第九講基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)(2017.4)

基因組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)第九講

SongFangzhou

2017.4.

學(xué)科發(fā)展的趨勢結(jié)果展望GeneGenome

GenomicsProtein

proteomeProteomics

生命科學(xué)的重大基石——

中心法則

DNARNA蛋白質(zhì)

基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄組學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)？？依據(jù)和支撐：第一節(jié)基因組學(xué)與人類基因組計(jì)劃一、基因組（Genome）

是指生物細(xì)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(gè)（最新資料說28.5億個(gè)）鹼基對(bp)，2-2.5萬個(gè)蛋白編碼基因，這些編碼區(qū)僅占整個(gè)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(xué)（Genomics）

簡言之，就是研究基因組結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，其內(nèi)容包括基因的結(jié)構(gòu)、組成、存在方式、表達(dá)調(diào)控模式、基因的功能和相互作用等?；蚪M學(xué)分支:結(jié)構(gòu)基因組學(xué)功能基因組學(xué)比較基因組學(xué)

導(dǎo)言——基因組學(xué)產(chǎn)生的歷史背景有史以來,人類就在為認(rèn)識自身進(jìn)行著不懈的努力1.自從人們認(rèn)識到“基因決定生物性狀”,（達(dá)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(jì)劃啟動后才開始的。人們回顧過去的20世紀(jì)一百年中所取得的輝煌成就時(shí)，認(rèn)為最激動人心的偉大創(chuàng)舉之一就是和“曼哈頓原子彈計(jì)劃”、“阿波羅人類登月計(jì)劃”一起被譽(yù)為20世紀(jì)科學(xué)史上三個(gè)里程碑的“人類基因組計(jì)劃”(humangenomeproject,HGP)。這項(xiàng)人類生命科學(xué)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(jì)民生特別是生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展更具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。三、人類基因組計(jì)劃1985年5月，美國能源部提出“人類基因組計(jì)劃”(humangenomeproject,HGP)草案；經(jīng)過一番討論后于1986年3月宣布實(shí)施這個(gè)草案；1986年3月7日，Dulbecco

R

在Science上發(fā)表了一篇有關(guān)開展人類基因組計(jì)劃的短文，引起了全世界的強(qiáng)烈反響，不僅推動了美國，也推動了全世界的人類基因組計(jì)劃的發(fā)展；1988年2月，國家科學(xué)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(zhǔn)的“人類基因組計(jì)劃”。計(jì)劃在15年內(nèi)投入30億美元以上的資金進(jìn)行人類基因組的分析，即對人類3109個(gè)核苷酸進(jìn)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(shù)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(yīng)軟件的開發(fā)、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)等。2.基本任務(wù)

可用4張圖譜來概括，即遺傳圖、物理圖、轉(zhuǎn)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(biāo)記作為“位標(biāo)”，遺傳學(xué)距離為“圖距”的基因組圖。需要應(yīng)用多態(tài)性標(biāo)志—（1）RFLP、（2）VNTR（重復(fù)順序，衛(wèi)星序列）、（3）SNPs。四、HGP的內(nèi)容、任務(wù)與進(jìn)展

B.物理圖譜(physicalmap):是以一段已知核苷酸的DNA片段為“位標(biāo)”，以DNA實(shí)際長度(Mb或Kb)作為圖距的基因組圖。C.轉(zhuǎn)錄圖（transcriptionmap）:是以表達(dá)序列標(biāo)記(expressedsequencetags,EST)作為位標(biāo)，實(shí)際上就是人類“基因圖”的雛形，又稱cDNA圖或“表達(dá)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(yù)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(biāo)簽位點(diǎn)）1kb或0.7cM3.進(jìn)展

隨著工作的開展和私有企業(yè)壓力的加大，時(shí)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(rèn)為癌癥、糖尿病和阿耳茨海默氏癥與這兩條染色體有關(guān)。）

中國的HGP始于1994年，是在吳旻，強(qiáng)伯勤，陳竺，楊煥明等人的倡導(dǎo)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(qiáng)伯勤院士挑頭在北京先后成立了中國科學(xué)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(shí)發(fā)表了人類基因組草圖，人類基因組計(jì)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(xiàng)指標(biāo)均如期完成。

1999年9月，中國積極加入這一研究計(jì)劃，負(fù)責(zé)測定人類基因組全部序列的1%（貢獻(xiàn)率＞1%），也就是3號染色體短臂上的3000萬個(gè)堿基對，中國因此成為參與這一研究計(jì)劃的唯一發(fā)展中國家。截至2000年5月30日，中國科學(xué)院遺傳研究所人類基因組中心已經(jīng)完成了所承擔(dān)的人類基因組3p區(qū)域“工作框架圖”的任務(wù)，原申報(bào)的三項(xiàng)指標(biāo)均如期完成。人類基因組中約有３萬到４萬個(gè)蛋白編碼基因(2001年)，現(xiàn)在認(rèn)為只有2萬個(gè)左右（2004.10.21），比原先預(yù)計(jì)的10萬個(gè)基因數(shù)要少得多。五、HGP的幾個(gè)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(jì)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(gè)愛因斯坦只需比線蟲多了約一萬二千個(gè)基因（實(shí)際只多500-5,500），或是比果蠅多了一萬七個(gè)左右的基因（實(shí)際只多6,400-11,400）

。”生物體的復(fù)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(gè)基因產(chǎn)生多個(gè)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(dá)的程度與這種數(shù)值是相關(guān)的，線蟲比果蠅遲鈍，就需要更多的特異蛋白質(zhì)（相應(yīng)更多的基因數(shù)）來對環(huán)境或天敵做出反應(yīng)。同樣更遲鈍的植物，需要不斷地進(jìn)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(zhuǎn)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(fù)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(gòu)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(shí)期控制基因開啟和關(guān)閉的復(fù)雜內(nèi)在機(jī)制?！钡诙?jié)蛋白質(zhì)組學(xué)

生命是蛋白體的存在方式，這個(gè)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(jié)果便是蛋白質(zhì)的分解。

恩格斯

一、蛋白質(zhì)組學(xué)和蛋白質(zhì)組計(jì)劃產(chǎn)生的歷史背景

人類基因組計(jì)劃（HGP）被譽(yù)為20世紀(jì)的3大科技工程之一。經(jīng)過各國科學(xué)家十幾年的的努力，人類基因組計(jì)劃（HGP）已取得了巨大成績，整個(gè)計(jì)劃已提前完成。所取得的劃時(shí)代研究成果——人類基因草圖的完成宣告了一個(gè)新的紀(jì)元——“后基因組學(xué)（post-genomics）時(shí)代”的到來。其中，功能基因組學(xué)（functionnalgenomics）成為研究的重心，蛋白質(zhì)組學(xué)（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(xué)家們已將蛋白質(zhì)組學(xué)的地位提高到前所未有的高度，認(rèn)為是功能基因組學(xué)這一前沿研究的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，將成為新世紀(jì)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(jì)劃所獲知的人類基因序列轉(zhuǎn)變?yōu)閷θ祟愖陨碚J(rèn)識的知識？如何對這些基因加以利用呢？科學(xué)家們認(rèn)為，生命科學(xué)已進(jìn)入了后基因組學(xué)時(shí)代，而功能基因組學(xué)的研究，則可能是這一時(shí)代的核心內(nèi)容。

功能基因組學(xué)主要是采用一系列新技術(shù)，對成千上萬的基因表達(dá)進(jìn)行分析比較，并從基因整體水平上對基因的活動規(guī)律進(jìn)行闡述。它拋棄了經(jīng)典分子生物學(xué)零敲碎打地研究各別基因的習(xí)慣，力求從細(xì)胞水平上解決基因組問題，以建立對生命現(xiàn)象的整體認(rèn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，旨在整體水平上研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的組成及其活動規(guī)律的新興科學(xué)——蛋白質(zhì)組學(xué)(Proteomics)，也就應(yīng)運(yùn)而生了。醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用：

近十多年來，蛋白質(zhì)組學(xué)研究迅猛發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)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(gè)新的技術(shù)平臺。在疾病方面，探討蛋白質(zhì)與疾病之間的關(guān)系；在藥學(xué)范疇內(nèi)，它針對藥物靶點(diǎn)的識別，藥效評價(jià)，藥物毒理學(xué)研究，分子藥理模型的構(gòu)建以及抗體的制備等進(jìn)行研究，在藥物開發(fā)方面已顯示出巨大的潛力?！?/p>

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(dá)具有時(shí)空性和復(fù)雜性。首先，在特定的發(fā)育階段，不同的細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境，一個(gè)基因可以表達(dá)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(xué)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(jì)，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(gòu)象，而且，往往是蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的活性基礎(chǔ)。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(xué)技術(shù)，借助研究蛋白質(zhì)的表達(dá)豐度、性質(zhì)和相互作用，我們就可以進(jìn)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(gè)水平：基因組、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xì)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(xì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)物資和旅客的運(yùn)輸任務(wù)。

二、為什么要進(jìn)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(xì)胞膜蛋白（PrPC）一級結(jié)構(gòu)完全相同，但高級結(jié)構(gòu)、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(fù)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€(gè)生物界的認(rèn)識。即蛋白質(zhì)不僅可體現(xiàn)生物學(xué)功能，而且可儲存遺傳信息。而核酸成分可能在prion復(fù)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(jié)構(gòu)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(xué)概念

蛋白質(zhì)組一詞由澳大利亞科學(xué)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(gè)詞的復(fù)合，意思是Proteinsexpressedbyagenome，即由基因組表達(dá)的蛋白質(zhì),是指“一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)”,即包括一種細(xì)胞乃至一種生物所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)。實(shí)際上，它有3種不同的含義：

1個(gè)基因組、1種生物或1種細(xì)胞所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組是一個(gè)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(chǔ)，也能為眾多種疾病機(jī)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(xué)(Proteomics)——以蛋白質(zhì)組為研究對象的嶄新研究領(lǐng)域。蛋白質(zhì)組學(xué)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(dá)模式和功能模式，其內(nèi)容包括蛋白質(zhì)表達(dá)、存在方式、結(jié)構(gòu)、功能和相互作用等。

四、蛋白質(zhì)組學(xué)研究的技術(shù)路線

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

MassspectrometryBioinformatics

（質(zhì)譜分析）（生物信息學(xué)）樣品提?。ㄉ矬w組織、細(xì)胞、體液）ICAT全景式蛋白質(zhì)定量技術(shù)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(xì)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(shí)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(xué)研究的意義

1.基因功能的信息通過基因所編碼的蛋白質(zhì)表現(xiàn)，蛋白質(zhì)為生物功能的執(zhí)行者；

2.大多數(shù)疾病與蛋白質(zhì)的非正常表達(dá)相關(guān)；

3.