生物化学与分子生物学课件组学与医学

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目录目录遗传信息的方向与组学遗传信息的方向与组学目录目录第一节第一节基因组学基因组学 Genomics目录目录基因组基因组( (genome) )一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息。一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息。真核生物体基因组是指一套完整单倍体真核生物体基因组是指一套完整单倍体DNA（染色体（染色体DNA）及线粒体或叶绿体）及线粒体或叶绿体DNA的全部序列，既有编码序列，也有大量存在的的全部序列，既有编码序列，也有大量存在的非编码序列。非编码序列。 目录目录目录目录目录目录基因组学基因组学(gen

2、omics)是阐明整个基因组的结构、结构与功能关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。系以及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CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!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 ge

3、nomics)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)是通过是通过HGP的实施来完成的。的实施来完成的。 HGP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DNA序列测定，因此序列测定，因此HGP属于属于结构基因组学范畴。结构基因组学范畴。目录目

4、录人类基因组计划人类基因组计划19901990，美国国立卫生研究所和能源部投资，美国国立卫生研究所和能源部投资3030亿亿，启动了人类基因组计划，预计，启动了人类基因组计划，预计1515年时间完成人年时间完成人类基因组全部序列的测定类基因组全部序列的测定19961996，完成标记密度为，完成标记密度为0.60.6cMcM的人类基因组遗传图的人类基因组遗传图谱，谱，100100kbkb的物理图谱的物理图谱20002000，完成草图，完成草图20012001年年2 2月，公布人类基因组图谱的修订版月，公布人类基因组图谱的修订版20022002，完成测序工作，完成测序工作目录目录2 基因组图谱的构建

5、基因组图谱的构建基因组计划的主要任务是获得全基因组序列基因组计划的主要任务是获得全基因组序列但是，现在的测序方法每次只能测但是，现在的测序方法每次只能测80080010001000bpbp大量的测序片段要拼接大量的测序片段要拼接要知道序列在要知道序列在ChrChr上的位置才能正确拼接上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节：基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱构建基因组图谱目录目录1 1遗传作图遗传作图2 2物理作图物理作图 （一）遗传作图和物理作图是绘制人类基因（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组草图的重要策略 染色体染色体DNA很长，不能直接进行测序，必须先很长，

6、不能直接进行测序，必须先将基因组将基因组DNA进行分解、标记，使之成为可操作的进行分解、标记，使之成为可操作的较小结构区域，这一过程称为作图。较小结构区域，这一过程称为作图。目录目录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）就是确定连锁的锁的遗传标志位点遗传标志位点在一条染色体上的排列顺序以及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（它们之间的相对遗传距离，用厘摩尔根（centi-Morgan，cM）表示，当两

7、个遗传标记之间的重组）表示，当两个遗传标记之间的重组值为值为1%时，图距即为时，图距即为1 cM。 目录目录 限制性片段长度多态性（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利用特定的限制性内切酶识别并切割基因组组DNA，得到大小不等的，得到大小不等的DNA片段，所产生的片段，所产生的DNA数目和各个片段的长度反映了数目和各个片段的长度反映了DNA分子上不分子上不同酶切位点的分布情况。同酶切位点的分布情况。* DNA标记标记目录目录 可变数目串联重复序列（可变数目串联重复序列（VNTR）：）： 又称微卫星又称微卫星DNA（minisatellite DNA），

8、是），是一种重复一种重复DNA短序列。短序列。VNTR基本原理与基本原理与RFLP大大致相同，通过限制性内切酶的酶切和致相同，通过限制性内切酶的酶切和DNA探针杂探针杂交，可一次性检测到众多微卫星位点，得到个体交，可一次性检测到众多微卫星位点，得到个体特异性的特异性的DNA指纹图谱。指纹图谱。目录目录单核苷酸多态性（单核苷酸多态性（SNP）：）：uSNP是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所造成是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所造成的的DNA序列多态性。序列多态性。uSNP是人类可遗传的变异中最常见的一种，也是基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。因组中最为稳定的变异

9、。uSNP最大限度地代表了不同个体之间的遗传差异，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。重要遗传标记。目录目录遗传标记遗传标记q有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。之间的相对位置。q构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。标记。q包括：包括： 形态标记形态标记 细胞学标记细胞学标记 生化标记生化标记 DNA DNA分子标记分子标记目录目录物理图谱的构建物理图谱的构建v 用分子

10、生物学方法直接检测用分子生物学方法直接检测DNADNA标记在染色标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。v 有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？ 目录目录遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷n 分别率有限分别率有限, ,精确性不够精确性不够n 人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体量子代个体n 测序要求每个标记的间隔小于测序要求每个标记的间隔小于100100kbkbn基因组中有些区域是重组热点基因组中有些区域是重组热点n倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组倒位、重复

11、等染色体结构变异会限制交换重组目录目录酵酵母母遗遗传传图图与与物物理理图图比比较较A A 遗传图遗传图B B 物理图物理图目录目录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 物理作图物理作图包括：包括： 荧光原位杂交图（荧光原位杂交图（fluorescent 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

12、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，BAC） 目录目录荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）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

13、 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）、嵌合率低、）、嵌合率低、遗传稳定性好、易于操作等优点。遗传稳定性好、易于操作等优点。 目录目录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（sequenc

14、e 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。 3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 目录目录鸟枪法（鸟枪法（shotgun sequencing）目录目录（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的（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

15、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，http:/ebi.ac.uk）日本日本DNA数据库（数据库（DDBJ，http:/www.ddbj.nig.ac.jp） GenBank（/Genbank）是）是NIH的基因序列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、的基因序列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、以及与之相关的生物学信息和参考文献，是世界上的权威序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。列数据库。 目录目录目录目录功能基因组学功

16、能基因组学v 完成基因组测序，仅仅是基因组计划的完成基因组测序，仅仅是基因组计划的第一步，更重要的工作在于弄清楚：第一步，更重要的工作在于弄清楚： 基因组序列中所包含的全部遗传信息基因组序列中所包含的全部遗传信息是什么；是什么； 基因组作为一个整体如何行使功能。基因组作为一个整体如何行使功能。v就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。就是功能基因组学的研究内容。 目录目录 又称后基因组学（又称后基因组学（postgenomics)postgenomics)q 基因的识别、鉴定、克隆基因的识别、鉴定、克隆q 基因结构、功能及其相互关系基因结

17、构、功能及其相互关系q 基因表达调控的研究基因表达调控的研究三、功能基因组学系统探讨基因三、功能基因组学系统探讨基因的活动规律的活动规律 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DNADNA序列中的基因序列中的基因 （二）通过（二）通过BLASTBLAST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（一）通过全基因组扫描鉴定（一）通过全基因组扫描鉴定DNA序列序列中的基因中的基因 n对测得的基因组序列进行对测得的基因组序列进行

18、“注释注释”，包括鉴定和描，包括鉴定和描述推测的编码序列、非编码序列及其功能。述推测的编码序列、非编码序列及其功能。n技术支持：人类基因组技术支持：人类基因组DNA序列数据库；高性能计序列数据库；高性能计算机。算机。n改进的十进制计算机进行全基因组扫描，鉴定内含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，寻找全长子与外显子之间的衔接，寻找全长ORFs，确定多肽，确定多肽链编码序列。链编码序列。目录目录n同源基因：同源基因：在进化过程来自共同的祖先的基因，通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，可以推测基过核苷酸或氨基酸序列的同源性比较，可以推

19、测基因组内相似基因的功能。因组内相似基因的功能。n有效工具：有效工具：NCBI的序列局部相似性查询（的序列局部相似性查询（Basic Local Alignment Search，BLAST）程序。）程序。n操作流程：操作流程：GenBank中查找基因序列访问号码中查找基因序列访问号码（accession number），在），在BLAST界面上输入界面上输入2条或条或多条访问号码，就可实现两两或多对序列的比对。多条访问号码，就可实现两两或多对序列的比对。（二）通过（二）通过BLAST等程序搜索同源基因等程序搜索同源基因 目录目录（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n转

20、基因（转基因（transgene）n基因过表达（基因过表达（over expression）n基因敲除（基因敲除（knock-out）n基因敲减（基因敲减（knock-down）或基因沉默）或基因沉默（gene silencing）n合适的模式生物替代人体进行实验合适的模式生物替代人体进行实验目录目录（四）通过转录组和蛋白质组描述基因（四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式表达模式n基因表达：基因表达：RNA的转录和蛋白质的翻译的转录和蛋白质的翻译n基因的表达模式及调控描述：借助转录组学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和蛋白质组学相关技术与方法目录目录第二节第

21、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

22、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（SAGE）大规模平行信号测序系统（大规模平行信号测序系统（MPSS） 目录目录 SAGE SAGE

23、 技术的主要理论依据：技术的主要理论依据：n来自转录物内特定位置的一小段寡核苷酸序列（911bp）含有鉴定一个转录物特异性的足够信息，可作为区别转录物的标签（tag）；n通过简单的方法将这些标签串联在一起，形成大量多联体（concatemer），对每个克隆到载体的多联体进行测序，并应用SAGE软件分析，可确定表达的基因种类，并可根据标签出现的频率确定基因的表达丰度（abundance）。 目录目录1. 将5g含有oligo dT（引物）的磁珠与RNA混合。2. 合成双链cDNA。 3. 用Nla酶消化形成一条链末端有标签的产物。 4. 将样品分成两份，连接成含有识别序列的产物，以备用BsmF1

24、消化。5. 用Mme I切割每一个样品形成约60bp的标签。SAGE 步骤步骤目录目录6. 延伸5秒，连接成约130bp的双链标签。 7. PCR扩增。8. 用Nla 酶切130bp产物释放34bp双链标签。9. 连接片断形成串联体。 10. 克隆到pZErO-1+里，并测序。 目录目录SAGE实实例例目录目录二、二、RNA组学研究非编码组学研究非编码RNA的集合的集合 调控型小分子非编码调控型小分子非编码RNA包括包括snRNA、snoRNA、scRNA、催化性小、催化性小RNA、siRNA、miRNA等。等。在基因的转录和翻译、细胞分化和个体发育、在基因的转录和翻译、细胞分化和个体发育、遗

25、传和表观遗传等生命活动中发挥重要的组织和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调控作用, 从而形成了细胞中高度复杂的从而形成了细胞中高度复杂的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(Proteome)n蛋白质组蛋白质组 广义上是指某种细胞或组织中基因组表达的所有蛋广义上是指某种细胞或组织中基因组表达的所有蛋白质白质; ; 狭义上狭义上, , 指不同时期细胞内蛋白质的变化。指不同时期细胞内蛋白质的变化。n蛋白质组学蛋白质组学 研究蛋白质组结构和功能的领域称为蛋白质组学。研究蛋白质组结构和功能的领域称为蛋白质组学。n

26、研究内容研究内容: : 分析全部蛋白质组所有成分以及它们的数量分析全部蛋白质组所有成分以及它们的数量; ;确定各确定各种组分所在的空间位置、修饰方法、互作机制、生种组分所在的空间位置、修饰方法、互作机制、生物活性和特定功能等。物活性和特定功能等。全景式蛋白质表达谱全景式蛋白质表达谱（global protein expression profile）分析分析。 目录目录一、研究细胞内所有蛋白质组成及其一、研究细胞内所有蛋白质组成及其活动规律是蛋白质组学的中心任务活动规律是蛋白质组学的中心任务n蛋白质组学的研究内容：蛋白质组学的研究内容：n 一是蛋白质组表达模式的研究，即结构蛋白一是蛋白质组表达

27、模式的研究，即结构蛋白质组学（质组学（structural proteomics）n 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（质组学（functional proteomics）目录目录n蛋白质组学的主要任务：蛋白质组学的主要任务：n 蛋白质鉴定：蛋白质鉴定：可以利用一维电泳和二维电泳并可以利用一维电泳和二维电泳并结合生物质谱、结合生物质谱、Western印迹、蛋白质芯片等印迹、蛋白质芯片等技术，对蛋白质进行全面的鉴定研究。技术，对蛋白质进行全面的鉴定研究。n 翻译后修饰的鉴定：翻译后修饰的鉴定：如磷酸化、糖基化、酶原如磷酸化、糖基化、酶原激活等过程

28、。激活等过程。n 蛋白质功能确定：蛋白质功能确定：包括蛋白质定位研究，蛋白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，配基物，细胞因子的生物分析，配基-受体结合分析受体结合分析等。等。目录目录蛋白质组研究技术蛋白质组研究技术 蛋白质组主要研究技术：蛋白质组主要研究技术： 双向电泳双向电泳 生物质谱技术生物质谱技术 蛋白质芯片蛋白质芯片 酵母双杂交酵母双杂交目录目录（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法n二维凝胶电泳（二维凝胶电泳（two-dimensional gel el

29、ectrophoresis，2-DE）原理）原理:n等电聚焦（等电聚焦（isoelectric focusing，IEF）电泳：）电泳：利用蛋白质分子的等电点不同使蛋白质得以利用蛋白质分子的等电点不同使蛋白质得以分离；分离；nSDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（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。按蛋白质分子量的大小进行分离。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 目录目录目录目录目录目录目录目录（二）生物质谱是蛋白质组鉴定的（二）生物质谱是蛋白质组鉴定的重要工具重要工具n质谱（质谱（mass spectrosco

30、py，MS）是蛋白质组学中）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：分析与鉴定肽和蛋白质最重要的手段。主要方法：n1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：蛋白质经蛋白质经过酶解成肽段后，获得所有肽段的分子质量，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（peptide mass fingerprinting，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。目录目录目录目录n 2用串联质谱（用串联质谱（MS/MS）鉴定蛋白质）鉴定蛋

31、白质 ：n用用PMF方法未能鉴定的蛋白质可通过质谱技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信息（氨基酸序列）并通过数据库检索来鉴定该蛋白质。定该蛋白质。n混合蛋白质酶解后的多肽混合物直接通过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（多维）液相色谱分离，然后进入质谱进行分析。分析。目录目录目录目录目录目录三、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

32、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 目录目录目录目录普遍认为普遍认为代谢组学的概念代谢组学的概念是是英国帝国理工大学英国帝国理工大学的的NicholsonNicholson教授教授于于19991999年首先提出年首先提出来的来的。NicholsonNicholson因因为他为他在代谢组学发展上的开拓性贡献

33、，在代谢组学发展上的开拓性贡献，被学术界公认为代谢组学创始人被学术界公认为代谢组学创始人（代谢组学之父）（代谢组学之父）。Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E (November 1999). Metabonomics: understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data. Xenobiotica

34、29 (11): 11819目录目录代谢组代谢组（metabolomemetabolome）：）：基因组的下游产基因组的下游产物也是最终产物，是一些参与生物体新陈代谢、物也是最终产物，是一些参与生物体新陈代谢、维持生物体正常生长功能和生长发育的小分子维持生物体正常生长功能和生长发育的小分子化合物的集合。化合物的集合。代谢组学代谢组学（metabonomicsmetabonomics）就是测定一个）就是测定一个生物生物/ /细胞中细胞中所有的小分子所有的小分子（MMr r 1 000 d1 000 d）组成，）组成，描绘其动态变化规律，建立系统代谢图谱，并描绘其动态变化规律，建立系统代谢图谱，并

35、确定这些变化与生物过程的联系。确定这些变化与生物过程的联系。 目录目录代谢组学的特点代谢组学的特点细胞细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞信号释放，能量传递，细胞间通信等都是受代谢物调控的信号释放，能量传递，细胞间通信等都是受代谢物调控的。 代谢物代谢物更多地反映了细胞所处环境，这与细胞的营养状更多地反映了细胞所处环境，这与细胞的营养状态、药物和环境污染物的作用以及其它外界因素的影响密态、药物和环境污染物的作用以及其它外界因素的影响密切相关切相关。基因组学和蛋白质组学能够说明基因组学和蛋白质组学能够说明可能可能发生的事件，而代发生的事件，而代

36、谢组学则反映谢组学则反映确实确实已经发生了的事情已经发生了的事情。基因和蛋白表达的微小变化在代谢物上会得到基因和蛋白表达的微小变化在代谢物上会得到放大放大, ,使检使检测测更容易更容易。目录目录代谢组学主要以代谢组学主要以生物体液生物体液为研究对象，如为研究对象，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。 目录目录真正意义的代谢组学研究。真正意义的代谢组学研究。预处理和检测技术需满足高预处理和检测技术需满足高灵敏度、高选择性和高通量灵敏度、高选择性和高通量的要求。需要对获得的数据的要

37、求。需要对获得的数据进行解析进行解析代谢物靶标分析。对个别特定组分分析。代谢轮廓分析。对预设组分的分析。代谢组学。特定样品中所有代谢物分析。代谢指纹分析。比较代谢物指纹图谱。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 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）；）； M

38、S：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67代谢组学的技术平台n红外线光谱技术（红外线光谱技术（IRIR），），n核磁共振技术（核磁共振技术（NM

39、RNMR），），n薄层色谱技术（色谱技术（TLCTLC），），n高效液相色谱技术（高效液相色谱技术（HPLCHPLC），），n高效毛细管电泳技术（高效毛细管电泳技术（HPCEHPCE），），n毛细管电泳与紫外线吸光率检测连用技术（毛细管电泳与紫外线吸光率检测连用技术（CE/UVCE/UV），），n毛细管电泳与激光诱导荧光检测连用技术（毛细管电泳与激光诱导荧光检测连用技术（CE/LIFCE/LIF），），n毛细管电泳与质谱连用技术（毛细管电泳与质谱连用技术（CE/MSCE/MS），），n气相色谱与质谱共用技术（气相色谱与质谱共用技术（GC/MSGC/MS），），n液相色谱与质谱共用技术（液相色谱

40、与质谱共用技术（LC/MSLC/MS），），n液相色谱与质谱先后使用技术（液相色谱与质谱先后使用技术（LC/MS/MSLC/MS/MS），），n高效液相色谱与质谱和核磁共振技术功用（高效液相色谱与质谱和核磁共振技术功用（LC/NMR/MSLC/NMR/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 目录目录代谢组指代谢组指一个细胞、一个细胞、组织或器组织或器官中所有官中所有代谢组分代谢组分的集合，的集合，尤其指分尤其指分子质量为子质量为1,000以以下的小分下的小分子物质。子物质。目录目录600 MHz 1H NMR spectrum of control rat ur

41、ineJ.K Nicholson, (2007) Nature Protocols目录目录600 MHz 1H NMR spectrum of blood serum sampleJ.K Nicholson, (2007) Nature Protocols目录目录72不同器官组织具有不同的代谢轮廓，广谱全采集不同器官组织具有不同的代谢轮廓，广谱全采集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

42、，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）指单个个体的全部聚糖全部聚糖，糖组学，糖组学则对糖组（主要针对糖蛋白）进行全面的分析研究，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，可为括结构和功能两方面内容，可为结构糖组学结构糖组学（structural glycomics）和）和功能糖组

43、学功能糖组学（functional glycomics）两个）两个分支。分支。 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；什么基因编码糖蛋白，即基因信息； 可能糖基化位点中实际被糖基化的位点；可能糖基化位点中实际被糖基化的位点； 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）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色谱分离与质谱鉴定技术 2糖微阵列技术糖微阵列技术 3生物信息学生物

44、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 多种血清糖蛋白可作为肾细胞癌、乳腺癌、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；结直肠癌等的标记物；糖基化改变普遍存在于肿瘤的发生、发展糖基化改变普遍存在于肿瘤的发生

45、、发展过程中，分析糖基化修饰对于深入研究肿瘤的过程中，分析糖基化修饰对于深入研究肿瘤的发生机制及诊断治疗有着重要的价值；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特异的多糖类癌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策略。症疫苗，以发展新的免疫治疗策略。 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）

46、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。 常规的技术有薄层色谱、气相色谱常规的技术有薄层色谱、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