生化组学与医学

1、目录目录第二十六章第二十六章组学与医学组学与医学-omics and Medicine目录目录组学的定义n组学（Omics）： 基于组群或集合的认识，注重事物的整体性目录目录目录目录第一节第一节基因组学基因组学 Genomics Genomics目录目录基因组基因组(genome)(genome)一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息，它一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息，它代表了一种生物所具有的全部遗传信息。对真代表了一种生物所具有的全部遗传信息。对真核生物体而言，基因组是指一套完整单倍体核生物体而言，基因组是指一套完整单倍体DNADNA（染色体（染色体DNADNA）及线粒体或叶绿体）及线粒

2、体或叶绿体DNADNA的的全部序列，既有编码序列，也有大量存在的非全部序列，既有编码序列，也有大量存在的非编码序列。编码序列。 目录目录基因组学基因组学(genomics)是阐明整个基因组的结构、结构与功能关系以及是阐明整个基因组的结构、结构与功能关系以及基因之间相互作用的科学。基因之间相互作用的科学。 一、基因组学包含结构基因组学、功能一、基因组学包含结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学基因组学和比较基因组学 目录目录基因组学包括基因组学包括3个不同的亚领域个不同的亚领域结构基因组学结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学功能基因组学(functional g

3、enomics)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics) 基因组学概念基因组学概念目录目录二、结构基因组学的主要任务是基因二、结构基因组学的主要任务是基因组作图和大规模测序组作图和大规模测序 结构基因组学结构基因组学(structural genomics)(structural genomics)是通过是通过HGPHGP的实施来完成的。的实施来完成的。 HGPHGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组物全部基因组DNADNA序列测定，因此序列测定

4、，因此HGPHGP属于属于结构基因组学范畴。结构基因组学范畴。目录目录（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基（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因组草图的重要策略 1遗传作图就是绘制连锁图遗传作图就是绘制连锁图 遗传图（遗传图（genetic map）又称连锁图（）又称连锁图（linkage map）。）。遗传作图（遗传作图（genetic mapping）就是确定连锁的遗传标志位）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以及它们之间的相对遗传距点在一条染色体上的排列顺序以及它们之间的相对遗传距离，用厘摩尔根（离，用厘摩尔根（centi-Morgan，cM）表示，当两

5、个遗传）表示，当两个遗传标记之间的重组值为标记之间的重组值为1%时，图距即为时，图距即为1 cM。 目录目录5 5 5 5 3 3 3 3 遗传重组做图原理遗传重组做图原理AaBbAabB目录目录（1）限制性片段长度多态性（）限制性片段长度多态性（RFLP） （2） 可变数目串联重复序列（可变数目串联重复序列（VNTR） （3）单核苷酸多态性（）单核苷酸多态性（SNP） 遗传重组做图常用标记遗传重组做图常用标记目录目录2物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图及克隆系图 物理作图包括：物理作图包括： 荧光原位杂交图（荧光原位杂交图（fluorescen

6、t in situ hybridization map，FISH map）：将荧光标记的探针与染色体杂）：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；交确定分子标记所在的位置； 限制性酶切图（限制性酶切图（restriction map）；将限制性酶切位）；将限制性酶切位点标定在点标定在DNA分子的相对位置；分子的相对位置； 克隆相连重叠群图（克隆相连重叠群图（clone contig map）酵母人工染色体（酵母人工染色体（yeast artificial chromosome，YAC）细菌人工染色体（细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome，B

7、AC） 目录目录荧光原位杂交图荧光原位杂交图目录目录限制性酶切图限制性酶切图目录目录克隆相连重叠群图克隆相连重叠群图目录目录（二）通过（二）通过BAC克隆系、鸟枪法等完成大规克隆系、鸟枪法等完成大规模模DNA测序测序 1BAC克隆系的构建是大规模克隆系的构建是大规模DNA测序的基础测序的基础 BAC是一种装载是一种装载DNA大片段的克隆载体系大片段的克隆载体系统，用于人、动物和植物基因组文库构建。统，用于人、动物和植物基因组文库构建。BAC具有插入片段较大（数具有插入片段较大（数kb数百数百 kb）、嵌合率）、嵌合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。低、遗传稳定性好、易于操作等优点。 目录目录

8、2鸟枪法是大规模鸟枪法是大规模DNA测序的重要方法测序的重要方法 步骤：步骤： 建立高度随机、插入片段大小为建立高度随机、插入片段大小为1.6 kb到到4 kb左右的左右的基因组文库；基因组文库； 高效、大规模的克隆双向测序；高效、大规模的克隆双向测序； 序列组装（序列组装（sequence assembly）：借助软件将所测得）：借助软件将所测得的序列进行组装，产生一定数量的相连重叠群；的序列进行组装，产生一定数量的相连重叠群； 缺口填补：利用引物延伸或其他方法对缺口填补：利用引物延伸或其他方法对BAC克隆中还克隆中还存在的缺口进行填补。存在的缺口进行填补。 目录目录鸟枪法测序的原理与策略鸟

9、枪法测序的原理与策略 目录目录n三代测序技术: n第一代技术：化学法，Sanger法，焦磷酸测序n第二代技术：循环芯片技术，包括illumina， proton等测序平台， 能并行大规模测序n第三代技术：单分子测序，有SMRT， nanopore，能单分子测定，同时测序长度达10kb3高通量测序技术大大加快了基因组高通量测序技术大大加快了基因组DNA测序进度测序进度 目录目录（一）双脱氧法和化学降解法是两种常规的（一）双脱氧法和化学降解法是两种常规的DNA测序方法测序方法 Sanger双脱氧测序（双脱氧测序（dideoxy sequencing）法）法 目录目录Maxam-Gilbert化学降

10、解测序法化学降解测序法 目录目录（二）全自动激光荧光（二）全自动激光荧光DNA测序技术的原理测序技术的原理基于基于Sanger双脱氧法双脱氧法 1. 四色荧光法：四色荧光法：采用四种不同的荧光染料标记同一引物或采用四种不同的荧光染料标记同一引物或4种不同的种不同的终止底物终止底物ddNTP，最终结果均相当于赋予，最终结果均相当于赋予DNA片段片段4种不种不同的颜色。因此，一个样品的同的颜色。因此，一个样品的4个反应产物可在同一个泳个反应产物可在同一个泳道内电泳。道内电泳。2. 单色荧光法：单色荧光法：采用单一荧光染料标记引物采用单一荧光染料标记引物5-端或端或dNTP，所有产物，所有产物的的5

11、-末端均带上了同一种荧光标记，一个样品的四个反应末端均带上了同一种荧光标记，一个样品的四个反应必须分别进行，相应产物也必须在四个不同的泳道内电泳必须分别进行，相应产物也必须在四个不同的泳道内电泳目录目录（三）焦磷酸测序是一种基于发光法测定焦磷（三）焦磷酸测序是一种基于发光法测定焦磷酸的测序技术酸的测序技术 焦磷酸测序技术操作简单，焦磷酸测序技术操作简单，结果准确可靠，可应用于单核结果准确可靠，可应用于单核苷酸多态性位点（苷酸多态性位点（SNP）分析、）分析、等位基因频率测定、细菌和病等位基因频率测定、细菌和病毒等微生物的分型鉴定、毒等微生物的分型鉴定、CpG甲基化分析、扫描与疾病相关甲基化分析

12、、扫描与疾病相关基因序列中的突变点等领域。基因序列中的突变点等领域。该方法的测序长度一般短于该方法的测序长度一般短于Sanger法。法。 目录目录（四）循环芯片测序被称为第二代测序技术（四）循环芯片测序被称为第二代测序技术 循环芯片测序（循环芯片测序（cyclic-array sequencing） 可实现大规模并行化分析可实现大规模并行化分析 不需电泳，设备易于微型化不需电泳，设备易于微型化 样本和试剂的消耗量降低，降低了测序成本样本和试剂的消耗量降低，降低了测序成本 优势：优势：技术平台：技术平台：454测序、测序、Solexa测序（测序（Illumina测序）、测序）、SOLiD测序等。

13、测序等。 目录目录基本流程：基本流程： 将基因组将基因组DNA随机切割成为小片段随机切割成为小片段DNA； 在所获小片段在所获小片段DNA分子的末端连上接头，然分子的末端连上接头，然后变性得到单链模板文库；后变性得到单链模板文库； 将带接头的单链小片段将带接头的单链小片段DNA文库固定于固体文库固定于固体表面；表面； 对固定片段进行克隆扩增，从而制成对固定片段进行克隆扩增，从而制成polony芯片。芯片。 针对芯片上的针对芯片上的DNA，利用聚合酶或连接酶进，利用聚合酶或连接酶进行一系列循环反应，通过读取碱基连接到行一系列循环反应，通过读取碱基连接到DNA链过程中释放出的光学信号而间接确定链过

14、程中释放出的光学信号而间接确定碱基序列。碱基序列。目录目录（五）单分子测序技术被称为第三代测序技术（五）单分子测序技术被称为第三代测序技术 主要策略：主要策略： 通过掺入并检测荧光标记的核苷酸，来实现单分通过掺入并检测荧光标记的核苷酸，来实现单分子测序，如单分子实时技术（子测序，如单分子实时技术（single molecule real time technology，SMRT）；）； 利用利用DNA聚合酶在聚合酶在DNA合成时的天然化学方式合成时的天然化学方式来实现单分子测序；来实现单分子测序； 直接读取单分子直接读取单分子DNA序列信息。序列信息。 目录目录（三）生物信息学是预测基因组结构

15、和功能的（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段重要手段 三大生物信息中心：三大生物信息中心： 美国国家生物技术信息中心（美国国家生物技术信息中心（NCBI， ）欧洲生物信息研究所（欧洲生物信息研究所（EBI， ）日本日本DNA数据库（数据库（DDBJ， ） GenBank（ /Genbank）是）是NIH的基因序的基因序列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、以及与之列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、以及与之相关的生物学信息和参考文献，是世界上的权威序列数据库。相关的生物学信息和参考文献，是世界上的权威序列数据库。 目录目录三、功能基因组学系统探讨基因三、功能基因组学系

16、统探讨基因的活动规律的活动规律 功能基因组学的主要研究内容包括基因组的功能基因组学的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表达、基因组功能注释、基因组表达调控网络及机制的研究等。它从整体水平上研究一种组织或机制的研究等。它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、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。不同状态下基因表达的差异。 目录目录（一）通过全基因组扫描鉴定（一）通过全基因组扫描鉴定DNA序列中的基因序列中的基因 （二）

17、通过（二）通过BLAST等程序搜索同源基因等程序搜索同源基因 （三）通过实验设计验证基因功能（三）通过实验设计验证基因功能 （四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式（四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式 目录目录生物信息学预测启动子生物信息学预测启动子 1. 用启动子数据库和启动子预测算法定义启动子用启动子数据库和启动子预测算法定义启动子 在定义启动子或预测分析启动子结构时应包括启在定义启动子或预测分析启动子结构时应包括启动子区域的动子区域的3个部分个部分 核心启动子（核心启动子（core promoter）；）； 近端启动子（近端启动子（proximal promoter）：含有几个）

18、：含有几个调控元件的区域，其范围一般涉及调控元件的区域，其范围一般涉及TSS上游几百个碱基；上游几百个碱基； 远端启动子（远端启动子（distal promoter）：范围涉及）：范围涉及TSS上游几千个碱基，含有增强子和沉默子等元件。上游几千个碱基，含有增强子和沉默子等元件。 目录目录2. 预测启动子的其他结构特征预测启动子的其他结构特征 启动子区域的其他结构特征包括启动子区域的其他结构特征包括GC含量、含量、CpG比比率、转录因子结合位点、碱基组成及核心启动子元件等。率、转录因子结合位点、碱基组成及核心启动子元件等。 用于启动子预测的数据库：用于启动子预测的数据库：EPD（eukaryot

19、ic promoter databases）数据库，主要预测真核）数据库，主要预测真核RNA聚合聚合酶酶型启动子，数据库中的所有启动子数据信息都经过型启动子，数据库中的所有启动子数据信息都经过实验证实；实验证实；TRRD（transcription regulatory region databases）是一个转录调控区数据库，数据来源于已发）是一个转录调控区数据库，数据来源于已发表的科学论文。表的科学论文。 目录目录一、用功能获得策略鉴定基因功能一、用功能获得策略鉴定基因功能 基因功能获得策略的本质是将目的基因直基因功能获得策略的本质是将目的基因直接导入某一细胞或个体中，使其获得新的或更接导

20、入某一细胞或个体中，使其获得新的或更高水平的表达，通过细胞或个体生物性状的变高水平的表达，通过细胞或个体生物性状的变化来研究基因功能。化来研究基因功能。 方法：方法： 转基因技术转基因技术基因敲入技术基因敲入技术 目录目录（一）用转基因技术获得基因功能（一）用转基因技术获得基因功能 转基因技术（转基因技术（transgenic technology）是指将外源基因导入）是指将外源基因导入受精卵或胚胎干细胞（受精卵或胚胎干细胞（embryonic stem cell），即），即ES细胞，通过细胞，通过随机重组使外源基因插入细胞染色体随机重组使外源基因插入细胞染色体DNA，随后将受精卵或，随后将受

21、精卵或ES细胞植入假孕受体动物的子宫，使得外源基因能够随细胞分裂遗细胞植入假孕受体动物的子宫，使得外源基因能够随细胞分裂遗传给后代。传给后代。 转基因动物（转基因动物（transgenic animal）是指应用转基因技术培）是指应用转基因技术培育出的携带外源基因，并能稳定遗传的动物，其制备步骤主育出的携带外源基因，并能稳定遗传的动物，其制备步骤主要包括转基因表达载体的构建、外源基因的导入和鉴定、转要包括转基因表达载体的构建、外源基因的导入和鉴定、转基因动物的获得和鉴定、转基因动物品系的繁育等。转基因基因动物的获得和鉴定、转基因动物品系的繁育等。转基因小鼠最为常见。小鼠最为常见。 目录目录目录

22、目录（二）用基因敲入技术获得基因的功能（二）用基因敲入技术获得基因的功能 基因敲入（基因敲入（gene knock-in）是通过同源重组）是通过同源重组的方法，用某一基因替换另一基因，或将一个设的方法，用某一基因替换另一基因，或将一个设计好的基因片段插入到基因组的特定位点，使之计好的基因片段插入到基因组的特定位点，使之表达并发挥作用。表达并发挥作用。通过基因敲入可以研究特定基因在体内的功通过基因敲入可以研究特定基因在体内的功能；也可以与之前的基因的功能进行比较；或将能；也可以与之前的基因的功能进行比较；或将正常基因引入基因组中置换突变基因以达到靶向正常基因引入基因组中置换突变基因以达到靶向基因

23、治疗的目的。基因治疗的目的。 目录目录基因敲入是基因打靶（基因敲入是基因打靶（gene targeting）技术）技术的一种。基因打靶是一种按预期方式准确改造生的一种。基因打靶是一种按预期方式准确改造生物遗传信息的实验手段。除基因敲入外，基因打物遗传信息的实验手段。除基因敲入外，基因打靶还包括基因敲除、点突变、缺失突变、染色体靶还包括基因敲除、点突变、缺失突变、染色体大片段删除等。大片段删除等。基因打靶与转基因技术均可用于基因功能研基因打靶与转基因技术均可用于基因功能研究，但二者的最大区别就是基因打靶能去除和究，但二者的最大区别就是基因打靶能去除和/或或替换生物体内的固有基因，而转基因技术则未

24、去替换生物体内的固有基因，而转基因技术则未去除或替换固有基因。目前，基因打靶已成为研究除或替换固有基因。目前，基因打靶已成为研究基因功能最直接和最有效的方法之一。基因功能最直接和最有效的方法之一。 目录目录二、用功能失活策略鉴定基因功能二、用功能失活策略鉴定基因功能 基因功能失活策略的本质是将细胞或个体基因功能失活策略的本质是将细胞或个体的某一基因功能部分或全部失活后，通过观察的某一基因功能部分或全部失活后，通过观察细胞生物学行为或个体遗传性状表型的变化来细胞生物学行为或个体遗传性状表型的变化来鉴定基因的功能。鉴定基因的功能。 方法：方法： 基因敲除基因敲除基因沉默基因沉默 目录目录基因敲除（

25、基因敲除（gene knock-out）属于基因打靶技术的一）属于基因打靶技术的一种，其利用同源重组的原理，在种，其利用同源重组的原理，在ES细胞中定点破坏内源细胞中定点破坏内源基因，然后利用基因，然后利用ES细胞发育的全能性，获得带有预定基细胞发育的全能性，获得带有预定基因缺陷的杂合子，通过遗传育种最终获得目的基因缺陷的因缺陷的杂合子，通过遗传育种最终获得目的基因缺陷的纯合个体。纯合个体。 （一）用基因敲除技术使基因功能完全缺失（一）用基因敲除技术使基因功能完全缺失 条件性基因敲除（条件性基因敲除（conditional gene knock-out）可以）可以更加明确地在时间和空间上操作基

26、因靶位，敲除效果更加更加明确地在时间和空间上操作基因靶位，敲除效果更加精确可靠，理论上可达到对任何基因在不同发育阶段和不精确可靠，理论上可达到对任何基因在不同发育阶段和不同器官、组织的选择性敲除。同器官、组织的选择性敲除。 目录目录目录目录（二）用基因沉默技术可使基因功能部分缺失（二）用基因沉默技术可使基因功能部分缺失 1. 用用RNA干扰技术研究基因功能干扰技术研究基因功能 2. 用用miRNA技术研究基因功能技术研究基因功能 3. 用反义用反义RNA技术研究基因功能技术研究基因功能 4. 核酶（核酶（ribozyme）技术）技术 利用利用RNAi能在短时间内高效特异地抑制靶基因表能在短时间

27、内高效特异地抑制靶基因表达的特点，可以很方便地研究基因的功能。达的特点，可以很方便地研究基因的功能。 通过与通过与mRNA不完全互补配对结合而抑制翻译，不完全互补配对结合而抑制翻译，一种一种miRNA可沉默多个靶基因。可沉默多个靶基因。 通过反义通过反义RNA与细胞中的与细胞中的mRNA特异性结合，从特异性结合，从而抑制相应而抑制相应mRNA的翻译。的翻译。 核酶通过剪切靶核酶通过剪切靶RNA分子而抑制基因的表达。分子而抑制基因的表达。 目录目录三、用随机突变筛选策略鉴定基因功能三、用随机突变筛选策略鉴定基因功能 随机突变筛选策略的第一步是通过物理诱变、随机突变筛选策略的第一步是通过物理诱变、

28、化学诱变或生物技术产生大量的基因组化学诱变或生物技术产生大量的基因组DNA突变。突变。乙基亚硝基脲（乙基亚硝基脲（ENU）是一种化学诱变剂，它通）是一种化学诱变剂，它通过对基因组过对基因组DNA碱基的烷基化修饰，诱导碱基的烷基化修饰，诱导DNA在在复制时发生错配而产生突变。它主要诱发单碱基复制时发生错配而产生突变。它主要诱发单碱基突变，造成单个基因发生突变。突变，造成单个基因发生突变。ENU的突变效率的突变效率非常高。非常高。基因捕获（基因捕获（gene trapping）技术也是一种产）技术也是一种产生大规模随机插入突变的便利手段，对于揭示基生大规模随机插入突变的便利手段，对于揭示基因序列所

29、对应的基因功能具有重要的应用价值。因序列所对应的基因功能具有重要的应用价值。 目录目录第二节第二节 转转 录录 组组 学学Transcriptomics 目录目录转录组（转录组（transcriptome）指生命单元（通）指生命单元（通常是一种细胞）所能转录出来的可直接参与蛋常是一种细胞）所能转录出来的可直接参与蛋白质翻译的白质翻译的mRNA（编码（编码RNA）总和，而其他）总和，而其他所有非编码所有非编码RNA均可归为均可归为RNA组（组（RNome）。）。 转录组学（转录组学（transcriptomics）是在整体水）是在整体水平上研究细胞编码基因转录情况及转录调控平上研究细胞编码基因转

30、录情况及转录调控规律的科学。规律的科学。 目录目录一、转录组学研究全部一、转录组学研究全部mRNA的的表达及功能表达及功能 转录组学就是要阐明生物体或细胞在特定生理或病理转录组学就是要阐明生物体或细胞在特定生理或病理状态下表达的所有种类的状态下表达的所有种类的mRNA及其功能。目前，转录组及其功能。目前，转录组学研究的侧重点涉及基因转录的区域、转录因子结合位点、学研究的侧重点涉及基因转录的区域、转录因子结合位点、染色质修饰点、染色质修饰点、DNA甲基化位点等。甲基化位点等。 转录组研究的主要技术：转录组研究的主要技术： 微阵列（微阵列（microarray）基因表达系列分析（基因表达系列分析（

31、SAGE）大规模平行信号测序系统（大规模平行信号测序系统（MPSS）RNA-seq 目录目录研究细胞内非编码小分子研究细胞内非编码小分子RNA的种类、时空表达的种类、时空表达情况及其生物学意义。情况及其生物学意义。RNA组定义组定义二、二、RNA组学研究非编码组学研究非编码RNA的集合的集合 目录目录二、二、RNA组学研究非编码组学研究非编码RNA的集合的集合 这些小分子这些小分子RNA包括包括snRNA、snoRNA、scRNA、催化性小、催化性小RNA、siRNA、miRNA等。这等。这些调控型小分子非编码些调控型小分子非编码RNA，在基因的转录和翻，在基因的转录和翻译、细胞分化和个体发育

32、、遗传和表观遗传等生译、细胞分化和个体发育、遗传和表观遗传等生命活动中发挥重要的组织和调控作用命活动中发挥重要的组织和调控作用, 从而形成了从而形成了细胞中高度复杂的细胞中高度复杂的RNA网络。网络。 目录目录第三节第三节蛋蛋 白白 质质 组组 学学 Proteomics 目录目录蛋白质组学（蛋白质组学（proteomics）以细胞、组织或）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机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质即蛋白质组（白质组（proteome）为研究对象，分析细胞内）为研究对象，分析细胞内动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰状态，动态变化的蛋白质组成、表达水平与修饰

33、状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，并在整体水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（式蛋白质表达谱（global protein expression profile）分析。）分析。 目录目录蛋白质组研究相关的数据库蛋白质组研究相关的数据库 蛋白序列数据库（蛋白序列数据库（SWISS-PROT/TrEMBL； ）、）、基因序列数据库（基因序列数据库（GenBank，EMBL； ， ）、）、蛋白质模式数据库（蛋白质模式数据库（Prosite； sprot/prosite.html）、）、蛋白

34、质二维凝胶电泳数据库、蛋白质三维结构数据库蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白质三维结构数据库（PDB， ；FSSP， ），），蛋白翻译后修饰数据库（蛋白翻译后修饰数据库（O-GLYCBASE， ）目录目录一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质的组成及其活动规律的组成及其活动规律 蛋白质组学的研究主要涉及两个方面：一是蛋白质组蛋白质组学的研究主要涉及两个方面：一是蛋白质组表达模式的研究，即结构蛋白质组学（表达模式的研究，即结构蛋白质组学（structural proteomics）；二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白）；二是蛋白质组功能模式的研究，即功能蛋白质组学（

35、质组学（functional proteomics）。）。 目录目录（一）蛋白质鉴定是蛋白质组学的基本任务（一）蛋白质鉴定是蛋白质组学的基本任务 （二）翻译后修饰的鉴定有助于蛋白质功能的阐明（二）翻译后修饰的鉴定有助于蛋白质功能的阐明 （三）蛋白质功能确定是蛋白质组学的根本目的（三）蛋白质功能确定是蛋白质组学的根本目的 一、蛋白质组学研究内容一、蛋白质组学研究内容目录目录二、二维电泳和质谱是蛋白质组学二、二维电泳和质谱是蛋白质组学研究的常规技术研究的常规技术 二维凝胶电泳（二维凝胶电泳（2-DE）技术、质谱（）技术、质谱（MS）技术以及）技术以及大规模数据处理仍然是蛋白质组学的三大基本支撑技术

36、。大规模数据处理仍然是蛋白质组学的三大基本支撑技术。 蛋白质组学研究的主要技术路线有两条：蛋白质组学研究的主要技术路线有两条： 以以2-DE分离为核心的研究路线：混合蛋白首先通过分离为核心的研究路线：混合蛋白首先通过2-DE分离，然后进行胶内酶解，再用质谱进行鉴定。分离，然后进行胶内酶解，再用质谱进行鉴定。 以色谱分离为核心的技术路线：混合蛋白先进行酶解，以色谱分离为核心的技术路线：混合蛋白先进行酶解，经色谱或多维色谱分离后，对肽段进行串联质谱分析以经色谱或多维色谱分离后，对肽段进行串联质谱分析以实现蛋白的鉴定。实现蛋白的鉴定。 目录目录（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法（一）二维电泳是分

37、离蛋白质组的有效方法 2-DE是分离蛋白质组最基本的工具，其原理是分离蛋白质组最基本的工具，其原理是蛋白质在高压电场作用下先进行等电聚焦是蛋白质在高压电场作用下先进行等电聚焦（isoelectric focusing，IEF）电泳，利用蛋白质）电泳，利用蛋白质分子的等电点不同使蛋白质得以分离；随后进行分子的等电点不同使蛋白质得以分离；随后进行SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE），按蛋），按蛋白质分子量的大小进行分离。白质分子量的大小进行分离。 目录目录蛋白质的二维电泳蛋白质的二维电泳 目录目录（二）质谱技术是蛋白质组鉴定的重要工具（二）质谱技术是蛋白质组鉴定的重要

38、工具 1用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质 2用串联质谱鉴定蛋白质用串联质谱鉴定蛋白质 蛋白质经过酶解成肽段后，获得所有肽段的分子质量，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（形成一个特异的肽质量指纹图谱（PMF），通过数据库搜），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。索与比对，便可确定待分析蛋白质分子的性质。 用用PMF方法不能鉴定的蛋白质可通过质谱技术获得该方法不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联质谱（蛋白质一段或数段多肽的串联质谱（MS/MS）信息并通过）信息并通过数据库检索来鉴定该蛋白质。

39、数据库检索来鉴定该蛋白质。 目录目录蛋白质的质谱分析蛋白质的质谱分析 目录目录三、蛋白质相互作用研究是认识蛋白三、蛋白质相互作用研究是认识蛋白质功能的重要内容质功能的重要内容 蛋白质蛋白质- -蛋白质相互作用是维持细胞生命活动的蛋白质相互作用是维持细胞生命活动的基本方式。基本方式。 研究蛋白质相互作用常用的方法有酵母双杂交、研究蛋白质相互作用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、荧光共振能亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联、荧光共振能量转移（量转移（FRET）等。）等。 目录目录第四节第四节代代 谢谢 组组 学学Metabonomics 目录目录代谢组学（代谢组学（metab

40、onomics）就是测定一）就是测定一个生物个生物/细胞中所有的小分子（细胞中所有的小分子（Mr1 000 d）组成，描绘其动态变化规律，建立系统代谢图组成，描绘其动态变化规律，建立系统代谢图谱，并确定这些变化与生物过程的联系。谱，并确定这些变化与生物过程的联系。 目录目录一、代谢组学的任务是分析生物一、代谢组学的任务是分析生物/细胞细胞代谢产物的全貌代谢产物的全貌 代谢组学分为四个层次：代谢组学分为四个层次： 代谢物靶标分析：对某个或某几个特定组分的分代谢物靶标分析：对某个或某几个特定组分的分析；析； 代谢谱分析：对一系列预先设定的目标代谢物进代谢谱分析：对一系列预先设定的目标代谢物进行定量

41、分析；行定量分析； 代谢组学：对某一生物或细胞所有代谢物进行定代谢组学：对某一生物或细胞所有代谢物进行定性和定量分析；性和定量分析； 代谢指纹分析：不分离鉴定具体单一组分，而是代谢指纹分析：不分离鉴定具体单一组分，而是对代谢物整体进行高通量的定性分析。对代谢物整体进行高通量的定性分析。 目录目录代谢组学主要以生物体液为研究对象，如代谢组学主要以生物体液为研究对象，如血样、尿样等，另外还可采用完整的组织样品、血样、尿样等，另外还可采用完整的组织样品、组织提取液或细胞培养液等进行研究。组织提取液或细胞培养液等进行研究。 目录目录二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学的

42、主要分析工具的主要分析工具 NMR：是当前代谢组学研究中的主要技术。代谢组学：是当前代谢组学研究中的主要技术。代谢组学中常用的中常用的NMR谱是氢谱（谱是氢谱（1H-NMR）、碳谱（）、碳谱（13C-NMR）及磷谱（）及磷谱（31P-NMR）；）； MS：按质荷比（：按质荷比（m/z）进行各种代谢物的定性或定量分）进行各种代谢物的定性或定量分析，可得到相应的代谢产物谱；析，可得到相应的代谢产物谱； 色谱色谱-质谱联用技术：这种联用技术使样品的分离、定质谱联用技术：这种联用技术使样品的分离、定性、定量一次完成，具有较高的灵敏度和选择性。性、定量一次完成，具有较高的灵敏度和选择性。目前常用的联用技

43、术包括气相色谱目前常用的联用技术包括气相色谱-质谱联用质谱联用（GC-MS）和液相色谱）和液相色谱-质谱联用（质谱联用（LC-MS）。）。目录目录代谢组学研究的技术系统及手段代谢组学研究的技术系统及手段 目录目录三、代谢组学数据依赖模式识别技术三、代谢组学数据依赖模式识别技术进行分析进行分析 代谢组学所得信息可利用模式识别技术进行代谢组学所得信息可利用模式识别技术进行数据分析，以达到对样本分类或判别的目的，包数据分析，以达到对样本分类或判别的目的，包括无监督模式识别和有监督模式识别两类。括无监督模式识别和有监督模式识别两类。 目录目录第五节第五节其其 他他 组组 学学 目录目录一、糖组学研究生

44、命体聚糖多样性及其一、糖组学研究生命体聚糖多样性及其生物学功能生物学功能 糖组学（糖组学（glycomics）侧重于糖链组成及其功）侧重于糖链组成及其功能的研究，其主要研究对象为聚糖，具体内容包能的研究，其主要研究对象为聚糖，具体内容包括研究糖与糖之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸括研究糖与糖之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸之间的联系和相互作用。之间的联系和相互作用。 目录目录（一）糖组学分为结构糖组学与功能糖组学（一）糖组学分为结构糖组学与功能糖组学两个分支两个分支 糖组（糖组（glycome）指单个个体的全部聚糖，糖组学）指单个个体的全部聚糖，糖组学则对糖组（主要针对糖蛋白）进行全面的分析研究，

45、包则对糖组（主要针对糖蛋白）进行全面的分析研究，包括结构和功能两方面内容，可为结构糖组学（括结构和功能两方面内容，可为结构糖组学（structural glycomics）和功能糖组学（）和功能糖组学（functional glycomics）两个）两个分支。分支。 目录目录糖组学主要要回答糖组学主要要回答4个方面的问题：个方面的问题： 什么基因编码糖蛋白，即基因信息（可归入基因组学）；什么基因编码糖蛋白，即基因信息（可归入基因组学）； 糖基化的位点预测和证实；糖基化的位点预测和证实； 聚糖结构，即结构信息；聚糖结构，即结构信息； 糖基化功能，即功能信息。糖基化功能，即功能信息。 目录目录（二

46、）色谱分离（二）色谱分离/质谱鉴定和糖微阵列技术质谱鉴定和糖微阵列技术是糖组学研究的主要技术是糖组学研究的主要技术 1色谱分离与质谱鉴定技术：糖的分子量和理化特色谱分离与质谱鉴定技术：糖的分子量和理化特征很多是相同的，不能很好区分征很多是相同的，不能很好区分 2糖微阵列技术糖微阵列技术 3生物信息学生物信息学 糖微阵列技术是生物芯片中的一种，是将带有氨基糖微阵列技术是生物芯片中的一种，是将带有氨基的各种聚糖共价连接在包被有化学反应活性表面的玻璃芯的各种聚糖共价连接在包被有化学反应活性表面的玻璃芯片上，一块芯片上可排列片上，一块芯片上可排列200种以上的不同糖结构，几乎种以上的不同糖结构，几乎涵

47、盖了全部末端糖的主要类型。涵盖了全部末端糖的主要类型。 目录目录（三）糖组学与肿瘤的关系密切（三）糖组学与肿瘤的关系密切 已报道有多种血清糖蛋白可作为肾细胞癌、已报道有多种血清糖蛋白可作为肾细胞癌、乳腺癌、结直肠癌等的标记物；糖基化改变普乳腺癌、结直肠癌等的标记物；糖基化改变普遍存在于肿瘤的发生、发展过程中，分析糖基遍存在于肿瘤的发生、发展过程中，分析糖基化修饰对于深入研究肿瘤的发生机制及诊断治化修饰对于深入研究肿瘤的发生机制及诊断治疗有着重要的价值；糖基化差异也可用于构建疗有着重要的价值；糖基化差异也可用于构建特异的多糖类癌症疫苗，以发展新的免疫治疗特异的多糖类癌症疫苗，以发展新的免疫治疗策

48、略。策略。 目录目录二、脂组学揭示生命体脂质多样性及二、脂组学揭示生命体脂质多样性及其代谢调控其代谢调控 脂组学（脂组学（lipidomics）就是对生物样本中）就是对生物样本中脂质进行全面系统的分析，从而揭示其在生脂质进行全面系统的分析，从而揭示其在生命活动和疾病中发挥的作用。命活动和疾病中发挥的作用。 目录目录（一）脂组学是代谢组学的一个分支（一）脂组学是代谢组学的一个分支 脂组学的研究内容为生物体内的所有脂质分子，脂组学的研究内容为生物体内的所有脂质分子，并以此为依据推测与脂质作用的生物分子的变化，并以此为依据推测与脂质作用的生物分子的变化，揭示脂质在各种生命活动中的重要作用机制。通过揭

49、示脂质在各种生命活动中的重要作用机制。通过研究脂质提取物，可获得脂质组（研究脂质提取物，可获得脂质组（lipidome）的信）的信息，了解在特定生理和病理状态下脂质的整体变化。息，了解在特定生理和病理状态下脂质的整体变化。 目录目录（二）脂组学研究的三大步骤（二）脂组学研究的三大步骤分离、分离、鉴定和数据库检索鉴定和数据库检索1样品分离样品分离 2脂质鉴定脂质鉴定 3数据库检索数据库检索 脂质主要从细胞、血浆、组织等样品中提取。脂质主要从细胞、血浆、组织等样品中提取。困难是脂质的化学键不稳定，特别是不饱和键困难是脂质的化学键不稳定，特别是不饱和键常规的技术有薄层色谱、气相色谱常规的技术有薄层色

50、谱、气相色谱-质谱联用、电喷质谱联用、电喷雾质谱、液相色谱雾质谱、液相色谱-质谱联用、高效液相色谱质谱联用、高效液相色谱-芯片芯片-质谱质谱联用、超高效液相色谱联用、超高效液相色谱-质谱联用、超高效液相色谱质谱联用、超高效液相色谱-傅立傅立叶变换质谱联用等。叶变换质谱联用等。 目录目录（三）脂组学促进脂质生物标志物的发现和（三）脂组学促进脂质生物标志物的发现和疾病诊断疾病诊断 发现疾病相关的诊断标志物是进行疾病诊断发现疾病相关的诊断标志物是进行疾病诊断的关键。脂组学所提供的方法能够监测患者与正的关键。脂组学所提供的方法能够监测患者与正常人之间的脂质变化，从中找到差异较大的脂质常人之间的脂质变化

51、，从中找到差异较大的脂质化合物，作为疾病早期诊断的指标。化合物，作为疾病早期诊断的指标。 溶血磷脂酸在卵巢癌的诊断中表现出高度的溶血磷脂酸在卵巢癌的诊断中表现出高度的敏感性和特异性，能够作为早期诊断卵巢癌及术敏感性和特异性，能够作为早期诊断卵巢癌及术后随访的生物学标志物。后随访的生物学标志物。 脂组学在神经系统发育，免疫调节，生殖细胞发脂组学在神经系统发育，免疫调节，生殖细胞发育等许多方面都有研究，是新兴的交叉学科育等许多方面都有研究，是新兴的交叉学科目录目录第六节第六节组学在医学上的应用组学在医学上的应用目录目录一、疾病基因组学阐明疾病发病机制一、疾病基因组学阐明疾病发病机制 （一）定位克隆技术是发现和鉴定疾病基因的（一）定位克隆技术是发现和鉴定疾病基