毒理基因组学与系统毒理学

1、1第十章 毒理基因组学与系统毒理学(Toxicogenomics and Systems Toxicology)现代毒理学教育部重点实验室江苏省医药农药兽药安全性评价与研究中心 南京医科大学公共卫生学院卫生毒理系2掌握毒理基因组学概念掌握系统毒理学概念熟悉毒理基因组学的任务和目标熟悉毒理基因组学的研究内容和应用了解毒理基因组学的技术平台2【目的要求】3毒理基因组学、毒物基因组学概念 毒理基因组学的发展史毒理基因组学的任务和目标 毒理基因组学的技术平台毒理基因组学的研究内容和应用从毒理基因组学到系统毒理学3【内容】4第一节毒理基因组学概述5每个人类细胞含有23 对染色体 -1 - 22 and

2、XY or XXXY = 男性XX = 女性染色体总长32 亿碱基 (约2 米长)不同个体之间的基因组具有99.99% 相似性5基因组（Genome）6671986，冷泉港座谈会上建议启动人类基因组计划；2001，Nature (15 February)和Science (16 February)相继发表HGP的结果。60亿美元, 1000 多名科学家, 50 多个国家, 1990年-2000年，基本完成! 7目的对人类的23对染色体测序 (30亿碱基)识别其中包含的基因 (30 000 基因)识别各个基因在染色体的位点建立人类基因组数据库人类基因组计划（Human Genome Projec

3、t）8910基因组大小比较111112“The true payoff from the HGP will be the ability to better diagnose, treat, and prevent disease.” - Francis Collins, Director of the HGP and the National Human Genome Research Institute (NHGRI)12人类基因组计划研究的意义1313研究基因与环境相互作用对大约500个与环境疾病有潜在关系的基因进行重新测序环境基因组计划（Environmental Genome Pro

4、ject，EGP）1414吸烟 vs 肺癌15苯丙氨酸羟化酶-氧化物谷胱甘肽巯基转移酶（GST） + 谷胱甘肽无活性苯并a芘（Benzoapyrene）代谢GSTHOHOCYP450DNA反应16苯丙氨酸羟化酶-氧化物 谷胱甘肽巯基转移酶（GST） + 谷胱甘肽无活性 DNA 反应 苯并a芘 （Benzoapyrene）代谢GSTHOHOCYP450GSTM1缺失161717吸烟 vs 肺癌18遗传因素影响暴露、损伤以及生物效应疾病遗传变异：在代谢和分布过程中以及目的组织的剂量在识别和修复损伤过程中暴露 目的组织机体反应1819定义：研究生物体的整个基因组与环境有害因素间的交互作用的一门新兴学

5、科19化学因素（化学物、混合化学物）物理因素（电离与非电离辐射、噪声、异常气温等）生物因素（细菌、病毒）毒物基因组学：研究生物体的整个基因组与化学毒物间的交互作用的学科毒理基因组学（Toxicogenomics）研究内容：基因组水平的效应，基因的RNA表达（转录组学）、蛋白产物表达（蛋白质组学）、代谢谱改变（代谢组学）、遗传多态性以及生物信息学等20近期目标：确定某种有害因素的反应基因（信号基因），用于毒理学和相关疾病的研究远期目标：建立全基因组/蛋白质组毒性反应数据库，并在此基础上开辟以芯片技术和生物信息技术为特征的数字毒理学(Digitized toxicology)20基本任务：利用人类

6、基因组的资料，帮助筛选和鉴别潜在的环境遗传毒物，并在基因组水平上阐明毒作用发生的机制毒理基因组（Toxicogenomics）21传统的遗传毒性检测方法 ：研究一个化学物引起一个基因改变的具体步骤和细节，被称为“一个化学物，一个基因”的方法。 基因集群检测方法：可同时对多个化学物的多基因效应进行检测；提高异常损伤的检测水平；降低检测的阈值毒理基因组22国家毒理基因组学中心（National Center for Toxicogenomics, NCT）主要任务：促进基因和蛋白表达技术在毒理学中的应用；促进人类环境暴露和疾病易感性关系的研究；确定暴露和毒效应的生物标志物；推进暴露与生物学反应关系

7、的计算和处理方法；建立毒理基因组学的公用数据库。23第二节毒理基因组学研究的技术平台24一、基因组学/转录组学技术平台：微阵列分析二、蛋白质组学技术平台：质谱技术三、代谢组学技术平台四、生物信息学24大鼠肝细胞接触24小时的酒精，导致86个肝细胞的基因发生改变！短期接触DNA甲基化的化学物导致单个细胞中，2000个基因发生改变！传统的遗传毒性检测方法 ：研究一个化学物引起一个基因改变的具体步骤和细节，被称为“一个化学物，一个基因”的方法。 26高通量筛选系统（high throughput screening system）转录组学：微阵列分析（Microarray assay）蛋白组学：质谱

8、分析代谢组学：色谱-质谱联用技术27微阵列分析（Microarray assay）27基因的RNA表达（转录组学）在RNA水平的改变可同时检测不同样品间基因表达差异可同时检测成千上万个基因28质谱或质谱-质谱联用：可同时识别鉴定上百种蛋白质28蛋白组学29检测生物体液中小分子代谢产物29代谢组学30获取、处理、储存、分析和解释生物信息的一门学科，它综合运用数学、计算机科学和生物学的各种工具，以核酸、蛋白质等生物大分子数据库作为主要研究对象，对巨量生物学原始实验数据进行存储、管理、注释、加工，使之成为具有明确生物学意义的生物信息组成部分：生物学数据库、分析方法和应用软件30生物信息学31DNA序

9、列数据库：GenBank，EMBL，DDJB，ESTdb，OMIM ，GDB，GSDB等蛋白质一级结构数据库：SWISS-PROT，PIR，0WL，ISSD，MIPS等蛋白质二级结构数据库：PROSITE ，BLOCKS，PRINTS等蛋白质和其他生物大分子的三维结构数据库：PDB，NDB，CCSD等与蛋白质结构分类有关的数据库：SCOP，CATH，FSSP等将多个基本数据库整合在一起，并提供综合服务的为二次数据库：UniGene，TransFac，EPD，Prosite，Prints，Pfam， Blocks，Profiles，DSSP，PubMed等31（一）生物数据库321、序列比对是以

10、核酸和蛋白质序列为依据，比较2个或2个以上核酸或蛋白质在碱基(A，T，C，G)、氨基酸(20个氨基酸)水平上的相似性和不相似性32（二）生物信息学分析方法2、结构对比的基本问题是比较两个或两个以上蛋白质分子空间结构（二级结构和三级结构）的相似性或不相似性3、功能比对预测法：首先以蛋白质的序列为依据，预测蛋白质的物理性质，如分子量、等电点、亲水性和疏水性、跨膜区域、信号肽和蛋白定位等。然后进行蛋白质的功能预测。目前的功能预测主要侧重在序列同源性和功能区序列的保守性方面33GCG和Staden：用于核酸序列和蛋白质序列的分析Sequencher：用于大规模测序VectorNTI：用于快速克隆Alf

11、resco：用于比较基因组研究CINEMA：用于多序列比对的彩色序列编辑器，可通过因特网进行交互序列比对和编辑，并提供数据库接口33（三）应用软件34第三节毒理基因组学研究内容及其应用3535毒作用机制研究化学物毒性预测毒作用剂量-反应关系和时间-效应关系研究比较毒理学研究混合物联合毒作用研究危险度评定表型锚定信息整合36传统毒理学 vs 毒理基因组学传统毒理学检测组织病理临床生化代谢生理酶学电镜毒理基因组学检测基因表达:DNA芯片测序蛋白表达 :电泳Electrophoresis蛋白芯片质谱3637酒精功能和形态改变Northern BlotRT-PCR单个基因分析多个基因分析80个基因改变

12、一、毒作用机制研究3838二、化学物毒性预测选定已知毒物作为标准参照物选定参照物已知的靶基因作为阵列目标基因参照物靶基因的表达谱与受试物表达谱进行比较应用统计学分类方法发现两类毒物间基因表达模式的差异3939寻找“桥梁生物标志物”(Bridging biomarkers)90%基因的同源性三、比较毒理学研究比较种属差异实验结果外推到人选择与人类最接近的实验动物微阵列分析40人类接触的环境化学物多是以混合物的形式存在在机体内常呈现复杂的交互作用多个已知毒作用的化学物，阐明联合基因毒性未知毒作用的混合化学物，预测毒性已知单一化学物毒性，与混合物表达谱比较，判断联合毒性作用四、混合物联合毒作用研究4

13、141危害识别：明确外源化学物对机体损害作用的存在与否危害表征：定量评定接触剂量与损害程度关系暴露评定：确定人类实际接触量和接触情况危险度表征分析：在此接触情况下对人群危险度的估计 危险度评定的内容包括四个部分有无危害？多少可产生？实际情况？综合评定？ 利用基因芯片技术，可对生物样品中成千上万的基因对外源性有害因素的反应活性进行定量测定，阐明在不同接触时间和接触剂量下出现的基因毒作用五、危险度评定42遗传因素影响暴露、损伤以及生物效应疾病遗传变异：在代谢和分布过程中以及目的组织的剂量在检测和修复损伤过程中暴露 目的组织机体反应生物体的多态性是造成个体或种属敏感性差异的主要原因。在技术上，芯片技

14、术已使个体遗传多态性的检测和基因分型变得简单快捷43定义：将特定的基因图谱改变与特定剂量或时间的毒性损害表现相联系的过程43六、表型锚定（Phenotypic anchoring)4445表型锚定45碱性磷酸酶（ALT）天冬氨酸转移酶（AST）基因表达谱46对经某种暴露后一个个体（动物或人）由不同技术平台（基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等）获得的测定结果进行比较和分析，找出其联系和变化规律对不同个体甚至不同种属生物的实验结果进行分析处理，找出相同或差异之处对不同实验室的研究结果进行比对，获得能够重复的、可进入公共数据库的可信资料46七、信息整合（Information integra

15、tion)47第四节从毒理基因组学到系统毒理学484811+=211+2系统毒理学（Systems Toxicology)49定义：系统科学的一个分支。系统科学的核心思想，是整体大于部分之和，即存在联合作用或相互作用。系统特性是不同组成部分、不同层次间相互作用而“涌现”的新性质；对组成部分或低层次的单独分析并不能真正地预测高层次的行为系统毒理学（Systems Toxicology)5050毒性发展的第一阶段毒物终毒物靶分子蛋白质、脂质、核酸大分子复合物靶部位转运转化5151毒性发展的第二阶段结果：功能障碍结构破坏新抗原形成终毒物靶分子5252毒性发展的第三阶段靶分子作为效应的决定因素细胞调节

16、（信号）细胞稳态靶分子的作用效应基因表达的调节障碍瞬间细胞功能的调节障碍细胞稳态失调损害外部的维持不适当 细胞分裂-形成肿瘤，畸胎 凋亡-组织退化，形成畸胎 蛋白合成-如，过氧化物酶体增生如，不适当的神经肌肉活动 震颤，抽搐，痉挛，心律失常 昏迷状态，麻痹，感觉异常 损害 ATP合成 钙离子调节 蛋白合成 微管功能 膜功能细胞损伤/死亡损害整合系统功能 如，止血功能损害-出血 5353修复分子修复蛋白脂肪DNA细胞修复组织修复凋亡增生细胞细胞外间质毒性发展的第四阶段5454疾病暴露 目的组织机体反应“线性生物信息学”细胞对于环境刺激的反应是全方位的 生物体的网络和系统反映的是整体的生物信息不同

17、组成部分、不同层次间相互作用55./系统毒理学5556包括多种系统毒理学的全面信息，如基因组与蛋白质组的表达信息、化学物体内代谢信息、以及生物体对毒性的反应信息等CEBC建库分为4个阶段： 1. 收集基因组表达、毒理学和病理学实验资料，并对各种来源的资料进行注释，同时发展解读基因组和蛋白质组的生物信息学工具 2. 建立蛋白质组学和代谢组学数据库。 3. 综合各组学和SNP数据库，将其与已知的代谢和功能途径相联系 4. 开发综合性分析模型，产生新的知识和发展新的系统毒理学。数据库将随着毒理学、生物学和化学物信息的增加而不断更新56生物系统化学物效应知识库（Chemical effects in

18、biological systems knowledge base, CEBS)57 CEBS将包括从真菌到人类多种属的资料，因此有可能通过同源性比较，得到功能途径和作用网络的信息。使用者可以化学物名称、结构分类、毒作用或病理效应、基因组/蛋白质组表达、毒物代谢和毒性机制等检索词进行检索，从而大大加快毒理学研究的进程。另一方面，CEBS还可作为一个毒理学参考信息系统，对于未知化学物的基因或蛋白表达图谱，可通过与数据库相关信息比较而获得初步的毒性判断。生物系统化学物效应知识库58总结掌握毒理基因组学（Toxicogenomics）以及毒物基因组学概念掌握系统毒理学（Systems Toxicol

19、ogy）概念熟悉毒理基因组学的任务和目标熟悉毒理基因组学的研究内容和应用59总结5960第一节概述第十二章 转化毒理学（Translational Toxicology)61掌握转化毒理学概念熟悉转化毒理学的研究内容熟悉转化毒理学的研究方法61【目的要求】62转化医学转化毒理学转化毒理学的研究内容转化毒理学的研究方法62【内容】63转化医学（Translational Medicine)64转化医学(Translational medicine)，又称为转化研究(Translational research), 是连接基础学科与临床学科的桥梁，是从实验室到床边（Bench to bedside

20、）, 又从床边到实验室（Bedside to bench)的双向进程、循环式的研究体系6465652003年美国国立卫生研究院（NIH）Elias Zerhouni的文章 “The NIH Roadmap”在Science上发表，引起国际对转化医学的重视66Basic Scientific DiscoveryEarly TranslationLate TranslationDisseminationAdoptionPromising geneBasic epidemiological finding PartnershipsIntervention developmentPhase III t

21、rialsRegulatory approvalPartnershipsHealth services research to support dissemination and adoptionTo community providersTo patients and publicAdoption of advance by providers, patients, and publicPayment mechanisms to enable adoptionNational Cancer Institute转化医学的五个阶段67研发过程67FDA Review15,000 10,000 C

22、ompounds250 Compounds5 CompoundsDrug DiscoveryClinicalTrialsPost-MarketingPreclinicalPhase IIIn=1000-5000Phase IIn=100-500Phase In=20-100 1DiMasi JA, Hansen RW, Grabowski HG Journal of Health Economics2003, 22, 151-185 从文献报道或者专利到产品，14-44年，平均 24 年，8亿美金68转化毒理学（Translational toxicology） 定义：研究如何将毒理学的基础研究成果发展转化为能应用于环境与人群监测、环境相关疾病的早期诊断治疗和预防、安全性评价、危险度评定和危险性管理的理论、方法、技术、产品和防控措施的一门新兴的毒理学分支学科，是“组学”、计算生物学、遗传-表观遗传学等创新的时代产物。6869目的是在基础研究与实际应用之间建立更加直接的联系，即开展以实际应用为导向的基础研究，更加强调毒理学研究工作的实用性和社会性实质是理论与实际相结合转化毒理学70转化毒理学所指的是从基础研究到实际应用，强调的是基础研究和实际应用与社会需求之间紧密而双向的互动关系。一