营养生物化学与分子生物学 课件 第11-13章-食品合成生物学、-细胞信号转导、组学与食品

第十一章食品合成生物学概述合成生物学基本原理本章目录一二合成生物学基因线路与组装合成生物学与营养健康三四本章重难点掌握熟悉合成生物学的解耦与标准化；生物积块的标准化与定量；合成生物系统的逻辑结构。基因线路调控元件；基因调控开关；逻辑门基因线路类型。了解合成生物学与营养健康。第一节概述一、合成生物学的起源与发展二、合成生物学的定义与研究策略三、合成生物学的特点一、合成生物学的起源与发展1910年，法国物理化学家StephaneLeduc首次提出“合成生物学；1953年DNA双螺旋结构被发现以来，胰岛素一级结构的确定、蛋白质和寡聚DNA/RNA的人工合成等一系列生命科学研究的进步为生物分子结构与功能研究的新时代奠定了基础；1980年，“合成生物学”第一次被作为文章标题出现在学术期刊上；一、合成生物学的起源与发展20世纪90年代以后，人类基因组计划的实施、“组学”研究的兴起为生物体和生命运动提供了“蓝图”；生物信息学以及后来的系统生物学等学科的发展，为合成生物学的出现奠定了全面的生物学基础。2000年，EricKool重新定义了“合成生物学”，是基于系统生物学的遗传工程，标志着这一学科的出现。二、合成生物学的定义与研究策略

合成生物学是在现代分子生物学和系统科学以及合成科学基础上发展起来、融入工程学思想和策略的新兴交叉学科，通过将自然界存在的生物元件标准化、去耦合和模块化来设计新的生物系统或改造已有的生物系统。

学科交叉与融合是合成生物学打破传统技术的优点之一，很多技术通过合成生物学得以集成，突破了单一方法的局限，从而能解决更复杂的问题。第二节合成生物学基本原理一、合成生物学解析的思路二、生物积块的标准化及定量化三、合成生物学中的层级结构四、合成生物系统的逻辑结构一、合成生物学解析的思路生物系统的解耦生物系统的抽提生物系统的标准化二、生物积块的标准化及定量化1.生物积块标准化的优点：生物积块种类多，可供选择的余地大。克服了直接从自然生物中克隆基因所必须面对的异源表达问题。节省了时间，提高了效率。为使用者迅速找到理想的模块提供了便利。为生物模块的功能预测提供了参考、比较和优化的平台。iGEMRegistry提供的交流平台和文献资料，可以互相取长补短。二、生物积块的标准化及定量化2.生物积块的通用符号和功能描述iGEMRegistry对其中的每一个生物积块都有详细的注释,包括该片段的示意图、碱基顺序(不包括前缀和后缀)二、生物积块的标准化及定量化3.生物积块的通用符号和功能描述iGEMRegistry中生物积块的标准化体现在每一个DNA模块的结构上:除了本身的功能序列以外,它们都具有相同的前缀和后缀,每一个生物积块的前缀中都包括EcoRⅠ和XbaⅠ两个酶切位点,后缀中包括SpeI和PstI两个酶切位点。二、生物积块的标准化及定量化3.生物积块的定量机制PoPS(RNApolymerasepersecond,RNA聚合酶每秒)用于衡量基因的被转录水平,对于每个DNA拷贝来讲RNA聚合酶分子每秒通过DNA分子上某一点的数量即为PoPS。从某种意义上讲,PoPS类似于流经电线特定位置的电流流量。RIPS(ribosomalinitiationspersecond,RIPS)则是用于衡量mRNA的翻译水平,对于每一个mRNA来讲,是指核糖体分子每秒通过mRNA分子上某一点的数量三、合成生物学中的层级结构生物元件、生物装置、生物系统构成了合成生物系统的层级化结构三、合成生物学中的层级结构生物元件:启动子、蛋白质编码基因、终止子、报告基因、引物组件、标签组件、蛋白质发生组件、转换器等类别。生物装置:通过组合具有生物学功能的基本设计单元生物元件设计更复杂的生物装置。生物系统:生物系统是具有互连功能的可执行复杂任务的一组生物装置。简化的生物装置示意图四、合成生物系统的逻辑结构借鉴计算机逻辑结构中的前馈、反馈等,经过合理组合,连接成功能性基因线路,进而形成基因网络乃至生物系统。四、合成生物系统的逻辑结构（1）串联结构与并联结构四、合成生物系统的逻辑结构（2）单输入结构单输入结构示意图大肠杆菌精氨酸合成系统中单输入结构四、合成生物系统的逻辑结构（3）多输入结构多输入结构示意图多输入热敏传感器多输入连接单输入四、合成生物系统的逻辑结构（4）前馈结构：前馈控制的基本原理是测取进入过程的扰动量(包括外界扰动和设定值的变化),并按照其信号产生合适的控制作用去改变控制量,使被控制的变量维持在设定值上。前馈控制的特点是在干扰信号进入系统后分成干扰通路和补偿通路这两条不同途径影响最终变量。不一致前馈中的Z脉冲响应曲线

一致前馈中的Z脉冲响应曲线四、合成生物系统的逻辑结构（4）反馈结构：反馈是指系统的信号输出会反过来影响系统的输入,并进一步影响自身的一种控制机制。

反馈结构示意图左：四环素传感器与正反馈放大器耦合的示意图。

右：耦合放大器后对四环素检测效果的影响第三节合成生物学基因线路与组装一、基因线路的概述二、基因线路调控元件三、逻辑门基因线路类型四、基因线路调控开关一、基因线路的概述基因线路：细胞内的生物学部分被设计成模仿在电子电路中观察到的逻辑功能。二、基因线路调控元件启动子：是指位于结构基因5'-端上游，可被RNAP特异性识别和结合的一段特殊DNA序列。原核和真核生物启动子结构示意图二、基因线路调控元件2.终止子：是位于基因编码区下游，能够给予RNAP转录终止信号的特殊DNA序列。内在终止子的序列特征二、基因线路调控元件3.弱化子：是指原核生物操纵子中能显著减弱甚至终止转录作用的一段核苷酸序列，该区域位于操纵子的上游，能形成不同的二级结构，利用原核微生物转录与翻译的偶联机制对转录进行调节。色氨酸操纵子mRNA5’端的弱化子结构二、基因线路调控元件4.增强子：是指位于结构基因附近，能够明显增强该基因转录活性的一段DNA序列。增强子的作用机制二、基因线路调控元件5.阻遏子：是基于某种调节基因表达的一种调控蛋白质，在原核生物中具有抑制特定基因(群)产生特征蛋白质的作用，也称阻遏蛋白。色氨酸操纵子中阻遏子的工作原理二、基因线路调控元件6.绝缘子(insulator)：是在基因组内建立独立的转录活性结构域的边界DNA序列。二、基因线路调控元件7.核糖体结合位点：是mRNA上的起始密码子AUG上游的一段非翻译区，核糖体可以识别并结合这一序列来启动翻译过程。8.转录因子：是指可以结合到特定DNA序列进而调控遗传信息从DNA到mRNA的蛋白质。三、逻辑门基因路线类型合成生物学常见逻辑门线路及真值表合成生物学中逻辑门基因线路起源于数字电路中的逻辑运算,借鉴其控制理论和逻辑电路的设计规则来研究基因线路的逻辑关系与调控方法,即模拟各种逻辑关系和数字元件的遗传路线,复杂的生物学被抽象成{0,1}空间的映射关系,这有助于更好地深入认识网络自身的主要功能。三、逻辑门基因路线类型（1）“与”门基因线路

“与”门（ANDgate）是常见的逻辑门之一，其逻辑计算原则是只有输入信号全部同时为“真”时，才会输出“真”的信号。“与”门（ANDgate）基因线路示意图三、逻辑门基因路线类型（1）“与”门基因线路

带有记忆功能的“与”门基因线路示意图新插入的cI基因在系统处于开启状态时,表达的CI蛋白能够抑制启动子1,从而抑制lac和tet基因表达相应蛋白质,解除了LacI和TetR对启动子2的抑制作用。当IPTG或aTc输入不同时存在时,“与”门本应被关闭.但CI蛋白的存在会抑制启动子1,进而抑制Lacl和TetR蛋白的产生,启动子2得以继续表达,系统仍然会维持开启状态不变,荧光蛋白还是会在一定时间内持续存在。三、逻辑门基因路线类型（2）“或”门基因线路“或”门（ORgate）逻辑计算的原则是输入信号中，有一个为“真”，则输出为“真”。“或”门（ORgate）基因线路示意图三、逻辑门基因路线类型（3）“非”门基因线路“非”门（NOTgate）是数字逻辑中实现逻辑非的逻辑门，又称转换器、反向器（inverter）。“非”门（NOTgate）基因线路示意图三、逻辑门基因路线类型（4）“与非”门基因线路是一个用“与”门和“非”门组成“与非”门。“与非”门基因线路示意图三、逻辑门基因路线类型（5）“或非”门基因线路“或非”（NORgate）门是“或”门和“非”门的结合”。“或非”门基因线路示意图第四节合成生物学与营养健康一、微生物工程增强益生菌功能二、健康产品及药物开发三、食品检测四、健康监测一、微生物工程增强益生菌功能基于合成生物学的工程化益生菌在疾病治疗中具有广阔的应用前景。SyntheticCircuit使用合成基因电路动态控制细菌与周围环境的相互作用。CAP细菌表面荚膜多糖—天然胞外生物聚合物AdjustableTranslocation允许在一个肿瘤中的细菌的原位激活，而后可诱导的细菌可异位至远端未定植的肿瘤PreciselyControl精准控制，增强细菌的全身递送。延时符一、微生物工程增强益生菌功能二、健康产品及药物开发采用合成生物学技术路线研制药物。通过激活“神秘”途径来获得丰富的基因组资源，发现新化合物。三、食品检测在食品检测方面，利用合成生物学改造出的菌株能够有效检测和降解多种食品污染物，其中包括对农药残留和重金属的检测。农药分子特异性激活转录调节因子工作示意图四、健康监测活细胞生物传感器在检测临床标志性化合物方面具有多种优势，并且已被证明是有用的分析工具。检测葡萄糖的细菌传感器的结构和操作二本章小结合成生物学是在分子生物学、生物化学、基因工程、生物信息学等学科发展和成熟过程中形成的一门具有工程化特质的交叉学科。合成生物学通过对复杂生物过程的解耦、系统抽提以及标准化，形成标准化的生物积块和连接方法。通过生物元件、生物装置和生物系统三个层次的“自下而上”的方法设计并构建一个特定的生物系统。生物元件即分子生物学当中的启动子、核糖体结合位点、终止子、操纵子等具有特定功能的核酸序列。通过上述元件的组合设计，可以构建出具有新的功能的生物装置。合成生物学中基因线路的组装借鉴了控制理论和逻辑电路等学科的思想，此将复杂的生物学被抽象成{0,1}空间的映射关系，形成了合成生物学中的逻辑门线路。合成生物学的应用已经广泛扩展到食品相关行业，为生产新型食品资源、快速食品检测、营养健康检测等方面提供了新的解决方案。第12章细胞信号转导

TheCellularSignalTransduction营养生物化学与分子生物学主要内容第一节

细胞信号转导与细胞通信第二节

细胞信号转导系统的组成第三节

细胞信号转导的途径细胞内受体介导的信号传递G蛋白偶联受体介导的信号传递酶联受体介导的信号传递其它细胞表面受体介导的信号传递第四节

细胞信号转导的基本规律掌握细胞信号转导的分子机制。04.掌握细胞信号转导的途径。03.掌握细胞信号转导系统的构成。02.掌握细胞信号转导的概念。01.学习目标CONTENTS细胞通讯（cellcommunication）：细胞产生胞外信号与靶细胞表面的相应受体结合，引发受体构象改变而被激活，进而导致细胞内信号转导通路的建立，最终调解靶细胞的代谢、结构功能或基因表达，并表现为靶细胞整体的生物学效应。

细胞信号转导（cellsignaltransduction）：是指细胞通过胞膜或胞内受体感受信息分子的刺激，经细胞内信号转导系统转换，从而影响细胞生物学功能的过程。细胞信号通路（signalingpathway

）：指细胞接受外界信号，通过一整套特定的机制，将胞外信号转导为胞内信号，最终调节特定基因的表达，引起细胞的应答反应。

第一节细胞信号转导与细胞通信细胞通讯的类型和方式.化学信号通讯(chemicalsignaling)接触依赖性通讯（contact-dependentsignaling）间隙连接（gapjunction）胞间连丝（plasmodesma）第一节细胞信号转导与细胞通信化学信号通讯方式内分泌旁分泌化学突触自分泌第一节细胞信号转导与细胞通信信号转导影响细胞结构和功能信号转导

发育生长

凋亡

免疫代谢酶活性；细胞骨架；离子通透性；DNA合成的起始；基因表达激活或抑制第一节细胞信号转导与细胞通信一、几个基本概念信号分子受体第二信使分子开关第二节细胞信号转导系统的组成53（一）信号分子（配体）细胞的信息载体，能与靶细胞受体结合并传递信息。物理信号：声、光、电、温度化学信号：激素、局部介质、神经递质受体（receptor）：是一种能够识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子。多为糖蛋白，少数受体是糖脂及糖蛋白和糖脂组成的复合物。（二）受体分为细胞内受体和细胞表面受体。细胞内受体位于细胞质基质或核基质中，主要识别和结合小的脂溶性信号分子；细胞表面受体主要识别和结合亲水性信号分子，包括分泌型信号分子（如神经递质、多肽类激素、生长因子）或膜结合型信号分子（细胞表面抗原、细胞表面黏着分子等）。细胞内受体位于细胞质基质或核基质中；识别并结合小的脂溶性分子；通常是基因调控蛋白或酶，与信号分子结合后被激活。离子通道偶联受体G蛋白偶联受体酶联受体细胞表面受体（二）受体细胞表面受体转导胞外信号引发快反应和慢反应（二）受体（三）第二信使第一信使细胞外信号分子第二信使（secondmessenger）：有些细胞外的信号与细胞表面受体识别后，进入细胞内的信号转导途径时要通过小分子的信号分子在细胞内传递，这种在细胞内传递信号的非蛋白类小分子化学物就称为第二信使。（三）第二信使第二信使的两个基本特性①第一信使与其膜受体结合后最早在细胞膜内侧或胞质中出现的仅在细胞内部起作用的信号分子；②能启动或调节细胞内稍晚出现的信号应答。①小分子的第二信使可以快速地合成与降解；②由于它们产生容易，很快提升浓度，同时作用的靶蛋白多；

③第二信使分子小，扩散速度快，距离远，信号转导快；④与靶蛋白的亲和力低，容易解离，有利于快速终止信号转导。第二信使的的优越性（三）第二信使目前公认的第二信使：cAMP（环腺苷酸）、cGMP（环鸟甘酸）、Ca2+、

DAG（二酰甘油）、IP3（1,4,5-三磷酸肌醇）、

PIP3（3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇）等，可以作为外源信息在细胞内的信号转导分子，亦称为细胞内小分子信使。

分子开关（molecularswitch）：通过活化（开启）和失活（关闭）2种状态的转换来控制下游靶蛋白的活性的调控蛋白。（四）分子开关GTPase超家族蛋白激酶／蛋白磷酸酶Ca2+的结合或解离GTPase超家族GTPase超家族：三聚体GTP结合蛋白单体GTP结合蛋白

通过蛋白激酶使靶蛋白磷酸化，通过蛋白磷酸水解酶使靶蛋白去磷酸化，从而调节靶蛋白的活性。蛋白质磷酸化和去磷酸化Ca2+的结合或解离钙调蛋白（calmodulin，CaM）第二节细胞信号转导系统的组成二、信号蛋白的相互作用细胞信号转导系统包含细胞内多种行使不同功能的信号蛋白所组成的信号传递链。受体通过信号蛋白的相互作用而传递信号，涉及信号蛋白之间保障彼此精确联系的机制。细胞内信号蛋白的相互作用由蛋白质模式结合域特异性介导。这些模式结合域通常由40～120个氨基酸残基组成，一侧有较浅凹陷的球形结构域、不具酶活性、但能识别特定基序或蛋白质上特定修饰位点、它们与识别对象的亲和性较弱，因而有利于快速和反复进行精细的组合式网络调控。第二节细胞信号转导系统的组成细胞内信号蛋白之间的相互作用是靠蛋白质模式结合域所特异性介导的示意图具有SH2结构域的蛋白质具有相似的三维结构，每一成员可特异性结合围绕磷酸酪氨酸残基的氨基酸序列。IRS为胰岛素受体底物（一）细胞内信号蛋白复合物装配的三种不同策略：第二节细胞信号转导系统的组成（1）细胞表面受体和某些细胞内信号蛋白通过与大支架蛋白结合，预先形成细胞内信号复合物，当受体结合胞外信号被激活后，再依次激活细胞内信号蛋白并向下游传递；（2）依赖激活的细胞表面受体装配细胞内信号蛋白复合物，即表面受体结合胞外信号被激活后，受体胞内段多个氨基酸残基位点发生自磷酸化作用，从而为细胞内不同的信号蛋白提供锚定位点，形成短暂的信号转导复合物分别介导下游事件；（3）受体结合胞外信号被激活后，在邻近质膜上形成修饰的肌醇磷脂分子，从而募集具有pH结构域的信号蛋白，装配形成信号复合物（二）细胞内信号蛋白之间相互作用细胞表面受体介导的信号通路5个步骤：受体特异性识别并结合胞外信号分子，形成受体－配体复合物，导致受体激活受体构象改变，导致信号初级跨膜转导，靶细胞内产生第二信使或活化的信号蛋白胞内第二信使或胞内信号蛋白复合物装配，起始胞内信号放大的级联反应细胞应答反应受体脱敏或受体下调，终止或降低细胞反应第二节细胞信号转导系统的组成三、信号转导系统的特性第二节细胞信号转导系统的组成特异性放大效应反馈调节机制整合作用

由于受体分子在细胞上存在部位不同，其信号跨膜转导的方式也有所不同。细胞内受体的本质是激素激活的基因调控蛋白。在细胞内，受体与抑制性蛋白结合形成复合物，导致基因处于非活化状态，配体与受体结合后，导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，受体的DNA结合位点被激活。第三节细胞信号转导的途径一、细胞内受体介导的信号传递（一）细胞内核受体及其对基因表达的调节3个功能域C端激素结合结构域中部DNA或Hsp90结合结构域N端转录激活结构域激素－核受体复合物与激素反应元件（HRE）结合，诱导基因活化①快速的初级反应阶段②延迟的次级反应阶段第三节细胞信号转导的途径亲脂性小分子类固醇激素、视黄酸、维生素D和甲状腺素受体在细胞核内脂溶性气体分子NO受体具有鸟苷酸环化酶活性个别亲脂性小分子（如前列腺素）受体在细胞质膜上MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（一）细胞内核受体及其对基因表达的调节第三节细胞信号转导的途径（二）NO气体信号分子进入靶细胞直接与酶结合第三节细胞信号转导的途径“明星分子”——NONO为脂溶性气体，可快速扩散透过细胞膜，作用于临近靶细胞；血管内皮细胞和神经细胞是NO的生成细胞；NO的生成以精氨酸为底物由NO合成酶（NOS）催化，以NADPH为电子供体，生成NO和瓜氨酸；NO的效应酶是鸟苷酸环化酶。第三节细胞信号转导的途径NO在导致血管平滑肌舒张中的作用第三节细胞信号转导的途径

二、G蛋白偶联受体介导的信号转导第三节细胞信号转导的途径G蛋白受体效应物

G蛋白偶联受体（Gprotein-coupledreceptor,GPCR）是七次跨膜受体（serpentinereceptor）

二、G蛋白偶联受体介导的信号转导第三节细胞信号转导的途径（一）G蛋白偶联受体的结构与激活含有7个疏水肽段形成的跨膜α螺旋区和相似的三维结构，N端在细胞外侧，C端在胞质侧二、G蛋白偶联受体介导的信号转导第三节细胞信号转导的途径1.

G蛋白G蛋白是三聚体GTP结合调节蛋白的简称，位于质膜胞浆一侧。由Gα、Gβ、Gγ三个亚基组成，Gβ和Gγ亚基以异二聚体存在；Gα和Gβγ亚基通过共价结合的脂肪酸链尾结合在膜上；现已知人类基因组至少编码27种Gα亚基，5种Gβ亚基和13种Gγ亚基Gα亚基本身具有GTPase活性，是分子开关蛋白。二、G蛋白偶联受体介导的信号转导第三节细胞信号转导的途径792.

效应物（effector）：指直接产生效应的物质，它们是信号转导途径中的催化单位。A:离子通道B:腺苷酸环化酶C:磷脂酶C二、G蛋白偶联受体介导的信号转导3.G蛋白的激活二、G蛋白偶联受体介导的信号转导G

种类效应分子细胞内信使靶分子

sAC活化↑cAMP↑PKA活性↑

iAC活化↓cAMP↓PKA活性↓

qPLC活化↑Ca2+、IP3、DAG↑PKC活化↑

tcGMP-PDE活性↑cGMP↓Na+通道关闭哺乳动物细胞中的G

亚基种类及效应二、G蛋白偶联受体介导的信号转导（二）G蛋白偶联受体所介导的细胞信号通路G蛋白偶联受体主要有3类：激活离子通道激活或抑制腺苷酸环化酶(AC)，以cAMP为第二信使激活磷脂酶C(PLC)，以IP3和DAG作为双信使二、G蛋白偶联受体介导的信号转导不同G蛋白偶联受体可通过不同通路传递信号二、G蛋白偶联受体介导的信号转导1.激活离子通道的G蛋白偶联受体所介导的信号通路心肌细胞上M乙酰胆碱受体激活G蛋白开启K+通道Ach→M型Ach受体→Gi蛋白（GiαGβγ）→Gβγ→K+通道→K+外流→超极化→减缓心肌细胞的收缩频率二、G蛋白偶联受体介导的信号转导Gt蛋白偶联的光敏感受体的活化诱发cGMP门控阳离子通道的关闭光→视紫红质（感受弱光刺激）→Gt蛋白（传导素）（GtαGβγ）→Gtα→cGMP-PDE（磷酸二酯酶）抑制性γ亚基→cGMP-PDE（α/β）→破坏cGMP（水解）→cGMP门控阳离子通道关闭→膜瞬间超极化→视神经→脑二、G蛋白偶联受体介导的信号转导2.激活或抑制腺苷酸环化酶的G蛋白偶联受体受体：刺激性激素的受体(Rs)；抑制性激素的受体(Ri)G蛋白：刺激性G蛋白(Gs)；抑制性G蛋白(Gi)效应酶：腺苷酸环化酶（AC）第二信使二、G蛋白偶联受体介导的信号转导腺苷酸环化酶（AC）和环腺苷酸磷酸二酯酶腺苷酸环化酶（AC）：跨膜12次。在Mg2+或Mn2+存在下，催化ATP生成cAMP环腺苷酸磷酸二酯酶（PDE）：可降解cAMP生成5′-AMP，导致细胞内cAMP水平下降蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）PKA是含有2个调节亚基和2个催化亚基四聚体，每个R亚基上有2个cAMP结合位点cAMP与调节亚基结合，使调节亚基和催化亚基解离，释放出催化亚基，激活蛋白激酶AcAMP-蛋白激酶A途径涉及的反应链：配体→G蛋白耦联受体→G蛋白→腺苷酸环化酶→cAMP→依赖cAMP的蛋白激酶A→基因调控蛋白→基因转录二、G蛋白偶联受体介导的信号转导3.激活磷脂酶C、以IP3和DAG作为双信使G蛋白偶联受体介导的信号通路胞外信号分子与细胞表面G蛋白偶联受体结合，激活质膜上的磷脂酶C(PLC)，使质膜上的磷脂酰肌醇(PI)最终水解为三磷酸肌醇(IP3)和二酰甘油(DAG)两个第二信使，使胞外信号转换为胞内信号，两个第二信使分别以不同的方式引起细胞的应答反应。二、G蛋白偶联受体介导的信号转导胞外信息分子及其受体G蛋白及磷脂酶(PLC)甘油二酯(DAG)和蛋白激酶C(PKC)三磷酸肌醇(IP3)和IP3受体、Ca2+钙调蛋白(calmodulin,CaM）依赖CaM的蛋白激酶(CaMPK)3.1磷脂与Ca2+蛋白激酶通路的基本要素二、G蛋白偶联受体介导的信号转导IP3-Ca2+和DAG-PKC双信使信号通路配体→GPCR→Go/Gq蛋白（Goα/Gqα）→PLC

β→PIP2→（DAG）+IP3

→IP3R→

Ca2+

→PKC转位到质膜上→DAG激活PKC→调节代谢或基因转录胞外信号膜受体PLCPIP2IP3Ca2＋信号途径PKC信号途径DAG双信使途径的基本过程DAG和IP3

PLC激活后，可特异性催化质膜上的磷脂酰肌醇-4,5-双磷酸（PIP2水解产生两种第二信使，即甘油二酯（DAG）和1,4,5-三磷酸肌醇（IP3）。IP3与内质网和肌浆网上的IP3受体结合，IP3受体是Ca2+的通道、使进细胞内中钙库Ca2+释放。使Ca2+的浓度升高二、G蛋白偶联受体介导的信号转导DAG的主要功能：DAG结合在质膜上，可活化与质膜结合的PKC。PKC有2个功能区：亲水的催化活性中心和疏水的膜结合区。当细胞质基质中的PKC与Ca2+结合并转位到质膜内表面，才被DAG活化。PKC的功能：PKC是Ca2+和PS依赖性的Ser/Thr蛋白激酶，具有广泛的作用底物，参与众多生理过程，既涉及许多细胞“短期生理效应”如细胞分泌、肌肉收缩等，又涉及细胞增殖、分化等“长期生理效应”。在许多细胞中，PKC的活化可增强特殊基因的转录。3.2DAG-PKC信号通路二、G蛋白偶联受体介导的信号转导三、酶联受体介导的信号转导受体酪氨酸激酶受体丝氨酸/苏氨酸激酶受体酪氨酸磷酸酯酶受体鸟苷酸环化酶酪氨酸蛋白激酶联受体第三节细胞信号转导的途径（一）受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路RTK包括7个亚族绝大多数RTK是单体跨膜蛋白N端位于细胞外，是配体结合域，C端位于胞内，具有酪氨酸激酶结构域，并具有自磷酸化位点三、酶联受体介导的信号转导1.受体酪氨酸激酶激活在静息状态RTK活性很低，当受体二聚化后，激活受体的蛋白酪氨酸激酶活性，进而在二聚体内彼此交叉磷酸化激活的RTK内的磷酸酪氨酸残基可被含SH2结构域的胞内信号蛋白所识别，启动信号传导三、酶联受体介导的信号转导2.Ras蛋白Ras蛋白：由190个氨基酸残基组成的单体GTP结合蛋白，是一种GTPase开关蛋白

Ras蛋白GTP-GDP转换机制：鸟苷酸交换因子（GEF）使Ras蛋白活化（开启）；GTP酶促进蛋白（GAP）使Ras蛋白失活（关闭）。三、酶联受体介导的信号转导3.活化的RTK激活Ras蛋白生长因子受体结合蛋白GRB2，具有SH2结构域，可直接与活化受体特异性磷酸酪氨酸残基结合，GRB2还具有两个SH3结构域，能结合并激活另一种胞质蛋白Ras-GEF（Sos）Sos蛋白具有鸟苷酸交换因子活性，它与Ras结合导致构象改变，使非活性的Ras-GDP转换成有活性的Ras-GTP三、酶联受体介导的信号转导Ras-MAPK通路配体→RTK→Ras→Raf（MAPKKK）→MAPKK→MAPK→进入细胞核→其他激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化修饰，对基因表达产生多种效应三、酶联受体介导的信号转导（二）PI3K-PKB

（Akt）

信号通路PI3K（磷脂酰肌醇-3-激酶）：PI3K既具有磷脂酰肌醇激酶活性，又具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性。质膜上PI-3-P锚定位点：多种信号转导蛋白和许多蛋白激酶都是通过与质膜上PI-3-P锚定位点的结合而被激活的，进而介导多种下游信号通路。PKB（蛋白激酶B）：PKB是反转录病毒癌基因v-akt的编码产物（Akt），属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是重要的信号转导分子PKB的激活：PKB转位到质膜上仅部分活化，还需PKD1（也含有PH结构域）使其活性位点上的关键苏氨酸残基磷酸化和PKD2（mTOR）使其上丝氨酸磷酸化，这时PKB才完全活化。完全活化的PKB从质膜上解离，进入细胞质基质和细胞核，进而磷酸化多种相应的靶蛋白，产生影响细胞行为的广泛效应：诸如促进细胞存活、改变细胞代谢和致使细胞骨架重组等。三、酶联受体介导的信号转导二、PI3K-PKB信号通路PDK:磷酸肌醇依赖的蛋白激酶三、酶联受体介导的信号转导PI3K:磷脂酰肌醇-3-激酶四其他细胞表面受体介导的信号通路第三节细胞信号转导的途径

由细胞表面受体所介导的调控基因表达的信号通路，根据其反应机制和特征可以分为四类：（1）GPCR-cAMP-PKA和RTK-Ras-MAPK：通过活化受体导致胞质蛋白激酶活化，然后转位到核内并磷酸化特异的核内转录因子，进而调控基因转录；（2）TGF-β-Smad和JAK-STAT信号通路：通过配体与受体结合激活受体本身或耦联激酶的活性，然后直接或间接导致胞质内特殊转录因子的活化，进而影响核内基因的表达；（3）Wnt受体和Hedgehog受体介导的信号通路：通过配体与受体结合引发胞质内多蛋白复合物去装配，从而释放转录因子，然后转位到核内调控基因表达；（4）NF-xB和Notch两种信号通路：涉及到抑制物或受体本身的蛋白切割作用，从而释放活化的转录因子，转位入核调控基因表达。四其他细胞表面受体介导的信号通路第三节细胞信号转导的途径

上述四类信号通路其共同特点：一是所介导的细胞反应是长期反应(longertermresponses),结果是改变核内基因的转录；二是细胞外信号所诱导的长期反应影响多方面的细胞功能，包括细胞、细胞分化、细胞通讯，在影响发育方面起关键作用，并与许多人类疾病有关；三是信号转导过程是高度受控的，前三类信号调节通路往往是可逆的，而第四类通路却是不可逆的过程。

第四节细胞信号转导的基本规律（一）信号的传递和终止涉及许多双向反应（二）细胞信号在转导过程中被逐级放大（三）细胞信号转导通路既有通用性又有专一性（四）细胞信号转导复杂且具有多样性第四节细胞信号转导的基本规律一种细胞外信号分子可通过不同信号转导通路影响不同的细胞受体与信号转导通路有多样性组合一种信号转导分子不一定只参与一条通路的信号转导一条信号转导通路中的功能分子可影响和调节其他通路不同信号转导通路可参与调控相同的生物学效应本章小结细胞通讯和细胞信号转导是机体内一部分细胞发出信号，另一部分细胞接收信号并将其转变为细胞功能变化的过程。细胞信号转导的相关分子包括细胞外信号分子、受体、细胞内信号转导分子。信号的传递和终止、信号转导过程中的级联放大效应、信号转导途径的通用性非特异性、信号转导途径的复杂且多样性形成了细胞信号转导的基本规律。本章小结受体的基本类型包括细胞内受体和膜表面受体两大类。膜受体又有离子通透瘤受体、G蛋联受体和蛋白激酶偶联受体三个亚类。受体的功能是结合配体并将信号导入细胞。各种信号转导分子的特定组合及有序的相互作用，构成了不同的信号转导途程。信号转导分子通过引起下游分子的数量、分布或活性状态变化而传递信号。小分子信使以浓度和分布的迅速变化为主，蛋白质信号转导分子通过蛋白质的相互作用而传递信号。本章小结受体或细胞内信号转导分子的数量或结构改变，可导致信号转导途径的异常激活或失活，从而使细胞产生异常功能或失去正常功能，导致疾病的发生或影响疾病的进程。Thankyou!第十三章

组学与食品第一节DNA测序技术及其发展历程第二节基因组学第三节转录组学第四节蛋白质组学第五节基因转录概述掌握各代DNA测序技术的基本原理；了解基因组学、转录组学和蛋白质组学的研究内容；掌握基因组学、转录组学、蛋白质组学的主要研究技术；了解营养基因组学、代谢组学、宏基因组学、食物组学在营养学领域的研究内容；了解营养基因组学、代谢组学、宏基因组学、食物组学与个性化营养之间的关系。学习目标DNA测序技术（DNAsequencing）是指分析测定特定DNA片段的碱基序列，即腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）排列方式的技术。基因组研究疾病医疗临床诊断药物研发动植物育种一、DNA测序技术概述二、DNA测序技术的发展历程二、DNA测序技术的发展历程1.第一代测序技术Maxam-Gilbert化学裂解法——原理采用化学试剂特异性地直接降解5’-末端磷酸基被放射性标记的DNA分子，产生长序短不一的DNA分子，各组DNA分子混合物通过凝胶电泳进行分离，再通过放射自显影来检测末端标记的分子，从而读出目标DNA的碱基序列。1.第一代测序技术双脱氧链终止法（Sanger法）1977年，Sanger测定了第一个基因组序列——噬菌体X174，全长5375个碱基。2001年完成的首个人类基因组图谱就是以改进的Sanger法为测序基础获得的。二、DNA测序技术的发展历程1.第一代测序技术双脱氧链终止法（Sanger法）原理：

核酸模板

DNA聚合酶、引物和4种dNTP（其中一种用放射性P32标记）

四管反应体系中加入一定比例的4种ddNTP，ddNTP没有3′-OH，其在DNA的合成过程中无法形成磷酸二酯键。若链的末端掺入ddNTP，该链即停止延长；若链的末端掺入单dNTP，链即继续延长。

每管反应体系中合成以各自的双脱氧碱基为3′-端的长度不等的核酸片段

分4个泳道进行凝胶电泳

放射自显影

根据片段3′-端的双脱氧核苷依次阅读待合成片段的碱基序列

二、DNA测序技术的发展历程1.第一代测序技术荧光自动测序技术1985年，Smith等采用激光激发标记的荧光和CCD检测，比常规电泳测序速度高9倍，测序速度达8000bp/h以上。该技术基于Sanger原理，利用荧光标记代替同位素标记，并采用成像系统自动检测，大大提高了DNA测序的速度和准确；应用：如ABI3730XL测序仪拥有96道毛细管，4种ddNTP的碱基分别用不同的荧光标记，在通过毛细管时不同长度的DNA片段上的4种荧光基团被激光激发，发出不同颜色的荧光，被CCD检测系统识别，并直接翻译成DNA序列。二、DNA测序技术的发展历程1.第一代测序技术主要特点测序读长可达1000bp准确性高达99.999%存在问题测序成本高通量低其大规模应用受到严重影响二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术“人类基因组计划”（HGP）破译了人类全部遗传信息及所有基因在染色体上的位置人类基因组常染色体的大规模测序基因组时代真正开始NGS第二代测序技术出现二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术核心思想：边合成边测序能一次并行对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定最显著的特征是高通量测序成本降低测序速度提高高准确性二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术

Roche454测序主要特点：运用dNTP在DNA聚合反应时释放出PPi，而不是读取碱基本身反应体系：DNA聚合酶、ATP硫酸化酶、荧光素酶和三磷酸腺苷双磷酸酶、反应底物：腺苷酰硫酸（APS）、荧光素待测单链DNA分子与引物杂交后即与酶和底物共同孵育二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术

Roche454测序测序时加入四种dNTP中任一种，若与模板配对

整合至延伸的DNA链中并释放PPiATP促使荧光素酶作用于荧光素向氧化荧光素转化

可见光信号CCD检测得到峰值。峰高度与反应中掺入的核苷酸数目成正相关。ATP和未掺入的dNTP被三磷酸腺苷双磷酸酶降解，淬灭光信号，重返反应体系，通过循环依次逐个加入dNTP，读取信号峰值从而确定DNA序列。+APS二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术

Roche454测序核心技术微磁珠微芯片e-PCR二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术

IlluminaSolexa测序核心技术：DNA合成的可逆性末端循环，即3'-OH可逆性的修饰和去修饰基本原理：①将dNTP（dTTP、dCTP、dATP、dGTP）的3'-OH以叠氮基团RTG（ReversibleTerminatingGroup，可逆末端基团）进行修饰；

②在碱基的1’位与4种不同荧光分子之间插入一个可切割的连接头（CleavableLinker，CL)。DNA合成时，RTG起类似于ddNTP的作用使反应终止，合成反应终止并读取信号后，将3’的RTG洗脱，并切割CL使所有荧光消失，再进行下一循环。二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术

SOLiD测序SOLiD的双色编码探针二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术

SOLiD测序二、DNA测序技术的发展历程2.第二代测序技术

SOLiD测序二、DNA测序技术的发展历程3.第三代测序技术以单分子测序为主要特征的第三代测序技术逐渐兴起，如以Pacbio（平台为代表的单分子实时测序技术具有高通量、长读长的特点，可达几十到几百kb。但测序准确率在90%左右，成本较高。特点是测序的模板DNA分子无需扩增，不需要经历二代测序所依赖的PCR信号放大过程，真正做到实时读取单个荧光信号二、DNA测序技术的发展历程4.第四代测序技术纳米孔测序（Nanoporesequencing）技术是新一代单分子实时测序技术。其主要特点是根据单链DNA或RNA模板分子顺次通过纳米孔时引起的“电信号”变化推断碱基组成从而进行实时测序。高速度高通量低成本二、DNA测序技术的发展历程5.未来的测序技术新一代测序技术应以准确率、读长、速度和通量，以及运行稳定、综合成本等技术和经济参数作为衡量指标；将有以下几个特点：“单”“分”“合”单细胞测序基因组、转录组、外饰基因组等多组学测序合为一体集中化的超大规模、超高速度、超大通量的大型机和非集中化的微型机未来还会考虑结合质谱技术，将蛋白质组和代谢组整合进来二、DNA测序技术的发展历程第二节基因组学一、基因组和基因组学1.基因组细胞遗传学角度分子遗传学角度形式遗传学角度基因组是指一个生物体所有基因（遗传和功能单位）的总和基因组是指一个生物体或一个细胞器所有DNA分子的总和基因组是指一个生物体（单倍体）所有染色体的总和最重要的是，从现代生物信息学的角度，基因组是指一个生物体所有遗传信息的总和一、基因组和基因组学2.基因组学对所有基因进行基因组制图、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的科学，旨在应用DNA制图、测序及生物信息学技术，分析生命体全部基因组的结构及功能。研究内容结构基因组学（structuralgenomics）功能基因组学（functionalgenomics）建立生物的遗传图谱、物理图谱和转录图谱及其全序列测序为主研究基因的表达及其调控模式一、基因组和基因组学2.基因组学“-组（-ome）”“-组学（-omics）”基因组（genome）基因组学（genomics）转录组（transcriptome）转录组学（transcriptomics）蛋白质组（proteome）蛋白质组学（proteomics）代谢组（metablome）代谢组学（metablomics）调控组（regulatome）调控组学（regulatomics）表型组（phenome）表型组学（phenomics）甲基化组（methylome）甲基化组学（methylomics）组蛋白修饰组（histone-modifiome）组蛋白修饰组学（histone-modifiomics）RNA组（RNAome）RNA组学（RNAomics）非编码RNA组（non-coding

RNAome，ncRNAome）非编码RNA组学（non-coding

RNAomics，ncRNAomics）外饰基因组（epigenome）外饰基因组学（epigenomics）病原组（pathogenome）病原组学（pathogenomics）宏基因组（metagenome）宏基因组学（metagenomics）二、人类基因组计划（HGP）20世纪90年代初，美国正式启动HGP，在大约15年的时间里完成人类24条染色体的基因组图谱和DNA全长序列分析，并进行基因的鉴定和功能分析；HGP还完成了大肠杆菌、酿酒酵母、秀丽线虫、拟南芥、黑腹果蝇、河豚鱼和小鼠等七种“模式生物”基因组序列的测序、组装和注释。中国于1999年9月积极参与到这项研究计划中，承担了3号染色体短臂端粒一侧约3000万个碱基对的测序和分析任务，约占人类整个基因组测序和注释工作的1%。二、人类基因组计划（HGP）1.HGP的技术目标HGP的最终技术目标是构建人类基因组的DNA全序列图遗传图谱物理图谱转录图谱序列图谱构建人类基因组的四张图二、人类基因组计划（HGP）1.HGP的技术目标遗传图谱又称连锁图谱（linkagemap），是表示基因或DNA标记在染色体上的相对位置与遗传距离的图谱。遗传距离（geneticdistance）通常以基因或DNA标记在染色体交换过程中的重组频率（单位为cM）表示，cM值越大，两个位点之间距离越远。遗传图谱是人类遗传学研究多年积累的结晶，所开发的遗传标记（geneticmarker）可以作为相对位置更为准确的基因组“路标”。二、人类基因组计划（HGP）1.HGP的技术目标物理图谱物理图谱是指以STS（Sequence-TaggedSite，序列标签位点）为物理标记构建的基因组图谱。有两方面的重要含义：一是构建覆盖全基因组的以STS（在基因组中有确定位置，或大致定位的一小段已知序列的特异性单拷贝DNA片段，一般长度为100-300bp）为物理标记的基因组图谱，它反映的是基因组DNA序列两点之间（即两个STS的序列片段之间）的实际物理距离，一般以Mb或Kb为单位。二是在此基础上构建首尾重叠、覆盖整个基因组的“重叠克隆群（overlappedclonegroups）”骨架，这些克隆即是用于测序的材料。物理图谱既是以物理标记为“路标”的基因组图谱，所提供的DNA克隆又是基因组测序的实验材料。二、人类基因组计划（HGP）1.HGP的技术目标转录图谱转录图谱是所有编码基因及其他转录序列的转录本（一个基因完整的cDNA序列和不完整的表达序列标签）的总和。转录图谱可以看成是序列（基因）图谱的雏形，提供的编码序列对序列组装和基因注释是非常重要的。二、人类基因组计划（HGP）1.HGP的技术目标序列图谱序列图谱的目标是测定总长达3000Mb（3Gb）的人类基因组DNA的碱基序列。这是HGP的主要任务，也是最严峻的挑战。从某种意义上说，人类基因组序列图是以遗传标记、物理标记和转录本为“路标”和“骨架”的、核苷酸水平的物理图谱。二、人类基因组计划（HGP）2.HGP的技术路线定位克隆霰弹法结合“重叠克隆（clone-by-cloneshotgun）”和“霰弹法（shotgunsequencing）”的双重策略。将初步定位的克隆逐个用霰弹法进行测序的技术路线。由此得到的下机序列（reads）片段以“末端重叠”的序列为依据进行组装，以PCR技术补上细菌人工染色体（BacterialArtificialChromosome，BAC）“克隆内小洞（intraclonegaps)”，进一步组装成该BAC克隆的一致性序列（consensussequence）；再将所有相关克隆的一致性序列按末端重叠组装成一条contig（序列重叠群），再定位到物理图和遗传图上；最后，再用这些contig两侧序列设计的PCR引物在BAC文库中筛选新的克隆来补上“克隆间大洞（interclonegaps)”。二、人类基因组计划（HGP）2.HGP的技术路线定位克隆霰弹法优点：把遗传图、物理图和序列图紧密结合首先集中完成单个克隆的准确组装，可以将重复序列可能造成的错拼问题“化整为零，分而治之”；同时，缩小了人类双倍体基因组带来的多态性特别是高变异区对组装的影响；充分利用国际合作的优势，可将各个染色体或染色体区域的测序和组装的工作分配到各个实验室。缺点：费钱、费力、费时，且需要被测物种有很好的遗传学研究基础。三、基因组学技术功能基因组学功能基因组学研究核心是全基因表达和差异化基因表达网络或信号通路。功能基因组学技术不仅依靠DNA微阵列检测系统，还需全自动DNA测序、PCR技术、寡核苷酸合成和标记及生物信息学等工具的支持。研究角度包括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）原理：基于DNA碱基互补配对，将大量靶基因（或DNA片段）有序地、高密度地点在玻璃片、硅片或塑料片等载体上形成矩阵。待测样品用荧光染料标记制备成探针后与芯片杂交，杂交信号用激光扫描仪检测，计算机分析检测结果，可获得类似于传统点杂交的杂交数据，以达到快速、高效、高通量及平行性分析生物信息的目的。该技术可一次性检测多种样品，获得多种基因的差别表达图谱。与传统研究基因表达差异的方法相比，它具有微型化、快速、准确、灵敏度高，以及在同一芯片上同时大信息量平行检测的优势。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（1）基因芯片分类无机片基芯片：玻璃片、硅片等有机合成片基芯片：硝酸纤维素膜，尼龙膜等①按所用支持物cDNA芯片寡核苷酸芯片④按芯片上固定的DNA种类基因表达谱芯片②按用途DNA测序芯片诊断芯片合成后交联芯片原位合成芯片③按制备方法三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与探针的设计可根据研究目的按照常规分子生物学方法中的探针设计原则进行。设计能与靶分子特异结合的探针是决定基因芯片检测特异性的关键。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与最常用的支持物是玻片。常用的玻片预处理方法为采用多聚左旋赖氨酸或氨基硅烷包被的氨基化处理，以及醛基化处理等。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与主要包括点样法和原位合成法三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与第一步是把探针固定在玻璃表面；第二步是封闭玻片未点样的区域，防止杂交时与样品DNA非特异性结合。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与包括从组织、细胞中分离纯化核酸样品，以及对待测样品中的靶基因进行特异性扩增。扩增过程中，将偶联了荧光染料（Cy3、Cy5等）的核苷酸掺入到扩增产物中，对靶基因进行标记。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与先预杂交，再加入含靶基因的杂交液杂交，然后洗脱、干燥，以待检测。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（2）DNA微阵列技术操作流程①探针的设计与制备②支持物的预处理③芯片的制备④点样后处理⑤样品的准备⑥杂交反应⑦芯片信号的检测与样品中靶基因与固定在芯片上的探针发生特异性杂交而结合在芯片上的不同点，荧光素分子受特定波长的激发光照射出特定波长的荧光，通过特定的扫描仪获取杂交后的信号。三、基因组学技术功能基因组学1.DNA微阵列（DNAmicroarray）技术（基因芯片）（3）DNA微阵列技术应用已广泛应用于功能基因组学、系统生物学和药物基因组学研究；DNA芯片技术结合生物信息学手段已应用于营养基因组学研究，可以分析营养素和饮食中的生物活性成分与基因组之间的相互作用，有助于揭示营养物质如何影响基因表达，进而指导人们改善饮食结构和方式，为预防和治疗疾病（包括癌症）启发新的治疗策略。三、基因组学技术功能基因组学2.基因表达系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）技术以DNA序列测定为基础，定量分析全基因组表达模式，可以直接读出任何一种细胞类型或组织的基因表达信息，能同时对上千个转录物进行研究。该技术以转录子（cDNA）特定区域9-11bp的寡核苷酸序列为标签，特异性代表该转录子，然后通过连接酶将20-60个标签随机串联并克隆到载体中，建立SAGE文库。通过分析标签序列，可获得基因转录的分布及表达丰度情况，从而充分了解基因表达的全貌。三、基因组学技术功能基因组学2.基因表达系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）技术（1）SAGE实验流程①以biotinylatedoligo（dT）为引物反转录合成cDNA，以一种限制性内切酶（锚定酶）酶切，通过链霉抗生物素蛋白珠收集cDNA3'-端部分。对每一个mRNA只收集其polyA尾与最近的酶切位点之间的片段。②将cDNA等分为A和B两部分，分别连接接头A或接头B。每一种接头都含有标签酶（TE）酶切位点序列。接头的结构为引物A/B序列+标签酶识别位点+锚定酶识别位点。三、基因组学技术功能基因组学2.基因表达系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）技术（1）SAGE实验流程③用标签酶酶切产生连有接头的短cDNA片段（9-10碱基），混合并连接两个cDNA池的短cDNA片段，构成双标签后，以引物A和B扩增。④用锚定酶切割扩增产物，抽提双标签（Ditga）片段并克隆、测序。一般每一个克隆最少有10个标签序列，克隆的标签数处于10-50之间。⑤对标签数据进行处理。在所测序列的每个标签间以锚定酶序列间隔，锚定酶采用NiaIII限制性内切酶，则以CATG/GTAC序列确定标签的起始位置和方向。三、基因组学技术功能基因组学2.基因表达系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）技术（2）SAGE技术原理mRNA3'-末端部位存在可标识其特异性的标签，长度为9-14bp，检测标签可获得该mRNA的表达信息。标签通过串联的方法连接于克隆载体上，便于测序，同时根据同一标签重复次数，可计算其对应基因表达频率。主要依据：一个9-10碱基的短核苷酸序列标签包含足够的信息，能够唯一性确认一种转录物。例如，一个9碱基顺序能够分辨262144个不同的转录物，而人类基因组仅能编码80000种转录物，因此，理论上每一个9碱基标签能够代表一种转录物的特征序列。如果能将9碱基的标签集中于一个克隆中进行测序，并将得到的短序列核苷酸顺序以连续的数据形式输入计算机中进行处理，就能对数以千计的mRNA转录物进行分析。三、基因组学技术功能基因组学2.基因表达系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）技术（3）SAGE技术的优点和应用SAGE技术可应用于人类基因组研究；SAGE技术可用于定量比较不同状态下组织细胞的特异基因表达；由于SAGE技术能够同时最大限度地收集一种基因组的基因表达信息，因此，转录物的分析数据可用来构建染色体表达图谱，使基因表达与物理结构联系起来，更利于基因表达模式的研究。三、基因组学技术功能基因组学3.全基因组关联分析技术（Genomewideassociationstudy，GWAS）GWAS是指在人类全基因组范围内找出存在的序列变异，即单核苷酸多态性（SNP），从中筛选出与疾病相关的SNPs。GWAS是通过对大量分析样本建立病例-对照关系，并在全基因组水平上进行分析扫描，最终找出与某一特定表型（疾病）紧密相关的基因标记的技术。GWAS对于复杂的多基因疾病研究有很好的效果，还避免了像候选基因策略一样需要预先假设致病基因的局限。三、基因组学技术功能基因组学①基于芯片的GWAS：Affymetrix公司针对人类全基因组SNP检测推出多种检测芯片；Illumina激光共聚焦微珠芯片；罗氏NimbleGen根据人类基因组序列信息设计的2.1M超高密度比较基因组杂交（CGH）芯片②基于高通量测序的GWAS：在全基因组范围内，利用关联分析的原理和方法进行各种组学研究，不仅包括SNP，还包括插入、缺失、结构变异（包括CNV)、基因表达、表观遗传修饰等。3.全基因组关联分析技术（Genomewideassociationstudy，GWAS）（1）GWAS分类三、基因组学技术功能基因组学第1阶段，用覆盖全基因组范围的SNP进行病例对照关联分析，统计分析后筛选出与疾病显著关联的阳性SNP；第2阶段或随后多阶段中采用更大量的病例对照样本人群进行基因分型，然后结合两阶段或多阶段的结果进行分析。保证第1阶段筛选与疾病或者表型关联SNP的敏感性和特异性，尽量减少假阳性和假阴性的发生，并在第2阶段应用大样本人群，甚至在多种族人群中进行基因分型验证。3.全基因组关联分析技术（Genomewideassociationstudy，GWAS）（2）GWAS原理：主要采用两阶段或多阶段研究三、基因组学技术功能基因组学3.全基因组关联分析技术（Genomewideassociationstudy，GWAS）（2）GWAS原理：GWAS设计中的重要问题?确定研究对象的表型GWAS中应尽量选择遗传度较高的疾病或表型；进行GWAS研究时，应尽可能选择那些可定量反映疾病危险程度的指标。GWAS最主要的特点是应用覆盖人类全基因组的SNP进行研究。疾病的遗传度表示疾病或表型受遗传因素影响的程度，较低遗传度的表型会降低遗传学关联研究的检验效能。3.全基因组关联分析技术（Genomewideassociationstudy，GWAS）（3）GWAS实验流程①经过处理的DNA样品与高通量SNP分型芯片进行杂交；②扫描仪对芯片进行扫描，将每个样品所有的SNP分型信息以数字形式储存于计算机中；③对原始数据进行质控，检测分型样本和位点的得率（callrate)、病例对照的匹配程度、人群结构的分层情况等；④对经质控的数据进行关联分析；⑤根据关联分析结果，综合考虑基因功能多方面因素后，筛选出最有意义的SNP位点；⑥根据需要验证SNP的数量选择合适通量的基因分型技术，在独立样本中进行验证；⑦合并分析GWAS两阶段数据。三、基因组学技术功能基因组学四、基因组学应用的六个方面外显子和全外显子组测序—单基因性状与遗传病；全基因组测序—复杂性状与常见疾病；单细胞测序—基因组异质性；宏基因组测序—微生物及病原基因组；微（痕）量DNA测序—无创检测、法医鉴定和古DNA研究；“数据化”育种与生物条码第三节转录组学一、转录组学及其研究内容狭义转录组指生命单元（通常是一种细胞）中可直接参与翻译蛋白质的mRNA的总和；广义转录组指所有按基因信息单元转录和加工的RNA分子（包括编码和非编码RNA功能单元），或是一个特定细胞所有转录本的总和。转录组学是研究生物细胞中转录组的发生和变化规律的学科。一、转录组学及其研究内容RNA代表的基因种类鉴定基因表达量的量度与差异表达分析可变剪切、基因编码区单核苷酸多态性cSNP等基因功能注释、GO功能分类、代谢通路定位、相互作用网络等基因组、表观遗传组、蛋白组等二、转录组学研究技术转录组研究主要基于两种技术—杂交与测序各种表达芯片是基于杂交技术的转录组研究分析工具。随着测序技术的发展，基于测序的技术又可分为:基于一代Sanger测序的EST、SAGE、MPSS;基于二代测序的RNA-Seq;基于三代测序平台的全长转录组测序技术1.基于杂交的微阵列技术原理：把已知的所有或感兴趣的基因序列片段固定到固体介质上形成微阵列。提取特定状态样品的RNA反转录获得cDNA（用荧光标记）与微阵列杂交扫描微阵列根据荧光信号强度计算微阵列上对应位置基因的表达强度二、转录组学研究技术1.基于杂交的微阵列技术优势：可以将不同的cDNA样品杂交到同一个微阵列上，比较杂交信号谱，从而对两个或多个转录组之间的差异快速评估；劣势：只适用于检测已知基因，而无法捕获新基因；灵敏度有限，难以检测低丰度的mRNA，也无法捕获到mRNA表达水平的微小变化。二、转录组学研究技术2.基于Sanger测序的转录组研究技术

EST技术早期基于Sanger测序法应用于大规模转录组研究的各种技术（EST、SAGE、MPSS等）在转录组研究历史上曾发挥过重要作用。EST（expressedsequencetag，表达序列标签）实验技术路线简单分为以下几步：依赖电泳技术，难以提升实验速度和提高并行化程度，并且难以通过微型化降低测序成本。而且，受测序深度的影响，表达丰度低的基因很难被探测到。二、转录组学研究技术2.基于Sanger测序的转录组研究技术SAGE技术该方法虽然提高了测序深度，但文库构建步骤繁琐，干扰较多；同时，由于标签长度太短，对后续分析造成了很大难度，导致SAGE技术没有得到广泛的应用分离SAGE标签连接标签连接标签的序列定量标签并确定基因表