《醫(yī)學生物化學》課件第19章-組學與醫(yī)學

學習要點1.掌握各“組學”的主要研究內容。掌握基因組學主要包括哪幾個領域，各自的主要任務。2.熟悉轉錄組學研究受到時間和空間的限定，不同的生長時期和環(huán)境、不同組織，其轉錄組都存在差異。熟悉蛋白質組學研究與基因組學研究的差別。3.了解基因診斷的概念、特點和主要檢測技術。了解基因治療的分類和基本治療過程。中心法則

遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯的過程。何為“組學”？“組學”就是指研究細胞、組織或整個生物體內某種分子（DNA、RNA、蛋白質、代謝物和其他分子）的所有組成內容的學科。分子生物學中，組學主要包括：基因組學（genomics）轉錄組學（transcriptomics）蛋白組學（proteinomics）代謝組學（metabolomics）其他組學，如脂類組學（lipidomics）、免疫組學（immunomics）、糖組學（glycomics）等等遺傳信息傳遞的方向性第一節(jié)基因組學Genomics基因組（genome）一個細胞或生物體中一套完整的單倍體的遺傳物質的總和，它代表此生物體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。基因組學（genomics）指對基因進行基因作圖、核苷酸序列分析、基因定位、基因結構與功能的關系，以及基因間相互作用的科學，即研究基因結構和功能的科學。一、基因組學包括結構基因組學、功能基因組學和比較基因組學基因組學實際上包括3個不同的研究亞領域：結構基因組學（structuralgenomics）功能基因組學（functionalgenomics）比較基因組學（comparativegenomics）亞領域主要任務結構基因組學人類基因組作圖（遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜以及轉錄圖譜）和大規(guī)模DNA序列，揭示人類基因組的全部DNA序列及其組成。功能基因組學利用結構基因組所提供的信息，注釋、分析整個基因組所包含的基因、非基因序列及其功能。比較基因組學模式生物基因組之間或與人基因組之間的比較和鑒定，為研究生物進化和預測新基因提供依據。二、人類基因組DNA序列的確定是結構基因組學研究的基礎結構基因組學(structuralgenomics)是通過HGP的實施來完成的。HGP的內容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其他重要模式生物全部基因組DNA序列測定，因此HGP屬于結構基因組學范疇。（一）遺傳圖譜是建立不同編碼基因在具體染色體上線性排列圖遺傳圖（geneticmap）又稱連鎖圖（linkagemap），是指基因根據重組頻率在染色體上的線性排列或分布。HGP中所說的遺傳制圖（geneticmapping）是指主要利用基因之間的遺傳連鎖關系確定遺傳標志位點在同一條染色體上的線性排列順序以及它們之間的相對遺傳距離，單位為厘摩爾根（centi-morgen，cM），即每次減數(shù)分裂兩個遺傳標志之間的重組頻率為1%時，圖距即為1cM。（二）物理圖譜是構成基因組的全部基因的排列和間距的信息圖HGP中的物理圖（physicalmap）通過對構成基因組的DNA分子進行測定而繪制的，是指染色體上諸如限制性核酸內切酶識別位點，或序列標志位點（sequencetaggedsites，STSs）等標志的位置圖。位點之間的距離以bp（堿基對）來表示。DNA物理圖譜是指DNA鏈的限制性酶切片段的排列順序，即酶切片段在DNA鏈上的定位。DNA物理圖譜是順序測定的基礎，也可理解為指導DNA測序的藍圖。廣義地說，DNA測序從物理圖譜制作開始，它是測序工作的第一步。（三）大規(guī)模測序基于BAC克隆技術和全基因組鳥槍法這兩種基本策略1．BAC克隆系的構建是大規(guī)模DNA測序的基礎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。（三）大規(guī)模測序基于BAC克隆技術和全基因組鳥槍法這兩種基本策略在一定作圖信息基礎上，繞過大片段連續(xù)克隆系的構建而直接將基因組分解成小片段隨機測序，利用超級計算機進行組裝。鳥槍法是大規(guī)模測序的重要方法。近年來，測序技術已經從BAC的策略轉向全基因組鳥槍法。2．鳥槍法是大規(guī)模DNA測序的重要方法

（四）生物信息學是預測基因組結構和功能的重要手段生物信息學的發(fā)展促進了生物信息數(shù)據庫的建設、生物學數(shù)據的檢索、處理和利用。三大生物信息中心：美國國家生物技術信息中心（NCBI，）歐洲生物信息研究所（EBI，http://ebi.ac.uk）日本DNA數(shù)據庫（DDBJ，http://www.ddbj.nig.ac.jp）GenBank（/Genbank）是NIH的基因序列數(shù)據庫，包含所有已知的核苷酸及蛋白質序列、以及與之相關的生物學信息和參考文獻，是世界上的權威序列數(shù)據庫。三、人類功能基因組學研究的主要任務（一）尋找、鑒定DNA序列中基因（二）研究基因生物學功能及其在體內的表達調節(jié)特點是基因功能注釋的主要任務（三）基因或DNA序列同源搜索可研究同源基因功能上或DNA序列的演化關系它從整體水平上研究一種組織或細胞在同一時間或同一條件下所表達基因的種類、數(shù)量、功能及在基因組中的定位，或同一細胞在不同狀態(tài)下基因表達的差異。四、比較基因組學的研究任務基因組比較研究是探索生物進化、推測人類基因疾病機制的重要手段。利用模式生物基因組與人類基因組之間編碼順序上和結構上的同源性，克隆人類疾病基因，可以推測和揭示人類基因功能和疾病分子機制五、人基因組的新特點為認識疾病提供豐富資料人類基因組基因編碼DNA序列的眾多特點逐一被發(fā)現(xiàn)，如基因數(shù)量比預測少得驚人、基因組中存在“熱點”和大片"荒漠"、大部分人類遺傳疾病是在Y染色體上進行的等等為認識臨床醫(yī)學發(fā)病機理提供豐富的資料第二節(jié)轉錄組學Transcriptomics轉錄組（transcriptome）指生命單元（通常是一種細胞）所能轉錄出來的可直接參與蛋白質翻譯的mRNA（編碼RNA）總和，而其他所有非編碼RNA均可歸為RNA組（RNome）。轉錄組學（transcriptomics）是在整體水平上研究細胞編碼基因轉錄情況及轉錄調控規(guī)律的科學。一、轉錄組學是從RNA水平研究基因表達情況及轉錄調控規(guī)律的科學研究特殊階段、環(huán)境、狀態(tài)下細胞或組織在轉錄水平表達譜的變化，從而揭示基因組中究竟是哪（些）個基因功能與某一生命現(xiàn)象或病理狀態(tài)相關。二、基因芯片等技術是轉錄組學研究的重要手段轉錄組研究的主要技術：基因芯片基因表達系列分析（SAGE）大規(guī)模平行信號測序系統(tǒng)（MPSS）三、轉錄譜提供基因表達的信息

轉錄譜可以提供特定條件下某些基因表達的信息轉錄組差異表達譜的建立可用于辨別細胞的表型歸屬、疾病的診斷和對原發(fā)性惡性腫瘤等疾病的分型第三節(jié)蛋白質組學Proteomics蛋白質組學（proteomics）是在大規(guī)模水平上研究蛋白質的特征，包括蛋白質的表達水平，翻譯后的修飾，蛋白質與蛋白質相互作用等，由此獲得蛋白質水平上的關于疾病發(fā)生、細胞代謝等過程的整體而全面的認識。一、蛋白質組學研究細胞內所有蛋白質的組成及其活動規(guī)律細胞、組織或機體在不同時間和空間上表達的蛋白質譜是不同的，它隨著組織、環(huán)境狀態(tài)的不同而改變。蛋白質組學集中于動態(tài)描述基因調節(jié)，對基因表達的蛋白質水平進行定量的測定，研究細胞內所有蛋白質的組成及其活動規(guī)律。二、蛋白質組學研究的常規(guī)技術二維凝膠電泳（2D-DIGE）技術、質譜（MS）技術以及大規(guī)模數(shù)據處理仍然是蛋白質組學的三大基本支撐技術。蛋白質組學研究的兩條技術路線：以2D-DIGE分離蛋白質的方法，將不同種類的蛋白質按照等電點和分子量差異進行高分辨率的分離。以質譜技術為核心的方法，它提供了快速、準確、靈敏的檢測方法，已經被廣泛應用于蛋白質和多肽的的分析與鑒定。三、蛋白質組學發(fā)現(xiàn)和鑒別藥物新靶點它通過比較正常體與病變體、給藥前后蛋白質譜的變化，發(fā)現(xiàn)表達異常的蛋白質，這類蛋白質可作為藥物作用的候選靶點。蛋白質組學現(xiàn)在已經成為尋找疾病分子標記和發(fā)現(xiàn)和鑒別藥物靶標最有效的途徑。第四節(jié)代謝組學Metabolomics代謝組學（metabolomics）就是測定一個生物/細胞中所有的小分子（Mr

1000）組成，對所有這些小分子進行定性和定量分析，從而定量描述生物內源性代謝物質的整體及其對內因和外因變化應答規(guī)律的科學，是系統(tǒng)生物學的重要組成部分。一、代謝組學是分析代謝產物的全貌代謝物靶標分析目標是定量分析一個靶蛋白的底物或/和產物代謝譜分析對特定代謝過程中的結構或性質相關的預設代謝物系列進行定量分析代謝組學定量分析一個系統(tǒng)全部代謝物，但目前還很難實現(xiàn)代謝指紋分析定性或半定量分析細胞內/外全部代謝物。代謝組學分為四個層次：二、核磁共振、色譜及質譜是代謝組學的主要分析工具核磁共振（NMR）特別是氫譜以其對含氫代謝物的普適性，色譜以其高分離度、高通量，及質譜（MS）以其普適性、高靈敏度和特異性成為代謝組學研究的主要分析工具。質譜按照質荷比進行各種代謝物的定性定量分析，可得到相應的代謝物譜。色譜-質譜聯(lián)用結合了兩者的優(yōu)勢，因而成為代謝組學研究中重要的分離分析技術，具有較高靈敏度和選擇性。三、代謝組學是從整體上研究復雜生命現(xiàn)象的新興學科主要研究思想是全局觀點，其研究的思路大致為快速精確地分析代謝物、模式識別生物樣品、鑒定相關的生物標志物、生物過程機制聯(lián)系。近年來迅速發(fā)展并滲透到多個生命科學領域。

第五節(jié)基因診斷Genediagnosis

基因變異致?。簝仍椿虻淖儺?/p>

基因結構突變基因表達異常外源基因的入侵基因診斷利用現(xiàn)代分子生物學和分子遺傳學的技術和方法，直接檢測基因結構及其表達水平是否正常，從而對疾病作出診斷的方法。一、基因診斷的研究目的基因診斷是利用現(xiàn)代分子生物學技術直接評估致病基因DNA結構變化或遺傳標記變化的病因偵察手段。在疾病出現(xiàn)之前就可作出診斷，為疾病的預防和早期及時治療贏得了時間。二、基因診斷的特點特點

1.特異性高，針對性強

2.靈敏度高:3.早期診斷

4.取樣方便

5.安全高效

6.適應范圍廣三、基因診斷的檢測技術（一）酶切技術（二）核酸分子雜交技術（三）聚合酶鏈反應(PCR)（一）酶切技術1.限制性內切酶酶譜分析2.DNA限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）此法利用限制性內切酶檢測因基因突變而改變酶切片段大小的疾病，如鐮刀狀紅細胞貧血。RFLP診斷疾病主要依據遺傳標志，而不是治病的直接原因。（二）核酸雜交技術1.等位基因特異寡核苷酸分子雜交（ASO）

根據已知致病基因突變位點的核苷酸序列，人工設計合成兩種寡核苷酸探針：突變基因的探針M

正?；虻奶结楴

分別與受檢者的DNA進行直接分子雜交，根據雜交結果來判斷受檢者的基因型。（二）核酸雜交技術2.反向點雜交（RDB）是改進的ASO技術RDB技術可將各種突變和正常序列的探針固定于雜交膜上，改為液相進行雜交。

一次就可同時篩查多種突變，大大提高基因診斷效率。（三）PCR技術

運用PCR技術將待研究的目的基因進行體外大量擴增，從而增加了檢測的靈敏性和特異性。

同時，結合電泳和測序技術，可對疾病做出診斷。第五節(jié)基因治療Genetherapy

基因治療（genetherapy）是指將外源正?；蚧蛴兄委熥饔玫腄NA片段導入靶細胞，以糾正或補償因基因缺陷和異常引起的疾病，以達到治療目的。

從廣義說，基因治療還可包括從DNA水平采取的治療某些疾病的措施和新技術。一、基因治療的分類基因矯正基因置換基因增補基因失活自殺基因的應用基因矯正是指將致病基因的異常堿基進行糾正，而正常部分予以保留。基因置換就是用正常的基因通過體內基因同源重組，原位替換病變細胞內的致病基因，使細胞內的DNA完全恢復正常功能狀態(tài)。

基因增補指將目的基因導入病變細胞或其他細胞，不去除異?；?，而是通過目的基因的非定點整合，使其表達產物補償缺陷基因的功能或使原有的功能得以加強?；蚴Щ罨蚧虺聊侵笇⑻囟ǖ男蛄袑爰毎?，在轉錄、轉錄后或翻譯水平上阻斷某些基因的異常表達，以達到治療疾病的目的?！白詺⒒颉睉米詺⒒蛴址Q前體藥物酶轉化基因，這種基因導入受體細胞后可產生一種酶，它可將原來無細胞毒性或低毒藥物前體轉化為細胞毒性物質，將細胞本身殺死，這種基因被稱為“自殺基因”。自殺基因導入腫瘤細胞后，可將腫瘤細胞殺死。但對正常細胞則無傷害作用。二、基因治療的過程載體目的基因invivoexvivo靶細胞進本程序治療性基因的獲得基因載體的選擇靶細胞的選擇基因轉移方法轉導細胞的選擇鑒定

利用載體中的標記基因回輸體內病毒載體非病毒載體常為體細胞化學法、物理法、病毒載體系統(tǒng)、膜融合法等（一）治療基因是基因治療的關鍵導入的治療基因應是與缺陷基因相對應的有功能的同源基因或