系统生物学-第六讲-表型组学、糖组学、脂质组学

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1、第六讲 其他组学 表型组学（Phenomics） 基因型、表型和环境三者构成了遗传学研究的 铁三角。 人类在很早之前就根据自己的需要有意识的驯 化动植物，而对于动植物表型的考察历史要远 远早于对基因型的研究。 近年来，随着高通量测序技术的快速发展，基 因型的研究更加简单快速。然而由于植物表型 本身的复杂性以及动态变 化的特性，表型研究 严重滞后于基因型研究。 由于表型本身的复杂性和动态变 化，研究者通 常只专注于少数几个表型，进行静态粗略的研 究，而且传统的表型调查效率很低，不同调查 者具有主观性，导致不同调查人员的调查结 果 误差很大; 同时由于表型研究技术发展相对滞后 ，导致表型研究严重滞

2、后于各种组学研究。传 统的表型检测手段已经成为制约植物基础生物 学研究包括遗传、基因功能研究、生理等的主 要限制因素。 表型组学( phenomics) 最早由Steven AGaran 于 1996 年提出。 表型组学( phenomics) 是研究生物体表现型特征 的学科。表型组学近年来得到了迅猛发展，其 概念也在逐步完善，但尚未形成定论。 Gjuvsland、Freimer 和Houle等生物学家认为，表 型( Phenotype) 即生物某一特定物理外观或组成 ，如植物的株高、花色、产量、酶活力、抗逆 性等，是基因型和环境共同作用的结果。 生物的表型组为生物体表现型主要信息的集合 ，包

3、括形态、发育、生化、生理和行为等各种 特征，那么研究这些相关内容的学科即为表型 组学。 亦有研究者认为表型组学即为研究生物全部物 理外观和化学等表型性状( phenome，表型组) 受环境影响其变化规律的学科，是一门在基因 组水平上系统研究某一生物或细胞在不同环境 条件下所有表型并结合基因( 基因组) 或蛋白( 蛋 白组) 的研究来探究表型的本质及它们之间相互 关系的学科。 Robert，Varki 和Tasha等将表型组定义为在遗传 和环境因素的影响下，生物体组成、行为、生 长所有表型的集合。 通过表型组可以更好的认识和利用基因组、转 录组、蛋白质组等生物信息，它与基因组、转 录组、蛋白质组

4、等各种组学以及生物信息学、 统计学一起构建了系统生物学大厦。 Traits DNA RNA Proteins Metabolites NH2 OHO OH OH OH OH OH O OH Phenomics Genomics Transcriptomics Proteomics Metabolomics 表型组学研究的需求 人口的急剧增长，城市化进程的加快、人类对 生物燃料的需求、气候变化、病虫害发生使全 球粮食安全受到极大挑战，传统育种已经很难 满足三大主要谷类作物( 水稻、玉米和小麦)的 增产需求。 传统的育种转变为 分子辅助育种，通过各种组 学手段提高了植物育种效率和水平。 低通量的田

5、间性状调查通常需要对单株单性状 逐一调查，需要投入大量的人力物力，并且调 查结果易受调查员 、测量工具及环境条件的影 响，传统的表型研究方法已经无法满足全基因 组、转录组 等各种组学的需要。 表型组学研究的成熟 高通量、非破坏性的实时成像技术、光谱技 术、图像分析系统、机器人表型分析的技术手 段日渐成熟。 现代计算机技术、云计算、统计学和生物信息 学等学科的发展，处理生物大数据的能力越来 越强。 细胞到整个生物体，从受精卵( 合子) 到生物体 死亡的整个生命周期均能实现性状的实时捕 捉。 随着信息时代和大数据时代的来临，表型组学 已经进入了数字化时代。 植物表型组学研究特点 检测的性状数据量大

6、，可以动态检测 植物的性 状，可以将同一个性状划分成很多小的性状进 行检测，数据采集客观、严格，便于形成统一 的采集标准，有利于高通量自动化的分析，数 据采集更加准确和快速，这必将进一步提高育 种效率和作物的栽培管理。 表型组学研究意义 利用目标群体详细的表型信息结合生物的基因 型。 表型组可以更好的认识和利用基因组、转录 组、蛋白质组等生物信息。 植物表型组学研究技术 植物活力 根形态 叶的形态特性 光合效率 产量相关性状 生物量 对非生物胁迫的响应 叶片形态测态测 量仪仪 麦穗形态测态测 量仪仪 夹夹角测测量仪仪 茎秆强度测测量仪仪 麦穗数量测测量仪仪 全自动动考种仪仪 PlantScre

7、en植物表型成像分析系统统高通量植物 表型组组学研究平台 田间间作物可视视化信息采集系统统 高通量植物表型平台 高分辨率多光谱激光三维扫描测量仪 高通量植物叶绿绿素荧荧光成像系统统 大型植物叶绿绿素荧荧光成像系统统 多通道植物群体光合气体交换测换测 量系统统 糖组学（Glycomics） 20 世纪末,继基因组学、蛋白质组 学之后,糖组学也 日益受到人们关注。 糖组学是对糖链组 成及其功能研究的一门新学科, 是基因组学的后续和延伸,具体内容包括研究糖与糖 之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸之间的联系和相 互作用,其主要研究对象为聚糖。 丰富多样的聚糖覆盖了生物有机体的所有细胞,不仅 体现细 胞的类

8、型和状态,也参与了许多生物学行为, 如细胞发育、分化、肿瘤转移、微生物感染、免疫 反应等;聚糖还体现生物和分子的进化作用,如糖酵 解、生物合成的保守性以及核糖的起源等。 糖组学研究意义 1、细胞表面都被各种形式的聚糖所包被,帮助我 们识别细 胞类型和状态. 但单从基因组信息无 法预测最终的聚糖结构,因此,迫切需要开发新 的糖组学研究手段和思路以分析糖组结构和功 能。 2、糖基化是所有真核蛋白质翻译后加工的一种 形式,但糖基化远较单 一结构形式的磷酸化复杂 得多,因此聚糖研究存在各种技术困难,蛋白质组 学中的大多数方法不适用糖基化研究。 糖组学的研究策略 研究策略为: (1) 分析物种生物所产生

9、的所有聚糖; (2) 以糖肽为 研究对象确认编码 糖蛋白的基因; (3) 结合有效的理化和生化性质,研究糖蛋白糖链的 性质。 研究的重点在于: (1) 编码 糖蛋白的基因; (2) 实际 糖基化的位点; (3) 聚糖结构; (4) 糖基化的作用。 结构糖组学主要包括“糖捕获”技术、前沿亲和层析 技术等,功能糖组学主要包括微阵列技术等。 植物凝集素探针 植物凝集素（lectin）是一类非免疫来源的，无 酶活性的，能与聚糖特异性结合的蛋白质，作 为探针可以捕获到混合物中的聚糖，为目标细 胞、组织或集体的糖组学研究提供一手资料。 最常用的植物凝集素有刀豆素A、半乳糖凝集 素、花生凝集素、橙黄网胞盘菌

10、凝集素等。不 同的植物凝集素用于分离不同类型的糖蛋白和 糖肽。 在糖捕获操作中植物凝集素的应用还是有一定 的限制的。 利用植物凝集素亲和柱捕获糖蛋白的过程 植物凝集素亲和柱捕获一组糖蛋白； 糖蛋白被蛋白酶彻底水解； 水解产物在经植物凝集素亲和柱捕获到糖肽； 肽链 和糖链分别经 HPLC/MS分离鉴定； 获得肽序列和糖链分子质量； 分析蛋白质序列并查询 数据库获 得相关遗传 信息 ； 分析聚糖的结构获得糖基化信息。 使用不同的植物凝集素柱进行第二和第三次循环， 捕获其他类型的糖肽，可以对某个细胞核集体进行 较全面的糖组学研究。 功能糖组学研究技术 随着糖组学研究的深入，基于芯片的原理人们 发明了

11、用于糖组研究的各类糖芯片，得到了广 泛的应用。由于其具有信息量大、可进行自动 化操作等特点，就如基因芯片对于基因研究和 蛋白质芯片对于蛋白质组研究一样，糖芯片在 糖组学的研究中同样也将扮演重要的角色。 凝集素-糖相互作用的芯片 根据凝集素和寡糖之间的特异性相互作用，将 寡糖或糖基复合物固定于芯片上，再用荧光素 标记的凝集素进行杂交，检测阳性信号分析与 已知凝集素相互作用的寡糖结构。这种方法的 最大优点是可以同时检测 多个样本，具有批量 化、标准化和自动化的特点。 杂交糖类/糖蛋白芯片 杂交糖类/糖蛋白芯片可以快速测定在结合过程 中，蛋白质- 蛋白质相互作用和糖类- 蛋白质相 互作用。通过将糖蛋

12、白和它表面的寡糖都点到 点阵上，就可以迅速证实结 合的决定簇。 糖组学的展望 糖组学的研究还处于起步阶段。阻碍糖组学迅 速发展的主要是研究技术的限制和糖链本身结 构的复杂性，目前尚没有一种技术可以快速、 大量的测定细胞所有的糖链结构。 在期望能有更便捷的测定糖链结构的技术的同 时，如何利用现有技术开展糖组学研究则更应 生物学家需要考虑的问题。 糖芯片技术的出现对于研究聚糖的结构和功能 起到了相当大的推动作用，必将在糖组学研究 中得到更为广泛的应用。 脂质组学(Lipidomics) 脂质组学是对生物体、组织或细胞中的脂质以 及与其相互作用的分子进行系统分析的一门新 兴学科。 脂质具有多种重要的

13、生物功能，脂质代谢异常 可引发诸多人类疾病，包括糖尿病、肥胖症、 癌症以及神经退行性疾病等。 目前，脂质组学研究已成为一个前景广阔的热 门领域，并广泛地应用到包括药物研发、分子 生理学、分子病理学、功能基因组学、营养学 以及环境与健康等重要领域 脂质是一类难溶于水而易溶于非极性溶剂的生 物有机分子。 细胞中脂质分子大体可以分为3大类： 非极性脂质质(包括胆固醇、胆固醇酯和甘油三酯) 极性脂质(包括磷脂类、鞘脂类和糖脂类) 脂质质代谢谢物(指脂质合成或水解过程中产生的物 质，它们中许多是具有生理活性的第二信使物 质) 脂质组学(Lipidomics) Han和Gross首次提出脂质组学(Lipi

14、domics)的概 念。 脂质组学是研究生物体内所有脂质分子的特性 ，以及它们在蛋白质表达和基因调控过程中的 作用的学科。 薄层色谱(TLC)法 最早应用于脂质分析的色谱法。 它将脂类用硅胶板上行法展层, 展开后的板上喷脂质显 色剂。 各种脂质在TLC板上展开后, 脂质的定量可采用薄层色 谱扫描仪计算积分值, 或将脂质的斑点刮下来, 然后 测定其含量。 TLC法分为单向和双向2种。 单向TLC能够同时分析几个样品, 但很难将组分 完全分开。 双向TLC可将脂类各组分完全分开, 但是它1次只 能分析1个样品。 TLC法具有直观、快捷的优点, 能快速分离脂质, 而且价格比较便宜。 脂质经过 TLC

15、初步分离后也可以用气相色谱和高效 液相色谱做进一步的分析。 TLC法需要的样品量大, 测定的灵敏度和分辨率 都很低。 TLC板上的斑点在切除过程中极易发生不饱和脂 类氧化, 因而破坏了部分脂类结构。 其他方法 高效薄层层析法(high performance thin layer chromatography，HPTLC) GC-MS ESI-MS MALDI-TOF-MS 脂质组学数据库 由于缺少普遍接受的脂类分类规则 ，脂质数据 库的建立都是各研究单位根据各自的研究范围 建立的。 目前脂质数据库土要有3个，分别是LMSD、 LipidBank和LlPlDAT。 脂质组学的发展前景 脂质组学在分析方法和应用方面虽然取得了突 破性进展，但是由于其起步晚，与其它组学相 比还有很大的差距。 相对于核酸和蛋白质而言，人们对脂质的了解 还很少，对植物脂质的了解则更少。 因此可以预言，在揭示各种生命现象的机制中 ，系统研究脂质的功能与作用机理还有很大的 发展潜力。 脂质组学的发展将对医学和生命科学一些相关 领域的发展起到一定的推动作用。