功能基因组学及其研究方法

关于功能基因组学及其研究方法

基因组(genome)是德国遗传学家H.Winkler在1920年将gene（基因）和chromosome(染色体)两个词缩合而创造的一个新词，意思是指染色体上的全部基因。几十年来，随着分子生物学的发展，其含义扩展为在个体水平代表一个个体所有遗传性状的总和，在细胞水平代表一个细胞所有不同染色体（单倍体）的总和，在分子水平代表一个物种所有DNA分子的总和。

一、基因组学概念第2页,共51页，2024年2月25日，星期天基因组学（genomics）

研究生物基因组的结构和功能的科学，即从整体水平上来研究一个物种的基因组的结构、功能及调控的一门科学。

1986年提出，至今20年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。第3页,共51页，2024年2月25日，星期天基因组学研究的最终目标

获得生物体全部基因组序列;

鉴定所有基因的功能;

明确基因之间的相互作用关系;

阐明基因组的进化规律.

第4页,共51页，2024年2月25日，星期天第5页,共51页，2024年2月25日，星期天基因组学包括2-3个亚领域

亚领域内容结构基因组学整个基因组的遗传制图、物理制图、DNA测序；

功能基因组学认识、分析整个基因组所包含的基因、非基因序列及其功能；蛋白质组学

研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律。第6页,共51页，2024年2月25日，星期天结构基因组学结构基因组学，顾名思义，就是研究生物基因组结构的科学。它是基因组研究的第一阶段的工作，建立功能基因组学的基础。其主要目标是绘制生物的遗传图（geneticmap）、物理图（physicalmap）、转录图（transcriptmap）和序列图（sequencemap）。基因组测序是结构基因组学最基本的研究工作。结构基因组学(structuralgenomics)是通过人类基因组计划(HumanGenomeProject,HGP)的实施来完成的。结构基因组学第7页,共51页，2024年2月25日，星期天HGP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物全部基因组DNA序列测定。自1990年开始实施人类基因组计划以来，在它的影响下，迄今已完成了400多个物种的基因组DNA序列的测定，其中包括流感嗜血杆菌、大肠杆菌、酵母、秀丽线虫等多个病原微生物和模式生物以及人类基因组的测序。结构基因组学第8页,共51页，2024年2月25日，星期天模式生物是指一类被深入研究旨在揭示特定生命现象普遍规律的生物物种。大多数生物学过程在长期的进化过程中是高度保守的，因此，许多生物学过程在大多数或所有的模式生物中都是类似的，模式生物也因此在生物学研究中具有不可替代的重要作用。第9页,共51页，2024年2月25日，星期天

人类基因

组计划第10页,共51页，2024年2月25日，星期天基因定位基因组作图测定核苷酸序列结构基因组学第11页,共51页，2024年2月25日，星期天TheE.coligenome第12页,共51页，2024年2月25日，星期天AportionoftheE.colichromosomeshowinggenesandoperons.

Adotindicatesthepromoterforeachgeneoroperon.Arrowsandcolorindicatethedirectionoftranscribtion:darkbluegenesaretranscribedlefttoright,lightbluearetranscribedrighttoleft.Overlappinggeneareshowningreen.第13页,共51页，2024年2月25日，星期天功能基因组学

概念：利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能的学科。近年来应用计算机生物信息技术，分析研究已测序完DNA序列的生物基因组后，发现了未知功能的许多基因，这促进了基因定位和基因表达调控的研究。但目前功能基因组学的研究，还只局限于RNA水平。今后随着蛋白质分析技术的发展，例如，高效和超高灵敏度的双向凝胶电泳、色谱仪的出现，人们有可能在蛋白质水平上，分析基因组中基因间的相互作用，进而进一步地丰富和发展功能基因组学。第14页,共51页，2024年2月25日，星期天主要具体内容包括以下方面（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索预测基因功能（三）实验性研究基因功能（四）描述基因表达模式（五）蛋白质相互作用的模式第15页,共51页，2024年2月25日，星期天（一）鉴定DNA序列中的基因计算机对基因组序列(DNA序列)进行分析，包括鉴定和描述推测的基因、非基因序列及其功能。

第16页,共51页，2024年2月25日，星期天根据序列分析搜寻基因

查找开放阅读框（openreadingframe,ORF）开放阅读框都有一个起始密码子，ATG，还要有终止密码子。从ATG开始，然后向下游寻找终止密码子。起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被3整除每一条链都有3种可能的阅读框，2条连共计有6种可能的阅读框.第17页,共51页，2024年2月25日，星期天（二）同源搜索设计基因功能同源基因在进化中来自共同的祖先，通过核苷酸序列或氨基酸序列的同源性比较推测基因组内相似功能的基因。同源基因起源于同一个祖先，在不同的物种中结构和功能相同或相似的基因。第18页,共51页，2024年2月25日，星期天同源查询的依据

有亲缘关系的物种，基因组可能存在某种程度的相似性：存在某些完全相同的序列；ORF演绎的氨基酸序列相似；ORF的排列相似，如等长的外显子；模拟的多肽链的高级结构相似，等。第19页,共51页，2024年2月25日，星期天生物信息学(bioinformatics)是运用计算机技术和信息技术开发新的算法和统计方法，对生物实验数据进行分析，确定数据所含有的生物学意义，并开发新的数据分析工具以实现对各种信息的获取和管理的学科。利用生物信息学能够分析从微生物、动物、植物以及人类基因组序列测定产生的大量资料，阐明遗传信息。

研究内容两大类：DNA数据分析；蛋白质数据分析。第20页,共51页，2024年2月25日，星期天DNA序列分析基因结构域分析，包括启动子、转录因子结合序列、内含子、外显子、重复序列、开放读码框架等。同源分析和检索，包括DNA数据库、EST数据库、STS数据库、Unigene数据库、Swissprot数据库等。第21页,共51页，2024年2月25日，星期天蛋白质的数据分析蛋白质一级结构分析：结构特点分析，包括等电点、信号肽、穿膜区、DNA结合序列等同源分析和检索，包括Nr数据库、Swissprot数据库等功能区分析，包括Prosite、Emotif、Identify分析等。蛋白质空间结构分析：蛋白质晶体结构数据库检索，如PDB数据库。蛋白质空间结构预测，如Homology等软件分析。第22页,共51页，2024年2月25日，星期天（三）实验性研究基因功能基因克隆基因敲除（knock-out）

转座子插入突变

基因的超表达反义RNA技术

RNAi

第23页,共51页，2024年2月25日，星期天基因克隆的策略基因文库—传统方法PCR扩增–后基因组时代第24页,共51页，2024年2月25日，星期天基因敲除技术（geneknockout)通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基因敲入,基因替换），然后从整体观察生物体，从而推测相应基因的功能。这种人为地把生物体某一种有功能的基因完全缺失的技术称为基因敲除技术。第25页,共51页，2024年2月25日，星期天基因替换转座子诱变整合突变自杀质粒介导的缺失突变第26页,共51页，2024年2月25日，星期天（四）描述基因表达模式采用DNA微点阵进行整体基因表达谱--转录组分析；采用蛋白质或多肽微点阵、改进的双向电泳结合飞行质谱技术分析蛋白质表达谱--蛋白质组分析。第27页,共51页，2024年2月25日，星期天转录组(transcriptome):

一个细胞内的一套mRNA转录物，包含了某一环境条件、某一生命阶段、某一生理或病理(功能)状态下，生命体的细胞或组织所表达的基因种类和水平。第28页,共51页，2024年2月25日，星期天转录组学的研究方法－DNA芯片技术第29页,共51页，2024年2月25日，星期天基因表达谱类型:1，组织、细胞表达谱2，差异的组织、细胞表达谱3，诱导的细胞表达谱表达谱专用技术:1，SAGE分析2，生物芯片技术(基因芯片，细胞芯片，组织芯片)3，其它第30页,共51页，2024年2月25日，星期天SerialAnalysisofGeneExpression(SAGE)用于定量地、平行地分析大量的转录本。若要知道一种组织，器官或细胞的基因表达谱，首先从组织细胞里分离出短的诊断性Tags，归类并克隆。测定数千个克隆的DNA序列就可以了解代表这种组织、器官或细胞的功能的基因表达谱。所以SAGE提供了一种广泛应用的工具，定量地分析比较各种正常组织细胞，各种发育状态和各种病理状态下的基因表达谱。/网站搜集了大量的SAGE供研究者检索。SerialAnalysisofGeneExpression(SAGE)第31页,共51页，2024年2月25日，星期天SequencingthausandstagsLivercDNAExpresssequencetagcloningDeterminingageneexpressionpatterncharacteristicofliver’sfunctionmRNA第32页,共51页，2024年2月25日，星期天基因芯片技术信息时代的产物90年代兴起的一项前沿生物技术横跨：生命科学、物理学、计算机科学、微电子技术光电技术、材料科学等现代高科技高度集约化高灵敏度大通量平行分析第33页,共51页，2024年2月25日，星期天DNA微列阵(DNAmicroarrays)是利用DNA芯片技术，同时进行大量分子杂交，以分析比较不同组织或器官的基因表达水平，筛选突变基因，从核酸水平分析基因表达模式。是后基因组学研究中的重要方法之一。第34页,共51页，2024年2月25日，星期天基因芯片发展历史Southern&NorthernBlotDotBlotMacroarrayMicroarray第35页,共51页，2024年2月25日，星期天第36页,共51页，2024年2月25日，星期天

其基本原理是将一系列的核酸片段固定在芯片载体上作为固相靶片段（target），待测的核酸片段人工标记上不同的荧光、或同位素等作为探针（probe），一定条件下两者杂交，根据杂交后不同的信号即可获得靶片段的信息，进行计算机分析。第37页,共51页，2024年2月25日，星期天制备靶片段结果观察，信息分析制备固相探针对照组（组织，细胞）实验组（组织，细胞）提取mRNA提取mRNACy5标记Cy3标记杂交第38页,共51页，2024年2月25日，星期天扫描图第39页,共51页，2024年2月25日，星期天蛋白质组(proteom)：一个细胞内的全套蛋白质，反映了特殊阶段、环境、状态下细胞或组织在翻译水平的蛋白质的表达谱。基因是遗传信息的携带者,而全部生物功能的执行者却是蛋白质,仅仅从基因的角度来研究是远远不够的。第40页,共51页，2024年2月25日，星期天蛋白质组学(proteomics)研究细胞内蛋白质组成及其活动规律。旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式,内容包括鉴定蛋白质表达、存在方式、结构、功能和相互作用方式等。第41页,共51页，2024年2月25日，星期天蛋白质组学比基因组学更为复杂：DNA线状结构与二级结构的功能差异不大，但多肽链需折叠成一定的三维空间结构才形成有功能的蛋白质；同一种蛋白质经不同的加工修饰可形成不同的功能，因此蛋白质的多样性远复杂于基因本身。第42页,共51页，2024年2月25日，星期天蛋白质组学的研究方法双向电泳（twodimensionelectrophoresis,2-DE）：蛋白质具有等电点和分子量的特异性，将蛋白质混合物在电荷（等电聚焦，IEF）和分子量（变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，SDS）两个水平上进行分离。第43页,共51页，2024年2月25日，星期天第44页,共51页，2024年2月25日，星期天MolecularsIons

生物质谱技术

MassSpectrometry：通过测定样品离子的质荷比（m/z）来进行成分和结构分析。第45页,共51页，2024年2月25