基因、标志物、蛋白质组学的临床检测应用20131106

1、中南大学湘雅三医院中南大学湘雅三医院 袁洪袁洪1.Cellular Reprogramming (细胞重组细胞重组) 2.Seeing Exoplanets3.Cancer Genes（癌症基因）（癌症基因）4.New Mystery Materials5.Watching Proteins at Work（观察蛋（观察蛋白质工作）白质工作）6.Water to Burn7.The Video Embryo8.Fat of a Different Color9.Protons Mass Predicted10.Sequencing Bonanza（更便宜的测（更便宜的测序技术）序技术）Scie

2、nce杂志公布的杂志公布的2008年度科学研究年度科学研究十大突破，诊疗技术创新占据了十大突破，诊疗技术创新占据了4项项始祖种地猿化石始祖种地猿化石FermiFermi所探测到的脉冲星所探测到的脉冲星 雷帕霉素雷帕霉素：研究人员发现，对一种关键性的信号通路进行调节可在小鼠身上产生延年益寿石墨烯：石墨烯：植物的植物的ABAABA受体受体世界首个世界首个X X射线激光射线激光基因疗法的卷土重来：基因疗法的卷土重来： 将基因疗法与血液干细胞疗法相结合的策略 它可能成为治疗某种致命性脑病的有用工具单极子单极子LCROSSLCROSS月球探测器月球探测器对哈勃太空望远镜的修复：对哈勃太空望远镜的修复：

3、20102010年科学热点预测，癌细胞的代谢、年科学热点预测，癌细胞的代谢、AlphaAlpha 磁分光计、外显子测序与疾病、多能干细胞治磁分光计、外显子测序与疾病、多能干细胞治 疗神经精神性疾病疗神经精神性疾病 人类太空飞行人类太空飞行 1. 第一个量子机械第一个量子机械：2. 合成生物学合成生物学: 3. 尼安德特人基因组尼安德特人基因组: 4. HIV预防预防: 5. 外显子组测序外显子组测序/罕见疾病基因罕见疾病基因: 6. 分子动力学模拟分子动力学模拟: 7. 量子模拟器量子模拟器: 8. 下一世代的基因组学下一世代的基因组学:9. RNA的重新编程的重新编程: 10. 大鼠的回归大

4、鼠的回归: 治疗和预防艾滋病病毒抗逆转录病毒药物治疗和预防艾滋病病毒抗逆转录病毒药物 “隼鸟号隼鸟号”行动行动 阐述人类起源阐述人类起源 获得光合成蛋白获得光合成蛋白 太空中的原始气体太空中的原始气体 增进了解微生物增进了解微生物 具有前途的疟疾苗具有前途的疟疾苗 奇异的太阳系奇异的太阳系 专门设计的沸石专门设计的沸石 清除衰老细胞 希格斯玻色子希格斯玻色子 丹尼索瓦人基因组丹尼索瓦人基因组 让干细胞形成卵子让干细胞形成卵子 好奇号的着陆系统好奇号的着陆系统 X射线激光解开蛋白质的结构射线激光解开蛋白质的结构 基因组的精密工程基因组的精密工程 马约拉纳费米子马约拉纳费米子 ENCODE项目项目

5、 大脑大脑/机器界面机器界面 中微子混合角中微子混合角 2020世纪科学取得了两次革命性进展：分子生世纪科学取得了两次革命性进展：分子生物学的成熟和计算机科学的发展物学的成熟和计算机科学的发展 2121世纪生命科学基础研究是最活跃的前沿科世纪生命科学基础研究是最活跃的前沿科学：分子生物学、细胞生物学、神经生物学、学：分子生物学、细胞生物学、神经生物学、生态学生态学892003-20062003-2006年，美国国立健康研年，美国国立健康研究院（究院（NIHNIH）投入）投入1515亿美元用于亿美元用于肿瘤的基因治疗，获得肿瘤的基因治疗，获得2.52.5万篇万篇研究论文研究论文19701970年

6、至今，全球投入超过年至今，全球投入超过40004000亿美元的可研经费和大亿美元的可研经费和大量人力用于肿瘤的研究，获量人力用于肿瘤的研究，获得得156156万篇研究论文万篇研究论文获得临床应用极少获得临床应用极少肿瘤死亡率未明显降低肿瘤死亡率未明显降低临床实际问题提出者临床实际问题提出者 往往缺乏较好科研思维往往缺乏较好科研思维 不具备良好研究条件不具备良好研究条件大量基础研究偏离临床实际大量基础研究偏离临床实际 难以在临床上应用难以在临床上应用10如何拆除基础研究与临床应用之间的障碍如何拆除基础研究与临床应用之间的障碍?111992年年 Choi DW. 在在Science杂志首次提出杂志

7、首次提出“从实验室到病从实验室到病 床床(Bench to Bedside)”的概念。的概念。1996年年 Geraghty J. 在在Lancet杂志第一次提出了杂志第一次提出了“转化医学转化医学” 这一新名词这一新名词2003年年 NIH的的Elias. Zerhouni在在Science 提出定义是将基础研究成果转化为有效的临床治疗手段，提出定义是将基础研究成果转化为有效的临床治疗手段， 强调从实验室到病床旁的连接，通常称之为强调从实验室到病床旁的连接，通常称之为“从实验台从实验台 到病床旁到病床旁”观点观点:“从实验室到临床使用的应用型研究从实验室到临床使用的应用型研究 ”延伸：延伸：

8、“将研究结果、结论应用到日常临床将研究结果、结论应用到日常临床及健康保健工作中及健康保健工作中”医学科学普及：将成果应用到每个个体之中医学科学普及：将成果应用到每个个体之中 12 从从机体表型机体表型来认识疾病来认识疾病, ,即根据现象和检即根据现象和检查所获知的症状与体征。查所获知的症状与体征。 从从组织细胞的病理、生理变化组织细胞的病理、生理变化来分析和来分析和诊断疾病。诊断疾病。 不能从本质上真正认识疾病发生的根本不能从本质上真正认识疾病发生的根本原因原因, ,不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制病机制人类对疾病的认识致病有机体人体内部系统自身紊乱（

9、微生物寄生虫等）（如：malaria）原核真核胞膜、胞浆胞核（染色体等）蛋白、糖、脂核酸（蛋白、糖、脂核酸（DNA、RNA等）等）分子水平分子水平组织胞膜、胞浆（包括线粒体等），胞核（染色体等）蛋白、糖、脂核酸（蛋白、糖、脂核酸（DNA、RNA等等-）化学物、空气等化学物、空气等机体水平(组织）细胞水平亚细胞结构细胞人 体 疾 病Human DiseasemicroRNA, siRNA外伤Trauma从整体水平到分子水平示意图从整体水平到分子水平示意图分子水平分子水平细胞水平细胞水平整体水平整体水平 生命科学的发展过程：生命科学的发展过程： 现代分子医学形成了一系列交叉学科现代分子医学形成了一

10、系列交叉学科 分子遗传学、分子免疫学、分子病理学、分子遗传学、分子免疫学、分子病理学、分子血液学、分子肿瘤学、分子病毒学、分子血液学、分子肿瘤学、分子病毒学、分子流行病学等分子流行病学等 解释和研究不同的病理、生理现象，甚解释和研究不同的病理、生理现象，甚至治疗不同的疾病至治疗不同的疾病分子医学（分子医学（molecular medicinemolecular medicine）：）： 由于分子生物学渗透进入生物学由于分子生物学渗透进入生物学和医学和医学的每一分支领域，全面推动了生命科学和医的每一分支领域，全面推动了生命科学和医学的各个方面的发展，如疾病的发病机理研学的各个方面的发展，如疾病的

11、发病机理研究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个究、疾病的诊断和治疗，使医学进入了一个崭新的时代。崭新的时代。 分子水平分子水平 (molecular)-(molecular)-群体、更体现个体群体、更体现个体 生化水平生化水平 (biochemistry)-(biochemistry)-生理、病理生理生理、病理生理 细胞水平细胞水平 (cell)+(cell)+分子水平分子水平 组织水平组织水平 (tissue)+(tissue)+分子水平分子水平 个体水平个体水平 (individual)-(individual)-分子水平分子水平 群体水平群体水平 (population)-(popul

12、ation)-生化水平、细胞水生化水平、细胞水平、组织水平平、组织水平 高血压的分子分型的高血压的分子分型的现状现状基于肾素水平差异的高血压人群伴有交感神经兴奋升高的高血压人群伴有高同型半胱氨酸的高血压人群盐敏感型高血压基于新的分子标志物高血压分型基于遗传背景的高血压分型基于药物基因组学高血压分型基于肾素水平差异的分子分型肾素型原发性高血压肾素型原发性高血压 基因中的基因中的G460WG460W等多态性，醛固酮合成酶等多态性，醛固酮合成酶 基因多态性基因多态性种族性，家族性种族性，家族性发病率随年龄的增加而增加发病率随年龄的增加而增加 肾上皮钠通道基因的变化，肾上皮钠通道基因的变化，-Addu

13、cin-AdducinJ Hum Hypertens.2008 Aug;22(8):550-8. Clin Endocrinol (Oxf). 2007 Sep; 67(3):324-34.Brown MJ. BMJ 2006;332:8336肾素指导降压策略（肾素指导降压策略（RTGT）ACEI/ARB和和受体阻滞剂受体阻滞剂醛固酮抑制剂、钙拮抗剂和利尿剂醛固酮抑制剂、钙拮抗剂和利尿剂方法：方法：用去甲肾上腺素流溢用去甲肾上腺素流溢率法来检测骨骼肌血管和肾率法来检测骨骼肌血管和肾脏交感神经的传出活性脏交感神经的传出活性研究对象：研究对象：未经治疗的高血未经治疗的高血压患者，设健康人群为对照压

14、患者，设健康人群为对照组组50%50%高血压交感活性增强高血压交感活性增强Eur Heart J 2012;33:1058-1066*P 0.05 *P10umol/L* Beijing Da Xue Xue Bao2007;39:614-8 HcyHcy致高血压机制包括致高血压机制包括1 1、损伤血管内皮细胞、损伤血管内皮细胞2 2、促进血管平滑肌细、促进血管平滑肌细胞增殖胞增殖3 3、促使载脂蛋白在血、促使载脂蛋白在血管壁堆积管壁堆积 还有影响纤溶蛋白活性还有影响纤溶蛋白活性等等4 4种假说种假说Li J et al. 2010P0.001P=0.001P90% 90% 无突变病人：无突变

15、病人： NSCLCNSCLC有效率有效率10%10% N Engl N Engl J Med, 2004. 350(21): 2129-39 J Med, 2004. 350(21): 2129-39 Science, 2004. 304(5676): 1497-500 Science, 2004. 304(5676): 1497-500传统诊断导向治疗诊断常规剂量安全/有效无效/毒性调整剂量/改药安全/有效基因导向性量体裁衣治疗诊断依基因型选药/确定剂量安全、有效确定基因型美托洛尔治疗高血压的个体化用药研究美托洛尔治疗高血压的个体化用药研究根据根据CYP2D6和和 1受体基因型分组受体基因型

16、分组传统治疗组传统治疗组个体化治疗组个体化治疗组组别组别剂量剂量组别组别剂量剂量代谢中代谢中+反应强反应强代谢低代谢低+反应强反应强/中中A1(n-14)25mgbidB1(n=14)12.5mgbid代谢强代谢强+反应强反应强/中中代谢中代谢中+反应中反应中代谢弱代谢弱+反应弱反应弱A2(n=100)B2(n=91)25mgbid代谢强代谢强/中中+反应弱反应弱A3(n=104)B3(n=99)50mgbid 初发初发APLAPL的的PML-RARPML-RAR 融合基因的拷贝数均大于融合基因的拷贝数均大于10001000 反式维甲酸、反式维甲酸、ATRA +ATRA +化疗、三氧化二砷治疗

17、获得化疗、三氧化二砷治疗获得缓解后，其缓解后，其PML-RARPML-RAR 融合基因的拷贝数明显降融合基因的拷贝数明显降低，并随着巩固治疗的进行而进一步降低低，并随着巩固治疗的进行而进一步降低 基因组时代基因组时代 后基因组时代后基因组时代 研究重点的转移及其标志研究重点的转移及其标志 蛋白质组学蛋白质组学 ( (Proteomics) ) 过敏原组学过敏原组学( (Allergenomics) )文献组学文献组学( (Bibliomics) )生物组学生物组学( (Biomics) )心血管基因组学心血管基因组学( (Cardiogenomics) )细胞组学细胞组学( (Cellomic

18、s) )化学基因组学化学基因组学( (Chemogenomics) )化学蛋白质组学化学蛋白质组学( (Chemogenomics) )染色质组学染色质组学( (Chromonomics) )染色体学染色体学( (Chromosomics) )组合多肽组学组合多肽组学( (Combinatorial Peptidomics) )计算计算RNARNA组学组学( (Computational RNomics) )低温生物组学低温生物组学( (Cryobionomics) )结晶组学结晶组学( (Fragonomics) )细胞色素组学细胞色素组学( (Cytomics) )降解组学降解组学( (D

19、egradomics) )生态毒理基因组学生态毒理基因组学( (Ecotoxicogenomics) )脂类组学脂类组学( (Eicosanomics) )胚胎基因组学胚胎基因组学( (Embryogenomics) )环境组学环境组学( (Epitomics) )表观基因组学表观基因组学( (Epigenomics) )表达组学表达组学( (Expressomics) )通量组学通量组学( (Fluxomics) )碎片组学碎片组学( (Fragonomics) )http:/u基因及其编码产物（主要是蛋白质）是如何单独和共基因及其编码产物（主要是蛋白质）是如何单独和共同在生命过程中发挥作用

20、的同在生命过程中发挥作用的 。u研究蛋白比研究基因难得多，而成千上万的结构和功研究蛋白比研究基因难得多，而成千上万的结构和功能都复杂多样的蛋白分子才是生命过程的最后执行者能都复杂多样的蛋白分子才是生命过程的最后执行者 u还没有效的研究手段去揭示蛋白分子在生物体内究竟还没有效的研究手段去揭示蛋白分子在生物体内究竟完成什么功能、何种机制去完成其生物功能的等等。完成什么功能、何种机制去完成其生物功能的等等。 mRNA水平的基因表达研究取得进展，但水平的基因表达研究取得进展，但mRNA与蛋白质间的相关系数仅为与蛋白质间的相关系数仅为0.5 蛋白质自身特点难以从蛋白质自身特点难以从DN

21、A和和mRNA水平水平得到解答得到解答 技术的问世，将分子生物学引入临技术的问世，将分子生物学引入临床实验室，基于的大量新技术分支床实验室，基于的大量新技术分支给检验医学带来了思想和手段的革命给检验医学带来了思想和手段的革命 人类基因测序一经完成，另一个新的名人类基因测序一经完成，另一个新的名词词蛋白质组学就诞生了蛋白质组学就诞生了 蛋白质组是澳大利亚学者蛋白质组是澳大利亚学者WilliamsWilliams和和WilkinsWilkins于于19941994年首先提出，源于蛋白质（年首先提出，源于蛋白质（proteinprotein）与基因组（与基因组（genomegenome）两个词的杂合

22、）两个词的杂合, ,意指意指proteins expressed by a genomeproteins expressed by a genome，即，即“一个一个细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质细胞或一个组织基因组所表达的全部蛋白质” 蛋白质组蛋白质组 protein + genome proteomeprotein + genome proteome 一种基因组所表达的全套蛋白质一种基因组所表达的全套蛋白质 一个细胞或一个机体的基因所表达的全部蛋白质一个细胞或一个机体的基因所表达的全部蛋白质蛋白质组学蛋白质组学 旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式与功能模式旨在阐明生物体全部蛋白质的

23、表达模式与功能模式 从整体的角度分析、鉴定细胞内动态变化的蛋白质从整体的角度分析、鉴定细胞内动态变化的蛋白质的组成、结构、性质、表达水平与修饰状态的组成、结构、性质、表达水平与修饰状态, ,了解了解蛋白质之间、蛋白质与大分子之间的相互作用与联蛋白质之间、蛋白质与大分子之间的相互作用与联系系, ,揭示蛋白质的功能与细胞生命活动的规律揭示蛋白质的功能与细胞生命活动的规律 功能蛋白质组：细胞在一定阶段或与某功能蛋白质组：细胞在一定阶段或与某一生理现象相关的所有蛋白质。一生理现象相关的所有蛋白质。 介于对个别蛋白质的传统蛋白质化学研介于对个别蛋白质的传统蛋白质化学研究和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质究

24、和以全部蛋白质为研究对象的蛋白质组学之间。组学之间。 l 了解某种特定的细胞、组织或器官制造的了解某种特定的细胞、组织或器官制造的 蛋白质种类蛋白质种类l 明确各种蛋白质分子是如何形成类似于电明确各种蛋白质分子是如何形成类似于电 路的网络的路的网络的l 蛋白质的三维结构，揭示其结构上的关键蛋白质的三维结构，揭示其结构上的关键部位，如与药物结合并且决定其活性的部位部位，如与药物结合并且决定其活性的部位 对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系对蛋白质的数量、结构、性质、相互关系和生物学功能进行全面深入的研究已成为和生物学功能进行全面深入的研究已成为生命科学研究的迫切需要和重要任务生命科学研究的迫切需

25、要和重要任务 Differential Protein Expression蛋白质蛋白质Functional Assays蛋白质功能蛋白质功能基因基因DNA Sequencing信使信使RNADifferential Gene ExpressionDNA/RNAProteinsPCR is covered by patents owned by F. Hoffman-LaRocheGeneChip is a registered trademark of AffymetrixSELDI ProteinChip Technology P R O T O M I C SP R O T O M I

26、C SEnabling TechnologyEnabling TechnologyThe phenotype at the molecular levelEnabling TechnologyEnabling TechnologyPCR GeneChip & Microarrays G E N O M I C SG E N O M I C SThe genotype at the molecular levell蛋白质组学的临床应用研究，如体液蛋蛋白质组学的临床应用研究，如体液蛋白质组学、心血管蛋白质组学、药物蛋白质组学、心血管蛋白质组学、药物蛋白质组学、肿瘤蛋白质组学等等白质组学、肿瘤蛋白质

27、组学等等 蛋白质组学的发展既是受技术限制的，也是受蛋白质组学的发展既是受技术限制的，也是受技术所推动的技术所推动的 蛋白质研究技术远比基因技术复杂和困难。不蛋白质研究技术远比基因技术复杂和困难。不仅氨基酸残基种类远多于核苷酸残基，而且蛋仅氨基酸残基种类远多于核苷酸残基，而且蛋白质有着复杂的翻译后修饰，如磷酸化和糖基白质有着复杂的翻译后修饰，如磷酸化和糖基化等，给分离和分析蛋白质带来很多困难化等，给分离和分析蛋白质带来很多困难 目前双向凝胶电泳、离子交换、分子筛、色谱、目前双向凝胶电泳、离子交换、分子筛、色谱、质谱、免疫沉淀、生物芯片等技术已应用到蛋质谱、免疫沉淀、生物芯片等技术已应用到蛋白质组

28、学的研究中白质组学的研究中 l真正达到高灵敏度、高通量、全自动、样品范真正达到高灵敏度、高通量、全自动、样品范围宽则有赖于技术的突破，一些新技术如毛细围宽则有赖于技术的突破，一些新技术如毛细管等电聚焦管等电聚焦串联质谱串联质谱(CIEF-MSN)(CIEF-MSN)、蛋白质芯、蛋白质芯片片MSMS等的发展可能会对蛋白质组学在疾病早等的发展可能会对蛋白质组学在疾病早期检测中的应用起到推动期检测中的应用起到推动 1.1.诊断：诊断： 如疾病筛查、疾病分期分型等如疾病筛查、疾病分期分型等2.2.指导治疗：指导治疗： 如病程分析、用药、手术时机的选择等如病程分析、用药、手术时机的选择等 3.3.提供药

29、物开发的临床依据：提供药物开发的临床依据： 如确定药物靶点、新药开发如确定药物靶点、新药开发( (某些药物本某些药物本 身就是蛋白质身就是蛋白质) )等等 4.4.预后判断：预后判断： 如根据生物标志物在不同疾病中的变化，如根据生物标志物在不同疾病中的变化， 从而判断疾病的性质和严重程度等从而判断疾病的性质和严重程度等 l许多研究者在乳腺癌、肺癌、结肠癌和许多研究者在乳腺癌、肺癌、结肠癌和卵巢癌病人，鉴定了一批肿瘤相关蛋白，卵巢癌病人，鉴定了一批肿瘤相关蛋白，为肿瘤的早期诊断、疗效监测和预后判为肿瘤的早期诊断、疗效监测和预后判断提供了依据断提供了依据l有作者研究肾脏不同部位的蛋白，如有人对有作者研究肾脏不同部位的蛋白，如有人对红细胞蛋白质组进行研究时发现，它有红细胞蛋白