基因组学及其相关组学.pptx

1、第八章,基因组学与蛋白质组学,易 发 平生物化学与分子生物学教研室,一、组学简介,（一）组学的概念“组学”（omics）是指研究细胞、组织或整个生物体内某种分子（DNA、RNA、蛋白质、代谢物或其他分子）的所有组成内容的学科总称。组学研究包括对基因组及 基因产物（转录组和蛋白质组）的系统生物学研究，随 后必然要上升到细胞机制、分子机制和系统生物学的水 平。,（二）各种组学名称及其分类,二、基因组学,狭义：即以基因组结构的解析为主要研究内容，包括基因组图谱（包括遗传图谱、物理图谱、转 录图谱）构建、全序列测定以及相关的新技术等，现在主要被称为结构基因组学（structural genomics）

2、。,广义：基因组学除了结构基因组学的研究内容外，还包括以解析整个基因组所包含的所有基因及其功能为核心研究目标的功能基因组学和以从进化角度来研究比较不同物种基因组差异的比较基因组学。,基因组学的内容,三、人类基因组计划,1.人类基因组计划的提出,1985年5月，美国能源部提出“人类基因组计划”(human genome project,HGP)草案；经过一番讨论后于1986年3月宣布实施这个草案；1986年3月7日，Dulbecco R 在Science上发表了一篇有关开展人类基因组计划的短文，引起了全世界的强烈反响，不仅推动了美国，也推动了全世界的人类基因组计划的发展；1988年2月，国家科学

3、研究委员会的专家成立了“国家人类基因组研究中心”，1990年10月1日美国国会正式批准的“人类基因组计划”。计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组的分析，即对人类3个核苷酸进行测序。,主要内容就是制作高分辨率的人类基因的遗传图、物理图和转录图，最终完成人类和其他重要模式生物全部基因组DNA序列的测定。,2.HGP的内容、任务,A.遗传图（genetic map）又称连锁图（linkage map），通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定它们的相对距离，即以具有遗传多态性的遗传标记作为“位标”，遗传学距离作为“图距”的基因组图，一般用厘摩（cM，即每次减数分裂的重组频率为1%）

4、来表示。,独立分配规律（3：1）,两对相对性状的连锁遗传,一对基因决定眼色：红眼-紫眼一对基因决定翅长：长翅-残翅结果：亲型配子多：多重组型配子 少：少,两对相对性状的连锁遗传,图谱构建中需要可以鉴别的标记，可用基因和DNA作为标记。基因标记：控制性状的基因DNA标记：限制性片段长度多态性（RFLP）、简单重复序列（STRs）、SNPs,人类基因组遗传图谱的构建,人类的遗传图谱是利用家系分析法，在对8个家系的134个成员 的分析中(186个减数分裂)，主要根据5264个STR标记绘制而成的。因为STR在每一百万个碱基中总有几个位点，而且每一个STR具有多个等位基因位点。利用这些家系的资料绘制第

5、1至22号染色体图谱。对于X染色体图谱，还利用了来自另外12个家系，170个成员(105个减数分裂)的资料绘制而成。最后，将5264个标记定位在 2335个位点，因为其中有些标记相距很近而作为一个位点，所以位点数小于标记数目。,物理图谱(physical map):是以一段已知核苷酸的DNA片段为“位标”，以DNA实际长度(Mb或Kb)作为图距的基因组图。转录图（transcription map）:是以表达序列标记(expressed sequence tags,EST)作为位标，实际上就是人类“基因图”的雏形，又称cDNA图或“表达序列图”。序列图(sequence map)：也就是人类基

6、因组核苷酸序列图，是分子水平上最高层次、最详尽的物理图。这四张图被誉为人类“分子水平上的的解剖图”或“生命元素周期表”，可见其重要性。,遗传图谱,基因图谱,序列图谱,物理图谱,100kb STSmap（序列标签位点）,1kb或 0.7cM,HGP的主要任务是人类的DNA测序，包括前面所示的四张谱图，此外还有测序技术、人类基因组序列变异、功 能基因组技术、比较基因组学、社会、法律、伦理研究、生物信息学和计算生物学、教育培训等目的。,3.进展 2004年前三张图谱的完成已有具体的时期和任务指标，而且随着工作的开展和私有企业压力的加大，时间表也在不断提前，例如，原定2005年完成的序列图谱已被两次提

7、前至2001年。（第9号和10号染色体图谱的绘制工作，认为癌症、糖尿病和阿耳茨海默氏症与这两条染色体有关。）,中国的HGP始于1994年，是在吴旻，强伯勤，陈竺，杨焕明等人的倡导下启动的。1998年3月由陈竺院士挂帅成立上海中心，10月改名为中国南方基因中心。1999年由强伯勤院士挑头在北京先后成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心。,年月完成“工作框架图”。年月，Science和Nature 同时发表了人类基因组草图，人类基因组计划的测序基本上是完成了。年月HGP正式宣告全部完成，各项指标均如期完成。,HGP的几个阶段性工作,年月，中国积极加入这一研究计划，负责测定人类基因

8、组全部序列的，也就是号染色体短臂上的万个碱基 对，中国因此成为参与这一研究计划的唯一发展中国家。截至年月日，中国科学院遗传研究所人类基因组中心已经完成了所承担的人类基因组p区域“工作框架图”的任务，原申报的三项指标均如期完成。人类基因组中约有万到万个蛋白编码基因年，现在认为只有万个左右（），比原先预计的万个基因 数要少得多。,Mouse,30,000,Mouse,研究显示人类基因数量比原先估计少得多，这是人类与其他种类基因数量的比较(2004.10.21Nature资料),6月26日，克林顿和布莱尔联合宣布，人类基因组草图完成。,水稻基因组计划,1998年由中国以及台湾地区与日本、美国、法国、

9、韩国、印度等发起，多国共同完成的对水稻基因研究的国际科研工程。1997年9月，水稻基因组测序国际联盟在新加坡举行的植物分子学大会期间成立。1998年2月，中、日、美、英、韩五国代表制定了“国际水稻基因组测序计划”，2002年12月12日，中国科学院、国家科技部、国家发展计划委员会和国家自然基金会联合举行新闻发布会，宣布中国水 稻基因组“精细图”已经完成。水稻基因组计划研究包括水稻基因 组测序和水稻基因组信息，是继“人类基因组计划”后的又一重大 国际合作的基因组研究项目。,家蚕基因组计划 构筑新丝绸之路,家蚕是人类最早驯化的动物之一。在上个世纪初，家蚕就成为著名的模式生物，为经典遗传学和生物基础

10、科学的发展作出了重大贡献。家蚕不但作为对人类贡献最大的昆虫，而且作为主要的基础研究实验材料，成为遗传学、生理生化学、分子生物学、细胞生物学等生物学科的主要研究领域的重要研究对象。年月日，经过多名科研人员个多月的努力，中国成家蚕基因组“框架图”绘制工作。根据计算机组装和数据分析结果表明，基因组测序完成了倍的覆盖深度，所获序列覆盖了家蚕基因组的，精确度达到了，与年发表的水稻基因组相比，覆盖度由提高到，是高质量工作“框架图”。研究论文已 在世界权威杂志：，,第一个完整中国人基因组图谱在深圳绘制完成,我国科学家2007年10月 11日 对外宣布，他们已经成功绘制完成第一个完整中国人基因组图谱（又称“炎

11、黄一号”），这也是第一个亚洲人全 基因序列图谱。,我国科学家主导的国际团队完成黄瓜基因组测序,中国农科院蔬菜花卉所所长杜永臣介绍，国际黄瓜基因组计划是由中国农业科学院蔬菜花卉研究所于2007年初发起并组织，是由我国发起的第一个多边合作的大型植物基因组计划。2009年11月1日，英国自然遗传学杂志发表了这一研究成果。目前已经发现了与黄瓜产量、品质、抗病性等重要农艺性状相关的候选基因300多个，克隆了与产量相关的性别决定基因、苦味基因和抗黑星病基因，为这些重要性状的分子育种提供了快捷准确的工具。,中国发布首个海洋生物全基因组序列图谱牡蛎,中国科学家2010年7月31日在青岛宣布，他们绘制完成了牡蛎

12、全基因组序列图谱，这是中国首次发布海洋生物的全基因组序列，也是世界上首张贝类全基因组序列图谱。牡蛎全基因组序列图谱项目首席科学家张国范介绍说，根据绘制成功的牡蛎基因组序列图谱，发现牡蛎基因组由 8亿个碱基对组成，大约包含2万个基因，基因组数据支持了海洋低等生物具有高度遗传多样性的结论。,鲤鱼基因组序列破解成功 未来或可诞生无刺鲤鱼,2011.5.9鲤鱼基因组以100条染色体绝对数量优势，跃居目前已知研究物种中染色体数目最多的动物。由中国水产科学研究院和中科院北京基因组研究所共同开展的“鲤鱼基因组计划”，日前成功完成鲤鱼全基因组测序，并绘制出全基因组序列图谱。这一研究成果将有望培育出肉多刺少的鲤

13、鱼新物种。鲤鱼基因组大小约17亿个碱基对，远远大于目前已经完成全基因组测序的鱼类基因组。,千种动植物基因组计划华大基因从2009年便开始筹划该计划，2010年1月，深圳 华大基因研究院正式宣布启动“千种动植物基因组计划”。，“千种”计划已经进行全基因组测序的物种包括和人们 的生活密切相关的蔬菜瓜果如黄瓜、西瓜、白菜、甘蓝等，还有一些重要动物物种如大熊猫、藏羚羊、企鹅、北极熊 的基因组解析。另外，华大与国内外研究者还正在展开梅 花、兰花、烟草、茶树、棉花、小麦、牦牛、石斑鱼、牙 鲆、牡蛎、小菜蛾、环毛蚓、大鲵等近百种物种基因组项 目的合作。这些物种涉及的领域涵盖模式生物、海洋生物、家畜、昆虫、稀

14、有物种、农作物、园艺和生物能源等。,世界首张大熊猫基因组序列图谱绘制完成,2008年,世界首部藏羚羊基因组序列图谱绘制完成,2009年月日，由海大学和深圳华大基因 研究院共同发起并承担 的藏羚羊基因组序列图 谱在青海大学医学院宣 告绘制完成，这是世界 上第一部绘制完成的高 原濒危物种全基因组序 列图谱，也是中国科学 家对全球基因组科学的 又一重大贡献。,中国首次绘制完成朱鹮全基因组序列图谱,西安交大和深圳华大基因研究院2011.4.15日召开新闻发布会，宣布世界仅存千余只的朱鹮“全基因组序列图谱绘制”完成。这是继家鸡基因组、珍珠鸟基因组、火鸡基因组之后，中国完成的第四个鸟类基因组测序项目和全基

15、因组序列图谱，对于挽救和保护世界濒危珍禽朱鹮具有重要科学价值。,国际千人基因组计划,“国际千人基因组计划”自2008年启动，在未来的两年内研究人员将会对27个种群的2500个样本进行研究，全部数据都将免费公开。,测序的人群,“千人基因组计划”测序的人群将包括：尼日利亚伊巴丹区域的约鲁巴人；居住于东京的日本人；居住于北京的中国人；美国犹他州的北欧和西欧人后裔；肯尼亚Webuye的Luhya人和 Kinyawa的Maasai人；意大利的Toscani居民；居住于休斯顿的Gujarati印第安人；居住于丹佛的中国人；居住于洛杉矶的墨西哥人后裔；居住于美国西南部的非洲人后裔。,2012,2005,20

16、11,2003,第一次将所有存活的四种猿科动物：人类、黑猩猩、大猩猩和红毛猩猩的基因组进行比对。确认了人类的近亲是黑猩猩，但研究结果也显示大量的人类基因序列与大猩猩的序列更相似。,重楼百合拥有世界上最大的基因组 是人类基因组50倍（2010年）,迄今为止最小的细胞基因组。Carsonella ruddii是生活在吸食植物液昆虫身上的一种寄生细菌，它的基因组只有160个kb之长。(2006年),沙特制定人类基因组计划 研究地区性和慢性疾病(2013年12月12日 09:53:03来源：中国网),旨在研究沙特 阿拉伯及中东 地区疾病的遗 传基础，其中 就包括糖尿病、心脏病、肥胖 症等当地常见 的慢

17、性疾病。,4.HGP对人类的重要意义,HGP对人类疾病基因研究的贡献亨廷顿舞蹈病、遗传性结肠癌和乳腺癌等一大批单基因遗传病致病基因的发现。HGP对医学的贡献基因诊断、基因治疗和基于基因组知识的治疗、基于基因组信息的疾病预防、疾病易感基因的识别、风险人群生活方式、环境因子的干预。,（3）HGP对生物技术的贡献A基因工程药物：分泌蛋白（多肽激素，生长因子，趋化因子，凝血和抗凝血因子等）及其受体B诊断和研究试剂产业：基因和抗体试剂盒、诊断和研究用生物芯片、疾病和筛药模型C对细胞、胚胎、组织工程的推动：胚胎和成年期干细胞、克隆技术、器官再造,（4）HGP对制药工业的贡献筛选药物的靶点：与组合化学和天然

18、化合物分离技术结合，建立高通量的受体、酶结合试验以知识为基础的药物设计：基因蛋白产物的高级结构分析、预测、模拟药物作用“口袋”个体化的药物治疗：药物基因组学,HGP对社会经济的重要影响生物产业与信息产业是一个国家的两大经济支柱；发现新功能基因的社会和经济效益；转基因食品；转基因药物（如减肥药，增高药）HGP对生物进化研究的影响生物的进化史，都刻写在各基因组的“天书”上；草履虫是人的亲戚13亿年；人是由300400万年前的一种猴子进化来的；人类第一次“走出非洲”200万年的古猿；人类的“夏娃”来自于非洲，距今20万年第二次“走出非洲”？,曾经有一段真挚的爱情摆在我面前，我没有珍惜失去后才后悔莫及

19、我希望是一万年！“”的进化就是人类基因进化中最迅速、最具戏剧性的章节。,（7）HGP带来的负面作用侏罗纪公园不只是科幻故事；种族选择性灭绝性生 物武器；基因专利战；基因资源的掠夺战；基因与个人隐私。,耗时15年首例人造生命在美诞生 奥巴马下令评估,2010年5月20日，美国生物学家文特尔领导的研究团队，重塑“丝状支原体丝状亚种”的 DNA，并将新DNA片段“黏”在一起，植入另一种山羊支原体中。新生命昵称“Synthia”(合成体)，这种微生物由蓝色细胞组成，能够生长、繁殖，细胞分裂了逾10亿次，产生一代又一代的人造生命。,“If 2000 was the year of the Genome,

20、2001 will be the year of the Proteome”Nightly Business Report 12/27/00,Time Magazine 7/3/00,C&E News 7/31/00,In The News:Scientific American 7/00,The Economist 12/9/00,四、蛋白质组学,Prion结构模型，左PrPc，右PrPSc。,Cellularprion protein,Scrapie-associated prion protein,以疯牛病和人类克雅病（Creutsfeldt-disease,CJD）为代表的可传染性海绵

21、状脑病（transmissible spongi-form encephalopathies,TSE）为一类致死性神经系统疾病。其感 染因子是一种与正常细胞膜蛋白（PrPC）一级结构完全相同，但高级结构、理化特性不同的PrPSc或prion蛋白（阮蛋白？）。目前的研究提示，这种不含有核酸的prion蛋白似乎具有自身复制的能力，也就是说这种蛋白本身就储备了生命活动必需的遗传信息。,这就提示我们，在自然界中可能还存在着一种全新的微小生命体 一种无核酸的微小生物体。从而改变人类对整个生物界的认识。即蛋白质不仅可体现生物学功能，而且可储存遗传信息。而核酸成分可能在prion复制过程中完全缺如，这将有力

22、地挑战目前的“生物中心法则”。PrP蛋白高级结构的改变不仅可造成蛋白质功能的变化，在某种意义上还是遗传信息传递的方式。,单个蛋白质研究与蛋白质组,传统的对单个蛋白质进行研究的方式已无法满足后基因组时代的要求。这是因为：生命现象的发生往往是多因素影响的，必然涉及到多个蛋白质。多个蛋白质的参与是交织成网络的，或平行发生，或呈级联因果。,神经元免疫荧光染色,1.蛋白质组和蛋白质组学概念,蛋白质组（proteome）一词，源于蛋白质与基因组两个英文单词的组合，由澳大利亚Macquarie大学的Wilkins和Williams于1994年首先提出，广义的概念指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一个

23、基因组、一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质成分。这一研究领域称为蛋白质组学。,2.蛋白质组与基因组的比较,蛋白质组具有多样性：一个蛋白质组不是一个基因组的直接产物，细胞内的大部分蛋白质通常都被进行过翻译后修饰。在测定基因组的DNA序列时不需要考虑时空的影响，而在蛋白质组的研究中，时间和空间的影响都是不可忽略的。蛋白质彼此间有着直接的影响：每一个蛋白质功能的实现，通常离不开它与其他蛋白质之间的相互作用。蛋白质组学研究对技术的依赖性和要求远远超过基因组学,基因组与蛋白质组的比较,3.蛋白质组学研究的内容和方法,对蛋白质表达模式的研究即对蛋白质组成的研究，又称为结构蛋白质组学（structura

24、l proteomics），可利用双向凝胶电泳、质谱、高性能的X-射线晶体衍射及核磁共振等技术，研究蛋白质的结构、定位、移位以及对蛋白质组组分进行分析鉴定。其中，双向凝胶电泳和质谱技术是当前分离鉴定蛋白质的两大支柱技术,对蛋白质功能模式的研究,也称为功能蛋白质组学（functional proteomics），可通过系统地利用中和抗体、小分子化合物等方法干预蛋白质的活性或使其失活，观察对某一生命现象的影响，从而直接描述该蛋白质的功能，或利用酵母双（三）杂交、噬菌体展示技术等研究蛋白质相互作用，有人也将此称为相互作用蛋白质组学（interactional proteomics）。目前对蛋白质组功

25、能模式的研究主要还是集中于蛋白质相互作用网络关系，常用酵母双杂交系统。,4.蛋白质组学研究的技术路线,蛋白质组学是以蛋白质为研究对象的崭新研究领域。主要采取以下技术路线：,蛋白质组技术,2D-Electrophoresis,Mass spectrometry,Bioinformatics,病 毒,细胞,叶绿体,细胞膜,protein,IEF,SDS-PAGE,MALDI-TOF MS,双向凝胶电泳,表达模式的研究,2D-GE是一种分离和测定复杂生物体系中蛋白质的方法，根据蛋白质等电点和分子量的不同：第一向按蛋白质的等电点不同对样品进行等电聚焦分离；第二向根据分子量大小用SDS-PAGE进行分离

26、。理论上利用SDS-PAGE可以一次分辨出5000-10000个蛋白质组分，结合放射自显影技术可检测出含量占样品中蛋白质总量10-6-10-7的组分。纯度达99%以上。,双向凝胶电泳技术包括：样品制备（溶解和增溶）样品预处理（预分级分离）等电聚焦SDS-PAGE电泳后蛋白质的回收等技术,IPG 3-10L,SDS-PAGE,PLA-801-D、C株细胞蛋白通过在pH3-10L宽pH范围内进行二维电泳所得的凝胶图谱。在pH3-10L和Mr14，000-97，400Da范围内利用PDQUEST软件分析图象。（A）选取的是PLA-801-C株蛋白的扫描图，（B）为经图象加工、背景消除的图象。PLA-

27、801-D的图象数据此处未示。,利用GS-710光密度仪，在84.7 m的分辨率下，对银染的凝胶进行扫描。在Pentium II 微处理器(Dell,128MB内存)下运行，利用PDQUEST产生光密度图象，进行斑点 检测，图象分析。,图 象 分 析,Image Analysis,IPG3-10L,PAGE,应用PDQUEST软件比较 PLA-801-C、D细胞蛋白图谱的差异，在宽pH范围3-10L内，分离PLA-801-C、D细胞蛋白，PLA-801-C显示互相配比的蛋白斑点为 680个，两种细胞蛋白图谱的平均相关系数为0.7339 0.0291。,PMF图例,MEMEKEFEQIDKSGS

28、WAAIYQDIRHEASDFPCRVAKLPKNKNRNRYRDVS PFDHSRIKLHQEDNDYINASLIKMEEAQRSYILTQGPLPNTCGHFWEMVW EQKSRGVVMLNRVMEKGSLKCAQYWPQKEEKEMIFEDTNLKLTLISEDIK SYYTVRQLELENLTTQETREILHFHYTTWPDFGVPESPASFLNFLFKVRE SGSLSPEHGPVVVHCSAGIGRSGTFCLADTCLLLMDKRKDPSSVDIKKVL LEMRKFRMGLIQTADQLRFSYLAVIEGAKFIMGDSSVQDQWKELSHEDLE PPPEHIPPP

29、PRPPKRILEPHNGKCREFFPNHQWVKEETQEDKDCPIKEEK GSPLNAAPYGIESMSQDTEVRSRVVGGSLRGAQAASPAKGEPSLPEKDED HALSYWKPFLVNMCVATVLTAGAYLCYRFLFNSNT,intact proteinenzyme,peptide fragments,功能模式的研究,酵母双杂交系统,酵母双杂交各种亲和分析（亲和色谱、免疫共沉淀等）荧光共振能量转换效应分析噬菌体显示系统筛选等等,常用蛋白质相互作用的研究技术,酵母双杂交技术的基本原理,原理：将编码某一蛋白X的DNA序列与DNA结合域BD的编码序列融合形成一个杂交体

30、，将编码另一蛋白Y的DNA序列与DNA激活域 AD的编码序列融合形成另一个杂交体，当两个杂交体共转化酵母细胞（此酵母细胞上游有DNA结合位点的报告基因），若X和 Y没有相互作用，则单独不能激活报告基因的转录；若X和Y可相互作用，则使BD和AD靠近形成一个有效的转录激活子，激活报告基因的转录。因此可通过检测报告基因的转录来研究蛋白质X和Y的相互作用。,His,-gal,His,-gal,RNA pol,2002年2月，由军事医学科学院贺福初院士、复旦大学化学系杨凡原教授一起主持这项5年内资助额达3500万元的重大课题研究。以严重影响我国人群健康的重大疾病（如肝炎、肝癌、心血管病等）为对象，发掘与上述疾病发生发展密切相关的蛋白质群，为 重大病症的防诊治提供新的预警，诊断标志物和新的药物靶标等。2002年10月成立了“中国人类蛋白质组组织”。2003年4月正式以“人类肝脏蛋白质组计划”，这是世界上第一家以蛋白质组计划率先启动.,5.我国“人类重大疾病的蛋白质组学研究”启动,概念：基因组 蛋白质组 人类基因组计划 结构基因组学,知识点：人类基因组计划的基本任务。蛋白质组学研究的主要内容及方法有哪些？,小 结,谢谢各位！,