医学ppt课件大全後基因體時代

CHAPTER 9 後基因體時代 9-1 功能基因體學 9-2 蛋白質體學 9-3 結構生物學 9-4 生物資訊 9-5 生物晶片 本章節介紹人類基因體計畫完成後，伴隨衍 生出的一些新興知識。包括蛋白質體學 (proteomics) 、結構生物學 (structural biology) 、生物資訊學 (bioinformatics)、 生物晶片 (biochip)等。 9-1 功能基因體學 凡探討基因與基因之間的關係為何，與人的 身體結構及運作關係為何，乃至與人的生活 環境的互動關係為何，都可謂為功能基因體 學。 9-2 蛋白質體學 蛋白質體學的定義與範疇 一、蛋白質體學的定義 蛋白質體學 (proteomics)，亦稱蛋白組學，是 繼功能基因體學之後的另一學問，蛋白質體 (proteome)指的是生物體內所有蛋白質的總稱 。 1994 年，澳洲的 Wilkins 和 Williams 首先 提出了蛋白質體 (proteome)的概念，最初源自 於蛋白質 (protein)與基因體 (genome)兩個名詞 的結合，其定義為細胞內所有的蛋白質。 面對人類基因體計畫完成後新的挑戰， 2001 年 4 月成立了人類蛋白質體組織 (human proteome organization, HUPO)。 二、蛋白質體學的範疇 1.表現蛋白質體學 (expression proteomics)： 將細胞或組織中的蛋白質，建立蛋白質表現 圖譜。 2.細胞圖譜蛋白質體學 (cell-map proteomics) ： 確定蛋白質在細胞內各個胞器當中的位置 ，並利用質譜儀 (mass spectrometer)加以鑑 定蛋白質複合物的組成，以確定蛋白質間的 交互作用。 3.進行藥物設計 (structure-based drug design )： 早在 1977 年文獻中已有記載，蛋白質的 結構上之缺陷或變異，將造成疾病形成之主 因，而蛋白質體學正可提供分子層次上成因之 解釋。 研究蛋白質體學的技術 一、二維電泳分析蛋白技術 蛋白質是由 20 種胺基酸分子所構成，而 每種胺基酸所帶的電荷數目不同，根據此一特 性，發展出二維電泳分析蛋白技術 (2-D electrophoresis)（圖 9-1）。 二、質譜術 1.運作原理： 質譜儀 (mass spectrometer)的運 作原理是先將化學分子離子化，使之帶有電荷， 然後利用外加電場使離子產生動能，離子在真空 管內飛行一定距離後會撞擊到偵測標靶，並產生 光電訊號。離子的質量越大則飛行速度越慢，所 以到達標靶時間也就越長，根據此原理即可得知 待測分子之質量。目前基質輔助雷射脫附游離飛 行式質譜儀 (matrix-assisted laser desorption ionization- time of flight mass spectrometer, MALDI-TOF MS)最為常見。 2.分析蛋白質種類的方法 l (1)在二維電泳膠片上所分離之蛋白質，可以分 別取出並利用胰蛋白酶切割成胺基酸片段， 接著送入質譜儀分析這些胺基酸片段的個別 質量。 l (2)利用氣體分子撞擊胺基酸片段，並分析碎裂 產物的質量：由於胺基酸片段在質譜儀上的 位置，出現在個別胺基酸分子之間的機會很 大，所以個別碎裂產物之質量差剛好等於一 個特定胺基酸分子的質量。 除了二維電泳分析蛋白技術與質譜術外，近年來 許多新技術的產生應用於研究蛋白質體，請見表 9 -1。 9-3 結構生物學 一、結構生物學的定義 結構生物學為生命科學當中一個重要的分支， 本學科是以分子生物物理學為基礎，結合化學 和分子生物學方法測定生物大分子複合體的空 間結構（一般是指三維結構）、形成此結構的 動力過程及分子結構與其生化功能之間的關係 。 二、結構生物學的重要性 在生物大分子當中，蛋白質與核酸是最重要的 分子。其生化功能與結構、折疊動力過程有密 不可分的關係。而結構生物學之應用，不但可 以提供結構與功能之關聯，更可以進一步地解 釋造成特殊功能的機轉。 目前的研究方向是由兩種方式來進行探討： 1.由極度簡化的模型出發，掌握此類分子基本 的共通性質，以此作為深層的精密研究的 基礎。 2.由現象學角度出發，分析目前資料庫中的實 驗數據，進行資料挖掘，歸納出其特性。 9-4 生物資訊 生物資訊 (bioinformatics)是結合資訊科學與 生物學的新興學科。所要探討的內容可以分成 以下六項： 1.尋找生物體與生物體之間的同源性。 2.DNA序列分析。 3.多重序列組合。 4.基因功能預測。 5.蛋白質的形狀、結構及如何與其它蛋白質產 生交互作用。 6.單一核苷酸多型性。 單一核苷酸多型性 一、單一核苷酸多型性的定義 單一核苷酸多型性 (single nucleotide polymorphism, SNP)指的是在生物體內基因體 內內一位置的單一核苷酸，在同一物種的不同 個體間並不相同。例如內個基因的第 100 個核 苷酸，有 90%的個體是胸腺嘧啶 (T)，但另外的 10%則是胞嘧啶 (C)，這個位置的核苷酸即具有 單核苷酸多型性。 通常 SNP 可分五大類： (1)r SNP（基因調控區 域）； (2)c SNP （外顯子 (exon)內有胺基酸之 變化）； (3)s SNP（外顯子 (exon)內無胺基酸 之變化）； (4)i SNP（內含子 (intron)內）； (5)g SNP（基因領域以外），其中以 r SNP 及 c SNP之變化與藥物基因體學較有關 ，此為藥物設計上針對不同體質的人之設 計重點。 二、單一核苷酸多型性的重要性 1.使物種在面對環境變遷和病菌侵襲下，得以 增加生存的機率： 例如負責代謝內些藥物的 基因，因為單一核苷酸多型性的差異，進而 影響對於藥物的代謝方式，這也就是體質 差異。 2.是人類多基因疾病容易感染與否和藥物反應 性差異的重要指模： SNP 的出現頻率在不同 民族或人群有明顯差異，所以不同種族的人 ，容易得到的病也不盡相同。 生物資訊資料庫的建立 在人類基因體計畫完成之後，累積了大量的資 料，因而需要建立許多大型資料庫來儲存這些 龐雜的資料。建立生物資訊資料庫最有名的首 推 GenBank，目前是由美國國家衛生研究院 (NIH)底下的國家生物技術資訊中心 (National Center for Biotechnology Information, NCBI)來管理，也是世界上最大的公共生物資料 庫。 五個國際知名的生物資訊資料庫網站： 1.美國 NCBI： 2.日本 DDBJ： http:/www.ddbj.nig.ac.jp 3.歐洲分子生物實驗室 (European Molecular Biology Laboratory, EMBL)： http:/www.embl-heidelberg.de 4.歐洲分子生物網 (The European Molecular Biology network, EMBnet)： http:/www.hgmp.mrc.ac.uk/brochure/html/ 5.英國 Sanger Centre： http:/www.sanger.ac.uk DNA序列分析與基因預測 我們希望能夠從人類基因體當中找到具有功能 的基因。真核生物的基因中只有外顯子 (exon) 才含有製造蛋白質的資訊，所以生物資訊就是 利用電腦程式找出基因的轉錄起始點與終一點 ，並進一步找到同一基因內所有的外顯子。 常見的有兩種分析軟體： 1.基本區域排比搜尋工具 (basic local alignment search tool, BLAST) 2.序列相似性分析 (FASTA) 生物資訊與蛋白質體研究 由於蛋白質三度空間立體結構的決定是新藥開 發的重要資訊，所以若能早日知道蛋白質的立 體結構，將可以大幅降低新藥開發所需的時間 與投資成本。 後基因體時代生物資訊的發展方向 進入後基因體時代後，由於生物資訊累積更新 的速度加快，生技產業也呈現更多元的面貌， 不再以單一產品為公司生存命脈。為因應日益 變化劇烈的市場與技術演進，現在生技公司的 新產品開發時程，必須比以前生技製藥公司短 ，如此才具有競爭力。 9-5 生物晶片 生物晶片概述 事實上，生物晶片的正式名稱叫做微陣列技術 （圖 9-5， 9-6）。生物晶片 (biochip)一般指 的是應用半導體策略以矽晶片、玻璃或高分子 為材料，整合微機電、光電、生化及分子生物 學等領域，進行醫療檢驗、環境檢測、食品檢 驗、新藥開發、基礎研究等用途的精密微小化 設備。 生物晶片的種類 1.基因晶片： 基因晶片 (gene chip)包括 DNA 晶片 (DNA chip)與核苷酸晶片 ( oligonucleotide chip)，是利用 DNA 為探 針，整齊的排列在晶片上，並和檢體中的 DNA片段（標記螢光分子）產生雜交反應， 若有結合反應，即代表檢體中帶有與晶片 上相同的 DNA。 基因晶片的製作方法主要有三種： l (1)光蝕刻法 (photolithography) l (2)機器手臂點樣法 l (3)Canon和 Agilent應用墨點法或噴墨印刷 ( ink-jet printing)技術：將 DNA探針植 入晶片表面。 2.蛋白質晶片： 蛋白質晶片 (protein chip) 是以蛋白質為生物探針，整齊的排列在晶 片上，進行抗原抗體免疫反應，用以檢 測蛋白質。 3.實驗室晶片： 實驗室晶片 (lab-on-a-chip) 是利用微機電技術製造，整合若干微管道 與微反應器於一塊晶片上，以完成各種樣 品處理、反應或分析檢測，功能類似一個 實驗室之縮影。 生物晶片的應用 1.藥物開發及藥理學研究： 利用這項技