蛋白质异常与疾病

1、第二讲 从基因组学到蛋白质组学,日本九州大学博士，重庆医科大学二级教授、博士生导师，华中科技大学兼职博导，国务院政府特殊津贴获得者，省部级有突出贡献的中青年专家，教育部首批“高等学校骨干教师计划”项目获得者，国家自然科学基金项目同行评审专家，中国细胞生物学会理事，中华医学会医学细胞生物学分会委员，重庆市生物化学与分子生物学会副理事长，重庆市首届学术技术带头人，重庆市生物化学与分子生物学重点学科带头人，重庆市首批教授级科技咨询专家,GeneCancer Biol.Ther.Molecular and Cellular Endocrinology中国生物化学与分子生物学学报医学分子生物学等杂志审稿

2、专家,自我介绍,主要从事分子生物学、细胞生物学和遗传学的教学与研究工作，主持和承担国家自然科学基金及国家和省部级重点科研项目40余项，获省部级一等奖二项、二等奖一项，三等奖一项，获国家发明专利三项，先后在 Cancer Biol.Ther.、Food Chemistry、Genes Cells、Gene、Mol.Cell Endocrinol.和中国科学等国内外著名杂志发表论文150余篇，主编和参编教材、专著多部，已指导博士和硕士研究生40余名，现指导在读博士后1名、博士8名(1名印度博士留学生)、硕士12名,自我介绍,主要研究方向：1.肿瘤的细胞与分子生物学； 2.功能基因组学与蛋白质组学；

3、 3.基因工程药物与基因治疗。 联系电话：（O） 电子信箱,自我介绍,教授的最高境界： 中国有句古话 授人以鱼不如授人以渔 ！ 传授给人既有知识，不如 传授给人学习知识的方法,生命科学的中心法则,一条主线：遗传信息的传递信息流 二个阶段：遗传信息的表达转录和翻译 三个层面：DNA RNA 蛋白质,人类目前面临的现状与形势 一个沉重的话题,地球怎么了 ,地震 暴雨 干旱 泥石流,SARS 禽流感 猪链球菌 甲流感 超级细菌 蜱虫布尼亚病毒,有史以来，人类就在为认识自身进行着不懈的努力。但真正有系统地“解码生命”还是从1990年人类基因组计划启动后才开始。而把研究基因组、“解码生命”的工作推向深入

4、和推向高潮的还是在本世纪随着“后基因组计划”的启动而拉开了序幕,从基因组学到蛋白质组学 ” 跨越世纪的生命科学主旋律 一、时间：跨越两个世纪，甚至更长，更 久远 二、学科：涉及面广，学科交叉，需要多方 面的专门知识和专门人才的共同 参与，联合攻关,三、目标：解决生命的奥秘、生命的本质：1.为什么生物的性状能遗传？ 2.人到底有多少个基因？ 3.为什么每一个细胞的基因都是一样的，而在不同细胞的表现却不相同？ 4.基因表达的时空性？ 5. 疾病发生的机理？6.基因诊断与基因治疗 为人类所面临的急待解决的几大难题人口、食品、能源、资源、环境和健康等带来了希望,1）1859年 C.Darwin 在On

5、 the Origin of Species这一名著中，提出了物种进化的自然选择学说达尔文进化论,一、基因组学的历史沿革,一）1900年代以前 前遗传学时代,生物的来源进化 生物的性状遗传 进化的动力选择,2）1865年G.Mendel 发表豌豆杂交实验结果，提出了遗传学的两大遗传规律分离规律和独立分配（自由组合）规律，并认为是生物体内的遗传因子或遗传颗粒控制生物性状。但他的结论直到1900年才被（De Vris、Tschermak、Correns）得到认可和重视,被称为孟德尔规律再发现 或重新发现,P: 显性隐性 F1: 显性 F2: 显性 : 隐性 一对性状 3 : 1 两对性状 9 ：3

6、 ：3 ：1,1.分离规律的实质： 决定一对性状的一对基因位于一对染色体上，这对基因随着染色体的分离而分离。 2.独立分配规律的实质： 决定两对形状的两对基因位于两对染色体上，它们随着染色体的分离而分离，随着染色体的组合而组合，这种组合是随机的自由组合,二）19001950年代 经典遗传学时代,标志：1900年 孟德尔遗传规律再发现 标志着遗传学的诞生,人们开始把控制生物遗传性状的遗传单位称为基因(gene)。生命科学的研究基本上都是围绕着基因来进行,1839年 细胞学说的提出,1869年 发现DNA；随后，RNA也被发现,1879年 染色体的发现，并认为染色体最可能是DNA 、 RNA和蛋白

7、质的一种,1910年 发现了遗传学的第三大遗传规律连锁遗传规律（决定两对性状的两对基因位于同一对染色体上，就会发生连锁遗传现象） 证明基因的确存在于染色体上，并呈线状排列,1902年 染色体学说的产生,合理解释了Mendel的实验结果,1944年 证实了DNA是携带遗传信息、构成染色体的生物大 分子,肺炎双球菌的转化实验 (Griffith, 1928;Avery,1944,遗传物质是DNA,遗传物质是RNA,噬菌体侵染细菌实验,遗传物质是DNA,烟草花叶病毒侵染实验,首先是对基因结构的研究,总之，自从人们认识到“基因决定生物性状”，“基因的本质就是核酸主要是DNA”之后，就从来没有停止对基因

8、的研究,三）19501990年代 分子遗传学时代 （前基因组学时代,标志：Watson (2)脊椎动物基因比无脊椎动物基因会产生更多 的这种切割; (3)神经系统发达的程度与这种数值是相关的,比如说：线虫比果蝇迟钝，就需要更多的特异蛋白质（相应更多的基因数）来对环境或天敌做出反应。同样更迟钝的植物，需要不断地进化出新基因来对付不断出现的新敌人和各种天气环境的变化,我们之所以同苍蝇和线虫不同，是由于我们的蛋白质要复杂得多。我们额外的基因并没有翻译出许多新的蛋白质种类。然而，它们用新的方法重构了古老蛋白质的一些不同的部位；使我们成为人类的是那些在生命的不同时期控制基因开启和关闭的复杂内在机制。,五

9、）2001- 后基因组学时代,标志：功能基因组学、蛋白质组学的 兴起标志着后基因组学时代的开始,二、后基因组学产生的背景,人类基因组计划启动以来，公共媒体不断向大众勾画着一幅幅美丽的图景，使人们认为，一旦科学家把各种生物基因组的全部碱基排列顺序测定清楚，生命的遗传奥秘就会显露无余,真实的图景远不像普通人想象的那样简单,遗传信息并不直接参与生命活动。一个基因所 含的遗传信息，通过一系列复杂的反应，最终 导致了相应的蛋白质形成，蛋白质再参与到生 命的各种活动中去,对于复杂生命系统的研究来说，注重整体性分 析的“大”生物学是必不可少的。 生命科学又开始向 “大”生物学进军,不管怎么说，人类基因组计划

10、（HGP）被誉为20世纪的3大科技工程之一.经过各国科学家十几年的的努力，人类基因组计划（HGP）已取得了巨大成绩,整个计划已提前完成.所取得的划时代研究成果人类基因草图的完成宣告了一个新的纪元“后基因组学（post-genomics）时代”的到来,后基因组学时代要做的工作，就是如何将人 类基因组计划所获知的人类基因序列转变为 对人类自身认识的知识？如何对这些基因加 以利用？ 功能基因组学将成为新世纪最大战略资源 人类 基因资源夺战的重要“战场” ，而蛋白质组学则是功能基因组学研究中的核心,在过去的50多年内，实验生命科学的主 要目标是寻找特定的基因或蛋白质，从 而在分子水平上根据个别的基因或

11、蛋白 质行为来解释生命活动,随着科学的发展，人们逐渐认识到，过去得到的图景过于简单。生命实际上是一个由成千上万种基因、蛋白质和其他化学分子相互作用构成的复杂系统；对于高等生物而言，除了分子层面的复杂行为外，还有着细胞、组织和器官等不同层面的复杂活动；生命现象是这样一种复杂系统的整体行为,三、后基因组学的主要 研究内容与发展趋势,纵观近50年生命科学，尤其是分子生物学的发展历史，我们可以看出20世纪是以核酸的研究为中心，从而带动了生命科学不断向纵深发展：50年代的DNA双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组,80年代的PCR技术，90年代的DNA测序,21世纪的蛋白质组技术、基因

12、（生物）芯片技术、RNAi技术等都具有里程碑的意义,将生命科学带向一个：由宏观到微观再到宏观、由分析到综合的时代。那么，21世纪生命科学发展趋势怎样呢？随着“人类基因组计划”的实施和完成，人类基因组研究的重点正在由“结构”向“功能”转移。 在21世纪的生命科学后基因组学时代，主要的重点研究领域有那些呢,中国技术前瞻报告2003:未来十年我国最有可能的十大科技突破,下一代移动通信技术 下一代网络体系 纳米级芯片技术 中文信息处理技术 人类功能基因组学,医药生物技术 生物信息学 蛋白组学 农作物新品种培育技术 纳米材料与纳米技术,六）表型组学(Phenomics,一）功能基因组学（Function

13、al genomics,二）转录组学（Transcriptomics,三）蛋白质组学 （Proteomics,四）代谢组学 (Metabolomics,五）糖组学 (Glycomics,因此，我们认为，21世纪的生命科学主要的重点研究领域有,七）相互作用组学(Interactomics,以上内容构成了后基因组学的时代特征、主要研究内容和发展趋势。 我们有理由相信，后基因组计划将比人类基因组计划更宏伟，将给人类社会和人们的生活带来更加深刻的影响,九）脑研究(Brain Research；脑计划,Brain Project ) （神经、认知、记忆、智力等等）,八）生物信息学(Bioinformat

14、ics,近十多年来，蛋白质组学研究迅猛发展，已被广泛应用于医学研究的各个领域。它着眼于对蛋白质整体水平的研究，成为阐明基因组的功能、揭示生命奥秘的一个新的技术平台。在疾病方面，探讨蛋白质与疾病之间的关系。在药学范畴内，它针对药物靶点的识别，药效评价，药物毒理学研究，分子药理模型的构建以及抗体的制备等进行研究，在药物开发方面已显示出巨大的潜力。,在生物体内，基因组是遗传密码的携带者，而真正的功能性分子却是蛋白质。只有通过研究蛋白质，我们才有可能读懂人类基因组这本“天书”。蛋白质在生物体内的表达具有时空性和复杂性。首先，在特定的发育阶段，不同的细胞内外环境，一个基因可以表达出不同数量、不同种类的蛋

15、白质，从而产生不同的生物学功能。其次，基因编码的蛋白质产物也并非一成不变的，最为突出的就是蛋白质的翻译后修饰,据统计，蛋白质在翻译后大约有200种的修饰形式，如磷酸化、糖基化、乙酰化、烷基化等，这些变化不仅改变了蛋白质的空间构象，而且，往往是蛋白质发挥功能的活性基础。由于单基因病仅占所有疾病的2%左右，大多数疾病都是发生在蛋白质水平，因而利用蛋白质组学技术，借助研究蛋白质的表达丰度、性质和相互作用，我们就可以进一步探索疾病的诊疗方法和药物的开发,上个世纪70年代以后,分子生物学飞速发展， 理论体系和技术体系不断完善,逆转录酶的发现，修正和完善了中心法则,DNA RNA 蛋白质,20世纪80年代

16、） 疯牛病和人类克雅病（Creutsfeldt-disease,CJD）为代表的可传染性海绵状脑病(transmissible spongi-form encephalopathies, TSE)为一类致死性神经系统疾病。其感染因子是一种与正常细胞膜蛋白（PrPC）一级结构完全相同，但高级结构、理化特性不同的PrPSc或prion蛋白（阮蛋白？）。目前的研究提示，这种不含有核酸的prion蛋白似乎具有自身复制的能力，也就是说这种蛋白本身就储备了生命活动必需的遗传信息,这就提示我们，在自然界中可能还存在着一种全新的微小生命体 一种无核酸的微小生物体。从而改变人类对整个生物界的认识。即蛋白质不仅可

17、体现生物学功能，而且可储存遗传信息。而核酸成分可能在prion复制过程中完全缺如，这将有力地挑战目前的“生物中心法则”。PrP蛋白高级结构的改变不仅可造成蛋白质功能的变化，在某种意义上还是遗传信息传递的方式,比较完善的中心法则,DNA RNA 蛋白质,蛋白质组学,蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学。 蛋白质组与基因组不同：基因组基本上是固定不变的，即同一生物不同细胞中基因组基本上是一样的，如人的基因总数大致为22.5万个。单从DNA序列尚不能回答某个基因的表达时间、表达量等；而蛋白质组则是动态的，有时空性、可调节性。所以，基因的表达可在蛋白质组研究中找

18、到答案,从提出蛋白质组与蛋白质组学概念的短短几年中，已于1997年构建成功第一个完整的蛋白组数据库酵母蛋白质数据库（yeast protein database, YPD），进展速度极快，新的思路的技术不断涌现，蛋白质组学这门新兴学科，在今后的实践中将会不断完善，充实壮大，发展成为后基因组时代的带头学科,最近的一些进展,1.Science(2005.8.25)报道，美国和日本科学家发现了一种通过影响胰岛素分泌延长老鼠生命的蛋白质“克洛托”（克洛托是希腊神话中纺织生命之线的女神控制着人的寿命）。科学家们培育的突变种系老鼠体内的克洛托基因导致产生更多的蛋白质，使其寿命比正常的老鼠长19%-31%。

19、 2.（法新社汉城8月25日电）韩国科学家已经克隆出用于生产治疗癌症蛋白的转基因猪（4只母猪）。这四只母猪将产生含有粒细胞-巨噬集落刺激因子（GM-CSF）的猪奶（GM-CSF是一种刺激白细胞产生的蛋白，可用于治疗白血病或贫血症，或对白细胞低的癌症患者进行治疗，现在的价格是60万美元/克，其前景非常诱人,7. 06年的诺贝尔奖,1） 2006年10月2日，瑞典卡罗琳斯卡医学院宣布，将本年度诺贝尔生理学医学奖授予两位美国科学家（法尔，47岁，麻省理工学院；梅洛，46岁，哈佛大学）。以表彰他们发现了RNA干扰（RNAi）机制（这可能帮助人类战胜癌症、肝炎等顽症） 1998年发表论文，2006年就得

20、奖（只隔了8年,安德鲁法尔与克雷格梅洛,2）2006年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，美国科学家科恩伯格（59岁，美国斯坦福大学医学院）独享本年度诺贝尔化学奖。他的贡献是在“真核转录的分子基础真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的遗传信息生产蛋白质”（意义：人类的多种疾病如癌症、心脏病等都与这一过程发生紊乱有关）。他的论文是2001年发表,罗杰科恩伯格 他可以年潜心在自己的领域内钻研，而没有任何压力迫使他快出成果。 （最近10年，他没有发表过任何一项重大发现，却的得以继续从事研究活动,8. 基因靶向技术获07年度诺贝尔奖 英美三人组科学家因“在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面的一系列突破

21、性发现”而获得2007年度诺贝尔生理学或医学奖。这一被称为“基因打靶”技术有助于将来治疗先天性遗传疾病(利用基因同源重组,瞄准某一特定基因,使其失去活性)。 参考消息07.10.9,德法科学家分享 9. 08年诺贝尔生理学或医学奖1.德国科学家豪森现年72岁，他的获奖原因是发现了人乳头状瘤病毒HPV，这种病毒是导致女性第二常见癌症-宫颈癌的罪魁祸首 2.法国科学家巴尔-西诺西和蒙塔尼的获奖成就是发现了人类免疫缺陷病毒，也就是人们常说的艾滋病病毒。(法国科学家巴尔-西诺西现年61岁，她是近年来少有的诺贝尔科学奖女性获得者之一，以研究艾滋病病毒而闻名，是1983年发现艾滋病病毒的论文作者之一,10

22、. 08年度 诺贝尔化学奖 我国导弹之父钱学森的堂侄华裔科学家钱永健教授获得诺贝尔化学奖 向细胞派遣的疾病“侦探” 钱永健此次和其他两位科学家(马丁查尔菲、下村修 )都是因在“绿色荧光蛋白”的研究中做出的贡献而获殊荣。而钱永健所作的研究色彩更加缤纷。他在“绿色荧光蛋白”的基础上，通过改变其氨基酸排序，拓展出能吸收和发出不同颜色光的荧光蛋白，包括蓝色、黄色、橙色、红色、紫色等。有了这些不同颜色的荧光标记，科研人员通过光学显微镜，就可以轻松确认基因或蛋白质活动的时间和位置。 日裔科学家下村修是最早发现“绿色荧光蛋白”的人,09年度 1.诺贝尔生理学或医学奖 10月5日，2009年度诺贝尔生理学或医

23、学奖 在瑞典卡罗林斯卡医学院揭晓，三位美国 科学家伊丽莎白布兰克波恩(Elizabeth H.Blackburn)、卡罗尔格雷德(Carol W. Greider)以及杰克绍斯塔克(Jack W. Szostak)共同获得该奖项。他们发现了 由染色体根冠制造的端粒酶(telomerase)， 这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症,发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”这一成果，揭开了人类衰老和罹患癌症等严重疾病的奥秘。 正常人的体细胞有23对染色体。“端粒是细胞内染色体末端的保护帽，它能够保护染色体，而端粒酶在端粒受损时能够恢复其长度。” “伴随着人的成长，端粒逐渐受到磨损。,端粒不仅与染色体

24、的个性特质和稳定性密切相关，而且还涉及细胞的寿命、衰老与死亡等。端粒变短，细胞就老化。相反，如果端粒酶活性很高，端粒的长度就能得到保持，细胞的老化就被延缓。 “这是有关人类衰老、癌症和干细胞等研究的谜题拼图中重要的一片，”新闻公报说，“他们的发现使我们对细胞的理解增加了新的维度，清楚地显示了疾病的机理，并将促使我们开发出潜在的新疗法。,2.英美以三位科学家获得2009年诺贝尔化学奖 瑞典皇家科学院7日宣布，万卡特拉曼-莱马克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan) 、托马斯-施泰茨(Thomas Steitz) 和阿达-尤纳斯(Ada Yonath)因“核糖体的结构和功能”的

25、研究获得2009年诺贝尔化学奖。 万卡特拉曼-莱马克里斯南出生于1952年，来自英国医学研究委员会剑桥分子生物学实验室；托马斯-施泰茨出生于1940年，来自美国耶鲁大学和 霍华休斯医学研究所；19 39年出生的女生物学家阿 达尤纳斯来自以色列霍旺 特魏茨曼科学研究所,他们在原子水平上显示了核糖体的形态和功能。三位科学家利用X射线结晶学技术标出了构成核糖体的无数个原子每个所在的位置。 2009年诺贝尔化学奖奖励的是对生命一个核心过程的研究核糖体将DNA信息“翻译”成生命。核糖体制造蛋白质，控制着所有活有机体内的化学。因为核糖体对于生命至关重要， 所以它们也是新抗 生素的一个主要靶标,2010年，

26、英国生理学家罗伯特爱德华兹 因为在试管婴儿方面的研究获得2010年诺贝尔生理学或医学奖,11. 美日科学家造出“万能细胞” （美日科学家使皮肤细胞成功转化为干细胞） 可培育人体任何器官 学界称之生物科学里程碑 皮肤细胞 干细胞 器官,山中 伸弥（日,詹姆斯.汤姆森 （美,俞 君 英（中国,万能细胞” 诱导多能干细胞 简称iPS细胞 今年明年或后年 得诺贝尔奖,12. 干细胞研发日美科学家争第一 两个小组所使用的方法,原本就是源自山中教授在世界上率先利用老鼠进行研究并于去年8月发表的一项研究成果。 iPS细胞的生成方法是，向分化成皮肤组织的细胞中植入Oct3/4、Sox2、KIf4、c-Myc这

27、4种遗传因子，在生成各种细胞之前进行重新编排。山中首先选出的是24个基因，最终确定了使用4种遗传因子。但这种遗传因子中，c-Myc与癌症有关，在利用iPS细胞培育的老鼠中，有两成老鼠患有肿瘤，对临床应用的安全性带来了难题,所以，美国的研究人员，就从导入的遗传因子中去除c-Myc的方法来突破癌变这个障碍（他们将四个基因中的c-Myc等两个基因替换成别的基因Nanog和Lin28）而成功制作出iPS细胞。 美国研究人员用的是胎儿和新生儿的阴茎包皮的皮肤细胞； 而日本的山中用的是妇女脸部的皮肤细胞，在应用上,山中领先了一步。 但在经费投入上，美国遥遥领先。 参考消息07.11.24,从近年诺贝尔奖可

28、以思考几个问题？ 1.美国的老大地位 年度的诺贝尔项科学奖全部被美国人收入囊中（已有位美国科学家摘得诺贝尔桂冠）。（年，诺贝尔生理学或医学奖、物理学奖、化学奖和经济学奖得主的人中就有人来自美国，年的位诺贝尔奖获得者中则有一半是美国人） （1）美国整体科研实力的雄厚及良好的创新体系 美国在科研领域已经形成了自己的优势，美国的整个科研体制为科学家们营造了宽松、适宜的工作氛围。 （2）从资金的投入和科研抱负来看，美国遥遥领先。 （3）美国庞大的科研队伍也是屡获奖项的重要因素。 2.分子生物学领域占优势 与本学科的地位相吻合 3.得奖与成果发表的间隔时间缩短 几十年十几年几年,生命科学的主旋律： 生命

29、的起源与进化生命的本质遗传学基因的概念基因的研究（表观基因的研究、基因结构的研究、基因功能的研究）基因组研究后基因组（功能基因组学、转录组学、蛋白质组学、糖组学,生命科学的发展历史与潮流 前遗传学经典遗传学分子遗传学（前基因组学）基因组学 后基因组学（蛋白质组学,众所周知，21世纪被称为“生物学世纪”,或称为“生命科学时代”，生命科学已成为科学的前沿，而分子生物学是生命科学的带头学科， 21世纪将是分子生物学得到进一步发展并占统治地位，将深刻影响到生命科学的各个领域。作为生命科学前沿研究领域的生命科学工作者，一定要认清生命科学发展的形势，才能了解生命科学的发展动态，紧跟生命科学发展的潮流，把握

30、生命科学的主旋律，才能在激烈的竞争中立于不败之地,我们目前进行的工作: 1.利用RNAi抑制导致肿瘤病毒基因表达方面 的研究； 2.利用双歧杆菌进行基因疫苗方面的研究； 3.细胞因子与基因工程药物方面的研究； 4.肥胖相关因子受体基因克隆表达及其蛋白 质组学研究； 5.细胞信号传导方面的研究。 每一个领域都有国家自然科学基金项目作支撑 欢迎加入我们的行列,主要教学参考书： 1.冯作化 主编 医学分子生物学 人民卫生出版社 2001.9 2.陈启民等 主编 分子生物学 南开大学出版社 2001.12 3.来茂德 主编 医学分子生物学 人民卫生出版社 1999.9 4.高天祥 田竟生主编 医学分子

31、生物学 科学出版社 1999.6 5.周 虹等 主编 生物化学与分子生物学高级教程(21世纪高等医学 院校教材) 科学出版社 2002.1 6.朱玉贤等编现代分子生物学高等教育出版社 2001年5月第6次印刷 7.“863”生物高技术丛书 多种分册 科学出版社 2002 分子文库 基因表达技术 转基因动物 生物信息学 基因组科学与人类疾病,8.张惠展 编著基因工程原理概论2000.5 华东理工大学出版社 9.张成岗 贺福初 编著生物信息学方法与实践 2002.6 科学出版社 10.夏宝森等主编21世纪分子医药学前沿2001.1 天津科技出版社 11.Robert F.Weaver:Molecular biology 2001 (影印版) 科学出版社 12.Benjamin Lewin : Gene() 2000 （英文原版） 13.David W.Mount: Bioinformatics 2002 (影印版)科学出版社 14.Brown T.A.:（Genomes）2000 （日文原版） 15.Gerald Karp 著 山本正幸等译 分子细胞生物学（日文原版） 16.中江太治 编分子细胞生物学（生物学与医学的结合）