第11章-分子生态学与生物信息学前沿课件

第11章分子生态学与生物信息学前沿李永峰教授李巧燕研究生目录生物芯片技术

1基因诊断与治疗

2分子生态学与生物信息学研究进展

4发展我国分子生态学的几点建议

5虚拟细胞—人工生命的模拟３11.1生物芯片技术生物芯片技术通过缩微技术，根据分子间特异性的相互作用原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。

生物芯片通过微加工和微电子技术在固相基质表面构建微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物分子等进行准确、快速、高通量的检测。生物芯片的应用①检测基因的表达②研究生物体对逆境的反应③研究生物体对光线的反应生物芯片相关的技术微流体芯片技术生物芯片相关的技术微阵列芯片技术（如DAN芯片、蛋白质芯片、组织芯片和细胞芯片等。）微流体芯片技术微流体芯片①高通量；②分析速度快；③集成性；④能耗低，物耗少，污染小；⑤廉价且安全概念特点在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。生物芯片相关的技术在固相支持物上原位合成寡核苷酸探针，或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式有序的固化于支持物的表面，由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。DNA芯片技术利用DNA双螺旋序列的互补性，即两条寡聚核苷酸链以碱基之间形成氢键配对(A与T配对，形成两个氢键；G与C配对，形成三个氢键)。概念原理DNA芯片技术的步骤芯片的制备芯片制备的方法基本上可分为原位合成和直接点样两大类。样品的制备包括样品的分离纯化、扩增和标记等过程。杂交反应杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行反应所产生一系列信息的过程。

信号检测和结果分析杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关的生物信息。DNA芯片特点①基因诊断的速度显著加快；②检测效率高；③基因诊断的成本降低；④避免了交叉感染，假阳性率、假阴性率显著降低。分类应用①利用机械装置将cDNA序列或者其他PCR产物点在芯片上作为探针；②利用机械装置将事先合成的寡核苷酸链序列点在芯片上作为探针；③不事先合成寡核苷酸链，而直接在芯片上通过原位合成技术同时合成所有探针。基因诊断、基因表达水平的检测、药物筛选、检测突变和多态性进行遗传作图、DNA序列分析蛋白质芯片技术蛋白质芯片技术是继基因芯片之后发展起来的，以其高通量、微型化、集成化等特点，作为检测蛋白质存在和变化的高效工具，为蛋白质组学的研究提供了新的有力工具。芯片阵列的构建样品的制备芯片生化反应信号检测及分析蛋白质芯片技术的基本要点蛋白质芯片最典型制备是把蛋白质固定在用连接基团处理过的载玻片上或者没有连接基团的芯片上，蛋白质芯片主要有两种检测方法：标记检测和非标记检测。制备检测方法蛋白质芯片应用前景：蛋白质芯片提供了一种高通量的蛋白质分析技术，能够进行受体-配体的检测，多种感染因素筛查和肿瘤的诊断，了解蛋白质包括药物在内的小分子相互键合作用，从基因水平上寻找靶目标和靶药物。因此，蛋白质芯片在整个蛋白质组分分析以及在多蛋白质表达异常的遗传病诊断、治疗和新的药物发现方面具有广阔的应用前景。建立快速、廉价、高通量的蛋白质表达和纯化方法改进基质材料的表面处理技术以减少蛋白质的非特异性结合提高芯片制作的点阵速度；提供合适的温度和湿度以保持芯片表面蛋白质的稳定性及生物活性研究通用的高灵敏度、高分辨率检测方法，实现成像与数据分析一体化蛋白质芯片未来的发展重点组织芯片技术

组织芯片技术是以形态为基础的分子生物学新技术，可以做常规病理学的HE染色、各种免疫组织化学染色、组织化学染色、原位杂交、荧光原位杂交、原位PCR和原位RT-PCR等。组织芯片技术的优点：有助于减少实验误差2便于设置对照实验3有利于原始存档蜡块的保存。4可提高实验效率1人类组织芯片，其包括正常的组织芯片、疾病组织芯片、胚胎组织芯片、动物组织芯片；肿瘤组织芯片：包括多肿瘤组织芯片、肿瘤进展组织芯片、预后组织芯片。组织芯片技术

不仅用于正常的蛋白质组、基因组学的研究，也适用于疾病的基因和表达产物的诊断、预后、治疗等方面。另外组织芯片在基因探针筛选、单克隆抗体筛选、生物制剂的鉴定方面有着重要的途径。分类应用细胞芯片技术

细胞芯片技术是以活细胞作为研究对象的一种生物芯片技术。特点：通过活细胞分析,获得细胞相关分析信息1揭示细胞内一系列过程和原理的本质3在芯片上实现对活细胞的原位监测2细胞芯片技术1整合的微流体细胞芯片：是一种高度平行化、自动化的集成微型芯片装置。2细胞免疫芯片：是以细胞为研究对象,利用免疫学原理和微型化操作方法,实现对细胞样品的快速检测和分析。3微量电穿孔细胞芯片：采用一种微型装置,将细胞与芯片上的电子集成电路相结合。细胞芯片技术主要分为三类：返回11.2基因诊断与治疗概念基因诊断又称DNA诊断或分子诊断，通过分子生物学和分子遗传学的技术，直接检测出分子结水水平和表达水平是否异常，从而对疾病做出判断特点高度特异性、高灵敏度和精确性、早期快速、诊断范围广，适应性强、可用于非活体标本和DNA水平具有体细胞稳定性。基本方法①PCR/RDB法：②PCR检测缺失③PCR/限制性酶切法④甲基化特异性PCR基因诊断的常用技术方法限制性内切酶分析法1DNA限制性片断长度多态性分析2等位基因特异寡核苷酸探针杂交法3聚合酶链反应(PCR)4人体由于各种内在因素或外在因素启动了某种癌症基因或使抑癌基因发生抑制，打破了正常的免疫监视和免疫识别，使某些细胞获得恶性增长能力，导致人体某些组织或器官出现肿瘤。对许多已明确致病基因及其突变类型的遗传病诊断效果良好。即使不明确致病基因，也可利用遗传标志进行连锁分析来诊断某些遗传病。在人类免疫缺陷病毒的研究以及传染性非典型肺炎研究中，基因诊断技术又及时提供了大量重要信息，基因诊断技术为人类防治病毒性疾病提供了有力的武器。

基因诊断技术的应用在遗传病中的应用在肿瘤学中的应用在感染性疾病中的应用基因治疗把目的基因导入人体，通过在特定靶细胞中表达该细胞本来不表达或低表达或已异常突变而不表达的基因，或采用特定方式关闭、抑制异常表达基因，达到治疗疾病目的的治疗方法。（１）病毒载体（２）逆转录病毒载体（３）非病毒载体：分为裸露DNA和脂质体概念载体

1治疗性基因的选择2基因载体的选择3靶细胞的选择基因治疗的基本程序基因治疗４基因转移５外源基因表达筛检６回输体内基因治疗策略基因治疗按基因操作方式分为两类:一类为基因修正和基因置换，另一类为基因增强和基因失活基因治疗有两种途径即体外干细胞（exvivo）、体内干细胞（invivo）方式基因治疗的应用现状复合免疫缺陷综合征的基因治疗

1乙型血友病的治疗

2其它遗传病的基因治疗

3肿瘤的基因治疗4返回①它可以模拟人体细胞结构和功能；②它可以用于药物设计和虚拟试验；③它可以用于能源的开发和利用，推动仿生科学的进展虚拟细胞(virtualcell)亦称电子细胞它是应用信息科学的原理和技术11.3虚拟细胞—人工生命的模拟概念作用虚拟细胞的构建过程

1建立相关的数据库2设计与模拟3组装、测试和维护4由生物领域专家，选择建模的对象研究虚拟细胞的意义（1）在医学、生物学教育方面虚拟细胞以其生动和可视化的表现形式可代替和辅助传统医学生物学实验和教学可以生动、直观、透彻、逼真地重现细胞生命活动的各个环节。（2）在科学研究方面采用虚拟细胞可代替或辅助真实细胞进行各种科学研究。返回11.4分子生态学与生物信息学研究进展返回基于PCR和DNA指纹技术的分子生物学技术可以用于研究生物群落结构