免疫组学课件

免疫组学2024/1/62课程介绍课程安排:理论课授课对象：主要面向硕士研究生考试安排：5道问答题参考资料：课件、参考书、参考文献

user:classpwd:class2024/1/63本次课程内容免疫学导言概念;中心法则;免疫系统;免疫细胞；分子免疫学免疫组学概念；主要研究内容2024/1/64免疫学导言1。免疫学概念

Immunitas

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Latinmeaning“exempt”:免除劳役或税赋研究机体抵抗疾病（免疫力）的科学

2024/1/65与人类健康相关的很多疾病与免疫系统密切相关：感染、自身免疫病、肿瘤、变态反应、心血管病、神经系统疾病等。2024/1/66免疫相关疾病发生的三个条件FathmanDiseases2024/1/67疫苗和抗体的应用标志着免疫学对促进人类健康的巨大贡献AIDS、SARS、禽流感、甲型H1N1流感及新的突发传染病的威胁对当代免疫学的产生重要影响人类基因组计划的完成推动了当代免疫学发展，形成免疫组学（Immunomics）研究的新领域。2024/1/68

2。免疫学的中心法则:

识别“自己”（Self）

“非己”（Nonself）2024/1/693。免疫系统（Immunesystem）免疫系统历经数亿年的进化，形成复杂的精细调控系统，发挥机体的军队和警察的作用，参与：防御(defence)、自稳(hemeostasis)、监视(surveillance)2024/1/610免疫系统的组成

2024/1/611免疫系统的功能2024/1/612免疫系统的两道防线天然(固有)免疫（InnateImmunity）

机体天然存在直接抵抗外来侵袭的免疫系统，包括皮肤粘膜、吞噬细胞、NK细胞、补体、模式识别受体等。2024/1/6132024/1/614获得性免疫（AdaptiveImmunity）机体特异性识别和排除抗原的免疫系统，具有记忆性的特点，包括T、B细胞、抗体等2024/1/615HumoralImmunity&CellularImmunity2024/1/616免疫细胞2024/1/617BCells-PlasmaCells2024/1/618CytotoxicTCell(CD8+)

Thekissofdeath细胞毒性T细胞（Tc，CytotoxicTcell；CTL，CytotoxityTlymphocyte）：具有特异性杀伤靶细胞作用的T细胞2024/1/619HelperTCells(CD4+)辅助性T细胞：具有辅助免疫细胞行使功能作用的T细胞（Th)2024/1/620Th1-Th2细胞2024/1/621

调节性T细胞（Tr，Tregulatorycell）

CD4+CD25+Foxp3+，参与免疫应答的负调节和免疫耐受2024/1/622Th17cells

产生白细胞介素17（IL-17）的CD4+T细胞,在自身免疫性疾病中发挥重要作用2024/1/623Th细胞的新分类2024/1/6242024/1/625Naturalkillercells2024/1/6262024/1/627树突状细胞（Dendriticcell，DC）

形态学呈现多分枝形状，具有抗原呈递功能的细胞。2024/1/6282010年美国FAD批准的前列腺癌树突状细胞治疗剂Provenge

2024/1/629

单核巨噬细胞（Monocyte-macrophage，Mφ）参与天然免疫，具有吞噬功能的白细胞，存在血中为单核细胞，游走到组织为巨噬细胞。

Mononuclearcell：单个核细胞（Mφ+Ly）2024/1/6302024/1/631

4。分子免疫学(MolecularImmunology)

从核酸和蛋白质的分子水平上探讨免疫调节的机理，为免疫分子的临床应用奠定基础.2024/1/632

分子免疫学发展的三个时期：1）60年代-70年代末：蛋白质化学2）80年代初到90年代末：分子生物学3）2000年起：基因组学和免疫组学2024/1/633

免疫组学（Immunomics）

2024/1/634免疫组（Immunome）：免疫系统的全套分子免疫组学（Immunomics):利用组学（omics)技术研究免疫系统的全套分子库(repertoires)、它们的作用靶分子及其功能。免疫组学（Immunomics）=免疫基因组学（Immunogenomics）+免疫蛋白质组学（Immunoproteomics）+免疫信息学（Immunoinformatics）

1。免疫组学概念2024/1/635免疫组学和免疫组的概念最早是在1999年由Pederson教授在奥斯陆举行的自身免疫国际会议上首次提出，但当时的免疫组学定义只局限于研究抗体和TCR。随着人类基因组计划完成，免疫组学概念已经扩展到免疫系统全套分子。

2024/1/636人类免疫系统惊人的多样性>1013MHCClassI单体型>109

αβ-TCR&>105

λδ-TCR1011

线性抗原表位(Epitope)>>1011构象型抗原表位>1011-12抗体多样性2024/1/637GenomicsvsImmunonics基因组和蛋白质组:25000个基因编码约100万蛋白免疫组:

人类1000-3000个免疫相关基因编码>1013

不同序列的蛋白，其中的抗体、T细胞抗原受体（TCR）、主要组织相容性复合体（MHC）具有高度多样性和多态性2024/1/638免疫组学强调在基因组学和蛋白质组学研究的基础上，充分利用生物信息学、生物芯片、系统生物学、结构生物学、高通量筛选等技术，大规模开展免疫系统和免疫应答分子机理研究，发现新的免疫分子，为全面系统了解免疫系统和免疫应答提供基础。

2024/1/639在澳大利亚成立了国际免疫组学会（TheInternationalImmunomicsSociety，IIMMS）已经出版了免疫组研究杂志（ImmunomeResearch）2004年10月：第一届国际基础与临床免疫基因组学会议2006年10月：召开第二届会议，更名为“免疫基因组学和免疫组学大会”

CellImmunol2006,Volume244,Issue22024/1/640HudsonAlpha—NatureConferenceonImmunogenomics

October1-3,2012,TheJacksonCenter,Huntsville,AL,USA

Large-scaleimmunesequencingprojectsoftherepertoireofT-andB-celldiversity,andclinicalimplicationsEpigeneticsandtheimmunesystemDevelopmentallineageofimmunecellsGeneticandenvironmentalcontributionstoautoimmunityDrugdevelopmentforautoimmuneconditionsPharmacogenomicsandtheimmuneresponseGeneregulationandcell-typeidentityHigh-resolutiontranscriptomeanalyses2024/1/641

免疫功能基因组学免疫疾病基因组学肿瘤免疫组学病原体免疫组学基于基因组的新型免疫药物免疫信息学

……2。免疫组学的主要研究内容2024/1/642

以全基因组为背景，开展人类免疫相关基因及其编码蛋白的功能研究。免疫功能基因组学2024/1/6432024/1/6431990年启动人类基因组计划；2000年完成了人类基因组的工作框架图；2003年完成精细图;2006年完成全部染色体的注释。2024/1/6442024/1/6442013年报道的H-InvDB的统计:已注释35,631个人类蛋白编码基因,有文献支持功能研究的基因只有16,128个

人类基因组有多少免疫基因？TheImmunologyDatabaseandAnalysisPortal(ImmPort)

数据库纳入5973个基因/immportWeb/queryref/referenceHomePage.do2024/1/6452024/1/646Cambridge大学的免疫基因相关信息数据库（TheImmunogeneticRelatedInformationSource，IRIS）包括1562基因，大约代表7%人类基因组基因。实际免疫相关基因数量应该至少1倍以上。KelleyJetal:Genomics.2005，85:5032024/1/647芬兰Tampere大学的Immunome数据库收录893个免疫基因(http://bioinf.uta.fi/Immunome/):OrtutayC,VihinenM.Immunomeknowledgebase(IKB):anintegratedserviceforimmunomeresearch.BMCImmunol.2009Jan9;10:3.2024/1/648功能基因组研究策略传统生物学策略生物活性蛋白质基因细胞动物模型人体内功能及与疾病关联反向生物学策略DNA

蛋白质细胞动物模型人体内功能及与疾病关联疾病标本DNA致病基因或易感基因分析蛋白质细胞动物模型人体内功能及与疾病关联2024/1/649

如何发现新的免疫分子？

1。免疫分子序列同源性分析和基因Cluster分析

2。免疫细胞基因和蛋白表达谱分析

3。免疫相关疾病的易感基因或致病基因分析

4。利用免疫细胞筛选模型，开展基因表达文库或RNAi文库的功能筛选2024/1/650新的白细胞介素列表（IL19-IL38)2024/1/651细胞筛选技术生物信息学基因芯片酵母双杂交蛋白质组学结构基因组学动物体内实验基因敲除转基因小鼠功能研究药物开发研究其它应用研究免疫细胞筛选技术在发现免疫分子研究的重要位置2024/1/6522024/1/653High-throughputscreeningsystembasedon“Luc”2024/1/654High-throughputscreeningsystembasedon“GFP”2024/1/655High-throughputscreeningsystem2024/1/656

利用组学技术研究单基因遗传性免疫疾病和多基因相关的复杂性免疫疾病。免疫疾病基因组学2024/1/657

单基因遗传病(monogenicdisease)是单一的基因缺陷或突变导致的疾病。例如血友病、囊性肺纤维化、重症联合免疫缺陷，地中海贫血等，有数千种类型。其特征是有明显的家系发病规律。单基因遗传病的发病率很低，但种类多，在出生的活婴中的总体发病率可高达3.6/1000

通过致病基因检测,可以进行产前诊断2024/1/658免疫系统的单基因遗传病举例2024/1/659利用遗传病家系进行致病基因连锁分析2024/1/660人类基因组计划明显促进单基因遗传病研究技术的发展我国有丰富的疾病资源，特别是一些我国特有的单基因遗传病家系，可提供良好的基础发现新的致病基因。目前我国已经在北京、上海、长沙等地建立了多个人类遗传资源库遗传病的产前诊断技术发展前景看好，但我国的该产业发展仍存在一系列问题。2024/1/661我国在国际上首次发现的部分致病基因

高频性耳聋致病基因（湘雅）遗传性乳光牙本质致病基因（医科院）短指症致病基因（上海交通大学）遗传性儿童白内障致病基因（中科院上海生物工程中心）儿童失神癫痫易感基因(北医)

原发性红斑肢痛症基因(北医)

家族性房颤致病基因（上海同济大学）毛发上皮瘤致病基因（安徽医科大学）腓骨肌萎缩综合症致病基因（上海交通大学）脊髓小脑性共济失调新致病基因（湘雅）舞蹈手足徐动症致病基因（湘雅）

2024/1/662

免疫系统的复杂性疾病是由于基因的变异加环境因素加免疫调节等因素的共同影响。基因的变异可以导致对疾病的易感性

免疫系统的复杂性疾病2024/1/6632024/1/663遗传与环境因素对不同疾病的影响2024/1/664人类的遗传个体差异与单核苷酸多态性（SNPs）和复制数量变异（CNVs)相关2024/1/665

单核苷酸多态性（SingleNucleotidePolymorphisms，SNPs）

不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异，平均每1000对硷基出现一个SNP,2个无关个体间有300万SNPs.

2024/1/666SNP在人群中的频率2024/1/667可能具有重要功能意义的SNP位于外显子区并改变氨基酸序列的SNP位于基因表达调控区如启动子、增强子、转录因子结合区、加尾信号的SNP位于外显子和内含子交界区域的SNP2024/1/6682024/1/668人类基因组的大片断变异--复制数量变异

Copynumbervariation(CNV)不同个体之间1000以上碱基对的变异称为CNV。根据最新DNA测序分析，个体间存在1000以上不同的CNVs。ABCACABCBBperson1person2person32024/1/669免疫组基因变异的数量HumMutat.2012May23.doi:10.1002/humu.22125.[Epubaheadofprint]2024/1/670未来的预防医学可以通过基因分析，提供疾病易感性预测，有选择地改变生活习惯或生活环境，减少疾病发生2024/1/671

候选基因的DNA序列分析全基因组关联性研究(GWAS)全基因组测序(WGS)或全基因组外显子测序(WES)SNP研究的主要技术2024/1/672复杂性疾病的全基因组关联性研究(genome-wideassociationstudy)2024/1/6732024/1/673/gwastudies/2024/1/674DNA序列分析技术的快速发展2024/1/675个人基因组全序列分析DNA双螺旋结构发现者之一沃森2007年5月31日收到一张含有他基因组全部信息的光盘,成为世界上首位获得基因组图谱的个人，这份奖品也被很多媒体称为个人“生命天书”。“I’mthrilledtoseemygenome,”Dr.Watsonsaid.

2024/1/676低价“自绘”个人基因组图谱NatureBiotechnology2009年8月报道:

美国斯坦福大学教授StephenQuake在两名同事的帮助下，利用一台冰箱大的单分子测序仪器，花费5万美元,测定了自身的基因组序列，绘制了个人基因组图谱。2024/1/6772024/1/6771000GenomesProject2008年启动，计划完成2600人基因组测序，至2012年5月已完成1700个体的基因组测序，获得200TB数据，可供科学家免费下载。并列入美国“大数据（bigdata)计划”/1000genomes/2024/1/6782024/1/678100,000genomesProject英国首相卡梅尔于2012年12月10日宣布了一项雄心勃勃的计划，为10万名患有癌症和罕见疾病的英国病人进行全基因组测序。英国政府的国家医疗服务体系（NHS）已经拨款1亿英镑（约合1.6亿美元）用于这项计划。这项测序计划预计将花费3到5年的时间。2024/1/6791000-dollargenomeIonProtonSequencerLifeTechnologies公司2012年1月宣布开发成功新测序仪IonProtonSequencer，可在2小时完成20亿对碱基测序，材料费1000美元。2024/1/6802024/1/680DNA测序成本的下降速度超出了摩尔定律2024/1/6812024/1/681基因组测序技术市场2024/1/682外显子捕获技术2024/1/683截至2012年2月的总结，至少有46篇报道全外显子组测序Whole-exomeresequencing(WES)发现疾病基因的论文发表ClaudiaGonzaga-Jaureguietal:

HumanGenomeSequencinginHealthandDisease.AnnualReviewofMedicine,2012,63:35-612024/1/684新一代测序技术的免疫组库（immunerepertoire)分析韩健博客(/jianhan1)2024/1/685免疫组库研究的意义韩健博客(/jianhan1)2024/1/686

利用基因组学、转录组学及蛋白质组学等相关的高通量技术开展肿瘤抗原谱及免疫应答分子谱的研究.肿瘤免疫组数据库/CancerImmunomeDB/

肿瘤免疫组学（Cancerimmunomics）2024/1/687肿瘤免疫组学研究的主要技术OMICS.2011Sep;15(9):579-882024/1/688利用免疫组学技术开发的肿瘤免疫治疗临床方案OMICS.2011Sep;15(9):579-88MiningthesHLAimmunopeptidome.HickmanHD,YewdellJWPNAS2010;107:18747-18748©2010byNationalAcademyofSciences2024/1/690规模化分析病原体的免疫表位(Epitope)谱美国NIH投入5亿美金支持EpitopeMappingProject病原体免疫组学Discontinuous&

Linear

Epitopes2024/1/691免疫表位和分析数据库TheImmuneEpitopeDatabaseandAnalysisResource(IEDB)

收集国际上发现所有B细胞表位和T细胞表位，促进免疫学家开展抗感染免疫的研究和疫苗及诊断试剂的开发。截止2013年9月已收录104,443个多肽表位,1931非多肽表位

/2024/1/692主要技术：噬菌体表面展示技术HLA转基因小鼠技术随机基因片段表达和抗原鉴定技术组合多肽技术四聚体表位作图技术（TetramerGuidedEpitopeMapping）MHC结合抗原肽预测技术抗原芯片等

2024/1/693抗原芯片技术2024/1/694属于基因组药物（Genome-baseddrug）范畴，利用反向生物学原理，根据人类基因序列数据，经生物信息学分析、高通量基因表达、高通量功能筛选和体内外药效研究开发得到的新型免疫药物。基于基因组的新型免疫药物2024/1/695人类基因组ORF组siRNA组基因过表达和siRNA封闭高通量细胞筛选单个基因功能研究药物和免疫靶标鉴定先导化合物筛选基因工程药物化学新药基因组药物开发的主要路线图和分工生物信息学基因治疗诊断标志/肿瘤疫苗人源化抗体目标产品开发研究国家中心各个功能实验室企业为主体2024/1/696人类基因组为药物开发提供了新源泉迄今已应用的人类药物靶标约500种，包括受体、酶、信号转导分子等。开发成功的药物约2000种。估计人类基因组中数万个基因中，2000-3000个基因产物可成为潜在的药物靶标2024/1/697

人类功能基因的新药开发用途1。基因工程药物（如细胞因子基因）2。药物靶标（如蛋白激酶基因）3。免疫靶标（如细胞膜受体）4。基因治疗靶基因（如抑癌基因）5。肿瘤疫苗靶基因（如肿瘤特异性抗原）2024/1/698

国际上至少已有31个利用基因组数据开发的新药进入临床，其中2个上市，5个进入III期临床Prolia(抗RANKL抗体):骨质疏松;2010年6月批准上市Benlysta（抗BLyS抗体）:SLE；2011年3月批准上市Atacicept(TACI-Ig可溶性受体）:SLEIL-24/MDA7腺病毒:转移性黑素瘤Darapladib(脂蛋白相关磷脂酶A2抑制剂)：冠心病DG-031：FLAP（5-lipoxygenaseactivatingprotein）抑制剂：心肌梗死Crizotinib:ALK融合基因抑制剂；治疗非小细胞肺癌进入临床的基因组药物2024/1/699Prolia(抗RANKL抗体)抑制破骨的功能，治疗骨质疏松，2010年上市，预计5年可达40亿美元销售额2024/1/6100BlyS(Blymphocytestimulator)用于治疗免疫缺陷性疾病，2000年6月进入I期临床实验2024/1/6101同位素标记的BlyS治疗B细胞淋巴瘤2024/1/6102抗BLyS抗体治疗系统性红斑狼疮（2011年3月批准上市）2024/1/6103BLyS可溶性受体(Atacicept)治疗系统性红斑狼疮2024/1/6104BLyS与其受体有可能作为新的小分子化合物作用靶标，建立细胞筛选模型，发现化学新药2024/1/6105免疫信息学（immunoinformatics）免疫信息学（Immunoinformatics）是生物信息学（Bioinformatics）的分支学科，是计算机科学与免疫学相结合的交叉学科，重点是利用计算机技术开展免疫学的生物信息学分析和计算

2024/1/6106例:T细胞抗原表位的生物信息学分析2024/1/6107网络T细胞表位预测工具

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