生物化学及分子生物学人卫第九版组学与系统生物学

1、. 作者作者 : 杨生生杨生生 焦炳华焦炳华: 第第27章章 组学与系统生物医学组学与系统生物医学目录.第一节第一节 基因组学基因组学第二节第二节 转录组学转录组学第三节第三节 蛋白质组学蛋白质组学第四节第四节 代谢组学代谢组学第五节第五节 其他组学其他组学第六节第六节 系统生物医学及其应用系统生物医学及其应用.重点难点重点难点熟悉熟悉了解了解掌握掌握基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等的概念及其基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等的概念及其研究内容研究内容系统生物医学、分子医学、精准医学、转化医学等的内涵系统生物医学、分子医学、精准医学、转化医学等的内涵糖组学、脂组学的研究内容；

2、系统生物医学在现代医学研究糖组学、脂组学的研究内容；系统生物医学在现代医学研究中的应用中的应用.基因组学基因组学第一节第一节.结构基因组学（结构基因组学（structural genomics）比较基因组学（比较基因组学（comparative genomics）功能基因组学（功能基因组学（functional genomics）基因组学是阐明整个基因组的结构、结构与功能的关系基因组学是阐明整个基因组的结构、结构与功能的关系以及基因之间相互作用的科学以及基因之间相互作用的科学.一、结构基因组学揭示基因组序列信息一、结构基因组学揭示基因组序列信息L. Yan et al. PNAS 2003;1

3、00:6263-6268遗传图谱遗传图谱(genetic map)物理图谱物理图谱(physical map)序列图谱序列图谱(sequence map).1.遗传作图就是绘制连锁图遗传作图就是绘制连锁图（一）通过遗传作图和物理作图绘制人类基因组草图（一）通过遗传作图和物理作图绘制人类基因组草图 第一代多态性标记：限制性片段长度多态性第一代多态性标记：限制性片段长度多态性-RFLP 第二代多态性标记：可变数目串联重复序列第二代多态性标记：可变数目串联重复序列-VNTR 第三代多态性标记：单核苷酸的多态性第三代多态性标记：单核苷酸的多态性-SNP遗传作图（遗传作图（genetic mapping

4、）: 就是确定连锁的就是确定连锁的遗传标志位点遗传标志位点在一条染色体上的排列在一条染色体上的排列顺序及它们之间的相对遗传距离，用顺序及它们之间的相对遗传距离，用厘摩尔根厘摩尔根（centi-Morgan，cM）表示，当两个遗）表示，当两个遗传标记之间的重组值为传标记之间的重组值为1%时，图距即为时，图距即为1 cM。常用的遗传标志常用的遗传标志.2.物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图物理作图（物理作图（physical mapping）以物理尺度（）以物理尺度（bp或或kb）标示遗传标志）标示遗传标志在染色体上的实际位置和它们间的距离

5、，是在遗传作图基础上绘制的更为在染色体上的实际位置和它们间的距离，是在遗传作图基础上绘制的更为详细的基因组图谱。详细的基因组图谱。常用的物理作图方法常用的物理作图方法 荧光原位杂交图（荧光原位杂交图（fluorescent in situ hybridization map，FISH map） 限制性酶切图（限制性酶切图（restriction map） 连续克隆系图（连续克隆系图（clone contig map）.遗传图谱与物理图谱示意遗传图谱与物理图谱示意 遗传图谱标示了分子标志间的相对距离，以遗传图谱标示了分子标志间的相对距离，以cM标示标示物理图谱标示了分子标志间的绝对距离，以物理图

6、谱标示了分子标志间的绝对距离，以kb表示表示.（二）通过（二）通过EST文库绘制转录图谱文库绘制转录图谱转录图谱又称为转录图谱又称为cDNA图或表达图（图或表达图（expression map），是一种以），是一种以表达序列标签（表达序列标签（expressed sequence tag，EST）为标记，根据转为标记，根据转录顺序的位置和距离绘制的分子遗传图谱。录顺序的位置和距离绘制的分子遗传图谱。EST是指从是指从cDNA文库中随机选取的某一克隆进行测序所获得的文库中随机选取的某一克隆进行测序所获得的cDNA的的5-或或3-末端序列，每个末端序列，每个EST长度一般在长度一般在300500b

7、p之间就之间就可以包含已表达的该基因的信息。可以包含已表达的该基因的信息。.基因图谱中的序列标签位点（基因图谱中的序列标签位点（STS）和表达）和表达序列标签（序列标签（EST）分布示意）分布示意.（三）通过（三）通过BAC克隆系和鸟枪法测序等构建序列图谱克隆系和鸟枪法测序等构建序列图谱BAC文库的构建与鸟文库的构建与鸟枪法测序流程示意图枪法测序流程示意图.二、比较基因组学鉴别基因组的相似性和差异性二、比较基因组学鉴别基因组的相似性和差异性 种间比较基因组学阐明物种间基因组结构的异同种间比较基因组学阐明物种间基因组结构的异同 种内比较基因组学阐明群体内基因组结构的变异和多态性种内比较基因组学阐

8、明群体内基因组结构的变异和多态性比较基因组学是在基因组序列的基础上，通过与已知生物基因组的比较，比较基因组学是在基因组序列的基础上，通过与已知生物基因组的比较，鉴别基因组的相似性和差异性，一方面可为阐明物种进化关系提供依据，鉴别基因组的相似性和差异性，一方面可为阐明物种进化关系提供依据，另一方面可根据基因的同源性预测相关基因的功能。另一方面可根据基因的同源性预测相关基因的功能。研究内容研究内容.三、功能基因组学系统探讨基因的活动规律三、功能基因组学系统探讨基因的活动规律EJIFCC. 2008; 19(1): 2230. 基因组的表达基因组的表达 基因组功能注释基因组功能注释 基因组表达调控网

9、络及机制基因组表达调控网络及机制.四、四、ENCODE识别人类基因组所有功能元件识别人类基因组所有功能元件 NHGRI于于2003年年9月启动了月启动了DNA元件百科全书（元件百科全书（ENCyclopedia Of DNA Elements，ENCODE）计划；该计划旨在解析人类基因组中的所有功能性元）计划；该计划旨在解析人类基因组中的所有功能性元件，内容包括编码基因、非编码基因、调控区域、染色体结构维持和调节染色件，内容包括编码基因、非编码基因、调控区域、染色体结构维持和调节染色体复制动力的体复制动力的DNA元件等元件等 。.（一）（一）ENCODE是是HGP的延续与深入的延续与深入ENC

10、ODE的研究内容与策略的研究内容与策略.（二）（二）ENCODE已取得重要阶段性成果已取得重要阶段性成果人类基因组的大部分序列（人类基因组的大部分序列（80.4%）具有功能；）具有功能；人类基因组中有人类基因组中有399,124个区域具有增强子样特征，个区域具有增强子样特征，70,292个区域具有启动子样特征；个区域具有启动子样特征；RNA的产生和加工与启动子结合的转录因子活性密切相关；的产生和加工与启动子结合的转录因子活性密切相关；非编码功能元件富含与疾病相关的非编码功能元件富含与疾病相关的SNP，大部分疾病的表型，大部分疾病的表型与转录因子相关。与转录因子相关。.转录组学转录组学第二节第二

11、节.转录组（转录组（transcriptome）:指生命单元（通常是一种细胞）所能指生命单元（通常是一种细胞）所能转录出来的全部转录本，包括转录出来的全部转录本，包括mRNA、 rRNA、tRNA和其它非编和其它非编码码RNA的总和。的总和。转录组学（转录组学（transcriptomics）：是在整体水平上研究细胞编码基：是在整体水平上研究细胞编码基因（编码因（编码RNA和蛋白质）转录情况及转录调控规律的科学。和蛋白质）转录情况及转录调控规律的科学。.一、转录物学全面分析基因表达谱一、转录物学全面分析基因表达谱Leukemia. 2013;27(4):992-5大规模基因表达谱（大规模基因表

12、达谱（expression profile）分析）分析 .二、转录组研究采用整体性分析技术二、转录组研究采用整体性分析技术微阵列（微阵列（microarray）基因表达系列分析（基因表达系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）大规模平行信号测序系统（大规模平行信号测序系统（massively parallel signature sequencing, MPSS）.微阵列技术的基本步骤微阵列技术的基本步骤（一）微阵列是大规模基因组表达谱研究的主要技术（一）微阵列是大规模基因组表达谱研究的主要技术.基因表达系列分析基因表达系列分析(SAGE)（二

13、）（二）SAGE在转录物水平研究细胞或组织基因表达模式在转录物水平研究细胞或组织基因表达模式.大规模平行信号测序系统大规模平行信号测序系统(MPSS)（三）（三）MPSS是以序列测定为基础的基因表达谱高通量分析新技术是以序列测定为基础的基因表达谱高通量分析新技术.（一）高通量转录组测序是获得基因表达调控信息的基础（一）高通量转录组测序是获得基因表达调控信息的基础（二）单细胞转录组有助于解析单个细胞行为的分子基础（二）单细胞转录组有助于解析单个细胞行为的分子基础三、转录组测序和单细胞转录组分析是转录组学的核心任务三、转录组测序和单细胞转录组分析是转录组学的核心任务.蛋白质组学蛋白质组学第三节第三

14、节.蛋白质组（蛋白质组（proteome）是指细胞、组织或机体在特定时间和空间是指细胞、组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质。上表达的所有蛋白质。蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics）以所有这些蛋白质为研究对象，分析以所有这些蛋白质为研究对象，分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之细胞内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，并在整体水平上阐明蛋白质调控的活动规律，间的相互作用与联系，并在整体水平上阐明蛋白质调控的活动规律，故又称为故又称为全景式蛋白质表达谱全景式蛋白质表达谱（global protein expres

15、sion profile）分析。）分析。.1.蛋白质种类和结构鉴定是蛋白质组研究的基础蛋白质种类和结构鉴定是蛋白质组研究的基础（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2.翻译后修饰的鉴定有助于蛋白质功能的阐明翻译后修饰的鉴定有助于蛋白质功能的阐明一、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（二）蛋白质功能确定是蛋白质组学的根本目的（二）蛋白质功能确定是蛋白质组学的根本目的1.各种蛋白质均需要鉴定其基本功能特性各种蛋白质均需要鉴定其基本功能特性2.蛋白质相互作用研究是认识蛋白质功能的重要内容蛋白质相互

16、作用研究是认识蛋白质功能的重要内容.二、二维电泳、液相分离和质谱是蛋白质组研究的常规技术二、二维电泳、液相分离和质谱是蛋白质组研究的常规技术 基于二维（双向）凝胶电泳（基于二维（双向）凝胶电泳（two-dimensional gel electrophoresis，2-DE）分离为核心的研究路线；）分离为核心的研究路线； 基于液相色谱（基于液相色谱（liquid chromatography，LC）分离为核心的）分离为核心的技术路线。技术路线。蛋白质组研究主要有两条技术路线蛋白质组研究主要有两条技术路线.（一）（一）2-DE-MALDI-MS根据等电点和分子量分离鉴定蛋白质根据等电点和分子量分

17、离鉴定蛋白质12-DE是分离蛋白质组的有效方法是分离蛋白质组的有效方法2MALDI-MS鉴定鉴定2-DE胶内蛋白质点胶内蛋白质点.（二）（二）LC-ESI-MS通过液相层析技术分离鉴定蛋白质通过液相层析技术分离鉴定蛋白质1层析分离肽混合物层析分离肽混合物 从组织中提取的目标蛋白质混合物首先进行选择性酶解，获得从组织中提取的目标蛋白质混合物首先进行选择性酶解，获得肽段混合物，然后进行二维液相分离。肽段混合物，然后进行二维液相分离。2电喷雾串联质谱鉴定肽段电喷雾串联质谱鉴定肽段 利用高电场使利用高电场使MS进样端的毛细管柱流出的液滴带电，带电液进样端的毛细管柱流出的液滴带电，带电液滴在电场中飞向与

18、其所带电荷相反的电势一侧。液滴在飞行过程中滴在电场中飞向与其所带电荷相反的电势一侧。液滴在飞行过程中变得细小而呈喷雾状，被分析物离子化成为带单电荷或多电荷的离变得细小而呈喷雾状，被分析物离子化成为带单电荷或多电荷的离子，使被分析物得以鉴定。子，使被分析物得以鉴定。.代谢组学代谢组学第四节第四节.代谢组学（代谢组学（metabonomics）就是测定一个生物就是测定一个生物/细胞中所有的小细胞中所有的小分子（分子（Mr1000）组成，描绘其动态变化规律，建立系统代谢图谱，）组成，描绘其动态变化规律，建立系统代谢图谱，并确定这些变化与生物过程的联系。并确定这些变化与生物过程的联系。.一、代谢组学的

19、任务是分析生物一、代谢组学的任务是分析生物/细胞代谢产物的全貌细胞代谢产物的全貌 代谢物靶标分析（代谢物靶标分析（metabolite target analysis）：对某个或某几个特定组）：对某个或某几个特定组分进行分析；分进行分析； 代谢谱分析（代谢谱分析（metabolic profiling analysis）：对一系列预先设定的目标）：对一系列预先设定的目标代谢物进行定量分析。如某一类结构、性质相关的化合物或某一代谢途径中所代谢物进行定量分析。如某一类结构、性质相关的化合物或某一代谢途径中所有代谢物或一组由多条代谢途径共享的代谢物进行定量分析；有代谢物或一组由多条代谢途径共享的代谢

20、物进行定量分析； 代谢组学：对某一生物或细胞所有代谢物进行定性和定量分析；代谢组学：对某一生物或细胞所有代谢物进行定性和定量分析； 代谢指纹分析（代谢指纹分析（metabolic fingerprinting analysis）：不分离鉴定具体单）：不分离鉴定具体单一组分，而是对代谢物整体进行高通量的定性分析。一组分，而是对代谢物整体进行高通量的定性分析。代谢组学分为四个层次代谢组学分为四个层次.二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学的主要分析工具二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学的主要分析工具 NMR：是当前代谢组学研究中的主要技术。代谢组学中常用的：是当前代谢组学研究中的主要技术。代谢组学中常

21、用的NMR谱是氢谱是氢谱（谱（1H-NMR）、碳谱（）、碳谱（13C-NMR）及磷谱（）及磷谱（31P-NMR）；）； MS：按质荷比（：按质荷比（m/z）进行各种代谢物的定性或定量分析，可得到相应的代）进行各种代谢物的定性或定量分析，可得到相应的代谢产物谱；谢产物谱； 色谱色谱质谱联用技术：这种联用技术使样品的分离、定性、定量一次完成，质谱联用技术：这种联用技术使样品的分离、定性、定量一次完成，具有较高的灵敏度和选择性。目前常用的联用技术包括气相色谱具有较高的灵敏度和选择性。目前常用的联用技术包括气相色谱质谱（质谱（GC-MS）联用和液相色谱）联用和液相色谱质谱（质谱（LC-MS）联用。）联

22、用。代谢组的主要分析工具代谢组的主要分析工具.代谢组学研究的技术系统及手段代谢组学研究的技术系统及手段.三、代谢组学技术在生物医学领域具有广阔的应用前景三、代谢组学技术在生物医学领域具有广阔的应用前景可以提供疾病（如某些肿瘤、肝脏疾病、遗传性代谢病等）诊断、预后和治疗的可以提供疾病（如某些肿瘤、肝脏疾病、遗传性代谢病等）诊断、预后和治疗的评判标准，并有助于加深对疾病发生、发展机制了解；评判标准，并有助于加深对疾病发生、发展机制了解；可以快速检测毒物和药物在体内的代谢产物和对机体代谢的影响，有利于判定毒可以快速检测毒物和药物在体内的代谢产物和对机体代谢的影响，有利于判定毒物、药物的代谢规律，为深

23、入阐明毒物中毒机制和发展个体化用药提供理论依据；物、药物的代谢规律，为深入阐明毒物中毒机制和发展个体化用药提供理论依据；利用代谢组学技术对代谢网络中的酶功能进行有效的整体性分析，可以发现已知利用代谢组学技术对代谢网络中的酶功能进行有效的整体性分析，可以发现已知酶的新活性并发掘未知酶的功能；酶的新活性并发掘未知酶的功能；最后，由于代谢组学分析技术具有整体性、分辨率高等特点，可广泛应用于中药最后，由于代谢组学分析技术具有整体性、分辨率高等特点，可广泛应用于中药作用机制、复方配伍、毒性和安全性等方面的研究，为中药现代化提供技术支撑。作用机制、复方配伍、毒性和安全性等方面的研究，为中药现代化提供技术支

24、撑。.其他组学其他组学第五节第五节.（一）糖组学分为结构糖组学与功能糖组学两个分支（一）糖组学分为结构糖组学与功能糖组学两个分支（二）色谱分离（二）色谱分离/质谱鉴定和糖微阵列技术是糖组学研究的主要技术质谱鉴定和糖微阵列技术是糖组学研究的主要技术（三）糖组学与肿瘤的关系密切（三）糖组学与肿瘤的关系密切一、糖组学研究生命体聚糖多样性及其生物学功能一、糖组学研究生命体聚糖多样性及其生物学功能.（一）脂组学是代谢组学的一个分支（一）脂组学是代谢组学的一个分支（二）（二）脂组学研究的三大步骤脂组学研究的三大步骤分离、鉴定和数据库检索分离、鉴定和数据库检索1. 样品分离样品分离2. 脂质鉴定脂质鉴定3.

25、 数据库检索数据库检索（三）脂组学促进脂质生物标志物的发现和疾病诊断（三）脂组学促进脂质生物标志物的发现和疾病诊断二、脂组学揭示生命体脂质多样性及其代谢调控二、脂组学揭示生命体脂质多样性及其代谢调控.系统生物医学及其应用系统生物医学及其应用第六节第六节.一、系统生物医学是以整体性研究为特征的一种整合科学一、系统生物医学是以整体性研究为特征的一种整合科学系统生物学（系统生物学（systems biology）是系统性地研究一个生物系统中所有组是系统性地研究一个生物系统中所有组成成分（基因、成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成以及在特定条件下这些组分间、蛋白质等）的构成以及在特定条件下这些组分

26、间的相互关系，并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。的相互关系，并分析生物系统在一定时间内的动力学过程。系统生物医学（系统生物医学（systems biomedicine）应用系统生物学原理与方法研应用系统生物学原理与方法研究人体（包括动物和细胞模型）生命活动的本质、规律以及疾病发生发展究人体（包括动物和细胞模型）生命活动的本质、规律以及疾病发生发展机制，实际上就是系统生物学的医学应用研究。机制，实际上就是系统生物学的医学应用研究。.（一）系统生物医学强调机体组成要素和功能的全网络（一）系统生物医学强调机体组成要素和功能的全网络系统生物医学从全方位、多层次（分子、细胞器、细胞、组织、器官、系

27、统生物医学从全方位、多层次（分子、细胞器、细胞、组织、器官、个体个体/基因型、环境因子、种群、生态系统）和整体性研究的角度，揭示基因型、环境因子、种群、生态系统）和整体性研究的角度，揭示一个机体所有组成成分（基因、一个机体所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系及其效应。定条件下这些组分间的相互关系及其效应。.（二）（二）系统生物医学将极大地推动现代医学科学的发展系统生物医学将极大地推动现代医学科学的发展预测医学（预测医学（predictive medicine）预防医学（预防医学（preventive medicine）

28、个性化医学（个性化医学（personalized medicine）.二、分子医学是发展现代医学科学的重要基础二、分子医学是发展现代医学科学的重要基础分子医学（分子医学（molecular medicine）就是从分子水平阐述疾病状态下就是从分子水平阐述疾病状态下基因组的结构、功能及其表达调控规律，基因组的结构、功能及其表达调控规律， 并从中发展的现代高效预测、并从中发展的现代高效预测、预防、诊断和治疗手段。预防、诊断和治疗手段。.（一）疾病基因组学阐明发病的分子基础（一）疾病基因组学阐明发病的分子基础（二）药物基因组学揭示遗传变异对药物效能和毒性的影响（二）药物基因组学揭示遗传变异对药物效能和毒性的影响（三）疾病转录组学阐明疾病发生机制并推动新诊治方式的进步（三）疾病转录组学阐明疾病发生机制并推动新诊治方式的进步（四）疾病蛋白质组学发现和鉴别药物新靶点