第26章组学与医学.ppt

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1、目录目录第二十六章第二十六章组学与医学组学与医学-omics and Medicine目录目录目录目录第一节第一节基因组学基因组学 Genomics目录目录基因组基因组(genome)一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息，一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息，它代表了一种生物所具有的全部遗传信息。对它代表了一种生物所具有的全部遗传信息。对真核生物体而言，基因组是指一套完整单倍体真核生物体而言，基因组是指一套完整单倍体DNA（染色体（染色体DNA）及线粒体或叶绿体）及线粒体或叶绿体DNA的全部序列，既有编码序列，也有大量存在的的全部序列，既有编码序列，也有大量存在的非编码序列。非编码序列。目录目

2、录基因组学基因组学(genomics)是阐明整个基因组的结构、结构与功能关是阐明整个基因组的结构、结构与功能关系以及基因之间相互作用的科学。系以及基因之间相互作用的科学。一、基因组学包含结构基因组学、功能一、基因组学包含结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学基因组学和比较基因组学 目录目录基因组学包括基因组学包括3个不同的亚领域个不同的亚领域结构基因组学结构基因组学(structural genomics)功能基因组学功能基因组学(functional genomics)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics)基因组学概念基因组学概念目录目录二、结构基因组学的主要

3、任务是基因二、结构基因组学的主要任务是基因组作图和大规模测序组作图和大规模测序 结构基因组学结构基因组学(structural genomics)是通过是通过HGP的实施来完成的。的实施来完成的。HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组物全部基因组DNA序列测定，因此序列测定，因此HGP属于属于结构基因组学范畴。结构基因组学范畴。目录目录（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基因组草图的重要策略因组草图的重要策略 1遗传作图就是绘制连锁图遗传

4、作图就是绘制连锁图 遗传图遗传图（genetic map）又称连锁图（）又称连锁图（linkage map）。）。遗传作图（遗传作图（genetic mapping）就是确定连锁的遗传标志位）就是确定连锁的遗传标志位点在一条染色体上的排列顺序以及它们之间的相对遗传距点在一条染色体上的排列顺序以及它们之间的相对遗传距离，用厘摩尔根（离，用厘摩尔根（centi-Morgan，cM）表示，当两个遗传）表示，当两个遗传标记之间的重组值为标记之间的重组值为1%时，图距即为时，图距即为1 cM。（1）限制性片段长度多态性（）限制性片段长度多态性（RFLP）（2）可变数目串联重复序列（可变数目串联重复序列（

5、VNTR）（3）单核苷酸多态性（）单核苷酸多态性（SNP）目录目录2物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图及克隆系图 物理作图物理作图包括：包括：荧光原位杂交图（荧光原位杂交图（fluorescent in situ hybridization map，FISH map）：将荧光标记的探针与染色体杂）：将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在的位置；交确定分子标记所在的位置；限制性酶切图（限制性酶切图（restriction map）；将限制性酶切位）；将限制性酶切位点标定在点标定在DNA分子的相对位置；分子的相对位置；克隆相连重叠群图（克隆相连

6、重叠群图（clone contig map）酵母人工染色体酵母人工染色体（yeast artificial chromosome，YAC）细菌人工染色体细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome，BAC）目录目录（二）通过（二）通过BAC克隆系、鸟枪法等完成大规克隆系、鸟枪法等完成大规模模DNA测序测序 1BAC克隆系的构建是大规模克隆系的构建是大规模DNA测序的基础测序的基础 BAC是一种装载是一种装载DNA大片段的克隆载体系大片段的克隆载体系统，用于人、动物和植物基因组文库构建。统，用于人、动物和植物基因组文库构建。BAC具有插入片段较大（数具有插入片段

7、较大（数kb 数百数百 kb）、嵌合率低、）、嵌合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。遗传稳定性好、易于操作等优点。目录目录2鸟枪法是大规模鸟枪法是大规模DNA测序的重要方法测序的重要方法 步骤：步骤：建立高度随机、插入片段大小为建立高度随机、插入片段大小为1.6 kb到到4 kb左右的左右的基因组文库；基因组文库；高效、大规模的克隆双向测序；高效、大规模的克隆双向测序；序列组装（序列组装（sequence assembly）：借助软件将所测得）：借助软件将所测得的序列进行组装，产生一定数量的相连重叠群；的序列进行组装，产生一定数量的相连重叠群；缺口填补：利用引物延伸或其他方法对缺口填补：利用

8、引物延伸或其他方法对BAC克隆中还克隆中还存在的缺口进行填补。存在的缺口进行填补。3高通量测序技术大大加快了基因组高通量测序技术大大加快了基因组DNA测序进度测序进度 目录目录鸟枪法测序的原理与策略鸟枪法测序的原理与策略 目录目录（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段重要手段 三大生物信息中心：三大生物信息中心：美国国家生物技术信息中心（美国国家生物技术信息中心（NCBI，http:/www.ncbi.nih.gov）欧洲生物信息研究所（欧洲生物信息研究所（EBI，http:/ebi.ac.uk）日本日本DNA数据库（数据库（DDBJ，http

9、:/www.ddbj.nig.ac.jp）GenBank（http:/www.ncbi.nih.gov/Genbank）是）是NIH的基因序列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、的基因序列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、以及与之相关的生物学信息和参考文献，是世界上的权威序以及与之相关的生物学信息和参考文献，是世界上的权威序列数据库。列数据库。目录目录三、功能基因组学系统探讨基因三、功能基因组学系统探讨基因的活动规律的活动规律 功能基因组学的主要研究内容包括基因组的功能基因组学的主要研究内容包括基因组的表达、基因组功能注释、基因组表达调控网络及表达、基因组功能注释、基因组表达调控

10、网络及机制的研究等。它从整体水平上研究一种组织或机制的研究等。它从整体水平上研究一种组织或细胞在同一时间或同一条件下所表达基因的种类、细胞在同一时间或同一条件下所表达基因的种类、数量、功能及在基因组中的定位，或同一细胞在数量、功能及在基因组中的定位，或同一细胞在不同状态下基因表达的差异。不同状态下基因表达的差异。目录目录（一）通过全基因组扫描鉴定（一）通过全基因组扫描鉴定DNA序列中的基因序列中的基因（二）通过（二）通过BLAST等程序搜索同源基因等程序搜索同源基因（三）通过实验设计验证基因功能（三）通过实验设计验证基因功能（四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式（四）通过转录组和蛋白质组描

11、述基因表达模式 目录目录第二节第二节 转转 录录 组组 学学Transcriptomics 目录目录转录组转录组（transcriptome）指生命单元（通）指生命单元（通常是一种细胞）所能转录出来的可直接参与蛋常是一种细胞）所能转录出来的可直接参与蛋白质翻译的白质翻译的mRNA（编码（编码RNA）总和，而其他）总和，而其他所有非编码所有非编码RNA均可归为均可归为RNA组（组（RNome）。）。转录组学转录组学（transcriptomics）是在整体水）是在整体水平上研究细胞编码基因转录情况及转录调控平上研究细胞编码基因转录情况及转录调控规律的科学。规律的科学。目录目录一、转录组学研究全部

12、一、转录组学研究全部mRNA的的表达及功能表达及功能 转录组学就是要阐明生物体或细胞在特定生理或病理转录组学就是要阐明生物体或细胞在特定生理或病理状态下表达的所有种类的状态下表达的所有种类的mRNA及其功能。目前，转录组及其功能。目前，转录组学研究的侧重点涉及基因转录的区域、转录因子结合位点、学研究的侧重点涉及基因转录的区域、转录因子结合位点、染色质修饰点、染色质修饰点、DNA甲基化位点等。甲基化位点等。转录组研究的主要技术：转录组研究的主要技术：微阵列（微阵列（microarray）基因表达系列分析（基因表达系列分析（SAGE）大规模平行信号测序系统（大规模平行信号测序系统（MPSS）目录目

13、录二、二、RNA组学研究非编码组学研究非编码RNA的集合的集合 除了除了mRNA以外，细胞内还存在着许多其他以外，细胞内还存在着许多其他种类的小分子种类的小分子RNA，研究它们的种类、时空表达，研究它们的种类、时空表达情况及其生物学意义便是情况及其生物学意义便是RNA组学的范畴。这些组学的范畴。这些小分子小分子RNA包括包括snRNA、snoRNA、scRNA、催、催化性小化性小RNA、siRNA、miRNA等。这些调控型小等。这些调控型小分子非编码分子非编码RNA，在基因的转录和翻译、细胞分，在基因的转录和翻译、细胞分化和个体发育、遗传和表观遗传等生命活动中发化和个体发育、遗传和表观遗传等生

14、命活动中发挥重要的组织和调控作用挥重要的组织和调控作用,从而形成了细胞中高度从而形成了细胞中高度复杂的复杂的RNA网络。网络。目录目录第三节第三节蛋蛋 白白 质质 组组 学学 Proteomics 目录目录蛋白质组学蛋白质组学（proteomics）以细胞、组织或）以细胞、组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质即蛋机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质即蛋白质组（白质组（proteome）为研究对象，分析细胞内）为研究对象，分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰状态，动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，并在整体水了解蛋白质之间的相互作用与联系

15、，并在整体水平上研究蛋白质调控的活动规律，故又称为平上研究蛋白质调控的活动规律，故又称为全景全景式蛋白质表达谱式蛋白质表达谱（global protein expression profile）分析分析。目录目录蛋白质组研究相关的数据库蛋白质组研究相关的数据库 蛋白序列数据库（蛋白序列数据库（SWISS-PROT/TrEMBL；http:/www.expasy.ch/）、）、基因序列数据库（基因序列数据库（GenBank，EMBL；http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/，http:/www.ebi.ac.uk/）、）、蛋白质模式数据库（蛋白质模式数据库（Prosite；http

16、:/www.expasy.ch/sprot/prosite.html）、）、蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白质三维结构数据库蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白质三维结构数据库（PDB，http:/www.pdb.bnl.gov/；FSSP，http:/www.embl-ebi.ac.uk），），蛋白翻译后修饰数据库（蛋白翻译后修饰数据库（O-GLYCBASE，http:/www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE）目录目录一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质的组成及其活动规律的组成及其活动规律 蛋白质组学的研究主要涉及两个方面：一是蛋白质组蛋白质组学的研究主要涉及两个方面：一是蛋白质组表达模式的研究，即结构蛋白质组学（表达模式的研究，即结构蛋白质组学（structural proteomics）；二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白）；二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白质组学（质组学（functional proteomics）。）。（一）蛋白质鉴定是蛋白质组学的基本任务（一）蛋白质鉴定是蛋白质组学的基本任务（二）翻译后修饰的鉴