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2006年第4期(總第8期)科學(xué)熱點(diǎn)ScienceFocus●圖書館情報(bào)部咨詢效勞〔徐曉宇主持〕●聯(lián)系:0510-85919951校內(nèi):19879功能基因組學(xué)研究方法及其進(jìn)展功能基因組學(xué)〔Functionalgenomics〕是利用結(jié)構(gòu)基因組所提供的信息和產(chǎn)物,開展和應(yīng)用新的實(shí)驗(yàn)手段,通過在基因組或系統(tǒng)水平上全面分析基因的功能,使得生物學(xué)研究從對(duì)單一基因或蛋白質(zhì)的研究轉(zhuǎn)向多個(gè)基因或蛋白質(zhì)同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。它的研究?jī)?nèi)容是人類基因組DNA序列變異性研究、基因組表達(dá)調(diào)控的研究、陌生生物體的研究和生物信息學(xué)的研究等。目前功能基因組學(xué)的研究策略包括以下4個(gè)方面:1〕建立表達(dá)圖譜:建立表達(dá)序列標(biāo)簽、扣除文庫(kù)、DNA芯片、蛋白質(zhì)組等。2〕隨機(jī)突變篩選:在基因組中進(jìn)行隨機(jī)誘變和篩選,如ENU、iRNA、T-DNA、EP-轉(zhuǎn)錄子等等。3〕定向誘變:進(jìn)行有目的的基因誘變,如基因敲除。4〕生物信息學(xué)研究:分析基因蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能比擬的信息。經(jīng)典的技術(shù)在大量未知基因的研究中具有局限性,目前,一些新技術(shù)包括生物芯片、基因敲除(knockout)、轉(zhuǎn)基因〔knockin〕、RNA干擾〔RNAi〕以及蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的各種技術(shù),在功能基因組學(xué)研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。建立、應(yīng)用、開展并完善這些新的技術(shù)非常必要,近幾年這些技術(shù)有了新的開展,本文就近幾年來(lái)功能基因組學(xué)方法的一些進(jìn)展作簡(jiǎn)單介紹。1染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù)〔ChIP〕及與芯片方法的結(jié)合1染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù)染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)〔ChIP〕是一種在體內(nèi)研究DNA與蛋白質(zhì)相互作用的方法。ChIP不僅可以檢測(cè)體內(nèi)反式因子與DNA的動(dòng)態(tài)作用,還可以用來(lái)研究組蛋白的各種共價(jià)修飾與基因表達(dá)的關(guān)系。近年來(lái),這種技術(shù)得到不斷的開展和完善。ChIP與基因芯片相結(jié)合建立的ChIP-chip方法已廣泛用于特定反式因子靶基因的高通量篩選;ChIP與體內(nèi)足跡法相結(jié)合,用于尋找反式因子的體內(nèi)結(jié)合位點(diǎn);RNA-CHIP用于研究RNA在基因表達(dá)調(diào)控中的作用。它與DNA芯片和分子克隆技術(shù)相結(jié)合,可用于高通量的篩選蛋白質(zhì)分析的未知DNA靶點(diǎn)和研究反式作用因子在整個(gè)基因組上的分布情況。染色質(zhì)免疫共沉淀-芯片(ChromatinImmunoprecipitation-chip簡(jiǎn)稱ChIP-chip),它的根本原理是在生理狀態(tài)下把細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和DNA交聯(lián)在一起,超聲波將其打碎為一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的染色質(zhì)小片段,然后通過所要研究的目的蛋白質(zhì)特異性抗體沉淀此復(fù)合體,特異性地富集目的蛋白結(jié)合的DNA片段,通過對(duì)目的片斷的純化與檢測(cè),從而獲得蛋白質(zhì)與DNA相互作用的信息[1-2]。1.2染色質(zhì)免疫共沉淀-芯片技術(shù)(ChIP-chip)的應(yīng)用ChIP-chip技術(shù)對(duì)于大規(guī)模挖掘順式調(diào)控信息成績(jī)卓著,同時(shí)它可以用于胚胎干細(xì)胞和一些疾病如癌癥、心血管疾病和中央神經(jīng)紊亂的發(fā)生的機(jī)制。研究人員還可以利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)一些治療方法。目前ChIP-chip技術(shù)研究主要集中于兩個(gè)領(lǐng)域:及轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合和條件特異性;組蛋白的修飾,組蛋白修飾蛋白和染色體重建。1.2.1ChIP-chip在描述轉(zhuǎn)錄結(jié)合因子動(dòng)力學(xué)中的研究早Yong研究團(tuán)體等人采用ChIP-chip的方法鑒定了酵母菌中轉(zhuǎn)錄調(diào)控子Ste12p,Gal4p的DNA結(jié)合位點(diǎn)和調(diào)控途徑[3],Brown等人開展了斑點(diǎn)DNA芯片技術(shù),人們對(duì)酵母菌中的轉(zhuǎn)錄因子SBF和MBF進(jìn)行了與上述試驗(yàn)相類似的研究[4-6]。此后,人們采用此方法對(duì)酵母菌轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了大量的研究[7-9];其中最引人注意的是Young研究團(tuán)體等人采用ChIPs法和微陣列法對(duì)酵母菌的106個(gè)抗原決定基的轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)做了鑒定,并且利用得到的數(shù)據(jù)結(jié)合mRNA表達(dá)芯片的數(shù)據(jù)用以說明酵母菌的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò);B.Ren等人采用ChIP法對(duì)酵母菌基因組的基因間區(qū)域和啟動(dòng)子進(jìn)行了研究[10]。1.2.2ChIP-chip在組蛋白的修飾、組蛋白修飾蛋白和染色體重建中的應(yīng)用研究人員得出了對(duì)與組蛋白的酶的修飾有關(guān)的染色體范圍的蛋白質(zhì)分布和后轉(zhuǎn)錄修飾對(duì)了解染色質(zhì)動(dòng)力學(xué)的重要性[11]。NgHH等人發(fā)現(xiàn)組蛋白H3的4賴氨酸轉(zhuǎn)甲基酶Set1p表現(xiàn)出優(yōu)先停留在PolII轉(zhuǎn)錄的基因座上[12]。KurdistaniSK研究分析了Rpd3p的結(jié)合位點(diǎn),檢驗(yàn)了Rpd3p的結(jié)合和它與蛋白質(zhì)Ume1p和Ume6p的關(guān)聯(lián)[13]。MoqtaderiZ等人采用ChIP-chip方法闡述了酵母菌中RNA聚合酶Ⅲ的固有轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)那么[14]。此外,該方法還用來(lái)研究染色體結(jié)構(gòu)組分的分布。Smith等人證明端粒蛋白p1pRif1p和Rif2p和端粒酶組分Est2p與端粒之間具有有細(xì)胞循環(huán)依賴模式[15]。這種模式似乎可以調(diào)節(jié)端粒的長(zhǎng)度。此外,有人用ChIP-chip方法研究了黏連蛋白在基因組中的廣泛分布[16]。同時(shí),姐妹染色單體黏連蛋白的多亞基復(fù)合物也得到了描繪[17]。ChIP-chip技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是,可以在體內(nèi)進(jìn)行反響;在給定的檢驗(yàn)細(xì)胞環(huán)境的模式下得到DNA相互關(guān)系的簡(jiǎn)單影像;使用特異性修正抗體鑒定與包含有一個(gè)特異性后轉(zhuǎn)錄修正的蛋白質(zhì)的相關(guān)位點(diǎn);直接或者間接〔通過蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用〕的鑒別基因組與蛋白質(zhì)的相關(guān)位點(diǎn)。缺點(diǎn)是:需要一個(gè)特異性蛋白質(zhì)抗體,有時(shí)難于獲得;為了獲得高豐度的結(jié)合片段,必須實(shí)驗(yàn)演示胞內(nèi)條件下靶標(biāo)蛋白質(zhì)的表達(dá)情況;調(diào)控蛋白質(zhì)的基因的獲取可能需要限制在組織來(lái)源中[2]??傊?,ChIP-chip技術(shù)的開展為析活細(xì)胞或組織中DNA與蛋白質(zhì)的相互關(guān)系提供了一個(gè)極為有力的工具。在未來(lái)的研究中,將對(duì)芯片的構(gòu)建進(jìn)行改良,提高其實(shí)用性。使用易于獲得抗體,增加這種方法的可用性。2比擬基因組雜交芯片2.1比擬基因組雜交芯片技術(shù)圖2array-CGH流程圖圖2array-CGH流程圖Fig2Procedureofarray-CGH.比擬基因組雜交芯片或者基于芯片的比擬基因組雜交〔ComparativeGenomicHybridizationArray或者M(jìn)icroarray-basedcomparativegenomichybridization〕陣列-比擬基因組雜交技術(shù)〔arraycomparativegenomichybridization,arrayCGH〕能在全基因組水平或高分辨率根底上檢測(cè)染色體拷貝數(shù)的變化。比擬基因組雜交〔CGH〕是在熒光原位雜交根底上加以改良而形成的一項(xiàng)分析細(xì)胞遺傳學(xué)技術(shù),它不需要對(duì)待測(cè)細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng),也不必制備特異區(qū)域探針,一次試驗(yàn)即可檢測(cè)全部待測(cè)基因組DNA拷貝數(shù)改變。為了克服CGH技術(shù)的缺乏,研究人員建立在芯片根底上新的CGH技術(shù)。Array-basedCGH技術(shù)的原理就是用微陣列形式代替通常使用的正常中期染色體,通過用不同顏色熒光素分別標(biāo)記腫瘤及正常對(duì)照DNA,并同時(shí)與制備好的芯片雜交,通過觀察紅綠熒光的強(qiáng)度比率來(lái)了解腫瘤DNA拷貝數(shù)改變。Array-basedCGH實(shí)際上有機(jī)地結(jié)合了芯片技術(shù)和CGH技術(shù)二者的優(yōu)勢(shì),在保存了CGH技術(shù)樣本要求低、全基因組快速掃描等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),解決了敏感性差、自動(dòng)化程度低、操作復(fù)雜等技術(shù)問題。人們開展了各種平臺(tái)用于支持arrayCGH研究,arrayCGH通常用于檢測(cè)與癌癥有關(guān)的體細(xì)胞片斷改變,除此之外,還有很多用途,它可以用來(lái)測(cè)量癌癥的拷貝數(shù)情況,研究遺傳疾病和進(jìn)化比擬。并且可以在臨床上作為診斷的工具[18]。2.2arrayCGH的應(yīng)用在最近幾年,對(duì)與采用高通量arrayCGH研究拷貝數(shù)的改變,最初集中于癌癥基因組的某一特殊區(qū)域,此后擴(kuò)展到整個(gè)染色體臂上。CoeBP等人運(yùn)用5p芯片包括491個(gè)BAC克隆研究了小細(xì)胞肺癌的細(xì)胞系[19]GarnisC等人運(yùn)用全細(xì)胞覆蓋比擬基因組雜交的方法研究了口腔磷細(xì)胞癌癥的3p染色體的復(fù)制數(shù)目的改變[20]HendersonLJ等人研究了小細(xì)胞肺癌的1p染色體臂再基因組和基因表達(dá)圖譜上的細(xì)小的變化[21]。片斷復(fù)制和喪失是遺傳疾病的主要原因,最近采用基于芯片的染色體比擬基因組學(xué)對(duì)上述的基因改變進(jìn)行了很多研究[22-24]。采用大量的插入基因組芯片用于描繪區(qū)域的改變對(duì)各種遺傳疾病的影響。亞微觀水平的染色體缺失和復(fù)制被證明在細(xì)胞遺傳學(xué)正常的患者中顯示又精神發(fā)育緩慢和體態(tài)反常。此外,使用arrayCGH研究拷貝數(shù)的改變還引起的Cri-du-chat綜合癥,先天性隔疝〔CDH〕和Prader–Willi綜合癥[25-27]。arrayCGH同樣可以用于鑒別人類種群中的DNA拷貝數(shù)的變化。Iafrate等人使用了包括2632個(gè)插入克隆子,對(duì)55個(gè)不相關(guān)的個(gè)體進(jìn)行基因變異的量化分析。結(jié)果說明,人類基因組上的255個(gè)位點(diǎn)包含有基因組的不平衡[28]。(oligonucleotidearrayCGH,oaCGH)arrayCGH可分為兩類,即BACarrayCGH和cDNAarrayCGH,目前應(yīng)用最多的是BACarrayCGH,然而,這種方法存在許多缺乏,包括BAC克隆文庫(kù)處理不易、PCR污染、BAC克隆在人基因組上的定位還不是百分之百準(zhǔn)確、大多數(shù)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室沒有能力制備分辨率為1Mb的BAC陣列尤其是全基因組BAC陣列等。近幾年出現(xiàn)了寡核苷酸陣列比擬基因組雜交技術(shù),克服了原有arrayCGH的缺乏。oaCGH的特點(diǎn)是以25~85mer的單鏈寡核苷酸為探針制備芯片。目前oaCGH平臺(tái)包括Affymetrix平臺(tái)、Agilent平臺(tái)、NimbleGen平臺(tái)、非商業(yè)化自主平臺(tái)等。寡核苷酸芯片的優(yōu)點(diǎn)是,高靈敏度和特異度,oaCGH的分辨率是BAC-arrayCGH的至少500倍。它同時(shí)具有探針及陣列設(shè)計(jì)靈活、本錢效益高、可以針對(duì)全基因組或基因組的任何局部設(shè)計(jì)特異性探針,無(wú)需BACarrayCGH中費(fèi)時(shí)費(fèi)力的基因擴(kuò)增等操作,適于任何基因組序列的生物。在過去的十年中,arrayCGH通過擴(kuò)展芯片平臺(tái)和它在各種基因研究中的應(yīng)用而始終保持領(lǐng)先地位,新的芯片設(shè)計(jì)將持續(xù)提高其敏感性和清晰性,而對(duì)其進(jìn)行提高其生產(chǎn)效率策略和改良方案將減少消耗并提高使用效率。新的軟件和出現(xiàn)將提高這種方法的自動(dòng)化水平,簡(jiǎn)化其數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。新的技術(shù)改良和特異性數(shù)據(jù)庫(kù)的增加將拓展arrayCGH在科學(xué)研究和臨床使用的應(yīng)用領(lǐng)域。3定向誘導(dǎo)基因組局部突變及其紅外熒光檢測(cè)技術(shù)3.1定向誘導(dǎo)基因組局部突變及紅外熒光檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合定向誘導(dǎo)基因組局部突變〔TILLING:TargetingInducedLocalLesionsInGenomes〕技術(shù),是利用化學(xué)突變方法來(lái)獲得所有基因的傳統(tǒng)的點(diǎn)突變等位基因系列。它將誘發(fā)產(chǎn)生高頻率點(diǎn)突變的化學(xué)誘變方法與PCR篩選技術(shù)和Li-Cor公司生產(chǎn)的4300DNA遺傳分析系統(tǒng)的雙色紅外熒光高通量檢測(cè)技術(shù)有效結(jié)合,快速有效地從化學(xué)誘變劑〔EMS〕誘變產(chǎn)生的突變?nèi)后w中鑒定出點(diǎn)突變,這一全新的、高通量、低本錢的反向遺傳學(xué)研究方法大大地方便了植物基因組學(xué)的研究。雙色紅外熒光檢測(cè)技術(shù)是美國(guó)LI-COR公司的專利技術(shù)。LI-COR長(zhǎng)期致力于此項(xiàng)技術(shù)在生物學(xué)研究中的應(yīng)用,他們開發(fā)的Odyssey雙色熒光掃描系統(tǒng)及DNA遺傳分析系統(tǒng)都取得了很大成功。由于雜質(zhì)、干擾分子在紅外區(qū)幾乎不發(fā)光,用紅外熒光進(jìn)行檢測(cè)的背景非常低,靈敏度很高,可檢測(cè)到低達(dá)15amoles的熒光分子。加上雙通道檢測(cè)〔680nm激發(fā),710nm檢測(cè);780nm激發(fā),820nm檢測(cè)〕,兩個(gè)通道檢測(cè)波長(zhǎng)相距110nm,相對(duì)于通常的圖3圖3TILLING程序.(a)(1)使用特異性熒光標(biāo)記基因的引物對(duì)獲得的DNA進(jìn)行復(fù)制(2)對(duì)復(fù)制產(chǎn)物進(jìn)行加熱變形接著緩慢冷卻進(jìn)行退火,使之能夠隨意重組。(3)退火的雙鏈DNA產(chǎn)物采用核酸酶進(jìn)行消化并隨之變性(b)使用聚丙烯酰胺凝膠檢測(cè)片段,鑒定DNA種群。獲得感興趣的基因變異,LI-COR凝膠系統(tǒng)使用兩條通道鑒定IRD700和IRD800染色分別標(biāo)記50和30PCR片斷末端。切割片斷的長(zhǎng)度顯示基因變異的位點(diǎn)。在這個(gè)例子中,變異發(fā)生在接近0.2kb的50末端復(fù)制子上,和接近0.8kb的30末端上。可見熒光四色檢測(cè)來(lái)說,保證了TILLING分析中每一個(gè)突變堿基的準(zhǔn)確識(shí)別及整個(gè)檢測(cè)的靈敏度。目前,LI-COR檢測(cè)系統(tǒng)被普遍的運(yùn)用在TILLING研究工程中。紅外熒光檢測(cè)技術(shù)在TILLING中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)紅外熒光檢測(cè)技術(shù)在TILLING中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。一是獲得高質(zhì)量的TILLING圖像,將紅外熒光檢測(cè)技術(shù)與TILLING技術(shù)結(jié)合后,可以同時(shí)獲得兩張真實(shí)的電泳圖像〔700nm和800nm〕。二是雙色成像能有效排除假陽(yáng)性突變通過PCR反響得到的異源核酸雙鏈分子在堿基錯(cuò)配處被切斷。同時(shí),這兩個(gè)突變條帶的分子量之和應(yīng)該等于野生型條帶的分子量,因而雙色檢測(cè)能夠有效排除假陽(yáng)性點(diǎn)突變,準(zhǔn)確度很高。三是高靈敏度的紅外檢測(cè),紅外熒光檢測(cè)相對(duì)可見光檢測(cè)具有背景低、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。此外,結(jié)合紅外熒光染料后,該檢測(cè)方法還具有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)-寬廣的線性范圍。這一特點(diǎn)使得強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)能夠同時(shí)被分辨,當(dāng)野生型條帶的信號(hào)強(qiáng),突變型條帶信號(hào)弱時(shí),LI-CORDNA分析系統(tǒng)也能夠輕松識(shí)別突變。目前,最通用的高通量篩選平臺(tái)是使用LI-COR4300DNA分析系統(tǒng)進(jìn)行篩選,Wienholds,Eetal報(bào)導(dǎo)了采用基于基因序列獲得穩(wěn)定斑馬魚Ragl缺失突變體,為特異性免疫系統(tǒng)缺失的斑馬魚在生理生化方面變化和獲得淋巴系統(tǒng)再生后可能的免疫系統(tǒng)功能水平的變化的研究提供了良好的模型[29]。FredHutchinson癌癥研究中心,借助高通量的TILLING技術(shù),利用6臺(tái)自動(dòng)加樣的LI-COR凝膠分析系統(tǒng),每8h進(jìn)行2輪篩選,到達(dá)每天可檢測(cè)大約10000擬南芥單株、篩選3個(gè)基因的驚人水平[30]。Draper也采用同樣的方法對(duì)斑馬魚的誘變進(jìn)行了研究[31]。4展望后基因組時(shí)代基因組學(xué)的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向基因功能,基因研究不僅是科研活動(dòng),而且蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)和商機(jī)。功能基因組學(xué)將借助生物信息學(xué)的技術(shù)平臺(tái),利用先進(jìn)的基因表達(dá)技術(shù)及龐大的生物功能檢測(cè)體系,從浩瀚無(wú)垠的基因庫(kù)篩選并確知某一特定基因的功能,通過比擬分析基因及其表達(dá)的狀態(tài),確定基因的功能內(nèi)涵,揭示生命奧秘,甚至開發(fā)出基因產(chǎn)品。伴隨著功能基因組時(shí)代的到來(lái),生物技術(shù)日新月異,推動(dòng)著生命科學(xué)的高速開展,掌握和運(yùn)用這些新技術(shù)是一個(gè)生物研究工作者在科研和產(chǎn)品開發(fā)中處于領(lǐng)先地位的關(guān)鍵,我國(guó)的科研工作者應(yīng)當(dāng)積極學(xué)習(xí)和掌握功能基因組學(xué)的前沿技術(shù),開展用于功能基因組學(xué)研究的新技術(shù),建立功能基因組學(xué)技術(shù)平臺(tái),搶占21世紀(jì)生命科學(xué)研究的制高點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]王春雨,石建黨,朱彥,張琚染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)在研究DNA與蛋白質(zhì)相互作用中的應(yīng)用遺傳200527〔5〕:801~807[2]MarthaLB.DNAmicroarraytechnologiesformeasuringprotein-DNAinteractions.CurrentOpinioninBiotechnology2006,17:422~430[3]ZeitlingerJ,SimonI,HarbisonCT,HannettNM,VolkertTL,FinkGR,YoungRA:Program-specificdistributionofatranscriptionfactordependentonpartnertranscriptionfactorandMAPKsignaling.Cell2003,113:395-404.[4]BrownPO,BotseinD:Observingthelivinggenome.NatGenet1999,21:33-37.[5]V.R.Iyer,C.E.Horak,C.S.Scafe,D.Botstein,M.Snyder,P.O.Brown.Nature.409,533(2001).[6]J.DLieb,X.Liu,D.Botstein,P.O.Brown.Nat.Genet.28,327(2001).[7]HorakCE,LuscombeNM,QianJ,BertoneP,PiccirrilloS,GersteinM,SnyderM:ComplextranscriptionalcircuitryattheG1/StransitioninSaccharomycescerevisiae.GenesDev2002,16:3017-3033.[8]RobyrD,SukaY,XenariosI,KurdistaniSK,WangA,SukaN,GrunsteinM:Microarraydeacetylationmapsdeterminegenome-widefunctionsforyeasthistonedeacetylases.Cell2002,109:437-446.[9]WyrickJJ,Holsteg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