對蛋白質(zhì)整體水平的研究，成為闡明基因組的功能、揭示生命奧秘的一個新的技術平臺。在疾病方面，探討蛋白質(zhì)與疾病之間的關系；在藥學范疇內(nèi)，它針對藥物靶點的識別，藥效評價，藥物毒理學研究，分子藥理模型的構建以及抗體的制備等進行研究，在藥物開發(fā)方面已顯示出巨大的潛力。……

生物體本身：1.在生物體內(nèi)，基因組是遺傳密碼的攜帶者，而真正的功能性分子卻是蛋白質(zhì)。2.只有通過研究蛋白質(zhì)，我們才有可能讀懂人類基因組這本“天書”。3.蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)的表達具有時空性和復雜性。首先，在特定的發(fā)育階段，不同的細胞內(nèi)外環(huán)境，一個基因可以表達出不同數(shù)量、不同種類的蛋白質(zhì)，從而產(chǎn)生不同的生物學功能。4.再有，基因編碼的蛋白質(zhì)產(chǎn)物也并非一成不變的，最為突出的就是蛋白質(zhì)的翻譯后修飾。據(jù)統(tǒng)計，蛋白質(zhì)在翻譯后大約有200種的修飾形式，如磷酸化、糖基化、乙?；?、烷基化等，這些變化不僅改變了蛋白質(zhì)的空間構象，而且，往往是蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的活性基礎。由于單基因病僅占所有疾病的2%左右，大多數(shù)疾病都是發(fā)生在蛋白質(zhì)水平，因而利用蛋白質(zhì)組學技術，借助研究蛋白質(zhì)的表達豐度、性質(zhì)和相互作用，我們就可以進一步探索疾病的診療方法和藥物的開發(fā)。

對生命現(xiàn)象的研究有三個水平：基因組、轉錄組（RNA）和蛋白質(zhì)組，基因組告訴我們理論上將會發(fā)生什么，轉錄組告訴我們可能會發(fā)生什么，蛋白質(zhì)組則告訴我們正在發(fā)生什么。

蛋白質(zhì)是生命活動的真正執(zhí)行者，細胞是生命活動的基本單位?；蚝偷鞍踪|(zhì)的功能最終必須在細胞中整合起來并得以真正體現(xiàn)?；蚝帽纫粡堉圃旎疖嚨膱D紙，蛋白質(zhì)就是根據(jù)圖紙制造的真正有運輸能力的火車。雖然目前已完成了對人類基因的全部DNA序列測定，但是單憑制造火車的圖紙,還不會跑起來,也不可能實現(xiàn)物資和旅客的運輸任務。

二、為什么要進行蛋白質(zhì)組研究?

以瘋牛病和人類克雅?。–reutsfeldt-disease,CJD）為代表的可傳染性海綿狀腦?。╰ransmissiblespongi-formencephalopathies,TSE）為一類致死性神經(jīng)系統(tǒng)疾病。其感染因子是一種與正常細胞膜蛋白（PrPC）一級結構完全相同，但高級結構、理化特性不同的PrPSc或prion蛋白（阮蛋白？）。目前的研究提示，這種不含有核酸的prion蛋白似乎具有自身復制的能力，也就是說這種蛋白本身就儲備了生命活動必需的遺傳信息。這就提示我們，在自然界中可能還存在著一種全新的微小生命體——一種無核酸的微小生物體。從而改變?nèi)祟悓φ麄€生物界的認識。即蛋白質(zhì)不僅可體現(xiàn)生物學功能，而且可儲存遺傳信息。而核酸成分可能在prion復制過程中完全缺如，這將有力地挑戰(zhàn)目前的“生物中心法則”。PrP蛋白高級結構的改變不僅可造成蛋白質(zhì)功能的變化，在某種意義上還是遺傳信息傳遞的方式。

三、蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學概念

蛋白質(zhì)組一詞由澳大利亞科學家Wilkins和Williams在1995年7月首次提出。蛋白質(zhì)組（proteome）一詞，源于蛋白質(zhì)（protein）與基因組（genome）兩個詞的復合，意思是Proteinsexpressedbyagenome，即由基因組表達的蛋白質(zhì),是指“一種基因組所表達的全套蛋白質(zhì)”,即包括一種細胞乃至一種生物所表達的全部蛋白質(zhì)。實際上，它有3種不同的含義：

1個基因組、1種生物或1種細胞所表達的全套蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組是一個動態(tài)的概念……

蛋白質(zhì)組的研究不僅能為生命活動規(guī)律提供物質(zhì)基礎，也能為眾多種疾病機理的闡明及攻克提供理論根據(jù)和解決途徑。蛋白質(zhì)組學(Proteomics)——以蛋白質(zhì)組為研究對象的嶄新研究領域。蛋白質(zhì)組學提供了一套在蛋白質(zhì)水平大規(guī)模研究基因功能的有用工具。它旨在闡明生物體全部蛋白質(zhì)的表達模式和功能模式，其內(nèi)容包括蛋白質(zhì)表達、存在方式、結構、功能和相互作用等。

四、蛋白質(zhì)組學研究的技術路線

蛋白質(zhì)組學是以蛋白質(zhì)為研究對象的嶄新研究領域。主要采取以下技術路線：蛋白質(zhì)組技術2D-Electrophoresis（雙向電泳）

MassspectrometryBioinformatics

（質(zhì)譜分析）（生物信息學）樣品提?。ㄉ矬w組織、細胞、體液）ICAT全景式蛋白質(zhì)定量技術離心，LC純化純化BioCAD多維色譜圖像分析2-DGelPVDF膜SPOT切割SDS酶解多肽片段173A毛細管HPLC純化及樣品制備純化BioCAD純化系統(tǒng)SYMBIOTI樣品處理系統(tǒng)PROCISE蛋白測序儀飛行時間質(zhì)譜儀VOYAGERSTRMALDI-TOFESIQq-TOFESI-TOF肽序列測定肽指紋譜PMF蛋白質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫檢索ABIInformatics蛋白識別（PROTEINID）

五、蛋白質(zhì)組學的研究方法

蛋白質(zhì)組研究是三者（基因組、轉錄組（RNA）和蛋白質(zhì)組）中難度最大的，蛋白質(zhì)的結構和功能的復雜性超乎尋常、蛋白質(zhì)研究手段的不完善，使得蛋白質(zhì)組的研究進展遠遠落后于DNA和RNA。2D-電泳和新的質(zhì)譜技術的應用，使蛋白質(zhì)組的研究煥發(fā)了生機。蛋白質(zhì)組研究主要從兩個方面：一是對蛋白質(zhì)組成（表達模式）的研究：1.雙向凝膠電泳（two-dimensionalpolyacrylamidegelelectrophoresis,2D-GE）；2.質(zhì)譜（massspectrum,MS）技術。二是對蛋白質(zhì)組功能模式的研究：酵母雙雜交系統(tǒng)（yeasttwo-hybridsystem）。

2D-GE是一種分離和測定復雜生物體系中蛋白質(zhì)的方法，根據(jù)蛋白質(zhì)等電點和分子量的不同：

第一向按蛋白質(zhì)的等電點不同對樣品進行等電聚焦分離；第二向根據(jù)分子量大小用SDS（十二烷基磺酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳）進行分離。

理論上利用SDS可以一次分辨出5000-10000個蛋白質(zhì)組分，結合放射自顯影技術可檢測出含量占樣品中蛋白質(zhì)總量10-6-10-7的組分。純度達99%以上。

雙向凝膠電泳技術包括：

樣品制備（溶解和增溶）樣品預處理（預分級分離）等電聚焦SDS電泳后蛋白質(zhì)的回收等技術六、目前急需解決的問題：①低拷貝蛋白質(zhì)的檢出。②極酸、極堿蛋白質(zhì)的分離。③過大（

200

103）或過?。?/p>

10

103）蛋白質(zhì)的分離。④難溶解電腦子的檢測，尤其是疏水蛋白質(zhì)。⑤二維譜上蛋白質(zhì)點數(shù)和量的重復性及分辨效率有待提高。⑥能自動進行SDS的儀器和與之相配套的軟件的研制開發(fā)。七、蛋白質(zhì)芯片技術

1.概念：

蛋白質(zhì)芯片（proteinchip）,也叫蛋白質(zhì)微陣列(proteinmicroarray)，是將大量蛋白質(zhì)有規(guī)則地固定到某種介質(zhì)載體上，利用蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、酶與底物、蛋白質(zhì)與其他小分子之間的相互作用，檢測分析蛋白質(zhì)的一項新技術。是生命科學與微電子學等學科相交叉的一門高新技術。與基因芯片一樣，具有高通量、平行性、微型化、自動化的特點。由于蛋白質(zhì)芯片是高通量、微型化和自動化蛋白質(zhì)分析技術，通過芯片表面探針蛋白質(zhì)點陣，可特異地捕獲樣品中的靶蛋白，然后通過檢測器對靶蛋白進行定性或定量分析。2.原理：利用抗體抗原結合原理，采用化學發(fā)光或熒光檢測標記抗體或抗原，來檢測抗原或抗體。

3.蛋白質(zhì)芯片的類型

（1）蛋白質(zhì)微陣列（2）三維凝膠塊芯片（3）微孔板蛋白質(zhì)芯片

2002年2月，由軍事醫(yī)學科學院賀福初院士、復旦大學化學系楊凡原教授一起主持這項5年內(nèi)資助額達3500萬元的重大課題研究。以嚴重影響我國人群健康的重大疾?。ㄈ绺窝?、肝癌、心血管病等）為對象，發(fā)掘與上述疾病發(fā)生發(fā)展密切相關的蛋白質(zhì)群，為重大病癥的防診治提供新的預警，診斷標志物和新的藥物靶標等。

2002年10月成立了“中國人類蛋白質(zhì)組組織”。2003年4月正式以“人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃”，這是世界上第一家以蛋白質(zhì)組計劃率先啟動.八、我國“人類重大疾病的蛋白質(zhì)組學研究”啟動九、基因組與蛋白質(zhì)組的比較基因組對象穩(wěn)定性結構ＤＮＡmＲＮＡDNA相對穩(wěn)定測序表達靜態(tài)ＥＳＴ(表達序列標簽)基因芯片轉基因基因敲出