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1、遗传信息传递的整体性 Integrationofexpressionandtransmissio nofgeneticinformation 导论 v基因组医学与组学研究 v个体化医学 v生物学的三大基本理论 细胞学说 进化论 基因论 v生命现象在细胞 分子水平上的统一 v分子生物学与中心法则 21世纪医学研究的发展趋势 组学 研究 个体化医疗 本轮课涉及的基本内容 v中心法则 v遗传信息传递的整体性 v各种 组学 研究及相关技术 v基因组研究 v药物基因组 v个体化医疗 再谈中心法则 v中心法则 v遗传信息传递的整体性 v各种 组学 研究 中心法则 遗传信息的流向 DNA codes for
2、 RNA via transcription and RNA codes for proteins via translation v一个基因一条多肽 vRNA是传递基因信息的中间体 v蛋白质体现生物学功能 v基因表达调控可在不同水平上 进行 v基因工程技术的理论基础 中心法则 central dogma 揭示遗传信息的流向 是生物学的基本法则 组学研究 v基因组 v转录组 v蛋白质组 v代谢组 v药物基因组 基因组 转录组 蛋白质组 代谢组之间的关系 The relationship between genomics transcriptomics proteomics and metabo
3、lomics 基因组学研究是了解细胞生 命活动的基础 转录组学是研究基因信息的 表达 蛋白质组学是基因组功能的 体现 代谢组学是细胞生命活动的 结果 个体化医疗 个体化治疗是指根据每个人的疾病基因组 信息对已发生的疾病进行的诊断与治疗 v医学本意在于个体治疗 v基因组的个体差异 v表观遗传学的不同 v基因表达的不同 生态与环境 生活习惯与方式 v个体对药物的反应不同 个体化基因组医学时代到来 个体化治疗是指根据每个人的疾 病基因组信息对已发生的疾病进行治 疗 一个简单化了的个体化医学的理 想是 在不远的将来 病人就医时随 身带上一张智能卡 上面除了姓名 性别 年龄 生活史等常规资料外 还存储着
4、与药物代谢以及与疗效有关 的各种基因型资料 据此 医生可以预测各种药物的 效应 并 量体裁衣 式地对病人合理 用药 药物基因组学 实现个体化给药 药物治疗的效果因人而异 研究表明 以选择性环氧化酶 2抑制剂为代表的新型抗炎镇痛药的疗效仅为80 抗抑郁药的有效率为62 抗哮端药和抗心律失常药分别为60 抗糖尿病药为57 抗急性偏头痛药为52 预防偏头痛药为50 抗丙型肝炎病毒 HCV 药的有效率为47 抗尿失禁药为40 抗阿尔茨海默病药仅为30 而抗肿瘤药更低 仅为25 各种药物不良反应的发生率也相差很大 有的人仅仅接触极微量青霉素即发生过敏反应性休克 有的甚至死亡 而更多的人则无不良反应 个体
5、化医疗 个体化医疗 的全球发展 著名咨询公司BBC Research的研究报告指出 全球个体化医疗的技术市场 主要指发达国家 预计 会从2009年的144亿美元增加到2014年的292亿美元 年增长 率达到15 2 其中 药物基因组学 Pharmacogenomics 是主要的 利润来源 约占2009年整个个体化医疗市场份额的28 7 41亿美元 并且会以18 的年增长率在2014年达到95亿美 元 即时检测市场 point of care market 是第二大市 场 2009年约有27亿份额 预计将会以18 的年增长率在 2014年达到51亿美元 个体化医疗 的发展方向与实施准则 P4 M
6、edicine vLeroy Hood教授 在个体化医疗概念的基础之上进一步提出了P4医疗 的理念 即医疗在未来将具备以下四大特征 预测性 预防性 个性化 和参与性 P4 Medicine predictive preventative personalized and participatory 预测性 基于个人特异性DNA序列与蛋白水平上的健康预测 预防性 在疾病未发病时 即对个人有可能获得的疾病进行预防性治 疗 阻止疾病的发生或最大限度的降低疾病造成的损害 个性化 根据每个人独特的基因组对疾病进行有针对性的治疗 对预 测 预防进行补充 参与性 患者积极参与治疗的全过程 与医生一起制定治疗
7、方案 第一节 基因组学 Genomics 一 基因组 一种生物拥有的所有遗传信息的总合 是一个细胞 或病毒 所承载的全部遗传信息 它代 表了一种生物所具有的全部遗传信息 真核生物基因组 指一套完整单倍体DNA 染色体DNA 及线粒体或叶绿体DNA的全部序列 既有编码序列 也有大量存在的非 编码序列 细菌基因组 包含了拟核和质粒中的DNA序列 病毒基因组 有的为DNA DNA病毒 有的则为RNA RNA病毒 基因组 genome 二 基因组学 包括结构基因组学 功能基因组学 比较基因组学 1 基因组学 genomics 是阐明整个基因组的结构 结构与功能的关系以及基因之间相互作用的科学 2 研究
8、内容 结构基因组学 structural genomics 遗传图谱 物理图谱 序列图谱 转录图谱 大规模DNA测序 功能基因组学 functional genomics 分析鉴定基因组功能 比较基因组学 comparative genomics 基因组之间比较鉴定 研究生物进化 预测新基因 三 结构基因组学的主要任务 基因组作图 大规模测序 通过基因作图 构建连续克隆系及大规模测序等方法 结合主要模式生物已知基因组DNA序列 辅以生物信息学和计 算生物学技术 解密人类基因组DNA序列和结构 人类基因组计划 Human Genome Project HGP 1 遗传作图 2 物理作图 一 遗传
9、作图和物理作图 是绘制人类基因组草图的重要策略 染色体DNA很长 不能直接进行测序 必须先将基因组 DNA进行分解 标记 使之成为可操作的较小结构区域 这 一过程称为作图 遗传作图 genetic mapping 就是确定连锁的遗传标志位点在一条染色体上的排列顺序及它们 之间的相对遗传距离 用厘摩尔根 centi Morgan cM 表示 当两个遗传标记之 间的重组值为1 时 图距即为1 cM 1 遗传作图 就是绘制连锁图 遗传图 genetic map 又称连锁图 linkage map DNA标记 限制性片段长度多态性 restriction fragment length polymor
10、phism RFLP 可变数目串联重复序列 variable number of tandem repeat VNTR 单核苷酸多态性 single nucleotide polymorphism SNP 限制性片段长度多态性 RFLP 利用特定的限制性内切酶识别并切割基因组DNA 得 到大小不等的DNA片段 所产生的DNA数目和各个片段的长 度反映了DNA分子上不同酶切位点的分布情况 可变数目串联重复序列 VNTR 又称微卫星DNA minisatellite DNA 是 一种重复DNA短序列 VNTR基本原理与RFLP大致相同 通过限制性 内切酶的酶切和DNA探针杂交 可一次性检测到众 多
11、微卫星位点 得到个体特异性的DNA指纹图谱 单核苷酸多态性 SNP SNP不以 长度 的差异作为检测手段 而是直接以 序列的变异作为标记 SNP是指在基因组水平上由单个核苷酸变异所造成的 DNA序列多态性 SNP是人类可遗传的变异中最常见的一种 也是基因 组中最为稳定的变异 SNP最大限度地代表了不同个体之间的遗传差异 因 而成为研究多基因疾病 药物遗传学及人类进化的重要遗 传标记 物理作图 physical mapping 是在遗传作图基础上制作的更详细的人类基因组 图谱 包括 荧光原位杂交图 FISH map 限制性酶切图 restriction map 连续克隆系图 clone cont
12、ig map 2 物理作图 就是描绘杂交图 限制性酶切图及克隆系图 荧光原位杂交图 fluorescent in situ hybridization map FISH map 将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在的位置 限制性酶切图 restriction map 将限制性酶切位点标定在DNA分子的相对位置 连续克隆系图 clone contig map 采用酶切位点稀有的限制性内切酶或高频超声破碎技 术将DNA分解成大片段后 再通过构建酵母人工染色体 yeast artificial chromosome YAC 或细菌人工染色 体 bacterial artificial chr
13、omosome BAC 获取含 已知基因组序列标签位点 sequence tagged site STS 的DNA大片段 STS sequence tagged site 基因组序列标签位点 是指染色体定位明确 并且可用PCR扩增的单拷贝序列 每隔100 kb距离就有一个标志 在STS基础上构建能够覆盖每条染色体的大片段DNA连续 克隆系就可绘制精细物理图谱 为大规模DNA测序做好了准备 二 通过BAC克隆系 鸟枪法等 完成大规模DNA测序 1 BAC克隆系的构建是大规模DNA测序的基础 YAC载体装载量偏大 1 2 Mb 自身稳定性不够 BAC具有插入片段较大 几kb 350 kb 嵌合率低
14、 遗 传稳定性好 易于操作等优点 2 鸟枪法是大规模DNA测序的重要方法 全基因组鸟枪法测序 shotgun sequencing 直接将整个基因组打成不同大小的DNA片段 构建 BAC文库 然后对文库进行随机测序 最后运用生物信息 学方法将测序片段拼接成全基因组序列 鸟枪法DNA测序的主要步骤 建立高度随机 插入片段大小为1 6 kb到4 kb左右的基因 组文库 高效 大规模的克隆双向测序 序列组装 sequence assembly 产生一定数量的重叠群 contig 缺口填补 鸟枪法 shotgun 测序的的原理与策略 美国基因学家克雷格 文特尔 3 高通量测序技术 大大加快了基因组DN
15、A测序的进行 v高通量测序 high throughput sequencing 技术 不仅具备毛细管电泳测序不具备的优点 还能进行 平行 多点 单分子 和 混合 序列分析 这种高通量测序一次实验可以读取几十万到几百万DNA片段的序 列 极大加速了基因组测序 目前 Roche 454 GS FLX Titanium 每次运行能产生100万条序 列 平均读长能达到400nt 且第400个碱基的准确率能达到99 一次 运行所需时间为10小时 能获得4 6亿个碱基的序列信息 三 生物信息学 是预测基因组结构和功能的重要手段 v数据库的建设 汇集了大量DNA序列 蛋白质信息 预测基因 基因产物的结构
16、功能 分析基因 基因 基因 产 物 产物 产物之间的相互作用或联系 描述细胞或整体水平 的基因表达谱 推测系统发生关系 v主要的生物信息中心 美国国家生物技术信息中心 NCBI http www ncbi nih gov 欧洲生物信息研究所 EBI http ebi ac uk 日本DNA数据库 DDBJ http www ddbj nig ac jp GenBank http www ncbi nih gov Genbank 四 功能基因组学 系统探讨基因的活动规律 v功能基因组学 从整体水平上研究一种组织或细胞在同一时间 或同一条件下所表达基因的种类 数量 功能及 在基因组中的定位 或同一细胞在不同状态下基因表达的差异 v主要研究内容包括 基因组的表达 基因组功能注释 基因组表达调控网络及机制 一 通过全基因组扫描 鉴定DNA序列中的基因 v对测得的基因组序列进行 注释 包括鉴定和描述推测的 编码序列 非编码序列及其功能 v技术支持 人类基因组DNA序列数据库 高性能计算机 v改进的十进制计算机进行全基因组扫描 鉴定内含子与外显 子之间的衔接 寻找全长ORFs 确定多肽链编码序列
