遗传信息传递的整体性 (讲课课件).ppt

,遗传信息传递的整体性,Integrationofexpressionandtransmissionofgeneticinformation,导论,基因组医学与组学研究个体化医学,生物学的三大基本理论细胞学说进化论基因论生命现象在细胞、分子水平上的统一分子生物学与中心法则,21世纪医学研究的发展趋势“组学”研究个体化医疗,本轮课涉及的基本内容,中心法则遗传信息传递的整体性各种“组学”研究及相关技术基因组研究药物基因组个体化医疗,再谈中心法则,中心法则遗传信息传递的整体性各种“组学”研究,中心法则：遗传信息的流向DNAcodesforRNAviatranscription,andRNAcodesforproteinsviatranslation,一个基因一条多肽RNA是传递基因信息的中间体蛋白质体现生物学功能基因表达调控可在不同水平上进行基因工程技术的理论基础,中心法则（centraldogma）揭示遗传信息的流向是生物学的基本法则,组学研究,基因组转录组蛋白质组代谢组药物基因组,基因组、转录组、蛋白质组、代谢组之间的关系Therelationshipbetweengenomics,transcriptomics,proteomics,andmetabolomics,基因组学研究是了解细胞生命活动的基础转录组学是研究基因信息的表达蛋白质组学是基因组功能的体现代谢组学是细胞生命活动的结果,个体化医疗,个体化治疗是指根据每个人的疾病基因组信息对已发生的疾病进行的诊断与治疗。医学本意在于个体治疗基因组的个体差异表观遗传学的不同基因表达的不同（生态与环境；生活习惯与方式）个体对药物的反应不同,个体化基因组医学时代到来,个体化治疗是指根据每个人的疾病基因组信息对已发生的疾病进行治疗。一个简单化了的个体化医学的理想是，在不远的将来，病人就医时随身带上一张智能卡，上面除了姓名、性别、年龄、生活史等常规资料外，还存储着与药物代谢以及与疗效有关的各种基因型资料。据此，医生可以预测各种药物的效应，并“量体裁衣”式地对病人合理用药。,药物基因组学实现个体化给药,药物治疗的效果因人而异研究表明：-以选择性环氧化酶-2抑制剂为代表的新型抗炎镇痛药的疗效仅为80-抗抑郁药的有效率为62-抗哮端药和抗心律失常药分别为60-抗糖尿病药为57-抗急性偏头痛药为52-预防偏头痛药为50-抗丙型肝炎病毒（HCV）药的有效率为47-抗尿失禁药为40-抗阿尔茨海默病药仅为30-而抗肿瘤药更低，仅为25各种药物不良反应的发生率也相差很大有的人仅仅接触极微量青霉素即发生过敏反应性休克，有的甚至死亡，而更多的人则无不良反应。,个体化医疗,“个体化医疗”的全球发展,著名咨询公司BBCResearch的研究报告指出：全球个体化医疗的技术市场（主要指发达国家）预计会从2009年的144亿美元增加到2014年的292亿美元，年增长率达到15.2%。其中，药物基因组学（Pharmacogenomics）是主要的利润来源，约占2009年整个个体化医疗市场份额的28.7%（41亿美元），并且会以18%的年增长率在2014年达到95亿美元。即时检测市场（point-of-caremarket）是第二大市场，2009年约有27亿份额，预计将会以18%的年增长率在2014年达到51亿美元。,“个体化医疗”的发展方向与实施准则P4Medicine,LeroyHood教授，在个体化医疗概念的基础之上进一步提出了P4医疗的理念，即医疗在未来将具备以下四大特征:预测性，预防性，个性化，和参与性。P4Medicine:predictive,preventative,personalizedandparticipatory预测性：基于个人特异性DNA序列与蛋白水平上的健康预测。预防性：在疾病未发病时，即对个人有可能获得的疾病进行预防性治疗，阻止疾病的发生或最大限度的降低疾病造成的损害。个性化：根据每个人独特的基因组对疾病进行有针对性的治疗，对预测、预防进行补充。参与性：患者积极参与治疗的全过程，与医生一起制定治疗方案。,第一节基因组学Genomics,一、基因组:一种生物拥有的所有遗传信息的总合,是一个细胞（或病毒）所承载的全部遗传信息，它代表了一种生物所具有的全部遗传信息。真核生物基因组：指一套完整单倍体DNA（染色体DNA）及线粒体或叶绿体DNA的全部序列。既有编码序列，也有大量存在的非编码序列。细菌基因组：包含了拟核和质粒中的DNA序列。病毒基因组：有的为DNA（DNA病毒），有的则为RNA（RNA病毒）。,*基因组（genome）,二、基因组学包括结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学,1.基因组学（genomics）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。,2.研究内容,结构基因组学（structuralgenomics）:遗传图谱、物理图谱、序列图谱、转录图谱、大规模DNA测序,功能基因组学（functionalgenomics）:分析鉴定基因组功能,比较基因组学（comparativegenomics）：基因组之间比较鉴定，研究生物进化，预测新基因,三、结构基因组学的主要任务：基因组作图、大规模测序,通过基因作图、构建连续克隆系及大规模测序等方法，结合主要模式生物已知基因组DNA序列，辅以生物信息学和计算生物学技术，解密人类基因组DNA序列和结构。,人类基因组计划（HumanGenomeProjectHGP）：,1遗传作图2物理作图,（一）遗传作图和物理作图：是绘制人类基因组草图的重要策略,染色体DNA很长，不能直接进行测序，必须先将基因组DNA进行分解、标记，使之成为可操作的较小结构区域，这一过程称为作图。,遗传作图（geneticmapping）就是确定连锁的遗传标志位点在一条染色体上的排列顺序及它们之间的相对遗传距离。用厘摩尔根（centi-Morgan，cM）表示，当两个遗传标记之间的重组值为1%时，图距即为1cM。,1遗传作图：就是绘制连锁图,遗传图(geneticmap)又称连锁图(linkagemap)。,DNA标记,限制性片段长度多态性（restrictionfragmentlengthpolymorphism，RFLP）可变数目串联重复序列（variablenumberoftandemrepeat，VNTR）单核苷酸多态性（singlenucleotidepolymorphism,SNP）,限制性片段长度多态性（RFLP）利用特定的限制性内切酶识别并切割基因组DNA，得到大小不等的DNA片段，所产生的DNA数目和各个片段的长度反映了DNA分子上不同酶切位点的分布情况。,可变数目串联重复序列（VNTR）又称微卫星DNA（minisatelliteDNA），是一种重复DNA短序列。VNTR基本原理与RFLP大致相同，通过限制性内切酶的酶切和DNA探针杂交，可一次性检测到众多微卫星位点，得到个体特异性的DNA指纹图谱。,单核苷酸多态性（SNP）SNP不以“长度”的差异作为检测手段，而是直接以序列的变异作为标记。SNP是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所造成的DNA序列多态性。SNP是人类可遗传的变异中最常见的一种，也是基因组中最为稳定的变异。SNP最大限度地代表了不同个体之间的遗传差异，因而成为研究多基因疾病、药物遗传学及人类进化的重要遗传标记。,物理作图（physicalmapping）是在遗传作图基础上制作的更详细的人类基因组图谱。包括：荧光原位杂交图（FISHmap）限制性酶切图（restrictionmap）连续克隆系图（clonecontigmap）,2物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图,荧光原位杂交图（fluorescentinsituhybridizationmap，FISHmap）将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在的位置。限制性酶切图（restrictionmap）将限制性酶切位点标定在DNA分子的相对位置。,连续克隆系图（clonecontigmap）采用酶切位点稀有的限制性内切酶或高频超声破碎技术将DNA分解成大片段后，再通过构建酵母人工染色体（yeastartificialchromosome，YAC）或细菌人工染色体（bacterialartificialchromosome，BAC）获取含已知基因组序列标签位点（sequencetaggedsite，STS）的DNA大片段。,STS（sequencetaggedsite，基因组序列标签位点）是指染色体定位明确，并且可用PCR扩增的单拷贝序列，每隔100kb距离就有一个标志。在STS基础上构建能够覆盖每条染色体的大片段DNA连续克隆系就可绘制精细物理图谱，为大规模DNA测序做好了准备。,（二）通过BAC克隆系、鸟枪法等完成大规模DNA测序,1BAC克隆系的构建是大规模DNA测序的基础YAC载体装载量偏大（12Mb），自身稳定性不够。BAC具有插入片段较大（几kb350kb）、嵌合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。,2鸟枪法是大规模DNA测序的重要方法,全基因组鸟枪法测序（shotgunsequencing）直接将整个基因组打成不同大小的DNA片段，构建BAC文库，然后对文库进行随机测序，最后运用生物信息学方法将测序片段拼接成全基因组序列。,鸟枪法DNA测序的主要步骤,建立高度随机、插入片段大小为1.6kb到4kb左右的基因组文库高效、大规模的克隆双向测序序列组装（sequenceassembly）产生一定数量的重叠群（contig）缺口填补,鸟枪法（shotgun）测序的的原理与策略,美国基因学家克雷格文特尔,3高通量测序技术大大加快了基因组DNA测序的进行,高通量测序（high-throughputsequencing）技术：不仅具备毛细管电泳测序不具备的优点，还能进行“平行/多点”、“单分子”和“混合”序列分析。这种高通量测序一次实验可以读取几十万到几百万DNA片段的序列，极大加速了基因组测序。目前，Roche454GSFLXTitanium每次运行能产生100万条序列，平均读长能达到400nt，且第400个碱基的准确率能达到99%。一次运行所需时间为10小时，能获得4-6亿个碱基的序列信息。,（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段,数据库的建设（汇集了大量DNA序列、蛋白质信息）预测基因、基因产物的结构、功能；分析基因-基因、基因-产物、产物-产物之间的相互作用或联系；描述细胞或整体水平的基因表达谱；推测系统发生关系。主要的生物信息中心美国国家生物技术信息中心（NCBI，）欧洲生物信息研究所（EBI，http:/ebi.ac.uk）日本DNA数据库（DDBJ，http:/www.ddbj.nig.ac.jp）GenBank（/Genbank）,四、功能基因组学系统探讨基因的活动规律,功能基因组学：从整体水平上研究一种组织或细胞在同一时间或同一条件下所表达基因的种类、数量、功能及在基因组中的定位。或同一细胞在不同状态下基因表达的差异。主要研究内容包括基因组的表达基因组功能注释基因组表达调控网络及机制,（一）通过全基因组扫描鉴定DNA序列中的基因,对测得的基因组序列进行“注释”，包括鉴定和描述推测的编码序列、非编码序列及其功能。技术支持：人类基因组DNA序列数据库；高性能计算机。改进的十进制计算机进行全基因组扫描，鉴定内含子与外显子之间的衔接，寻找全长ORFs，确定多肽链编码序列。,同源基因：在进化过程来自共同的祖先的基因，通过核苷酸或氨基酸序列的同源性比较，可以推测基因组内相似基因的功能。有效工具：NCBI的序列局部相似性查询（BasicLocalAlignmentSearch，BLAST）程序。操作流程：GenBank中查找基因序列访问号码（accessionnumber），在BLAST界面上输入2条或多条访问号码，就可实现两两或多对序列的比对。,（二）通过BLAST等程序搜索同源基因,（三）通过实验设计验证基因功能,转基因（transgene）基因过表达（overexpression）基因敲除（knock-out）基因敲减（knock-down）或基因沉默（genesilencing）合适的模式生物替代人体进行实验,（四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式,基因表达：RNA的转录和蛋白质的翻译基因的表达模式及调控描述：借助转录组学和蛋白质组学相关技术与方法,HGP,人类基因组计划HGP,是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。,人类基因组计划,RenatoDulbecco,PortraitofRenatoDulbecco(born1914),theItalianvirologistwhoshowedhowcertainvirusescantransformnormalcellsintocancerousones.Thesecancerouscellsdividecontinuouslybecausetheirgeneticmaterialhasincorporatedsomeofthevirusgenes.Thegenesaffected,oncogenes,produceproteingrowthfactorswhichstimulatethegrowthanddivisionofcancerouscells.Forthiswork,Dulbeccosharedthe1975NobelPrizeforPhysiologyorMedicinewithBaltimoreandTemin,hisformerstudents.DulbeccohadworkedfortheResistanceduringWorldWarII,beforeemigratingtoAmericain1947.,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1975fortheirdiscoveriesconcerningtheinteractionbetweentumourvirusesandthegeneticmaterialofthecell,DavidBaltimoreRenatoDulbeccoHowardMartinTemin,DrCraigVenter,DrCraigVenter,presidentofCeleraGenomics.CeleraGenomics,basedintheUSA,isarivaloftheHumanGenomeProject.BothprojectsaimtofindtheDNAsequenceofallhumangenes.TheypublishedworkingdraftsofthesequenceinFebruary2001.VenterisusingarapidmethodthatfragmentstheDNAandsequencesthefragmentsusingsupercomputers.Thisisacruderbutfastermethodthanthatusedbythepublicly-fundedHumanGenomeProject.Thecompletehumangenomemapwillallowforimproveddrugdesignandgreaterunderstandingofgeneticdiseases.PhotographedattheGENOME2000conference,Paris,France.,ENCODE计划,ENCODE项目概况,人类基因组计划完成了30亿个碱基对的测序工作，但是没有告诉我们如此庞大的序列如何工作。ENCODE在此基础上为我们揭示了基因的功能原理可以帮助研究人员更深入地理解人类基因组中的染色体、基因、功能元件和单个核苷酸。,找出人类基因组中所有功能元件，力图发现已获知的基因数据对于人类的意义,DNA元件百科全书EncyclopediaofDNAElementsENCODE计划,人类基因组30亿个“字母”中，编码蛋白质的区域只略多于1%，其余部分有何功能？它们一度被认为是“垃圾DNA”，但由400多名世界各国科学家参与的ENCODE计划发现，这些所谓的“垃圾DNA”中深藏着丰富的宝藏。该计划已经发现了成千上万个调控区域，这些成果正谱写着人类基因组的DNA元件百科全书，这将改变科学家对进化、遗传以及疾病的理解。,ENCODE：挖掘基因功能,从序列到功能ENCODE超越一级结构,全基因组测序个体化医疗的方向,全基因检测,个体化基因组医学,对个体的了解个体基因组个体基因表达个体蛋白质组个体对药物的反应,面临的问题测序技术经济负担社会认同,个人基因测序离我们有多远,小插曲,DNA里的肖像,DNA分析能够帮助警方画出嫌犯的肖像吗？这次分析由丹麦科学家领导，不但标志着第一个古代人类基因组测序完成，也让我们看到，现代侦探技术仅从疑犯的基因编码中就可以识别出大量信息。,用基因组勾勒出古代女孩,一个国际研究团队用来自丹尼索瓦洞穴的一块小指骨，还原出一个古人类小女孩完整的基因组。研究者可以将这个古代基因组的信息细化到与现代人类基因组一样的精确度，比如知道这个女孩有着棕色的眼睛，头发和皮肤。,用DNA寻找嫌疑人,1985年，英国遗传学家Jeffeys等人用TR的核心序列为探针进行RFLP分析时，检测到许多HVR，并产生相应的图谱，所得图谱具有高度的个体特异性，达到了如同人类指纹那样的高度专一性，所以称其为DNA指纹图谱（DNAfingerprinting）。,AlecJohnJeffreysOxford,UnitedKingdom,目录,AlecJohnJeffreys,DNA指纹用于罪犯识别,第二节转录组学Transcriptomics,一、转录组学研究全部RNA的表达及功能,转录组（transcriptome）指生命单元（通常是一种细胞）所能转录出来的所有RNA包括指导蛋白质翻译的mRNA和非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA)的总和。RNA功能基因组学，又称RNA组学（RNomics）：是分析、鉴定非信使小RNA（smallnon-messengerRNA,snmRNA）在特定状态下表达差异、功能及其与蛋白质的相互作用。,转录组学（transcriptomics）是在整体水平上研究细胞编码基因转录情况及转录调控规律的科学。转录组的特点受到内外多种因素的调节，因而是动态可变的。能够揭示不同物种、不同个体、不同细胞、不同发育阶段及不同生理病理状态下的基因差异表达信息。,二、转录组学的核心工作是分析基因表达谱,大规模表达谱或全景式表达谱（globalexpressionprofile）：是生物体（组织、细胞）在某一状态下基因表达的整体状况。基因功能的研究方法：基因的差异表达方法；基因表达谱芯片（cDNA芯片、EST芯片等）。,（一）采用cDNA芯片可实现大规模已知（序列）基因表达谱分析,（二）SAGE和MPSS分析可鉴定未知/新基因表达信息,基因表达系列分析和大规模平行信号测序系统可实现基因表达谱芯片很难检测某些特定时段表达或表达水平较低的基因或未知基因的表达。,（三）推断未知基因功能，探索生命机制,转录组分析可以提供特定条件下（生理、病理、诱导刺激等）基因表达的信息，通过使用基因碱基序列数据和比较已知及未知功能的基因，推断相应未知基因的功能，揭示特定调节基因的作用机制。,三、芯片、SAGE和MPSS是转录组学研究主要技术,转录组学研究重点：基因转录的区域转录因子结合位点染色质修饰点DNA甲基化位点等研究技术：微阵列（microarray）SAGEMPSS,（一）微阵列是大规模基因组表达谱研究的主要技术,微阵列或基因芯片（DNAchip）原理利用光导化学合成、照相平板印刷以及固相表面化学合成等技术，在固相表面合成成千上万个寡核苷酸探针。并与放射性同位素或荧光物标记的来自不同细胞、组织或整个器官的DNA或mRNA反转录生成的第一链cDNA进行杂交。然后用特殊的检测系统对每个杂交点进行定量分析。优点可同时对大量基因，甚至整个基因组的基因表达进行对比分析。,微阵列技术的基本步骤,（二）SAGE在转录物水平研究细胞或组织基因表达模式,SAGE的基本原理：用来自cDNA3端特定位置910bp长度的序列所含有的足够信息鉴定基因组中的所有基因。利用锚定酶（anchoringenzyme，AE）和位标酶（taggingenzyme，TE）切割DNA分子的特定位置（靠近3端），分离SAGE标签，并将这些标签串联起来，然后对其进行测序。特点：可全面提供生物体基因表达谱信息可用来定量比较不同状态下组织或细胞的所有差异表达基因,基因表达系列分析SerialAnalysisofGeneExpression,SAGE,基因表达系列分析（SAGE）是通过快速和详细分析成千上万个EST（expresssequencedtags）来寻找出表达丰富度不同的SAGE标签序列。在此方法中，通过限制性酶切可以产生非常短的cDNA（10-14bp）标签，并通过PCR扩增和连接形成连接体，随后对连接体进行测序。,（三）MPSS是以基因测序为基础的基因表达谱分析新技术,MPSS的原理：一个含有能够特异识别转录子的信息标签序列（1020bp）与长的连续分子连接在一起，测出mRNA的一端包含一个10至20个碱基的标签序列。每一标签序列在样品中的频率（拷贝数）代表了与该标签序列相应的基因表达水平。基因表达水平是以计算mRNA拷贝数为基础，是一个数字表达系统。只要将病理和对照样品分别进行测定，即可进行严格的统计检验，能测定表达水平较低、差异较小的基因，而且不必预先知道基因的序列。,四、RNA组学研究全部非mRNA小RNA的集合,人类基因组序列特点2万2.5万个基因，与蛋白质合成有关的序列占整个基因组的2%左右，其余98%的基因组序列没有得到注释。RNA组学研究范畴小分子RNA，包括：催化性小RNA（smallcatalyticRNA）、小片段干涉RNA（smallinterferingRNA，siRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）,山中伸弥：为细胞重新编程,山中伸弥发现了让成熟细胞回到胚胎状态的方法。这些诱导多能干细胞将在医学领域取代胚胎干细胞。,约翰戈登和山中伸弥共同荣获2012年诺贝尔生理学或医学奖,英国剑桥大学的约翰戈登和日本京都大学的山中伸弥共同获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。获奖理由是“发现成熟细胞可以重编程而获得多能性”。,中国基因组学研究,杨焕明与中国基因研究,杨焕明,中科院院士，基因组学家。他主持完成的“人类基因组计划中国卷”使中国成为这一被称为“二十世纪登月计划”的宏伟项目的成员国，得到了各国领导人和国际科学界的高度赞扬。杨焕明教授及其团队所承担的人类基因组、水稻基因组以及家猪、家鸡、家蚕基因组等重大项目使我国的基因组研究得以跻身于世界前沿。,关于华大,华大基因（BGI）成立于1999年，目前已发展成为全球最大的基因组研究中心之一。华大基因总部位于中国深圳，在京、津、沪、杭、汉、穗、港等全国主要城市均有分支机构，并在欧美、亚太设有多个海外中心。十多年来，华大基因先后完成了国际人类基因组计划“中国部分”（1%）、国际人类单体型图计划（10%）、首个亚洲人基因组图谱“炎黄一号”（100）、国际千人基因组计划等多项具有国际先进水平的科研工作；还积极参与了抗SARS研究、2011年德国大肠杆菌疫情研究等公共卫生项目，为中国和全球基因组科学的发展作出了突出贡献。,华大的核心技术是测序,华大研究项目与产业,项目.千种动植物基因计划.万种微生物计划.单基因病遗传网站.发表文章片区介绍.美洲华大.欧洲华大.日本华大.香港华大,产业.科技合作.临床检验中心.生育健康中心.农业服务,基因组计划genomeproject,HGP千人基因组计划千种动植物计划万种微生物计划,一般指20世纪90年代初实施的人类基因组计划（HGP）。现泛指包括对水稻、拟南芥、酵母等模式生物的基因组分析，核心内容为基因组全序列测定。,人类基因组计划HGP,是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。,千人基因组计划,“千人基因组计划”是2008年初，由中国深圳华大基因研究院、英国桑格研究所以及美国国立人类基因组研究所等多家机构共同启动的一项大规模测序计划。在这一计划中，科学家将对全球各地至少2,500个人类个体的基因组进行测序，绘制最详尽的人类基因多态性图谱，寻找基因与人类疾病之间的关系。结合这些测序信息，将形成一个更加精细的公开的人类基因组变异数据库，从而为人类疾病研究提供科研基础。,百万人基因组计划,华大科技,应用领域,人类健康：疾病的组学研究技术和思路,药物研发：药企基因组学与多组学密切相关,动植物研究,微生物研究,第三节,蛋白质组学Proteomics,以细胞、组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质即蛋白质组（proteome）为研究内容。分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系。并在整体水平上研究蛋白质调控的活动规律，故又称为全景式蛋白质表达谱（globalproteinexpressionprofile）分析。,蛋白质组学（proteomics）,与蛋白质组研究相关的数据库,蛋白序列数据库（SWISS-PROT/TrEMBL，http:/www.expasy.ch）基因序列数据库（Genbank，/EMBL，http:/www.ebi.ac.uk/）蛋白模式数据库（Prosite，http:/www.expasy.ch/sprot/prosite.html）蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白三维结构数据库（PDB，/；FSSP，http:/www.embl-ebi.ac.uk）蛋白翻译后修饰数据库（O-GLYCBASE，http:/www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE）,一、蛋白质组学的中心任务研究细胞内所有蛋白质组成及其活动规律,蛋白质组学的研究内容：一是蛋白质组表达模式的研究，即结构蛋白质组学（structuralproteomics）二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白质组学（functionalproteomics）,蛋白质组学的主要任务：蛋白质鉴定：可以利用一维电泳和二维电泳并结合生物质谱、Western印迹、蛋白质芯片等技术，对蛋白质进行全面的鉴定研究。翻译后修饰的鉴定：如磷酸化、糖基化、酶原激活等过程。蛋白质功能确定：包括蛋白质定位研究，蛋白质活性，蛋白质相互作用，酶活性和确定酶底物，细胞因子的生物分析，配基-受体结合分析等。,二、二维电泳-生物质谱是蛋白质组学研究的常用技术,蛋白质组学研究三大基本支撑技术：二维电泳技术生物质谱技术大规模数据处理,（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法,二维凝胶电泳原理:等电聚焦电泳：利用蛋白质分子的等电点不同使蛋白质得以分离；SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）：按蛋白质分子量的大小进行分离。,蛋白质的二维电泳,（二）生物质谱是蛋白质组鉴定的重要工具,质谱（massspectroscopy，MS）是蛋白质组学中分析与鉴定肽和蛋白质最重要的手段。主要方法：1用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质：蛋白质经过酶解成肽段后，获得所有肽段的分子质量，形成一个特异的肽质量指纹图谱（peptidemassfingerprinting，PMF），通过数据库搜索与比对，便可确定待分析蛋白质分子的性质。,2用串联质谱（MS/MS）鉴定蛋白质：用PMF方法未能鉴定的蛋白质可通过质谱技术获得该蛋白质一段或数段多肽的串连质谱信息（氨基酸序列）并通过数据库检索来鉴定该蛋白质。混合蛋白质酶解后的多肽混合物直接通过（多维）液相色谱分离，然后进入质谱进行分析。,蛋白质的质谱分析（MS谱获得蛋白质的PMF；MS/MS可测定蛋白质的部分氨基酸序列）,三、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-蛋白质相互作用（protein-proteininteraction）是维持细胞生命活动的基本方式，主要包括受体与配体的结合、信号转导分子间的相互作用及其机制等。常用的方法有酵母双杂交、亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联和基于绿色荧光蛋白的细胞内蛋白质相互作用研究方法等。,细胞信号传导,蛋白质相互作用信号的级联放大生理功能的完成,中国蛋白质组学研究,贺福初与中国蛋白质组学研究,贺福初,细胞生物学、遗传学家，中国科学院院士。生于湖南安乡，原籍湖南澧县。1982年毕业于复旦大学生物系。1994年在军事医学科学院放射医学研究所获博士学位。现为该所研究员、所长、院长。主要研究领域为细胞因子的分子生物学及基因工程、蛋白质组学。,贺福初,贺福初，中国科学院院士，第三世界科学院院士。1962年出生于湖南安乡，1982年毕业于复旦大学后考入军事医学科学院攻读硕士学位并入伍，相继获生物化学硕士、细胞生物学博士学位。现任复旦大学生物医学研究院院长、教授，军事医学科学院副院长、研究员，博士生导师。,人类蛋白质组计划（HPP),21世纪第一个大规模的国际性科技合作工程，旨在破译人类生命奥秘的“天书”，全景式揭示生命活动的本质，是生命科学进入后基因时代的里程碑标志。,人类肝脏蛋白质组计划（HLPP）,通过对肝脏蛋白质全景式、高通量和规模化的研究，解析肝脏蛋白质在生理、病理过程中的功能意义。将为肝脏疾病的预警、预防、诊断和治疗提供科学依据。18个国家和地区的100多家实验室参与。,中国人类肝脏蛋白质组计划（CHHLPP),为实质性推动中国科学家领导的HLPP顺利开展，中心牵头全国50余家单位，组成跨学科、跨部门、跨地域的千人联合攻关队伍，实施中国人类肝脏蛋白质组计划（CNHLPP），得到国家科技部跨计划联合资助。,北京蛋白质组研究中心成立于2004年，2005年正式迁入中关村生命科学园。中心由军事医学科学院、中国科学院、中国医学科学院、清华大学、北京大学、江中集团及北京生物技术和新医药产业促进中心共同发起组建，主要从事蛋白质组学科学研究、学术交流、技术服务和科研成果转化等业务。,北京蛋白质组研究中心,第四节基因与疾病GENEANDDISEASE,基因与疾病概述IntroductiontoGenesandDiseases,一种正常表型正常基因型一种异常表型异常基因型,一、人类所有疾病均可视为基因病,疾病是典型的异常表型；在逻辑上，可推定每种疾病都存在与其异常表型相对应的基因型。,按照参与疾病发生过程的基因的性质和来源，可将基因病分为3大类:单基因病（monogenicdisease）:单基因病由一种基因所引致。多基因病（polygenicdisease）:多基因病由数目不等、作用不同的若干种基因相互协作而引起。获得性基因病（acquiredgeneticdisease）:获得性基因病则是由外源性病原体携带其致病基因或毒力基因侵入人体细胞后所引起。不论何种基因病，皆可通过某种或某些基因型、等位基因的作用而发生。一种基因可参与不同的发病过程，不同基因的相互作用可参与同一种发病过程，表现出疾病发生的基因机制的复杂性和异质性。,疾病基因参与疾病发生过程，并非完全是基因本身特性所致，而是其基因型在一定的遗传背景和环境因素影响下进行的，其复杂的相互作用所形成的结果表明了该基因型在个体对特定疾病的遗传易感性程度（遗传度）。,二、疾病基因与遗传易感性有关,（一）疾病基因的遗传易感性程度与遗传方式有关联性,若遗传易感性程度达到100，表明该基因型在发病过程中起主要作用，亦即遗传因素起决定性作用，单基因遗传病属于这种情况。若遗传易感性程度低于100，大于50，表明该基因型在发病过程中起重要作用，但环境因素也在其中起到重要作用。若遗传易感性程度低于50，则表明环境因素在发病过程中起的作用比遗传因素（基因型）为大。多基因遗传病属后两种情况。,部分多基因疾病的遗传易感性程度（参考值）,疾病基因所具有的遗传易感性程度与遗传方式有重要的关联性。这决定了从遗传学角度看，疾病基因遗传的并不是疾病本身，而是是对疾病的易感性。疾病基因与遗传方式相配合，构成不同类型的基因病。,目前已知的基因病有5种遗传方式，形成5大类遗传病染色体病单基因遗传病:单基因遗传病达6000多种，涉及位于常染色体和性染色体上致病基因的显性遗传、隐性遗传或交叉遗传等方式，这些遗传方式符合孟德尔遗传定律，引起质量性状改变，致病基因与疾病的因果关系明确。多基因遗传病:多基因遗传病的性状受许多基因控制，其中每个基因的作用都比较微弱，称之为微效基因，无显性、隐性遗传之分，但它们的综合作用可产生共显性的效应，即数量性状。线粒体病:遗传方式比较复杂。,体细胞遗传病:遗传方式比较复杂。例如肿瘤，一般认为散发性肿瘤主要是由于体细胞中特定基因改变而引起体细胞突变所致。体细胞特定基因改变可遗传给下一代体细胞，但不能在亲代个体与子代个体之间遗传。这一类肿瘤也存在遗传易感基因，但其对肿瘤形成的贡献度都很低，它们与环境因素相互作用产生的综合效应在肿瘤形成中发挥了一定作用。对于某些家族性肿瘤，其发生可能由主效基因所决定，主效基因按照孟德尔遗传方式起作用。质量性状比较容易采用孟德尔遗传的分析方法来分析，而数量性状难以采用通常的遗传分析方法进行分析，需采用适宜的遗传统计学方法进行分析。,酶（enzyme）调节蛋白（modulatorprotein）受体（receptor）转录因子（transcriptionfactor）细胞内基质（intracellularmatrix）细胞外基质（extracellularmatrix）跨膜转运体（transmembranetransporter）离子通道（channel）细胞信号转导分子（cellsignalling）激素（hormone）细胞外转运体（extracellulartransporter）免疫球蛋白（immunoglobulins）其他未确定基因产物功能者,（二）14类基因对单基因遗传病发生贡献率不同,根据目前已确定的1000多个单基因遗传病致病基因的归纳统计，按其表达产物的功能来划分，共包括14个大类基因：,1.未知基因2.酶基因3.调节蛋白基因4.受体基因5.转录因子基因6.细胞内基质基因7.细胞外基质基因8.跨膜转运体基因9.离子通道基因10.其他11.细胞信号转导分子基因12.激素基因13.细胞外转运体基因14.免疫球蛋白基因,疾病基因对疾病发生的贡献率,正常基因称为野生型基因：具有野生型基因的细胞或个体称为野生型（wildtype）。基因突变（genemutation）：携带突变基因的各种类型的细胞或个体称为突变体或突变型（mutant）。,三、基因突变可能诱发疾病,（一）基因突变指基因内各种类型的结构改变,基因突变来源于：自发突变（spontaneousmutation）:自发突变来自DNA复制、基因转录和DNA损伤修复等过程中的碱基错配、缺失或重复等，发生频率很低（10-1010-9），是引起人类单基因遗传病的重要病因性突变。诱发突变（inducedmutation）:诱发突变由诱变剂所引起，诱变剂包括化学的、物理的和生物的诱变剂。不论何种突变，都具有随机性、低频性和可逆性等共同的特性。一个基因内部如只有一个位点的突变（点突变），可通过回复突变的手段使其恢复为野生型基因。,这些影响包括以下情况：产生疾病表型，引起单基因遗传性疾病；引起致死突变，如死胎和自然流产；产生遗传易感性，参与复杂性状疾病发病过程；增强某些表型特征，如血红蛋白S基因突变杂合子比之正常的血红蛋白A纯合子具有抗恶性疟疾的能力；造成正常人群的遗传异质性和个体差异，例如不同的血清蛋白谱、ABO血型、HLA类型和同工酶谱等，可对输血配型、同种异体器官移植排斥反应、对药物与毒物的不同反应性以及对病原体的敏感性等表现型产生差异；作为基因多态性的标记，对机体不产生可察觉的效应。,（二）基因突变产生的生物学效应是对野生型表型不同程度的影响,由上可见，基因突变在多数情况下对人类健康产生有害效应，但在某些情况下也表现出有利的表型，同时还满足了进化的需要。,若突变基因发生在体细胞，这种突变的效应可在增殖的体细胞中遗传，但不能在个体代间遗传。生殖细胞在减数分裂期对环境因素具有较高的敏感性，其基因突变发生率比体细胞高，如果突变基因为显性遗传，其效应可通过受精卵而直接遗传给后代并立即在子代中表现出来，如果突变基因为隐性遗传，其效应受到正常等位基因的掩盖作用，只在承受了两个突变等位基因的子代个体中表现出来。如果基因突变发生在配子发生的早期阶段，接受两个突变等位基因几率增加，在后代中表现突变基因效应的几率随之增加。,（三）基因突变的生物学效应随不同遗传方式而表现不同,很多复杂性状疾病具有家族聚集性和一定的遗传倾向，但遗传模式复杂、不明，外显率低，不符合孟德尔遗传规律。这类疾病的易感基因也会发生不同类型的基因突变，这些突变中多数与疾病易感性相关，少数可产生类似单基因病的特殊类型复杂疾病。如2型糖尿病中已鉴定出几种特殊类型，命名为MODY，各由特定基因的点突变所引起。,基因中某种突变在人群中发生频率1，属于基因多态性，该突变为中性突变。基因多态性本身可能与某些疾病的易感性相关，也可作为遗传标记，用于在基因组范围内定位和鉴定疾病基因。如果在人群中，基因突变频率1，则不属于多态性，有可能是致病突变，欲确认其是否为致病突变，至少需具备2个方面基本的证据：在人群中确认只在病患者个体中出现该突变，是在病患者家系中，只有患病者才出现该突变。,（四）讨论基因突变与疾病关系时需考虑几个因素,1致病突变与基因多态性有别,目前已发现人类基因组DNA的突变有数万种，归纳成以下几种主要类型：碱基置换（点突变）:60缺失:约22插入/重复复合重组这几种主要类型的突变成为单基因遗传病的主要致病突变，据统计，约60遗传病存在特定的基因的碱基置换。单基因遗传病通常发病率较低或很低，但只要临床上确认先证者并有完整的家系样本和资料，采用连锁分析和现代分子遗传学方法，通常不难鉴定其致病基因。,2单基因遗传病与主要基因突变有关,95以上,对于常见的多基因复杂性状疾病，也涉及上述各种类型突变，但通常它们只是基因突变（genemutation）。由于涉及突变和候选易感基因数量较多，每个基因对疾病发生的贡献率又小，故筛查、鉴定和克隆此类疾病的易感基因难度较大，到目前为止，大致上经过了3个阶段：候选基因筛查策略（candidategenestrategy）阶段；基因组定位扫描（genome-wildscanning）阶段；基因组关联研究（genome-wildassociationstudy,GWAS）阶段。目前国际上对数十种人类最常见的多基因复杂性状疾病如冠心病、高血压、糖尿病、癌症、精神神经性疾病、骨质疏松症，肥胖.进行了GWAS，鉴定出众多候选的疾病易感基因。,3.多基因病涉及突变和候选易感基因数量较多,“常见病常见变异体”（commondisease-commonvariant）模型：每种疾病都存在共同的基因变异体，而且这些基因变异体在远祖时期就已形成并一直遗传下来。按照这一理论模型，采用常规的遗传分析方法即可找到有明确疾病表型的基因变异体，而事实上，有许多疾病采用常规的遗传分析方法找不到与疾病表型相关的基因变异体。,4鉴定致病或与疾病相关的基因变异体是关键,基因突变对表型的影响大致上通过以下两种主要途径而实现：（一）影响其产物组成或结构（二）影响其表达的量,四、基因突变改变表达产物的“质”和“量”引起疾病,碱基置换若发生在密码子上，有可能改变其相对应的氨基酸类型，产生所谓错义突变：如果被改变的氨基酸位于多肽链的关键部分，如活性中心、催化中心或分子结合部位，则有可能改变这一产物的生物学活性和作用，改变的程度则视具体情况而定。如果基因突变只在非关键的部位发生，如在密码子第3位由于兼并性而发生的同义突变并不会改变氨基酸，也可能不影响其产物的生物学活性和性质。如果由于基因突变在本来不是终止密码处产生终止密码，即所谓无义突变，会使基因表达产生的多肽链缩短，失去或大大减弱肽链的功能。,（一）基因突变改变表达产物组成和结构,有不少疾病基因本身并无突变发生，但调控疾病基因的基因发生了突变，这些突变可以发挥正调控作用，也可以发挥负调控作用，其产物通过改变疾病基因的表达程度而引起相应表型的改变。如某些酶基因表达缺失或过量引起的遗传性疾病就是这种情况。有的基因突变只对其表达水平产生影响，但其表达产物的组成和结构不受影响，这种情况下，表达水平的改变可能引起相应的表型改变。至于调控基因突变所致或疾病基因本身突变所致的疾病基因表达改变是如何引起相应表型改变的，其中的分子遗传机制十分复杂，特别对于多基因疾病更是如此。,(二)基因突变改变基因表达水平,研究基因与疾病关系主要目的在于：确定致病基因或疾病易感基因；阐明这些基因的功能和在疾病发生发展中的作用机制；指导临床诊断、治疗和预后的实践。已有不少的致病基因和易感基因的结构改变特点，生物学功能和作用的分子机制得到完全阐明或初步阐明，认识到基因突变的异质性和对疾病表型影响因素的复杂性。从遗传-环境-表型的复杂关系中归纳出一些有规律性和特征性的性质，如突变类型、修饰基因、表观遗传、多基因作用、基因组不稳定性等等，为临床诊断提供可靠指标，为疾病治疗特别是个体化治疗提供新靶点和新思路，为疾病预测、预防和预后提供依据。,人类单基因疾病HumanMonogenicDiseases,人类单基因疾病性状相关的基因位于细胞核染色体上，按孟德尔遗传模式传递，主要分为：常染色体显性遗传疾病常染色体隐性遗传疾病性连锁遗传疾病这些类型单基因遗传疾病其致病基因及其突变情况各异，基因型与表型的关系也表现出复杂性，发病的分子机制更是复杂多样。,影响遗传病表型的各种因素,多基因复杂性状疾病PolygenicDiseases,多基因复杂性状疾病指那些性状复杂、遗传方式不确定、由多基因和多因素参与作用而产生的疾病。这类疾病发生的分子遗传机制和病理生理过程比