《医学生物化学》课件第19章-组学与医学.ppt
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1、学习要点学习要点1.掌握各掌握各“组学学”的主要研究内容。掌握基因的主要研究内容。掌握基因组学主要包括哪几个学主要包括哪几个领域,各自的主要任域,各自的主要任务。2.熟悉熟悉转录组学研究受到学研究受到时间和空和空间的限定,不的限定,不同的生同的生长时期和期和环境、不同境、不同组织,其,其转录组都都存在差异。熟悉蛋白存在差异。熟悉蛋白质组学研究与基因学研究与基因组学研学研究的差究的差别。3.了解基因了解基因诊断的概念、特点和主要断的概念、特点和主要检测技技术。了解基因治了解基因治疗的分的分类和基本治和基本治疗过程。程。中心法则中心法则 遗传信息从信息从DNA传递给RNA,再从,再从RNA传递给蛋
2、白蛋白质,即完成,即完成遗传信息的信息的转录和翻和翻译的的过程。程。何为何为“组学组学”?l“组学学”就是指研究就是指研究细胞、胞、组织或整个生物或整个生物体内某种分子(体内某种分子(DNA、RNA、蛋白、蛋白质、代、代谢物和其他分子)的所有物和其他分子)的所有组成内容的学科。成内容的学科。l分子生物学中,分子生物学中,组学主要包括:学主要包括:基因基因组学(学(genomics)转录组学(学(transcriptomics)蛋白蛋白组学(学(proteinomics)代代谢组学(学(metabolomics)其他其他组学,如脂学,如脂类组学(学(lipidomics)、免疫)、免疫组学学(i
3、mmunomics)、糖)、糖组学(学(glycomics)等等)等等 遗传信息传递的方向性遗传信息传递的方向性第一节第一节基基 因因 组组 学学Genomics基因组(基因组(genome)l一个一个细胞或生物体中一套完整的胞或生物体中一套完整的单倍体的倍体的遗传物物质的的总和,它代表此生物体所具有和,它代表此生物体所具有的全部的全部遗传信息。信息。l对真核生物体而言,基因真核生物体而言,基因组是指一套完整是指一套完整单倍体倍体DNA(染色体(染色体DNA)及)及线粒体或叶粒体或叶绿体体DNA的全部序列,既有的全部序列,既有编码序列,也序列,也有大量存在的非有大量存在的非编码序列。序列。基因
4、组学(基因组学(genomics)指指对基基因因进行行基基因因作作图、核核苷苷酸酸序序列列分分析析、基基因因定定位位、基基因因结构构与与功功能能的的关关系系,以以及及基基因因间相相互互作作用用的的科科学学,即即研研究究基基因因结构构和和功功能的科学。能的科学。一、基因组学包括结构基因组学、功能基因一、基因组学包括结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学组学和比较基因组学l基因组学实际上包括基因组学实际上包括3个不同的研究亚领域:个不同的研究亚领域:结构基因构基因组学(学(structural genomics)功能基因功能基因组学(学(functional genomics)比比较基因基因组学
5、(学(comparative genomics)亚亚 领领 域域主主 要要 任任 务务 结构基因组学结构基因组学人类基因组作图(遗传图谱、物理图谱、序列图谱以及转人类基因组作图(遗传图谱、物理图谱、序列图谱以及转录图谱)和大规模录图谱)和大规模DNA序列,揭示人类基因组的全部序列,揭示人类基因组的全部DNA序列及其组成序列及其组成。功能基因组学功能基因组学利用结构基因组所提供的信息,注释、分析整个基因组所利用结构基因组所提供的信息,注释、分析整个基因组所包含的基因、非基因序列及其功能。包含的基因、非基因序列及其功能。比较基因组学比较基因组学模式生物基因组之间或与人基因组之间的比较和鉴定,为模式
6、生物基因组之间或与人基因组之间的比较和鉴定,为研究生物进化和预测新基因提供依据。研究生物进化和预测新基因提供依据。二、人类基因组二、人类基因组DNA序列的确定是结构基因序列的确定是结构基因组学研究的基础组学研究的基础l结构基因构基因组学学(structural genomics)是通是通过HGP的的实施来完成的。施来完成的。lHGP的内容就是制作高分辨率的人的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理和物理图,最,最终完成人完成人类和其他重要模和其他重要模式生物全部基因式生物全部基因组DNA序列序列测定,因此定,因此HGP属于属于结构基因构基因组学范畴。学范畴。(一)遗传图谱是建立不同编码基因在具
7、体(一)遗传图谱是建立不同编码基因在具体染色体上线性排列图染色体上线性排列图l遗传图(genetic map)又称)又称连锁图(linkage map),是指基因根据重),是指基因根据重组频率在染色体上的率在染色体上的线性性排列或分布。排列或分布。lHGP中所中所说的的遗传制制图(genetic mapping)是指)是指主要利用基因之主要利用基因之间的的遗传连锁关系确定关系确定遗传标志位志位点在同一条染色体上的点在同一条染色体上的线性排列性排列顺序以及它序以及它们之之间的相的相对遗传距离,距离,单位位为厘摩厘摩尔根(根(centi-morgen,cM),即每次减数分裂两个),即每次减数分裂两
8、个遗传标志之志之间的重的重组频率率为1%时,图距即距即为1cM。(二)物理图谱是构成基因组的全部基因的(二)物理图谱是构成基因组的全部基因的排列和间距的信息图排列和间距的信息图lHGP中的物理中的物理图(physical map)通)通过对构成基因构成基因组的的DNA分子分子进行行测定而定而绘制的,是指染色体上制的,是指染色体上诸如限制性核如限制性核酸内切酸内切酶识别位点,或序列位点,或序列标志位点(志位点(sequence tagged sites,STSs)等)等标志的位置志的位置图。位点之。位点之间的距离以的距离以bp(碱基(碱基对)来表示。)来表示。lDNA物理物理图谱是指是指DNA链
9、的限制性的限制性酶切片段的排列切片段的排列顺序,序,即即酶切片段在切片段在DNA链上的定位。上的定位。lDNA物理物理图谱是是顺序序测定的基定的基础,也可理解,也可理解为指指导DNA测序的序的蓝图。广。广义地地说,DNA测序从物理序从物理图谱制作开始,制作开始,它是它是测序工作的第一步。序工作的第一步。(三)大规模测序基于(三)大规模测序基于BAC克隆技术和全基克隆技术和全基因组鸟枪法这两种基本策略因组鸟枪法这两种基本策略1BAC克隆系的构建是大克隆系的构建是大规模模DNA测序的基序的基础 BAC是是一一种种装装载DNA大大片片段段的的克克隆隆载体体系系统,用用于于人人、动物物和和植植物物基基
10、因因组文文库构构建建。BAC具具有有插插入入片片段段较大大(数数kb 数数百百 kb)、嵌嵌合合率率低低、遗传稳定性好、易于操作等定性好、易于操作等优点。点。(三)大规模测序基于(三)大规模测序基于BAC克隆技术和全基克隆技术和全基因组鸟枪法这两种基本策略因组鸟枪法这两种基本策略l在一定作在一定作图信息基信息基础上,上,绕过大片段大片段连续克隆克隆系的构建而直接将基因系的构建而直接将基因组分解成小片段随机分解成小片段随机测序,利用超序,利用超级计算机算机进行行组装。装。l鸟枪法是大法是大规模模测序的重要方法。序的重要方法。l近年来,近年来,测序技序技术已已经从从BAC的策略的策略转向全基向全基
11、因因组鸟枪法。法。2鸟枪法是大法是大规模模DNA测序的重要方法序的重要方法(四)生物信息学是预测基因组结构和功能(四)生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段的重要手段 生生物物信信息息学学的的发展展促促进了了生生物物信信息息数数据据库的的建建设、生物学数据的、生物学数据的检索、索、处理和利用。理和利用。三大生物信息中心:三大生物信息中心:美国国家生物技美国国家生物技术信息中心(信息中心(NCBI,http:/www.ncbi.nih.gov)欧洲生物信息研究所(欧洲生物信息研究所(EBI,http:/ebi.ac.uk)日本日本DNA数据数据库(DDBJ,http:/www.ddbj.ni
12、g.ac.jp)GenBank(http:/www.ncbi.nih.gov/Genbank)是)是NIH的基因序列数据的基因序列数据库,包含所有已知的核苷酸及蛋白,包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、序列、以及与之相关的生物学信息和参考文献,是世界上的以及与之相关的生物学信息和参考文献,是世界上的权威序威序列数据列数据库。三、人类功能基因组学研究的主要任务三、人类功能基因组学研究的主要任务(一)(一)寻找、找、鉴定定DNA序列中基因序列中基因(二)研究基因生物学功能及其在体内的表达(二)研究基因生物学功能及其在体内的表达调节特点特点是基因功能注是基因功能注释的主要任的主要任务(三)基因或(三)
13、基因或DNA序列同源搜索可研究同源基因功能上序列同源搜索可研究同源基因功能上或或DNA序列的演化关系序列的演化关系它它从从整整体体水水平平上上研研究究一一种种组织或或细胞胞在在同同一一时间或或同同一一条条件件下下所所表表达达基基因因的的种种类、数数量量、功功能能及及在在基基因因组中中的的定定位位,或或同同一一细胞在不同状胞在不同状态下基因表达的差异。下基因表达的差异。四、比较基因组学的研究任务四、比较基因组学的研究任务l基因基因组比比较研究是探索生物研究是探索生物进化、推化、推测人人类基基因疾病机制的重要手段。因疾病机制的重要手段。l利用模式生物基因利用模式生物基因组与人与人类基因基因组之之间
14、编码顺序上和序上和结构上的同源性,克隆人构上的同源性,克隆人类疾病基因,疾病基因,可以推可以推测和揭示人和揭示人类基因功能和疾病分子机制基因功能和疾病分子机制五、人基因组的新特点为认识疾病提供丰富五、人基因组的新特点为认识疾病提供丰富资料资料l人人类基因基因组基因基因编码DNA序列的众多特点逐一被序列的众多特点逐一被发现,如基因数量比,如基因数量比预测少得惊人、基因少得惊人、基因组中存中存在在“热点点”和大片和大片荒漠荒漠、大部分人、大部分人类遗传疾病疾病是在是在Y染色体上染色体上进行的等等行的等等 l为认识临床医学床医学发病机理提供丰富的病机理提供丰富的资料料第二节第二节转转 录录 组组 学
15、学Transcriptomics 转录组(transcriptome)指生命)指生命单元元(通常是一种(通常是一种细胞)所能胞)所能转录出来的可直接参出来的可直接参与蛋白与蛋白质翻翻译的的mRNA(编码RNA)总和,而和,而其他所有非其他所有非编码RNA均可均可归为RNA组(RNome)。)。转录组学学(transcriptomics)是是在在整整体体水水平平上上研研究究细胞胞编码基基因因转录情情况况及及转录调控控规律的科学。律的科学。一、转录组学是从一、转录组学是从RNA水平研究基因表达情水平研究基因表达情况及转录调控规律的科学况及转录调控规律的科学l研究特殊研究特殊阶段、段、环境、状境、状
16、态下下细胞或胞或组织在在转录水平表达水平表达谱的的变化,从而揭示基因化,从而揭示基因组中究竟是哪(些)个基因功能与某一生中究竟是哪(些)个基因功能与某一生命命现象或病理状象或病理状态相关。相关。二、基因芯片等技术是转录组学研究的二、基因芯片等技术是转录组学研究的重要手段重要手段转录组研究的主要技术:转录组研究的主要技术:基因芯片基因芯片基因表达系列分析(基因表达系列分析(SAGE)大大规模平行信号模平行信号测序系序系统(MPSS)三、转录谱提供基因表达的信息三、转录谱提供基因表达的信息 l 转录谱可以提供特定条件下某些基因表达可以提供特定条件下某些基因表达的信息的信息l转录组差异表达差异表达谱
17、的建立可用于辨的建立可用于辨别细胞胞的表型的表型归属、疾病的属、疾病的诊断和断和对原原发性性恶性性肿瘤等疾病的分型瘤等疾病的分型第三节第三节蛋蛋 白白 质质 组组 学学Proteomics蛋白蛋白质组学学(proteomics)是在大是在大规模模水平上研究蛋白水平上研究蛋白质的特征,包括蛋白的特征,包括蛋白质的表的表达水平,翻达水平,翻译后的修后的修饰,蛋白,蛋白质与蛋白与蛋白质相相互作用等,由此互作用等,由此获得蛋白得蛋白质水平上的关于疾水平上的关于疾病病发生、生、细胞代胞代谢等等过程的整体而全面的程的整体而全面的认识。一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质的组一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质
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- 医学生物化学 医学 生物化学 课件 19