第16章 基因组学与蛋白质组学

1、第十六章第十六章基因组学与蛋白质组学基因组学与蛋白质组学Genomics and Proteomics 结构基因组学结构基因组学 功能基因组学功能基因组学 蛋白质组学研究方法蛋白质组学研究方法基因组学基因组学Genomics第第 一一 节节基因组基因组( (genome) )是指一个有生命体、病毒或细胞器的全部是指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）体（单倍体）DNADNA。 一、基因组学的概念一、基因组学的概念基因组学基因组学( (genomics) )就是发展和应用就是发展和应用DNADNA制图、测序新

2、技术以及制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。因组结构及功能。基因组学包括基因组学包括3 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) 功能基因组功能基因组学学(functional genomics)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics) 亚领域亚领域内容内容结构基因组学结构基因组学 整个基因组的遗传制图、物理制图、转录图谱整个基因组的遗传制图、物理制图、转录图谱 及及DNADNA测序。测序。功能基因组学功能基因组学 认识、分析整个

3、基因组所包含的基因、非基因认识、分析整个基因组所包含的基因、非基因 序列及其功能。序列及其功能。比较基因组学比较基因组学 比较不同物种的整个基因组，增强对各个基因比较不同物种的整个基因组，增强对各个基因 组功能及发育相关性的认识。组功能及发育相关性的认识。（一）物理制图（一）物理制图 （二）遗传制图（二）遗传制图 （三）转录图谱（三）转录图谱 （四）序列图谱（四）序列图谱 包括以下研究内容包括以下研究内容二、结构基因组学二、结构基因组学结构基因组学研究工作程序结构基因组学研究工作程序 主要任务主要任务内内 容容遗传制图遗传制图( (genetic mapping) ) 确定标志位点在染色体确定

4、标志位点在染色体DNADNA上的线性排列顺序。标上的线性排列顺序。标志位点间的图距以遗传学（重组）距离表示，单位为志位点间的图距以遗传学（重组）距离表示，单位为分摩尔根分摩尔根( (cM) )。物理制图物理制图( (physical mapping) ) 确定染色体确定染色体DNADNA上诸如限制性内切核酸酶识别位点，上诸如限制性内切核酸酶识别位点，或序列标志位点或序列标志位点(STSs)等的位置图。等的位置图。转录图谱转录图谱（transcription map)transcription map)确定功能基因在染色体上的定位图，为功能基因组学确定功能基因在染色体上的定位图，为功能基因组学奠

5、定基础，又称奠定基础，又称cDNAcDNA图谱或者表达序列标签（图谱或者表达序列标签（ESTEST）图。图。序列测定序列测定(sequence map)(sequence map) 基因组在分子水平的全部的，详细的序列图。基因组在分子水平的全部的，详细的序列图。通过通过HGPHGP获得的广泛基因组信息组成了获得的广泛基因组信息组成了结构基因组学的基本内容，是开展功结构基因组学的基本内容，是开展功能基因组学的研究的基础；同时为详能基因组学的研究的基础；同时为详尽研究每一个单基因遗传病提供尽研究每一个单基因遗传病提供“平平台台”，并将成为复杂的多基因遗传病，并将成为复杂的多基因遗传病研究的发端。研

6、究的发端。结构基因组学研究常用方法结构基因组学研究常用方法脉冲场琼脂糖凝胶电泳脉冲场琼脂糖凝胶电泳 毛细管电泳（毛细管电泳（capillary electrophoresis,CE）基因芯片（基因芯片（gene microarray）技术）技术全基因组随机测序全基因组随机测序几种脉冲场凝胶电泳示意图几种脉冲场凝胶电泳示意图 毛细管电泳模式图毛细管电泳模式图 基因芯片检测原理示意图基因芯片检测原理示意图 基因组鸟枪策略基因组鸟枪策略三、功能基因组学三、功能基因组学(functional genomics) 完成一个生物体全部基因组测序后完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组阶段即进入后基因

7、组阶段详尽分析序列，详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式基因的表达及其调控模式 。 基因组基因组DNADNA序列的变异性序列的变异性基因组中的基因表达调控基因组中的基因表达调控 模式生物体模式生物体 生物信息学生物信息学 主要具体内容包括以下方面主要具体内容包括以下方面 人类基因组的结构与功能特点人类基因组的结构与功能特点人类基因的平均长度增加人类基因的平均长度增加人类基因的数目相对较少人类基因的数目相对较少外显子改组和外显子改组和RNA编辑编辑翻译后修饰翻译后修饰功能基因组学研究的内容功能基因组学研究的内容cDNA 克隆与测

8、序克隆与测序DNA芯片等基因转录图谱芯片等基因转录图谱突变体库的构建突变体库的构建高通量的遗传转化鉴定系统高通量的遗传转化鉴定系统生物信息技术平台与相应数据库的构建生物信息技术平台与相应数据库的构建蛋白质组学（蛋白质表达及其相互作用）蛋白质组学（蛋白质表达及其相互作用）功能基因组学研究的技术和方法功能基因组学研究的技术和方法基因组表达谱研究基因组表达谱研究基因组功能研究基因组功能研究蛋白质组学分析蛋白质组学分析基因组表达谱基因组表达谱研究研究1. 基基因因表表达达的的系系列列分分析析（SAGE）正常，癌旁组织，正常，癌旁组织，癌组织中基因的癌组织中基因的表达差异表达差异2. cDNA Micr

9、oarray高通量分析高通量分析3. 差异显示反转差异显示反转录录PCR（DDRT-PCR）不同细胞或者相不同细胞或者相同细胞不同条件同细胞不同条件下的基因表达下的基因表达基因组功能研究基因组功能研究基因转导技术基因转导技术RNA干扰技术干扰技术和反义和反义RNA技技术术3. 反向遗传学技术反向遗传学技术4. 基因敲除：基因失活或者缺失基因敲除：基因失活或者缺失5. 转基因技术：整合表达（稳转）转基因技术：整合表达（稳转） 暂时性表达（瞬转）暂时性表达（瞬转）生物信息学在功能基因组学的应用生物信息学在功能基因组学的应用基因组组成元件的识别，确定基因组组成元件的识别，确定ORF预测预测ORF产物

10、的功能（寻找保守结构域或产物的功能（寻找保守结构域或者模体）者模体）比较基因组学及基因之间的相互作用比较基因组学及基因之间的相互作用比较基因组学比较基因组学 对已知的不同物种间的基因组结构进对已知的不同物种间的基因组结构进行比较行比较 人类与其他种属的异同人类与其他种属的异同 模式生物基因组模式生物基因组模式生物组模式生物组基因组学与医学基因组学与医学 疾病基因组学疾病基因组学 药物基因组学药物基因组学第第 二二 节节 蛋白质组学蛋白质组学ProteomicsProteomicsReverse transcriptionReplication复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录中心法则中心法则

11、一、蛋白质组学概念一、蛋白质组学概念蛋白质组蛋白质组（proteome）： 是指基因组、细胞或生物的组织器官所表达的全是指基因组、细胞或生物的组织器官所表达的全 部蛋白质。部蛋白质。蛋白质组学蛋白质组学（proteomics）： 是以蛋白质组为研究对象、研究细胞内各种蛋白质的是以蛋白质组为研究对象、研究细胞内各种蛋白质的 组成、表达及其蛋白质的翻译后修饰、转运、定位、构组成、表达及其蛋白质的翻译后修饰、转运、定位、构象形成及蛋白质间的相互作用等。象形成及蛋白质间的相互作用等。二、蛋白质组学的研究方法二、蛋白质组学的研究方法双向电泳双向电泳（two dimension electrophores

12、is，2-DE ）生物质谱技术生物质谱技术（bio-mass spectrometry） 酵母双杂交（酵母双杂交（yeast two-hybrid system）蛋白质芯片蛋白质芯片蛋白质组生物信息学蛋白质组生物信息学 双向电泳是研究蛋白质组学的经典方法双向电泳是研究蛋白质组学的经典方法pH3 10 MWDIGE生物质谱技术是蛋白质组学研究的生物质谱技术是蛋白质组学研究的主要工具主要工具蛋白质水解成肽段，在经质谱鉴定其序列，蛋白质水解成肽段，在经质谱鉴定其序列，然后经数据库搜索，获得鉴定肽段序列对然后经数据库搜索，获得鉴定肽段序列对应的蛋白质，达到鉴定的目的。应的蛋白质，达到鉴定的目的。具体应

13、用：具体应用：肽质量指纹谱鉴定技术肽质量指纹谱鉴定技术肽序列标签串联质谱鉴定技术肽序列标签串联质谱鉴定技术翻译后修饰蛋白质的鉴定翻译后修饰蛋白质的鉴定PMFMS/MSPMT酵母酵母双杂双杂交研交研究蛋究蛋白质白质相互相互作用作用蛋白质芯片技术蛋白质芯片技术蛋蛋白白质质生生物物信信息息学学小结小结基因组基因组( (genome) )是指一个有生命体、病毒或细胞器的全部是指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）体（单倍体）DNADNA。 基因组学的概念基因组学的概念基因组学基因组学( (genomics) )就是

14、发展和应用就是发展和应用DNADNA制图、测序新技术以及制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能。因组结构及功能。基因组学包括基因组学包括3 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) 功能基因组功能基因组学学(functional genomics)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics) 亚领域亚领域内容内容结构基因组学结构基因组学 整个基因组的遗传制图、物理制图、转录图谱整个基因组的遗传制图、物理制图、转录图谱 及及DNADNA测序

15、。测序。功能基因组学功能基因组学 认识、分析整个基因组所包含的基因、非基因认识、分析整个基因组所包含的基因、非基因 序列及其功能。序列及其功能。比较基因组学比较基因组学 比较不同物种的整个基因组，增强对各个基因比较不同物种的整个基因组，增强对各个基因 组功能及发育相关性的认识。组功能及发育相关性的认识。功能基因组学研究的内容功能基因组学研究的内容cDNA 克隆与测序克隆与测序DNA芯片等基因转录图谱芯片等基因转录图谱突变体库的构建突变体库的构建高通量的遗传转化鉴定系统高通量的遗传转化鉴定系统生物信息技术平台与相应数据库的构建生物信息技术平台与相应数据库的构建蛋白质组学（蛋白质表达及其相互作用）

16、蛋白质组学（蛋白质表达及其相互作用）基因表达的系列分析（基因表达的系列分析（SAGE）cDNA Microarray差异显示反转录差异显示反转录PCR（DDRT-PCR）基因组表达谱研究基因组表达谱研究基因组功能研究基因组功能研究基因转导技术基因转导技术RNA干扰技术和反义干扰技术和反义RNA技术技术反向遗传学技术反向遗传学技术基因敲除基因敲除转基因技术转基因技术蛋白质组学概念蛋白质组学概念蛋白质组蛋白质组（proteome）： 是指基因组、细胞或生物的组织器官所表达的全是指基因组、细胞或生物的组织器官所表达的全 部蛋白质。部蛋白质。蛋白质组学蛋白质组学（proteomics）： 是以蛋白质组为研究对象、研究细胞内各种蛋白质的是以蛋白质组为研究对象、研究细胞内各种蛋白质的 组成、表达及其蛋白质的翻译后修饰、转运、定位、构组成、表达及其蛋白质的翻译后修饰、转运、定位、构象形成及蛋白质间的相互作用等。象形成及蛋白质间的相互作用等。蛋白质组学的研究方法蛋白质组学的研究方法双