分子生物学：第十二章 功能基因组学

1、第十二章 功能基因组学 关于基因组学的研究,越来越多地放在对系统和整体的功能把握上，而信息技术的支持，使高通量的研究成为可能。本章介绍了功能基因组学研究中对生物大分子和生物活性小分子分析的相关技术，以及功能基因组学的部分分支领域：药物基因组学、中药基因组学、疾病基因组学、化学基因组学和元基因组学的有关知识，还介绍了化学生物学与功能基因组学的关系。 第一节 功能基因组学的内涵 第二节 功能基因组学相关技术第三节 功能基因组学的分支领域 第四节 中药基因组学与中药化学组学 第一节 功能基因组学的内涵 功能基因组学（functional genomics）是以全面研究所有基因的功能为中心，并结合基因

2、功能解决生物医学中的基础和应用问题的学科。 后基因组学时代九大变化趋势, （1）由结构基因组学向功能基因组学转变；（2）由基因组学向蛋白质组学转变；（3）由以作图为基础的基因鉴定向以序列为基础的基因鉴定转变；（4）由单基因病研究向多基因病研究转变；（5）由对疾病的特异性诊断向疾病易感性监测转变；（6）由分析单个基因向分析基因家族、生化通路和系统中的多基因组合转变；（7）由研究基因的作用向研究基因作用的调控机制转变；（8）由研究疾病的病因（特异性突变）向研究疾病的病理发生（机制）转变；（9）由研究单一种属向研究多种种属转变。功能基因组研究内容包括 以模式生物体作为功能基因组学的工具 基因组的表达

3、调控研究 基因组多样性的研究 第二节 功能基因组学相关技术 2.1 基因打靶和基因敲除 基因打靶是指外源DNA分子与受体细胞染色体上的同源序列之间发生重组，并整合到预定位点，从而改变细胞遗传特性的方法。基因打靶技术能把外源基因引入到染色体DNA的特定片断上，除了基因敲除的效果外，还可对宿主细胞染色体的基因进行精细的改造，还可以进行基因敲入。 2.2基因表达谱系分析 表达谱差异分析，主要包括基因表达谱和蛋白质表达谱。 芯片（微阵列）技术是研究基因组织表达谱的利器。 2.3 基因芯片技术 基因芯片检测基因突变，主要应用于与肿瘤和遗传疾病相关的基因多态性。基因多态性研究虽属于结构基因组学的范畴，但与

4、功能基因组学密不可分。其重点是研究基因多态性与表型的关系。 2.4 蛋白互作功能鉴定技术 酵母双杂交系统 ，免疫共沉淀，表面等离子共振技术(SPR) ，酵母双杂交系统的工作原理 2.5细胞筛选技术 包括高通量细胞筛选技术和高内涵细胞表型筛选技术 2.5.1高通量细胞筛选技术 除了与细胞表型或形态学相关的检测指标外，细胞信号转导通路、糖代谢、能量产生和代谢产物分析等也是基因功能重要的研究内容。 2.5.2 高内涵细胞表型筛选技术 高内涵技术建立在自动高解析度光学/荧光显微图像获取技术（硬件）和后续的自动数字图像分析处理储存技术（软件）整合基础之上。这种技术主要是用于各种细胞表型的筛选，如增殖、凋

5、亡、分化、衰老、细胞周期、黏附等细胞表型的变化等。 2.6 细胞芯片技术 通过基因转染将候选基因导入细胞，或直接将基因表达产物加入细胞培养液中。然后筛选有相应变化的细胞。细胞芯片技术最初在2001年发明。将表达质粒、凝胶核转染试剂混合物，以点阵形式点样到经过包被的玻片上。再把细胞以铺片方法覆盖在点样的玻片上。细胞可以摄取并表达点在玻片上的质粒，结果一个质粒DNA点仅仅转染覆盖在它上面的细胞，使得被转染的细胞和DNA序列点阵以同样形式排列在玻片上。 用于单细胞检测和筛选的芯片 2.7 硅片基因克隆技术 不经过有化学药品的实验室工作，将网络中的数据资料进行整理、分析和拼接，得到新基因全长序列，并对

6、其推导蛋白的结构和功能作初步预测，是一种高效多产的基因克隆方法，又称硅片克隆。 硅片克隆的序列分析和基因定位 基因定位用电子PCR方法 2.8 功能基因组研究策略存在的问题 前提是细胞中mRNA的水平反映了蛋白质表达的水平，但事实并不完全如此，从DNA到mRNA再到蛋白质，至少存在三个层次的调控。组织中mRNA丰度与蛋白质丰度的相关性并不好，尤其对于低丰度蛋白质来说，相关性更差。蛋白质复杂的翻译后修饰、蛋白质的亚细胞定位或迁移、蛋白质蛋白质相互作用等，则几乎无法从mRNA水平来判断。 第三节 功能基因组学的分支领域 3.1 药物基因组学3.1.1 药物基因组学的定义药物基因组学（phamaco

7、genomics），是一门利用HGP对基因结构与功能研究的成就，来研究药物对基因结构和功能的影响,也即研究药物与基因组的相互作用及其作用规律的学科 (也有译为药理基因学)。它是功能基因组学与分子药理学的有机结合 。药物基因组学不是发现新的基因，不是探明疾病的发生机理，不是预见发病风险及诊断疾病，而是研究遗传因素对药物效应的影响，确定药物作用的靶点，即从表型到基因型的药物反应的个体多样性的研究。 3.1.2 基于基因型的个体化治疗 HGP测序研究结果表明，全人类各个个体之间有99.9%以上的基因碱基顺序是相同的，各个体之间的差别仅仅在于基因中这不足0.1%的序列上。药理基因组学就是要研究个体之间

8、在药物代谢和效应方面发生差别的遗传基础。 3.1.3 多态性与药效的关系 基因多态性及表达水平的多态性与药效的关系，可以有如下三类关系：（1） 基因多态性；（2） 表达水平多态性；（3） 基因多态性和微生物的抗药性。 3.2 疾病基因组学 3.2.1 疾病基因组学的定义 疾病基因组学（也叫医学基因组学）就是研究人类疾病在基因水平上的发病机制。 3.2.2 单核苷酸多态性与疾病基因组学 在反义序列和已公布的250万SNPs的基因组之间进行比较，这些SNP中可能仅仅一个部分证明与药物反应和疾病过程有关，由此可确定所有功能性重要变异。 与疾病有关的一定的SNPs并不一定预示着必然发病。 3.2.3

9、定位候选基因 由于人类基因很快地被精确定位于染色体的不同区域，因此一旦某个疾病位点被定位（通过正常基因序列和疾病基因序列对比就可确定），就可从局部序列图中挑选出结构与功能相关的基因，并对比加以分析，采用这种“定位候选基因”策略，就可在分子水平上找到治疗的准确方法。 疾病基因型与表型存在多因素致病、多基因调控、涉及多个层次、临床表形复杂等特征。 3.2.4 系统生物学思想 运用“序列结构功能”的生物学观点是疾病机制研究的基础。当前从“相互作用网络功能”的模式出发，在转录组和蛋白质组层次研究基因调控网络、蛋白质相互作用网络的丰富信息成为后基因组学、生物信息学的前沿和热点。功能基因组研究也开始朝复杂

10、系统的方向发展。这为复杂性疾病在大量已有数据资料的分析处理基础上，由局部朝向整体，由孤立朝向系统提供了可能。 3.3 比较基因组学 来自不同生物的同源基因的相似性，可以提供未知基因的功能信息。通过一种生物的基因组信息，有助于了解另一种生物的基因组。 3.4 元基因组学 3.4.1 元基因组学的定义 把多种微生物聚居在一起形成的系统叫做“微生物群落”，也称菌群。微生物生态群落中的所有微生物基因组的总和称为“元基因组”。 分析菌群中微生物基因组序列和功能, 可以发现大量新的基因。这个方法，就是元基因组学。 3.4.2 人类元基因组计划 人体内生活着大量的“亲密的陌生者”，它们的组成和活动与人的生长

11、发育、生老病死息息相关，是我们离不了的“另一半”。它们就是人体内的共生菌群。 人类元基因组是对生活在人体内微生物基因组的统称。 3.5化学基因组学 3.5.1 化学基因组学与化学蛋白质组学化学基因组学的研究，主要是在化学配基的合成、筛选和确认的精密技术快速发展的背景下产生的,整合了组合化学、基因组学、蛋白质组学、分子生物学、药物学等领域的相关技术,采用具有生物活性的化学小分子配体作为探针,研究与人类疾病密切相关的基因、蛋白质的生物功能,同时为新药开发提供具有高亲和性的药物先导化合物。3.5.2 靶点发现的意义 药物作用靶点的探测与验证，是新药发现阶段中的重点和难点，成为制约新药开发速度的瓶颈。

12、人类基因组计划初步完成后，人体中可以做为潜在药物作用的靶点，是人类过去100年中发现的靶点的20倍。大量潜在靶点的发现成为新药研究的突破口。3.5.3 组合化学 组合化学, 亦称同步多重合成化学，或组合合成化学, 是一种将化学合成、组合理论、计算机辅助设计和机械手结为一体的技术。药物化学家可在短时间内将购买的或自己合成的不同结构的基础模块, 通过化学合成或生物合成，以共价键系统地、反复地进行连接, 从而产生大批相关的化合物, 总称为化合物库。 合成的化合物库提供给药理学家进行药理筛选,试验它们的生物活性, 分离鉴定出活性化合物的结构,并且作为深入开发的目的物。如此就免除了单个化合物的单独合成及

13、结构测定, 大大简化了药物的发现过程。组合化学使短时间大量合成不同化合物成为可能。 3.5.4 化学基因组学的技术平台（一） 用于小分子测定的质谱技术 （二） 核磁共振技术 （三） 其他新技术如毛细管电泳技术、原子力显微镜技术、差式扫描量热技术等等。 3.5.5 化学基因组学药物发现模式 靶标的确认 高通量筛选 组合化学合成生物学功能测试等 3.5.6 化学基因组学的应用 化学基因组学是以小分子配基的合成为背景产生的。小分子配体由于分子体积小可以自由进入细胞内部，并与靶蛋白具有特异性的亲和作用，这些特点使得小分子配体广泛应用于与药物靶点相关的基因表达谱、蛋白质表达谱和基因相互作用的全功能分析等

14、。 3.5.7化学基因组学的发展前景 哈佛大学Schreiber教授提出的化学基因组学的“一个基因一个化合物（one gene one compound）”计划，即为每一个基因发现一个调控其功能的小分子化合物，用于功能基因组研究和药物开发。 化学基因组学的目的，是为基因组中的每一个生物大分子（主要是蛋白质）寻找一类特异性结合小分子化合物（天然产物或合成化合物），再用这些化合物为探针研究基因组的功能以及发现新的药物作用靶标、途径和网络 3.6 化学生物学 化学生物学是一门运用小分子化合物作为探针，研究基因组的功能、发现能够调控基因功能的活性化合物的科学 。3.6.1由化学生物学驱动的功能基因组/

15、化学基因组学研究 系统生物学是系统性地研究一个生物系统中所有组成成分(基因、mRNA、蛋白质、小分子代谢产物等)的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系。 3.6.2 由化学生物学驱动的细胞凋亡和信号传导通路功能基因组研究 美国Harvard大学袁钧瑛教授“化学生物学中的细胞水平筛选(Cell Based Screen in Chemical Biology)”的工作，发现可以选择性抑制内质网压力应急导致的细胞凋亡的小分子的作用机制，利用正向化学生物学的方式来研究细胞凋亡过程信号传导的机制，是新思路。 3.6.3 发展药物作用新靶标、通路和网络的化学生物学方法 用化学生物学方法发现和确证药

16、物作用新靶标的策略和方法，证明小分子化合物作为探针发现药物靶标具有优势。化学生物学方法，是计算化学与化学基因组学的整合。计算化学在功能基因组研究中具有应用价值，生物调控网络的计算模拟方法和策略也与计算化学相关。 3.6.4研究化学探针分子的设计、合成和生物转化 多维特征化学库的构建，具有必要性。化合物探针库结构多样性对于研究基因功能和发现新化合物实体十分重要。多维特征化合物库是化合物多样性的重要来源，必将在化学生物学及创新药物研究中发挥重要作用。 第四节 中药基因组学与中药化学组学 中药，指在中国的生物资源以及少量矿物资源基础上，经过长期实践，被证明有疾病治疗效果的天然药物，其中的生物材料，是

17、以组织水平甚至是个体水平出现的。各国都有类似的天然药物。 4.1 传统的中药药性理论体系 中药经历了几千年的实践，已证明是行之有效的疾病治疗物质，并形成了一套完整的药性理论体系，是祖国医学理论体系中的重要组成部分，是指导中医临床用药的重要依据。 一系列中药有效成分的发现及产业化开发，证明中药理论及疗效的确具有其物质基础。然而这些研究并没有给中药理论带来应有的繁荣，相反，甚至引起了中药学研究和应用危机。其原因是多方面的 。4.2 “中药基因组学”与“中药化学组学”的含义 “中药基因组学”的含义，是通过现代科学技术手段，结合传统中药理论和现代科学理论，将中药的药性、功能及主治，与其对特定疾病相关基因群表达和调控的影响关联起来，在分子水平上用现代基因组学，特别是功能或疾病基因组学的理论，来诠释传统中药理论及作用机理。 “中药化学组学”的含义，是通过现代技术手段结合传统中药理论和现代科学理论，阐明与中药药性、功能及主治有关的物质基础，即药效成分的组成、结构、含量、相互作用及性质等。 “中药基因组学与化学组学”的理论依据 (1)中药的有效性 (2)基因功能异常引起疾病 (3)药物有其相应的作用靶标 (4)中药有其作用的物质基础 4.3 研究的策略 研究策略是“翻译”，即采用现代技术手