基因组学蛋白质组学代谢组学

1、会计学1基因组学蛋白质组学代谢组学基因组学蛋白质组学代谢组学第1页/共39页1基因组学基因组学2蛋白质组学蛋白质组学3代谢组学代谢组学第1页/共39页第2页/共39页1.基因组学基因组学第2页/共39页第3页/共39页 储存和表达某一多肽链信息或RNA分子信息所必须的全部核苷酸序列基因（gene） 生物所具有的携带遗传信息的遗传物质的总和。包括所有基因和基因区域。基因组(genome) 对所有的基因进行基因作图、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能的一门科学。基因组学(genomics)基本概念第3页/共39页第4页/共39页研究历史前遗传学时代1900年以前经典遗传学时代1900-1950年分

2、 子 生物 学 时代1950-1990年基因组学时代1 9 9 0 -2000年后基因组学时代2001年以后1859年，达尔文自然选择学说1865年，孟德尔分离规律、独立分配原则1900年，孟德 尔 遗 传规律再被发现标志着遗传学的诞生Waston&C r i c k DNA双螺旋模型的发现人类基因组计划功能基因组学、蛋白质组学的兴起第4页/共39页第5页/共39页研究意义 基因组学的研究已经涉及到生物学、医学、制药工业、社会经济、生物进化、伦理、法律等众多领域。尤其在人类疾病基因的研究方面，显现和发挥着十分重要的作用。疾病的遗传学基础。致病基因及相关基因的克隆在基因组学研究占据着核心

3、位置。对疾病的预防、诊断、治疗等有重要意义。人类基因组计划的直接动因是解决包括肿瘤在内的人类疾病的遗传学基础问题。第5页/共39页第6页/共39页研究分支1.结构基因组学u通过基因组作图、核苷酸序列分析、研究基因组结构，确定基因组成、基因定位的科学。1.1基因组测序 DNA测序每次反应仅能读取不到1000bp的长度。整个基因组的DNA分解为一些小片段 逐个测序 将测序的小片段按序列组装。1.2基因组作图 在长链DNA分子的不同位置寻找特征性的分子标记，绘制基因组图。根据分子标记可以准确无误地将已测序的DNA小片段锚定到染色体的位置上。第6页/共39页第7页/共39页研究分支结构基因组学 根据使

4、用的遗传标志和分析方法不同，初期的基因组作图有四张:一是计算连锁的遗传标记之间的重组频率，确定它们之间相对距离（一般用厘摩cM来表示）的遗传图；二是确定遗传标记之间物理距离的物理图；三是以表达序列标签为位标绘制的转录图；四是基因组核苷酸序列图。第7页/共39页第8页/共39页研究分支2.功能基因组学u利用结构基因组学提供的信息和产物，在基因组系统水平上全面分析研究基因功能的科学。2.1进一步识别基因以及基因转录调控信息。2.2弄清楚所有基因产物的功能，这是目前基因组功能分析的主要层次。2.3研究基因的表达调控机制，研究基因在生物发育工程以及代谢途径中的地位，分析基因、基因之间的产物之间的相互作

5、用关系，绘制基因调控的网络。第8页/共39页第9页/共39页研究分支3.比较基因组学 比较研究不同生物、不同物种之间在基因组结构和功能方面的亲源关系及内在联系的学科。3.1勾画出详尽的系统进化树，将显示进化过程中最主要的变化所发生的时间及特点。据此可以追踪物种的起源和分支路径。3.2分析了解同源基因的功能。3.3通过对序列差异性的研究有助于认识大自然生物多样性的产生基础。几种生物基因组学比较模式图第9页/共39页第10页/共39页研究相关技术和方法1.重组DNA技术第10页/共39页第11页/共39页研究相关技术和方法2.分子杂交与印迹技术u分子杂交：在分子生物学上一般指核酸分子杂交，是指核酸

6、分子在变性后再复性的过程中，来源不同但是互补配对的DNA或RNA单链相互结合形成杂合双链的特征或现象。u分子杂交技术：根据此特性建立的一种对目的核酸分子进行定性和定量分析的技术，这种技术通常是将一种核酸单链用同位素或非同位素标记即探针，再与另一种核酸单链进行杂交，通过对探针的检测而实现对未知核酸分子的检测和分析。2.1分子杂交技术第11页/共39页第12页/共39页p参加反应的核酸和探针都游离在溶液中。p缺点：1.杂交后过量的未杂交探针在溶液中除去较为困难；2.误差较高，操作繁琐 p将参加反应的核酸等分子首先固定在硝酸纤维素滤膜、尼龙膜、乳胶颗粒、磁珠和微孔板等固体支持物上，然手进行杂交反应。

7、p优点：未杂交的游离探针片段容易被漂洗除去，操作简单、重复性好研究相关技术和方法u分子杂交技术分类液相杂交固相杂交（包括原位、印迹、斑点）第12页/共39页第13页/共39页研究相关技术和方法2.2印迹技术u将核酸或或蛋白质等生物大分子通过一定方式转移并固定至尼龙膜等支持载体上的一种方法。u在实际研究中，电泳分离待转印的生物分子或样品 将他们从胶转移至印迹膜上 对被转印的物质显色进行检测（包括染料直接染色、通过和一些标记抗体或寡核苷酸探针结合显色）u被转印的物质是DNA或RNA-核酸分子杂交技术u被转印的物质是蛋白质-免疫印迹技术（与标记的特异性抗体通过抗原抗体结合反应而间接显色） 第13页/

8、共39页第14页/共39页研究相关技术和方法3.生物芯片狭义：将生物分子固定在硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子微点阵，待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生杂交或互相作用后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行检测和分析。广义：指能对生物分子或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件。第14页/共39页第15页/共39页研究相关技术和方法生物芯片基因芯片组织芯片芯片实验室蛋白芯片第15页/共39页第16页/共39页2.蛋白质组学蛋白质组学第16页/共39页第17页/共39页基本概念u蛋白质组：由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白

9、质。u蛋白质组学：对在一定的时间或一定的环境条件下表达的所有蛋白质的研究。第17页/共39页第18页/共39页研究意义l基因是遗传信息的携带者，而生命活动的执行者却是蛋白质，即基因的表达产物。 l在获得了基因的全部序列之后，进一步了解所有这些基因的功能。l这些基因是怎么发挥功能的，只有这样，基因的遗传信息才能与生命活动之间建立直接的联系。第18页/共39页第19页/共39页研究阶段u第一阶段：即所谓“组成蛋白质组”，建立一个细胞或一个组织或一个机体在“正常”条件下的蛋白质双向凝胶图谱,或称参考图谱,u第二阶段称为“功能蛋白质组”，要研究在各种条件下的蛋白质组的变化,从中总结出生命活动的规律。图

10、 双向凝胶电泳鉴定代谢状态下杂交瘤细胞蛋白的差异表达第19页/共39页第20页/共39页研究方法及相关技术1.双向凝胶电泳u其原理是第一向基于蛋白质的等电点不同用等电聚焦分离,第二向则按分子量的不同用SDS-PAGE分离,把复杂蛋白混合物中的蛋白质在二维平面上分开。第20页/共39页第21页/共39页研究方法及相关技术-双向凝胶电泳双向凝胶电泳技术当前面临的挑战?(1)低拷贝蛋白的检定。人体的微量蛋白往往还是重要的调节蛋。但当前的技术还不足以检出拷贝数低于1000的蛋白质。(2)极酸或极碱蛋白的分离。(3)极大(200 kD)或极小(10 kD)蛋白的分离。(4)难溶蛋白的检测。这类蛋白中包括

11、一些重要的膜蛋白。(5)为得到高质量的双向凝胶电泳需要精湛的技术,因此迫切需要能自动进行二维电泳的“机器”。第21页/共39页第22页/共39页研究方法及相关技术2.“双向”高效柱层析（二维液相色谱）原理：先进行一次分子筛柱层析,从柱上流出的蛋白峰自动进入第二向层析,通常是利用蛋白质表面疏水性质进行分离的反向柱层析。这第二次分离的原理与双向电泳中利用蛋白质等电点分离完全不同,因此两种方法起到互相补充的作用。第22页/共39页第23页/共39页研究方法及相关技术-“双向”高效柱层析“双向”高效柱层析的优点u和双向电泳相比是可以适当放大,分离得到较多的蛋白量以供鉴定u流出的蛋白峰可以直接连通进入质

12、谱进行鉴定,避免了“印迹”的步骤和因此引起的的缺点。第23页/共39页第24页/共39页25进样系统进样系统离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器1.气体扩散气体扩散2.直接进样直接进样3.色谱进样色谱进样1.电子轰击电子轰击2.化学电离化学电离3.场致电离场致电离4.场解析场解析5.快原子轰击快原子轰击1.单聚焦单聚焦 2.双聚焦双聚焦 3.四级杆四级杆4.离子肼离子肼5.飞行时间飞行时间 1.电子倍增器电子倍增器 2.闪烁检测器闪烁检测器 3.法拉第杯法拉第杯4.照相检测照相检测研究方法及相关技术3.质谱技术(基本原理：样品分子离子化后，根据不同离子间的质荷比（m/z）的差异来分离样

13、品分子并鉴定其分子量。)第24页/共39页第25页/共39页3.代谢组学代谢组学第25页/共39页第26页/共39页基本概念第26页/共39页第27页/共39页研究内容针对某一种或某几种代谢物。例如，为了研究某基因被改造后的主要影响，研究可以限制为该基因编码的蛋白所作用的特定底物或者作用产生的直接产物。为了阐释整个代谢途径或感兴趣的代谢途径的作用，不用看基因的改变对植物代谢所有途径的影响，可以只关注一定数量的预先确定的代谢产物。研究试图避免代谢产物化学结构或在生物组织中的表观丰度造成某些代谢物在研究时的偏向或忽略。不分离鉴定具体单一组分，只用得到某生物体的代谢物图谱。代谢物靶标分析代谢轮廓分析

14、代谢组学代谢指纹分析第27页/共39页第28页/共39页第28页/共39页第29页/共39页研究应用1.医药领域 在疾病研究中的应用主要包括病变标记物的发现，疾病的诊断、治疗和预后的判断。尤其与疾病诊断和治疗相关的代谢标记物的寻找是最受关注的方面。疾病研究 在疾病动物模型（包括转基因动物）的确证、药物筛选、药效及毒性评价、作用机制和临床评价等方面有着广泛的应用。药物开发第29页/共39页第30页/共39页研究应用2.生物学领域u植物代谢组学通过对不同基因型、生态型植物代谢组的比较，研究基因的改变，环境的改变对植物代谢的影响，或因外界刺激引起的植物应答反应在代谢物上的变化 ；另外，通过代谢物指纹

15、图谱的比较，可以进行代谢表型的分类。微生物代谢组的研究可应用于微生物表型分类、突变体筛选和微生物代谢途径研究等。其应用于工业生产中，可以通过对微生物细胞内代谢物质的分析来实现对发酵过程的动态监测，以优化发酵条件。还可以通过微生物代谢工程的方法，得到更适合于生产的菌株。植物代谢组微生物代谢组第30页/共39页第31页/共39页研究应用3.其他领域u在资源环境方面，通过对微生物代谢组的研究，可以更好地利用微生物降解环境污染物；u在农业，利用代谢组学技术能更快地寻找植物的功能基因，了解植物与环境的互作过程，加快农作物品质改良的进程；u在食品方面，还能用于食品的质量和营养价值的评价，因为食品的质量如表

16、观、风味和气味、货架期，以及营养价值如维生素含量、抗氧化性和营养成分等都是食品中所由代谢产物共同决定的；第31页/共39页第32页/共39页第32页/共39页第33页/共39页1基因组学基因组学2蛋白质组学蛋白质组学3代谢组学代谢组学第33页/共39页第34页/共39页研究分支3.比较基因组学 比较研究不同生物、不同物种之间在基因组结构和功能方面的亲源关系及内在联系的学科。3.1勾画出详尽的系统进化树，将显示进化过程中最主要的变化所发生的时间及特点。据此可以追踪物种的起源和分支路径。3.2分析了解同源基因的功能。3.3通过对序列差异性的研究有助于认识大自然生物多样性的产生基础。几种生物基因组学

17、比较模式图第34页/共39页第35页/共39页研究相关技术和方法2.分子杂交与印迹技术u分子杂交：在分子生物学上一般指核酸分子杂交，是指核酸分子在变性后再复性的过程中，来源不同但是互补配对的DNA或RNA单链相互结合形成杂合双链的特征或现象。u分子杂交技术：根据此特性建立的一种对目的核酸分子进行定性和定量分析的技术，这种技术通常是将一种核酸单链用同位素或非同位素标记即探针，再与另一种核酸单链进行杂交，通过对探针的检测而实现对未知核酸分子的检测和分析。2.1分子杂交技术第35页/共39页第36页/共39页基本概念u蛋白质组：由一个细胞或一个组织的基因组所表达的全部相应的蛋白质。u蛋白质组学：对在一定的时间或一定的环境条件下表达的所有蛋白质的研究。第36页/共39页第37页/共39页研究方法及相关技术2.“双向”高效柱层析（二维液相色谱）原理：先进行一次分子筛柱层析,从柱上流出的蛋白峰自动进入第二向层析,通常是利用蛋白质表面疏水性质进行分离的反向柱层析。这第二次分离的原理与双向电泳中利用蛋白质等电点分离完全不同,因此两种方法起到互相补充的作用。第37页/共39页第38页/共39页39进样系统进