生物化学教学课件：Chapte 15 生物化学与新生物技术

第十五章生物化学与新生物技术Chapter15Biochemistryand

newbiotechnology主要内容第一节基因组学（

Genomics）第二节蛋白质组学（Proteomics）第三节生物信息学（Bioinformatics）第四节生物芯片（Biochip）GenomicsDNA(Gene)FunctionalGenomicsTranscriptomicsRNAProteomicsPROTEINMetabolomicsMETABOLITETranscriptionTranslationEnzymaticreactionThe“omics”nomenclature…基因组学蛋白质组学转录学代谢学代谢产物功能性基因组学GenProte~omeSequenceofacompletesetofGenesProteins=GenProte~omics=AnalysisoftheGenomeProteomeAfewdefinitions…生命科学的发展新的生命学科和新的生物技术基因组学（

Genomics）蛋白质组学（Proteomics）生物信息学（Bioinformatics）生物芯片（Biochip）第一节基因组学

Genomics

一、基因组和基因组学的概念基因组（Genome）：指一个生物机体的一套完整的遗传物质；一种生物全部基因的集合。包括决定蛋白质和核酸结构的编码区，以及非直接决定蛋白质和核酸结构的非编码区。基因编码序列只占整个基因组序列的很小一部分。一个生物体只有一个确定的基因组，组成生物体的所有细胞都共享同一个基因组；基因组的大小基因组学(genomics)Genomics–studyofthesequence,structureandfunctionofthegenome.Studyrelationshipsamongsetsofgenesratherthansinglegenes.研究基因组序列、结构和功能的科学。研究不同的全套基因（不是单个基因）之间的关系。1986年美国科学家ThomasRoderick提出了基因组学，指对所有基因进行基因组作图（包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱）、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。特点：是以基因组为研究单位，而不是单个基因基因组学的分类以全基因组物理结构的作图和测序为目标（早期阶段）又称为后基因组学(postgenomics)。以基因功能鉴定为目标。蛋白质组学（Proteomics）生物信息学（Bioinformatics）生物芯片（Biochip）基因组学(genomics)结构基因组学(structuralgenomics)功能基因组学(functionalgenomics)二、基因组图谱(自学为主)在基因组分析的早期阶段，以建立生物体高分辨率的物理、遗传、转录图谱为主，通过基因作图、碱基序列分析来确定基因组成和基因定位。由于染色体不能直接用来测序，因此必须将基因组分解成为较易操作的小的结构区域，这个过程就是基因作图。从不同角度制定基因组图谱，是研究基因组的结构和功能的基础。基因组图谱的类型基因组图谱物理图谱

(physicalmap)遗传图谱(geneticmap)表达（转录）图谱单核苷酸多态性图谱WhatistheHumanGenome?Theentiregeneticmakeupofthehumancellnucleus.Genescarrytheinformationformakingalloftheproteinsrequiredbythebodyforgrowthandmaintenance.ThegenomealsoencodesrRNAandtRNAwhichareinvolvedinproteinsynthesis.三、人类基因组研究基因组计划（GenomeProject）：是指对人类以及其它生物体全基因组的测序工作(sequencing)。人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）：90年代提出并已基本完成，是人类科学史上最伟大的壮举之一，被誉为是生命科学中的登月计划。。HistoryoftheHumanGenomeProject1990OfficialstartofHGPwith3billion$anda15yearhorizon.1999SangerCentrepublisheschromosome222001DraftGenomepublished:Celera&Public2003Completion(almost)ofHumanGenomeCelera:Dr.CraigVenterIntl.Cons:FrancisCollins人类基因组计划6countriesinvolved（China）;10yearsand2,000MDollars；基因组大小30亿碱基；Includesnon-codingsequenceslocatedbetweengenes,whichmakesupthevastmajorityoftheDNAinthegenome(~95%)Madeupof~35,000-50,000geneswhichcodeforfunctionalproteinsinthebody第二节蛋白质组学Proteomics一、蛋白质组学的涵义蛋白质组（proteome）：是由澳大利亚学者Wilkins和Williams等人于1994年提出的。他们将“Protein”与“genome”杂合。一个基因组编码的全部蛋白质；（1995，Wilkins）一个基因组或组织所表达的全部蛋白质；（1997，Wilkins）在一个细胞的整个生命活动过程中由基因组表达的以及表达后修饰的全部蛋白质。（1999年，Nature）蛋白组学（Proteomics）：一门在整体水平上研究细胞内蛋白质的组成、数量及其在不同生理条件下活动规律的学科。主要研究细胞内所有蛋白质在生命活动过程中的时空表达、蛋白质分子间的相互作用、翻译后的各种修饰等，最终确定它们的功能。一个生物体的蛋白质组却不只一个，随时间、地点和环境条件而不同。蛋白质组学（Proteomics）二、蛋白质组研究的技术简介（自学为主）蛋白质组研究双向电泳图像数字化分析质谱分析在细胞水平上对蛋白质组进行分离和分析的三大基本支撑技术：一个完整的蛋白质组研究步骤包括：样品制备蛋白质检测第一相等电聚焦第二相SDS图谱数字化分析建立蛋白质组数据库质谱分析三、蛋白质组学的应用前景确定一个蛋白质功能最直接的方法是直接验证它的功能。功能蛋白质组学（functionalproteomics）或比较蛋白质组学，是一个相对较新的进展，它可以直接进行大规模蛋白质功能测定。比较不同生长时期蛋白质组的差异，正常细胞和异常细胞蛋白质组的差异等疾病蛋白质组学：研究正常与疾病状态下某一组织的蛋白质组。1999年瑞士生物信息学研究所（CIB）和欧洲生物信息学研究所（EBI）发布了启动人类蛋白质组研究计划（humanproteomicsinitiative,HPI）。蛋白质组学不仅在认识生命本质上发挥重要作用，而且在应用上也具有广阔的前景。22第三节生物信息学

BiologicalData+ComputerCalculationsBioinformatics生物信息学一、生物信息学的涵义Bioinformatics

isthefieldofscienceinwhichbiology,computerscience,andinformationtechnologymergeintoasinglediscipline.Theultimategoalofthefieldistoenablethediscoveryofnewbiologicalinsightsandtocreateaglobalperspectivefromwhichunifyingprinciplesinbiologycanbediscerned.

/About/primer/bioinformatics.html

生物信息学(bioinformatics)：是生物学与计算机科学以及应用数学等学科相互渗透而形成的一门交叉学科。它以互联网为媒介，以数据库为载体，以计算机为工具，对实验生物学中产生的大量生物学数据进行存储、检索、处理与分析，并用生物学知识对结果进行解释，从而阐明生命本质及其变化规律。二、生物信息学的基本研究方法生物学数据库的建立世界著名的三大核心数据库：PDB生物大分子结构数据库SWISS-PROT蛋白质系列数据库GenBank核酸系列数据库数据的检索数据的处理数据的应用一些重要的生物信息学中心EBI：EuropeanBioinformaticsInstitutehttp://www.ebi.ac.ukEMBnetEMBL:EuropeanMolecularBiologyLaboratoryhttp://embl-heidelberg.de/ServicesNIH：NationalInstituteofHealthNCBI：NationalCenterofBiotechnologyInstituteNLM：NationalLibraryofMedicineDDBJ:DNADataBankofJapanhttp://www.ddbj.nig.ac.jphttp://www.kazusa.or.jpCBI或PKUCBI/BioSino/华大基因组研究中心AMMSnic:军科院/bio/一些重要的生物信息学中心三、生物信息学的主要研究内容（自学为主）1.基因组测序的信息分析将基因片段连接处完整的DNA序列。2.用于发现新基因大部分新基因是通过信息分析预测出来的。3.非编码区结构与功能的研究在人类基因组中，非编码区占95～97%，但其功能不详。4.生物进化的研究用生物信息学研究比较不同物种的核酸和蛋白质的序列差异，在一定程度上可反映物种的进化。生物信息学的主要研究内容5.比较基因组学研究对不同生物的全基因组进行比较分析。6.基因功能的研究采用生物信息学的理论和规律处理大量的生物信息，才能了解某些基因的功能。7.大分子结构模拟与药物设计理论模拟、结构预测与直接实验手段的结合。8.遗传疾病的研究约有6000种以上的人类疾患与人类各种基因的变化有关。生物芯片将象计算机芯片一样成为新世纪即将来临的又一次高新科技革命的奠基石第四节生物芯片Biochip(BiologicalChip)一、生物芯片的类别和特点生物芯片（biochip）：生物芯片的概念来自计算机。实际上是一种微型多参数生物传感器。指通过微电子、微加工技术在芯片表面构建的一种微型生物化学反应系统，即在一个小的基片表面固定大量的分子识别探针或构建微分析元件和系统，实现对核酸、DNA、蛋白质及其他细胞组分的准确、快速、大通量的筛选、分析或检测，以实现测序、定向反应、概念分析等。生物芯片的特点：微型化自动化网络化生物芯片的类别基因芯片(Genechip)蛋白质芯片(Proteinchip)芯片实验室生物芯片（biochip）用于DNA序列测定、基因表达谱鉴定和基因突变的检测与分析基因芯片又被称为DNA芯片、DNA阵列（DNAarray）、cDNA芯片（cDNAchips）、寡核苷酸阵列（oligonucleotidearray）等。(Laboratory-on-a-chip)(Microfluidics-basedchip)利用蛋白质分子间的特异亲和力，进行蛋白组学的研究研究生物芯片作用原理和研制新的生物芯片生物芯片研究的国内外概况Affymetrix开发多种基因芯片(HIV,p53,p450等等)Hyseq开发的薄膜测序芯片（标记的探针为已知序列）Synteni(Incyte)两种荧光标记，mRNA表达情况Nanogen主动式电子生物芯片，检测速度更快Agilent(HP)CMS(Motorola)的eSensorTM利用杂交电信号检测Stanford、Pennsylvania、MIT等国外大学和研究机构清华大学、东南大学、上海细胞所与陕西超群公司第四军医大与陕西高科集团联合基因科技公司与第一军医大复旦大学、军事医学科学院、北京博奥台湾、香港（HKtU、HKcityU,中药筛选、白血病、肿瘤)生物芯片研究的国内外概况二、生物芯片技术简介（自学为主）基因芯片技术是一种大规模集成的固相核酸分子杂交，即以已知碱基系列的寡核苷酸为探针，待测DNA样品与之杂交，然后通过定性、定量分析得出待测样品的基因系列及表达的信息。基因芯片技术①芯片制作把探针固定于载体表面②样品准备目标分子富集③分子间的杂交④

结果检测与数据分析基因芯片在疾病诊断中的应用肿瘤细胞等量结合探针与芯片杂交使用基因芯片对正常细胞和癌细胞进行基因表达分析比较基因芯片杂交结果图三、生物芯片的应用（自学为主）

DNA系列测定：基因测序(genesequencing)基因表达(geneexpression)分析突变和多肽分析检测在疾病诊断中的应用（基因芯片中最具商业化价值的应用）在药物研究中的应用：新药筛选和指导临床合理用药在微生物菌种鉴别及致病机制方面的应用在农林业方面的应用Affymetrix