分子生物学课件：组学

1、组学组学分子生物学中，组学分子生物学中，组学(Omics)(Omics)主要包括主要包括基因组学（基因组学（GenomicsGenomics），），蛋白组学（蛋白组学（ProteinomicsProteinomics），），代谢组学（代谢组学（MetabolomicsMetabolomics），），转录组学转录组学(transcriptomics(transcriptomics），），脂类组学（脂类组学（lipidomicslipidomics），）， 免疫组学（免疫组学（ImmunomicsImmunomics），），糖组学（糖组学（glycomics glycomics ） RNARNA组

2、学组学(RNomics)(RNomics)等。等。 人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划的研究内容，人类基因人类基因组计划的研究内容，人类基因组计划是组计划是1986 1986 年由美国学者提出，世年由美国学者提出，世界各国展开合作研究的项目。其主要研界各国展开合作研究的项目。其主要研究内容包括：人类基因组遗传学作图；究内容包括：人类基因组遗传学作图；染色体物理图谱制作；染色体物理图谱制作；人类基因组计划人类基因组计划的的科学目标和工作任务科学目标和工作任务科学目标是至科学目标是至 2005 2005 年全部测定组成人年全部测定组成人类基因组的类基因组的 DNA DNA 序列，从而为阐明

3、人类序列，从而为阐明人类所有基因的结构和功能，解读人类遗传所有基因的结构和功能，解读人类遗传密码奠定基础。密码奠定基础。主要工作任务是认识人类基因组的整体主要工作任务是认识人类基因组的整体结构，结构， 即完成基因组的遗传图、即完成基因组的遗传图、 物理物理图和序列图，图和序列图， 在此基础上识别鉴定基因在此基础上识别鉴定基因组的每一个基因，逐步完成人类基因图组的每一个基因，逐步完成人类基因图基因组学基因组学结构基因组学结构基因组学 基因组学基因组学功能基因组学功能基因组学比较基因组学？比较基因组学？基因组学的基本概念基因组学的基本概念基因：合成有功能的蛋白质或基因：合成有功能的蛋白质或RNAR

4、NA所必需所必需的全部的全部DNADNA序列，即一个基因不仅包括编序列，即一个基因不仅包括编码蛋白质或码蛋白质或RNARNA的核酸序列，还应包括为的核酸序列，还应包括为保证转录所必需的调控序列。保证转录所必需的调控序列。基因组基因组: :基因组泛指一个生命体、病毒或基因组泛指一个生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质。细胞器的全部遗传物质。基因组学：基因组学：是从基因组层次上系统地研是从基因组层次上系统地研究各生物种群基因组的结构和功能及相究各生物种群基因组的结构和功能及相互关系的科学互关系的科学 。基因组学涉及基因组作图、测序和整基因组学涉及基因组作图、测序和整个基因组功能分析的一门学科个基因组

5、功能分析的一门学科基因组的基因组的C值值结构基因组学结构基因组学结构基因组学（结构基因组学（structural genomics structural genomics ）是以全基因组测序为目标，确定基因组是以全基因组测序为目标，确定基因组的组织结构、基因组成及基因定位的基的组织结构、基因组成及基因定位的基因组学的一个分支。因组学的一个分支。它代表基因组分析的早期阶段，以建立它代表基因组分析的早期阶段，以建立具有高分辨率的生物体基因组的遗传图具有高分辨率的生物体基因组的遗传图谱、物理图谱及转录图谱为主要内容。谱、物理图谱及转录图谱为主要内容。以及研究蛋白质组成和结构的学科以及研究蛋白质组成和

6、结构的学科。 结构基因组学的主要任务结构基因组学的主要任务结构基因组学以全基因组测序为主要结构基因组学以全基因组测序为主要目标：目标：绘制四张图：绘制四张图：遗传图遗传图物理图物理图序列图序列图转录图转录图遗传图遗传图遗传图：遗传图（遗传图：遗传图（genetic mapgenetic map）又称连）又称连锁图（锁图（linkage maplinkage map），是指基因根据重），是指基因根据重组频率在染色体上的线性排列或分布。组频率在染色体上的线性排列或分布。以具有遗传多态性的遗传标志（如微卫以具有遗传多态性的遗传标志（如微卫星）为星）为“路标路标”，以遗传学（重组）距，以遗传学（重组）

7、距离离为图距的基因组图。为图距的基因组图。 遗传图是指每条染色体上的遗传标记遗传图是指每条染色体上的遗传标记的相对位置经连锁分析确定后所构成的相对位置经连锁分析确定后所构成的图谱，遗传标记间的距离用它们之的图谱，遗传标记间的距离用它们之间交换率来衡量，图距单位间交换率来衡量，图距单位 1 1 厘摩厘摩（cMcM）即为）即为 1% 1% 的交换率。染色体上的交换率。染色体上不同遗传标记间的距离可以相加。不同遗传标记间的距离可以相加。 物理图物理图物理图是将染色体的随机切割物理图是将染色体的随机切割 DNA DNA 片段片段的实际排列顺序确定后所构成的图。的实际排列顺序确定后所构成的图。先用限制酶

8、将染色体切成一个个先用限制酶将染色体切成一个个 DNA DNA 片片段，插入段，插入 YAC YAC 或或 BAC BAC 形成克隆，借这形成克隆，借这些些 DNA DNA 片段中片段中 所存在的所存在的 STS STS 路标，将路标，将之连接成重叠克隆群（之连接成重叠克隆群（contigcontig）, ,即可得即可得出覆盖整个基因组的出覆盖整个基因组的 DNA DNA 片段排列顺序片段排列顺序序列图序列图(Sequence Diagram)(Sequence Diagram) 序列图可以指遗传物质上核苷酸序列序列图可以指遗传物质上核苷酸序列物理图的简称，是人类基因组计划中物理图的简称，是人

9、类基因组计划中的最基础的工作，是人类基因组在分的最基础的工作，是人类基因组在分子水平上最高层次、最为详尽的物理子水平上最高层次、最为详尽的物理图，测定总长为图，测定总长为1M1M、由约、由约3030亿对核苷亿对核苷酸组成的基因组酸组成的基因组DNADNA序列。序列。 转录图转录图基因转录图即是把细胞内染色体或基因转录图即是把细胞内染色体或DNADNA上所有基因定位在染色体或上所有基因定位在染色体或DNADNA基因组基因组的不同位置上，反映在正常或受控条的不同位置上，反映在正常或受控条件下能够表达的件下能够表达的cDNAcDNA片段数目、种类、片段数目、种类、结构与功能的信息，是用来表示结构与功

10、能的信息，是用来表示DNADNA上上哪些核苷酸序列可以编码蛋白质。哪些核苷酸序列可以编码蛋白质。 生物性状是由结构或功能蛋白决定生物性状是由结构或功能蛋白决定的，功能蛋白是由信使的，功能蛋白是由信使RNARNA（mRNAmRNA）编码的，编码的，mRNAmRNA又是由编码蛋白功能又是由编码蛋白功能基因转录而来的。转录图就是测定基因转录而来的。转录图就是测定这些可表达片段（这些可表达片段（ESTEST）的标记图。）的标记图。事实上，整个人类基因组中有事实上，整个人类基因组中有97%97%的部分的部分由不被转录的由不被转录的DNADNA组成，只有组成，只有2%2%3%3%的的DNADNA序列具有编

11、码蛋白质的功能。在人体某一序列具有编码蛋白质的功能。在人体某一特定的组织中仅有特定的组织中仅有10%10%的基因被表达。也的基因被表达。也就是说，只有不足就是说，只有不足1 1万个不同类型的万个不同类型的RNARNA分分子（只有在胎儿的脑组织中，可能有子（只有在胎儿的脑组织中，可能有30%30%60%60%）的基因被表达。如果将这些）的基因被表达。如果将这些mRNAmRNA通过一种反转录的过程构建成通过一种反转录的过程构建成CDNACDNA文库，文库，然后再测定这些然后再测定这些DNADNA的序列，最终绘制成的序列，最终绘制成一张可表达基因图一张可表达基因图-转录图。转录图。功能基因组学功能基

12、因组学 功能基因组学功能基因组学 Functuional genomicsFunctuional genomics又往往被称为后基因组学（又往往被称为后基因组学（Post Post genomicsgenomics），它利用结构基因组所提供），它利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使得生物学研究从对单析基因的功能，使得生物学研究从对单一基因或蛋白质得研究转向多个基因或一基因或蛋白质得研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。蛋白质同时进行系统的研究。 功能基因

13、组学研究内容功能基因组学研究内容包括基因功能发现、基因表达分析包括基因功能发现、基因表达分析及突变检测。基因的功能包括：生及突变检测。基因的功能包括：生物学功能，如作为蛋白质激酶对特物学功能，如作为蛋白质激酶对特异蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学异蛋白质进行磷酸化修饰；细胞学功能，如参与细胞间和细胞内信号功能，如参与细胞间和细胞内信号传递途径；发育上功能，如参与形传递途径；发育上功能，如参与形态建成等态建成等。 转录组转录组转录组：是指一个细胞内的一套转录组：是指一个细胞内的一套mRNA mRNA 转转录物，包含某一环境条件、某一生命录物，包含某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理状态下，生命

14、阶段、某一生理或病理状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。水平。 蛋白质组学的研究方法和进展蛋白质组学的研究方法和进展背背 景景基因数量有限性和基因结构的相基因数量有限性和基因结构的相对稳定性对稳定性 vs vs 生命现象的复杂性生命现象的复杂性和多变性和多变性 从从 genomic genomic 到到 proteomeproteome对蛋白质的数量、结构、性质、相对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学功能进行全面深互关系和生物学功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的入的研究已成为生命科学研究的迫切需要和重要任务。迫切需要和重要任务。 蛋

15、白质组学的概念及其发展史蛋白质组学的概念及其发展史 蛋白质组学研究方法概述蛋白质组学研究方法概述蛋白质组学在疾病研究中的应用蛋白质组学在疾病研究中的应用主要内容 蛋白质组学的概念及其发展史蛋白质组学的概念及其发展史 蛋白质组是澳大利亚学者蛋白质组是澳大利亚学者WilliamsWilliams和和WilkinsWilkins于于19941994年首先提出，源于蛋白年首先提出，源于蛋白质（质（proteinprotein）与基因组（）与基因组（genomegenome）两）两个词的杂合个词的杂合, ,意指意指proteins expressed proteins expressed by a ge

16、nomeby a genome，即，即“一个细胞或一个组一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质织基因组所表达的全部蛋白质”。 一、蛋白质组学的概念一、蛋白质组学的概念背背 景景 基因组时代基因组时代 后基因组时代后基因组时代 研究重点的转移及其标志研究重点的转移及其标志 mRNAmRNA水平的基因表达研究取得进水平的基因表达研究取得进 展，展，但但mRNAmRNA与蛋白质间的相关系数仅与蛋白质间的相关系数仅为为0.40.40.50.5 蛋白质自身特点难以从蛋白质自身特点难以从DNADNA和和mRNAmRNA水水平得到解答平得到解答 蛋白质组学研究方法概述蛋白质组学研究方法概述蛋白质组研究更

17、为复杂和困难：蛋白质组研究更为复杂和困难：蛋白质数目大大超过基因数目。蛋白质数目大大超过基因数目。蛋白质随时间和空间而变化。蛋白质随时间和空间而变化。 研研 究究 意意 义义DNA RNA 蛋白质存在存在3 3个层次的调控个层次的调控转录水平调控转录水平调控翻译水平调控翻译水平调控翻译后水平调控翻译后水平调控蛋白质存在复杂的翻译后修饰，作为生命功能的行蛋白质存在复杂的翻译后修饰，作为生命功能的行使者，它比基因更能直接地反映生理过程及其变化。使者，它比基因更能直接地反映生理过程及其变化。蛋白质相互作用及空间构向等问题是生命现象复杂蛋白质相互作用及空间构向等问题是生命现象复杂性的真实体现。性的真实

18、体现。蛋白质组的研究的机遇和挑战：蛋白质组的研究的机遇和挑战：机遇：基因组计划的快速进行，大量机遇：基因组计划的快速进行，大量基因序列和基因序列和ESTEST的确定为蛋白质的快的确定为蛋白质的快速鉴定提供了良好的基础。速鉴定提供了良好的基础。挑战：从单一蛋白质的研究转变到细挑战：从单一蛋白质的研究转变到细胞和组织的整体蛋白质研究，在理论胞和组织的整体蛋白质研究，在理论和技术上提出了挑战。和技术上提出了挑战。蛋白质组研究的技术体系与路线蛋白质组研究的技术体系与路线蛋白质研究技术比基因研究技术要复蛋白质研究技术比基因研究技术要复杂和困难：杂和困难：1 1、氨基酸远多于核苷酸（、氨基酸远多于核苷酸（

19、20/420/4）2 2、蛋白质存在复杂的翻译和修饰，如、蛋白质存在复杂的翻译和修饰，如磷酸化、糖基化等磷酸化、糖基化等3 3、蛋白质不象基因一样能够扩增，因、蛋白质不象基因一样能够扩增，因此在量上还受到限制。此在量上还受到限制。发展高通量、高灵敏度、高准确性的研究技术平台是现在乃至相当一段时间内蛋白质组学研究中的主要任务。 当前主要任务 一、蛋白质组表达模式的一、蛋白质组表达模式的 研究方法研究方法 研究蛋白质组的组成成分研究蛋白质组的组成成分 支撑技术主要有双向凝胶电泳、支撑技术主要有双向凝胶电泳、以质谱为代表的蛋白质鉴定技术以质谱为代表的蛋白质鉴定技术及生物信息学分析。及生物信息学分析。

20、 蛋白质组表达模式蛋白质组表达模式（expression profileexpression profile）：）：（一）蛋白质组研究中的样品制备 通常可采用细胞或组织中的全蛋白通常可采用细胞或组织中的全蛋白质组分进行蛋白质组分析。质组分进行蛋白质组分析。 也可以进行样品预分级，即将细胞也可以进行样品预分级，即将细胞或组织中的全体蛋白质分成不同部或组织中的全体蛋白质分成不同部分，分别进行研究。分，分别进行研究。 样品预分级的主要方法样品预分级的主要方法 蛋白质溶解性：可溶性蛋白、非溶性蛋白质溶解性：可溶性蛋白、非溶性蛋白等蛋白等 蛋白质定位：膜蛋白、核蛋白等蛋白质定位：膜蛋白、核蛋白等 蛋白质

21、细胞器定位：线粒体、高尔基蛋白质细胞器定位：线粒体、高尔基体、叶绿体等体、叶绿体等 样品预分级主要作用在于提样品预分级主要作用在于提高低丰度蛋白质的上样量和检测高低丰度蛋白质的上样量和检测灵敏度灵敏度。双向电泳双向电泳经染色得到的电泳图是个二维分布的蛋经染色得到的电泳图是个二维分布的蛋白质图。白质图。原原 理理 第一向在高压电场下对蛋白质进行等电第一向在高压电场下对蛋白质进行等电聚焦聚焦(IEF), (IEF), 再在第一向垂直方向上进再在第一向垂直方向上进行第二向行第二向SDS-SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)(SDS-PAGE)。 19751975年首先由年

22、首先由O OFarrellFarrell等创立。等创立。特点特点 可分离可分离1010100 kD100 kD分子量的蛋白质分子量的蛋白质 高灵敏度和高分辨率高灵敏度和高分辨率 便于计算机进行图像分析处理便于计算机进行图像分析处理 与质谱分析匹配与质谱分析匹配 正常肝细正常肝细胞和肝癌胞和肝癌细胞的蛋细胞的蛋白质组双白质组双向电泳差向电泳差异表达谱异表达谱园点标记园点标记的点为两的点为两者的差异者的差异蛋白蛋白数字号码数字号码为蛋白质为蛋白质点在参考点在参考胶中的索胶中的索引号引号蛋白质鉴定技术蛋白质鉴定技术 质谱（质谱（MSMS）法）法 基本原理：样品分子离子化后，基本原理：样品分子离子化后

23、，根据离子间质荷比（根据离子间质荷比（m/zm/z）的差）的差异来分离并确定样品的分子量。异来分离并确定样品的分子量。 二、蛋白质组功能模式的二、蛋白质组功能模式的研究方法研究方法 揭示蛋白质组成员间的相互作用、相互协揭示蛋白质组成员间的相互作用、相互协调的关系，并深入了解蛋白质的结构与功调的关系，并深入了解蛋白质的结构与功能的相互关系，以及基因结构与蛋白质结能的相互关系，以及基因结构与蛋白质结构功能的关系。构功能的关系。 主要研究目标 蛋白质相互作用研究技术蛋白质相互作用研究技术 生命的基本过程是不同功能蛋白质在时空生命的基本过程是不同功能蛋白质在时空上有序和协同作用上有序和协同作用 新陈代

24、谢以蛋白质复合体或多蛋白质网络新陈代谢以蛋白质复合体或多蛋白质网络协同作用实现协同作用实现 细胞信号转导及病原体感染和免疫反应细胞信号转导及病原体感染和免疫反应 1 1酵母双杂交系统酵母双杂交系统2. 2. 噬菌体表面显示技术噬菌体表面显示技术3. 3. 亲和层析耦联质谱技术亲和层析耦联质谱技术 4. 免疫共沉淀耦联质谱技术免疫共沉淀耦联质谱技术蛋白质芯片蛋白质芯片（protein chipsprotein chips，protein arrayprotein array）技术技术 蛋白质组学在疾病蛋白质组学在疾病 研究中的应用研究中的应用蛋白质组研究应用前景蛋白质组研究应用前景1 1、对正常细胞与异常细胞蛋白质组的、对正常细胞与异常细胞蛋白质组的差别的研究可以差别的研究可以揭示疾病的病因揭示疾病的病因，如心，如心肌肥大症的蛋白质组研究发现是肌球蛋肌肥大症的蛋白质组研究发现是肌球蛋白过度表达所致。白过度表达所致。2 2、用药和不用药情况下的蛋白质组差、用药和不用药情况下的蛋白质组差别的研究对别的研究对新药的开发新药的开发具有指导意义。具有指导意义。 3 3、对微生物和病原体的蛋白质组的、对微生物和病原体的蛋白质组的研究可发现研究可发现新的抗菌素新的抗菌素。 4 4、蛋