生物化學及分子生物學人衛(wèi)第九版-27組學與系統(tǒng)生物學省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課一等獎?wù)n件

作者:楊生生焦炳華單位:海軍軍醫(yī)大學第27章

組學與系統(tǒng)生物醫(yī)學第1頁第一節(jié)基因組學第二節(jié)轉(zhuǎn)錄組學第三節(jié)蛋白質(zhì)組學第四節(jié)代謝組學第五節(jié)其它組學第六節(jié)系統(tǒng)生物醫(yī)學及其應(yīng)用第2頁重點難點熟悉了解掌握基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等概念及其研究內(nèi)容系統(tǒng)生物醫(yī)學、分子醫(yī)學、精準醫(yī)學、轉(zhuǎn)化醫(yī)學等內(nèi)涵糖組學、脂組學研究內(nèi)容；系統(tǒng)生物醫(yī)學在當代醫(yī)學研究中應(yīng)用第3頁基因組學第一節(jié)第4頁結(jié)構(gòu)基因組學（structuralgenomics）比較基因組學（comparativegenomics）功效基因組學（functionalgenomics）基因組學是說明整個基因組結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系以及基因之間相互作用科學第5頁一、結(jié)構(gòu)基因組學揭示基因組序列信息L.Yanetal.PNAS;100:6263-6268遺傳圖譜(geneticmap)物理圖譜(physicalmap)序列圖譜(sequencemap)第6頁1.遺傳作圖就是繪制連鎖圖（一）經(jīng)過遺傳作圖和物理作圖繪制人類基因組草圖第一代多態(tài)性標識：限制性片段長度多態(tài)性-RFLP第二代多態(tài)性標識：可變數(shù)目串聯(lián)重復序列-VNTR第三代多態(tài)性標識：單核苷酸多態(tài)性-SNP遺傳作圖（geneticmapping）:就是確定連鎖遺傳標志位點在一條染色體上排列次序及它們之間相對遺傳距離，用厘摩爾根（centi-Morgan，cM）表示，當兩個遺傳標識之間重組值為1%時，圖距即為1cM。

慣用遺傳標志第7頁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（physicalmapping）以物理尺度（bp或kb）標示遺傳標志在染色體上實際位置和它們間距離，是在遺傳作圖基礎(chǔ)上繪制更為詳細基因組圖譜。

慣用物理作圖方法熒光原位雜交圖（fluorescentinsituhybridizationmap，F(xiàn)ISHmap）限制性酶切圖（restrictionmap）連續(xù)克隆系圖（clonecontigmap）第8頁遺傳圖譜與物理圖譜示意

遺傳圖譜標示了分子標志間相對距離，以cM標示物理圖譜標示了分子標志間絕對距離，以kb表示第9頁（二）經(jīng)過EST文庫繪制轉(zhuǎn)錄圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜又稱為cDNA圖或表示圖（expressionmap），是一個以表示序列標簽（expressedsequencetag，EST）為標識，依據(jù)轉(zhuǎn)錄次序位置和距離繪制分子遺傳圖譜。

EST是指從cDNA文庫中隨機選取某一克隆進行測序所取得cDNA5'-或3'-末端序列，每個EST長度普通在300~500bp之間就能夠包含已表示該基因信息。第10頁基因圖譜中序列標簽位點（STS）和表示序列標簽（EST）分布示意第11頁（三）經(jīng)過BAC克隆系和鳥槍法測序等構(gòu)建序列圖譜BAC文庫構(gòu)建與鳥槍法測序流程示意圖第12頁二、比較基因組學判別基因組相同性和差異性種間比較基因組學說明物種間基因組結(jié)構(gòu)異同種內(nèi)比較基因組學說明群體內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)變異和多態(tài)性比較基因組學是在基因組序列基礎(chǔ)上，經(jīng)過與已知生物基因組比較，判別基因組相同性和差異性，首先可為說明物種進化關(guān)系提供依據(jù)，另首先可依據(jù)基因同源性預測相關(guān)基因功效。研究內(nèi)容第13頁三、功效基因組學系統(tǒng)探討基因活動規(guī)律EJIFCC.;19(1):22–30.基因組表示基因組功效注釋基因組表示調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及機制第14頁四、ENCODE識他人類基因組全部功效元件NHGRI于年9月開啟了DNA元件百科全書（ENCyclopediaOfDNAElements，ENCODE）計劃；該計劃意在解析人類基因組中全部功效性元件，內(nèi)容包含編碼基因、非編碼基因、調(diào)控區(qū)域、染色體結(jié)構(gòu)維持和調(diào)整染色體復制動力DNA元件等。/ENCODE/第15頁（一）ENCODE是HGP延續(xù)與深入ENCODE研究內(nèi)容與策略第16頁（二）ENCODE已取得主要階段性結(jié)果人類基因組大部分序列（80.4%）含有功效；人類基因組中有399,124個區(qū)域含有增強子樣特征，70,292個區(qū)域含有開啟子樣特征；RNA產(chǎn)生和加工與開啟子結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子活性親密相關(guān)；非編碼功效元件富含與疾病相關(guān)SNP，大部分疾病表型與轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)。第17頁轉(zhuǎn)錄組學第二節(jié)第18頁轉(zhuǎn)錄組（transcriptome）:指生命單元（通常是一個細胞）所能轉(zhuǎn)錄出來全部轉(zhuǎn)錄本，包含mRNA、rRNA、tRNA和其它非編碼RNA總和。轉(zhuǎn)錄組學（transcriptomics）：是在整體水平上研究細胞編碼基因（編碼RNA和蛋白質(zhì)）轉(zhuǎn)錄情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律科學。第19頁一、轉(zhuǎn)錄物學全方面分析基因表示譜Leukemia.

;27(4):992-5大規(guī)模基因表示譜（expressionprofile）分析第20頁二、轉(zhuǎn)錄組研究采取整體性分析技術(shù)微陣列（microarray）基因表示系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）大規(guī)模平行信號測序系統(tǒng)（massivelyparallelsignaturesequencing,MPSS）第21頁微陣列技術(shù)基本步驟（一）微陣列是大規(guī)模基因組表示譜研究主要技術(shù)/10000533/dna-microarray-technology/第22頁基因表示系列分析(SAGE)（二）SAGE在轉(zhuǎn)錄物水平研究細胞或組織基因表示模式/findings/index.html第23頁大規(guī)模平行信號測序系統(tǒng)(MPSS)/probe/docs/techmpss/（三）MPSS是以序列測定為基礎(chǔ)基因表示譜高通量分析新技術(shù)第24頁（一）高通量轉(zhuǎn)錄組測序是取得基因表示調(diào)控信息基礎(chǔ)（二）單細胞轉(zhuǎn)錄組有利于解析單個細胞行為分子基礎(chǔ)三、轉(zhuǎn)錄組測序和單細胞轉(zhuǎn)錄組分析是轉(zhuǎn)錄組學關(guān)鍵任務(wù)第25頁蛋白質(zhì)組學第三節(jié)第26頁蛋白質(zhì)組（proteome）是指細胞、組織或機體在特定時間和空間上表示全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學（proteomics）以全部這些蛋白質(zhì)為研究對象，分析細胞內(nèi)動態(tài)改變蛋白質(zhì)組成、表示水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間相互作用與聯(lián)絡(luò)，并在整體水平上說明蛋白質(zhì)調(diào)控活動規(guī)律，故又稱為全景式蛋白質(zhì)表示譜（globalproteinexpressionprofile）分析。第27頁1.蛋白質(zhì)種類和結(jié)構(gòu)判定是蛋白質(zhì)組研究基礎(chǔ)（一）蛋白質(zhì)判定是蛋白質(zhì)組學基本任務(wù)2.翻譯后修飾判定有利于蛋白質(zhì)功效說明一、蛋白質(zhì)組學研究細胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)組成及其活動規(guī)律（二）蛋白質(zhì)功效確定是蛋白質(zhì)組學根本目標1.各種蛋白質(zhì)均需要判定其基本功效特征2.蛋白質(zhì)相互作用研究是認識蛋白質(zhì)功效主要內(nèi)容第28頁二、二維電泳、液相分離和質(zhì)譜是蛋白質(zhì)組研究常規(guī)技術(shù)基于二維（雙向）凝膠電泳（two-dimensionalgelelectrophoresis，2-DE）分離為關(guān)鍵研究路線；基于液相色譜（liquidchromatography，LC）分離為關(guān)鍵技術(shù)路線。蛋白質(zhì)組研究主要有兩條技術(shù)路線第29頁（一）2-DE-MALDI-MS依據(jù)等電點和分子量分離判定蛋白質(zhì)1．2-DE是分離蛋白質(zhì)組有效方法2．MALDI-MS判定2-DE膠內(nèi)蛋白質(zhì)點第30頁（二）LC-ESI-MS經(jīng)過液相層析技術(shù)分離判定蛋白質(zhì)1．層析分離肽混合物

從組織中提取目標蛋白質(zhì)混合物首先進行選擇性酶解，取得肽段混合物，然后進行二維液相分離。2．電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜判定肽段

利用高電場使MS進樣端毛細管柱流出液滴帶電，帶電液滴在電場中飛向與其所帶電荷相反電勢一側(cè)。液滴在飛行過程中變得細小而呈噴霧狀，被分析物離子化成為帶單電荷或多電荷離子，使被分析物得以判定。第31頁代謝組學第四節(jié)第32頁代謝組學（metabonomics）就是測定一個生物/細胞中全部小分子（Mr≤1000）組成，描繪其動態(tài)改變規(guī)律，建立系統(tǒng)代謝圖譜，并確定這些改變與生物過程聯(lián)絡(luò)。第33頁一、代謝組學任務(wù)是分析生物/細胞代謝產(chǎn)物全貌①代謝物靶標分析（metabolitetargetanalysis）：對某個或某幾個特定組分進行分析；②代謝譜分析（metabolicprofilinganalysis）：對一系列預先設(shè)定目標代謝物進行定量分析。如某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)化合物或某一代謝路徑中全部代謝物或一組由多條代謝路徑共享代謝物進行定量分析；③代謝組學：對某一生物或細胞全部代謝物進行定性和定量分析；④代謝指紋分析（metabolicfingerprintinganalysis）：不分離判定詳細單一組分，而是對代謝物整體進行高通量定性分析。代謝組學分為四個層次第34頁二、核磁共振、色譜及質(zhì)譜是代謝組學主要分析工具①NMR：是當前代謝組學研究中主要技術(shù)。代謝組學中慣用NMR譜是氫譜（1H-NMR）、碳譜（13C-NMR）及磷譜（31P-NMR）；②MS：按質(zhì)荷比（m/z）進行各種代謝物定性或定量分析，可得到對應(yīng)代謝產(chǎn)物譜；③色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)：這種聯(lián)用技術(shù)使樣品分離、定性、定量一次完成，含有較高靈敏度和選擇性。當前慣用聯(lián)用技術(shù)包含氣相色譜—質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用和液相色譜—質(zhì)譜（LC-MS）聯(lián)用。代謝組主要分析工具第35頁代謝組學研究技術(shù)系統(tǒng)及伎倆第36頁三、代謝組學技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域含有遼闊應(yīng)用前景能夠提供疾?。ㄈ缫恍┠[瘤、肝臟疾病、遺傳性代謝病等）診療、預后和治療評判標準，并有利于加深對疾病發(fā)生、發(fā)展機制了解；能夠快速檢測毒物和藥品在體內(nèi)代謝產(chǎn)物和對機體代謝影響，有利于判定毒物、藥品代謝規(guī)律，為深入說明毒物中毒機制和發(fā)展個體化用藥提供理論依據(jù)；利用代謝組學技術(shù)對代謝網(wǎng)絡(luò)中酶功效進行有效整體性分析，能夠發(fā)覺已知酶新活性并發(fā)掘未知酶功效；最終，因為代謝組學分析技術(shù)含有整體性、分辨率高等特點，可廣泛應(yīng)用于中藥作用機制、復方配伍、毒性和安全性等方面研究，為中藥當代化提供技術(shù)支撐。第37頁其它組學第五節(jié)第38頁（一）糖組學分為結(jié)構(gòu)糖組學與功效糖組學兩個分支（二）色譜分離/質(zhì)譜判定和糖微陣列技術(shù)是糖組學研究主要技術(shù)（三）糖組學與腫瘤關(guān)系親密一、糖組學碩士命體聚糖多樣性及其生物學功效第39頁（一）脂組學是代謝組學一個分支（二）脂組學研究三大步驟——分離、判定和數(shù)據(jù)庫檢索

1.樣品分離

2.脂質(zhì)判定 3.數(shù)據(jù)庫檢索（三）脂組學促進脂質(zhì)生物標志物發(fā)覺和疾病診療二、脂組學揭示生命體脂質(zhì)多樣性及其代謝調(diào)控第40頁系統(tǒng)生物醫(yī)學及其應(yīng)用第六節(jié)第41頁一、系統(tǒng)生物醫(yī)學是以整體性研究為特征一個整合科學系統(tǒng)生物學（systemsbiology）是系統(tǒng)性地研究一個生物系統(tǒng)中全部組成成份（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）組成以及在特定條件下這些組分間相互關(guān)系，并分析生物系統(tǒng)在一定時間內(nèi)動力學過程。系統(tǒng)生物醫(yī)學（systemsbiomedicine）應(yīng)用系統(tǒng)生物學原理與方法研究人體（包含動物和細胞模型）生命活動本質(zhì)、規(guī)律以及疾病發(fā)生發(fā)展機制，實際上就是系統(tǒng)生物學醫(yī)學應(yīng)用研究。第42頁（一）系統(tǒng)生物醫(yī)學強調(diào)機體組成要素和功效全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生物醫(yī)學從全方位、多層次（分子、細胞器、細胞、組織、器官、個體/基因型、環(huán)境因子、種群、生態(tài)系統(tǒng)）和整體性研究角度，揭示一個機體全部組成成份（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）組成，以及在特定條件下這些組分間相互關(guān)系及其效應(yīng)。第43頁（二）系統(tǒng)生物醫(yī)學將極大地推進當代醫(yī)學科學發(fā)展預測醫(yī)學（predictivemedicine）預防醫(yī)學（preventivemedicine）個性化醫(yī)學（personalizedmedicine）第44頁二、分子醫(yī)學是發(fā)展當代醫(yī)學科學主要基礎(chǔ)分子醫(yī)學（molecularmedicine）就是從分子水平闡述疾病狀態(tài)下基因組結(jié)構(gòu)、功效及其表示調(diào)控規(guī)律，并從中發(fā)展當代高效預測、預防、診療和治療伎倆。第45頁（一）疾病基因組學說明發(fā)病分子基礎(chǔ)（二）藥品基因組學揭示遺傳變異對藥品效能和毒性影響（三）疾病轉(zhuǎn)錄組學說明疾病發(fā)生機制并推進新診治方式進步（四）疾病蛋白質(zhì)組學發(fā)覺和判別藥品新靶點（五）醫(yī)學代謝組學提供新小分子疾病標志物第46頁三、精準醫(yī)學是實現(xiàn)個體化醫(yī)學主要伎倆精準醫(yī)學（precisionmedicine）目標就是全方面推進個體基因組研究，依據(jù)個人基因組信息“量體裁衣”式制訂最正確個性化治療方案，以期到達療效最大化和副作用最小化。短期目標——癌癥治療長久目標——健康管理第47頁四、轉(zhuǎn)化醫(yī)學是加速基礎(chǔ)研究實際應(yīng)用主要路徑轉(zhuǎn)化醫(yī)學（translationalme