生物化学及分子生物学人卫第九版-27组学与系统生物学省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

作者:杨生生焦炳华单位:海军军医大学第27章

组学与系统生物医学第1页第一节基因组学第二节转录组学第三节蛋白质组学第四节代谢组学第五节其它组学第六节系统生物医学及其应用第2页重点难点熟悉了解掌握基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等概念及其研究内容系统生物医学、分子医学、精准医学、转化医学等内涵糖组学、脂组学研究内容；系统生物医学在当代医学研究中应用第3页基因组学第一节第4页结构基因组学（structuralgenomics）比较基因组学（comparativegenomics）功效基因组学（functionalgenomics）基因组学是说明整个基因组结构、结构与功效关系以及基因之间相互作用科学第5页一、结构基因组学揭示基因组序列信息L.Yanetal.PNAS;100:6263-6268遗传图谱(geneticmap)物理图谱(physicalmap)序列图谱(sequencemap)第6页1.遗传作图就是绘制连锁图（一）经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识：限制性片段长度多态性-RFLP第二代多态性标识：可变数目串联重复序列-VNTR第三代多态性标识：单核苷酸多态性-SNP遗传作图（geneticmapping）:就是确定连锁遗传标志位点在一条染色体上排列次序及它们之间相对遗传距离，用厘摩尔根（centi-Morgan，cM）表示，当两个遗传标识之间重组值为1%时，图距即为1cM。

惯用遗传标志第7页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（physicalmapping）以物理尺度（bp或kb）标示遗传标志在染色体上实际位置和它们间距离，是在遗传作图基础上绘制更为详细基因组图谱。

惯用物理作图方法荧光原位杂交图（fluorescentinsituhybridizationmap，FISHmap）限制性酶切图（restrictionmap）连续克隆系图（clonecontigmap）第8页遗传图谱与物理图谱示意

遗传图谱标示了分子标志间相对距离，以cM标示物理图谱标示了分子标志间绝对距离，以kb表示第9页（二）经过EST文库绘制转录图谱转录图谱又称为cDNA图或表示图（expressionmap），是一个以表示序列标签（expressedsequencetag，EST）为标识，依据转录次序位置和距离绘制分子遗传图谱。

EST是指从cDNA文库中随机选取某一克隆进行测序所取得cDNA5'-或3'-末端序列，每个EST长度普通在300~500bp之间就能够包含已表示该基因信息。第10页基因图谱中序列标签位点（STS）和表示序列标签（EST）分布示意第11页（三）经过BAC克隆系和鸟枪法测序等构建序列图谱BAC文库构建与鸟枪法测序流程示意图第12页二、比较基因组学判别基因组相同性和差异性种间比较基因组学说明物种间基因组结构异同种内比较基因组学说明群体内基因组结构变异和多态性比较基因组学是在基因组序列基础上，经过与已知生物基因组比较，判别基因组相同性和差异性，首先可为说明物种进化关系提供依据，另首先可依据基因同源性预测相关基因功效。研究内容第13页三、功效基因组学系统探讨基因活动规律EJIFCC.;19(1):22–30.基因组表示基因组功效注释基因组表示调控网络及机制第14页四、ENCODE识他人类基因组全部功效元件NHGRI于年9月开启了DNA元件百科全书（ENCyclopediaOfDNAElements，ENCODE）计划；该计划意在解析人类基因组中全部功效性元件，内容包含编码基因、非编码基因、调控区域、染色体结构维持和调整染色体复制动力DNA元件等。/ENCODE/第15页（一）ENCODE是HGP延续与深入ENCODE研究内容与策略第16页（二）ENCODE已取得主要阶段性结果人类基因组大部分序列（80.4%）含有功效；人类基因组中有399,124个区域含有增强子样特征，70,292个区域含有开启子样特征；RNA产生和加工与开启子结合转录因子活性亲密相关；非编码功效元件富含与疾病相关SNP，大部分疾病表型与转录因子相关。第17页转录组学第二节第18页转录组（transcriptome）:指生命单元（通常是一个细胞）所能转录出来全部转录本，包含mRNA、rRNA、tRNA和其它非编码RNA总和。转录组学（transcriptomics）：是在整体水平上研究细胞编码基因（编码RNA和蛋白质）转录情况及转录调控规律科学。第19页一、转录物学全方面分析基因表示谱Leukemia.

;27(4):992-5大规模基因表示谱（expressionprofile）分析第20页二、转录组研究采取整体性分析技术微阵列（microarray）基因表示系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）大规模平行信号测序系统（massivelyparallelsignaturesequencing,MPSS）第21页微阵列技术基本步骤（一）微阵列是大规模基因组表示谱研究主要技术/10000533/dna-microarray-technology/第22页基因表示系列分析(SAGE)（二）SAGE在转录物水平研究细胞或组织基因表示模式/findings/index.html第23页大规模平行信号测序系统(MPSS)/probe/docs/techmpss/（三）MPSS是以序列测定为基础基因表示谱高通量分析新技术第24页（一）高通量转录组测序是取得基因表示调控信息基础（二）单细胞转录组有利于解析单个细胞行为分子基础三、转录组测序和单细胞转录组分析是转录组学关键任务第25页蛋白质组学第三节第26页蛋白质组（proteome）是指细胞、组织或机体在特定时间和空间上表示全部蛋白质。蛋白质组学（proteomics）以全部这些蛋白质为研究对象，分析细胞内动态改变蛋白质组成、表示水平与修饰状态，了解蛋白质之间相互作用与联络，并在整体水平上说明蛋白质调控活动规律，故又称为全景式蛋白质表示谱（globalproteinexpressionprofile）分析。第27页1.蛋白质种类和结构判定是蛋白质组研究基础（一）蛋白质判定是蛋白质组学基本任务2.翻译后修饰判定有利于蛋白质功效说明一、蛋白质组学研究细胞内全部蛋白质组成及其活动规律（二）蛋白质功效确定是蛋白质组学根本目标1.各种蛋白质均需要判定其基本功效特征2.蛋白质相互作用研究是认识蛋白质功效主要内容第28页二、二维电泳、液相分离和质谱是蛋白质组研究常规技术基于二维（双向）凝胶电泳（two-dimensionalgelelectrophoresis，2-DE）分离为关键研究路线；基于液相色谱（liquidchromatography，LC）分离为关键技术路线。蛋白质组研究主要有两条技术路线第29页（一）2-DE-MALDI-MS依据等电点和分子量分离判定蛋白质1．2-DE是分离蛋白质组有效方法2．MALDI-MS判定2-DE胶内蛋白质点第30页（二）LC-ESI-MS经过液相层析技术分离判定蛋白质1．层析分离肽混合物

从组织中提取目标蛋白质混合物首先进行选择性酶解，取得肽段混合物，然后进行二维液相分离。2．电喷雾串联质谱判定肽段

利用高电场使MS进样端毛细管柱流出液滴带电，带电液滴在电场中飞向与其所带电荷相反电势一侧。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离子，使被分析物得以判定。第31页代谢组学第四节第32页代谢组学（metabonomics）就是测定一个生物/细胞中全部小分子（Mr≤1000）组成，描绘其动态改变规律，建立系统代谢图谱，并确定这些改变与生物过程联络。第33页一、代谢组学任务是分析生物/细胞代谢产物全貌①代谢物靶标分析（metabolitetargetanalysis）：对某个或某几个特定组分进行分析；②代谢谱分析（metabolicprofilinganalysis）：对一系列预先设定目标代谢物进行定量分析。如某一类结构、性质相关化合物或某一代谢路径中全部代谢物或一组由多条代谢路径共享代谢物进行定量分析；③代谢组学：对某一生物或细胞全部代谢物进行定性和定量分析；④代谢指纹分析（metabolicfingerprintinganalysis）：不分离判定详细单一组分，而是对代谢物整体进行高通量定性分析。代谢组学分为四个层次第34页二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学主要分析工具①NMR：是当前代谢组学研究中主要技术。代谢组学中惯用NMR谱是氢谱（1H-NMR）、碳谱（13C-NMR）及磷谱（31P-NMR）；②MS：按质荷比（m/z）进行各种代谢物定性或定量分析，可得到对应代谢产物谱；③色谱—质谱联用技术：这种联用技术使样品分离、定性、定量一次完成，含有较高灵敏度和选择性。当前惯用联用技术包含气相色谱—质谱（GC-MS）联用和液相色谱—质谱（LC-MS）联用。代谢组主要分析工具第35页代谢组学研究技术系统及伎俩第36页三、代谢组学技术在生物医学领域含有辽阔应用前景能够提供疾病（如一些肿瘤、肝脏疾病、遗传性代谢病等）诊疗、预后和治疗评判标准，并有利于加深对疾病发生、发展机制了解；能够快速检测毒物和药品在体内代谢产物和对机体代谢影响，有利于判定毒物、药品代谢规律，为深入说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酶功效进行有效整体性分析，能够发觉已知酶新活性并发掘未知酶功效；最终，因为代谢组学分析技术含有整体性、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研究，为中药当代化提供技术支撑。第37页其它组学第五节第38页（一）糖组学分为结构糖组学与功效糖组学两个分支（二）色谱分离/质谱判定和糖微阵列技术是糖组学研究主要技术（三）糖组学与肿瘤关系亲密一、糖组学硕士命体聚糖多样性及其生物学功效第39页（一）脂组学是代谢组学一个分支（二）脂组学研究三大步骤——分离、判定和数据库检索

1.样品分离

2.脂质判定 3.数据库检索（三）脂组学促进脂质生物标志物发觉和疾病诊疗二、脂组学揭示生命体脂质多样性及其代谢调控第40页系统生物医学及其应用第六节第41页一、系统生物医学是以整体性研究为特征一个整合科学系统生物学（systemsbiology）是系统性地研究一个生物系统中全部组成成份（基因、mRNA、蛋白质等）组成以及在特定条件下这些组分间相互关系，并分析生物系统在一定时间内动力学过程。系统生物医学（systemsbiomedicine）应用系统生物学原理与方法研究人体（包含动物和细胞模型）生命活动本质、规律以及疾病发生发展机制，实际上就是系统生物学医学应用研究。第42页（一）系统生物医学强调机体组成要素和功效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、个体/基因型、环境因子、种群、生态系统）和整体性研究角度，揭示一个机体全部组成成份（基因、mRNA、蛋白质等）组成，以及在特定条件下这些组分间相互关系及其效应。第43页（二）系统生物医学将极大地推进当代医学科学发展预测医学（predictivemedicine）预防医学（preventivemedicine）个性化医学（personalizedmedicine）第44页二、分子医学是发展当代医学科学主要基础分子医学（molecularmedicine）就是从分子水平阐述疾病状态下基因组结构、功效及其表示调控规律，并从中发展当代高效预测、预防、诊疗和治疗伎俩。第45页（一）疾病基因组学说明发病分子基础（二）药品基因组学揭示遗传变异对药品效能和毒性影响（三）疾病转录组学说明疾病发生机制并推进新诊治方式进步（四）疾病蛋白质组学发觉和判别药品新靶点（五）医学代谢组学提供新小分子疾病标志物第46页三、精准医学是实现个体化医学主要伎俩精准医学（precisionmedicine）目标就是全方面推进个体基因组研究，依据个人基因组信息“量体裁衣”式制订最正确个性化治疗方案，以期到达疗效最大化和副作用最小化。短期目标——癌症治疗长久目标——健康管理第47页四、转化医学是加速基础研究实际应用主要路径转化医学（translationalme