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1、毒理基因组学与 系统毒理学 Toxicogenomics and system toxicology,1,内容概要,第一节 概述第二节 毒理基因组学研究的技术平台第三节 毒理基因组学研究的内容及其 应用第四节 从毒理基因组学到系统毒理学,2,目的要求,掌握毒理基因组学相关概念熟悉毒理基因组学研究的内容及其应用了解毒理基因组学研究的平台,3,毒理基因组学 (toxicogenomics)研究生物体的整个基因组如何对环境有害因素发生反应的一门新兴学科。基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、遗传多态性、生物信息学多学科交叉的前沿学科,第一节 概述,4,人类基因组计划HGP,HGP由美国科学家于1
2、985年率先提出，于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与 为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，破译人类全部遗传信息,5,HGP,目的:解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据 内容：建立物理图谱建立遗传图谱 DNA序列测定基因的确定和分析,6,后基因组时代（post-genome era）,人类后基因组计划-对基因组生物学功能的研究和应用 序列（结构）基因组学-功能基因组学,功能基因组学 生物信息学 比较基因组学 结构基因组学 蛋白组学
3、 生物信息学 DNA芯片 基因敲除 药物基因组学 环境基因组学 毒理基因组学,7,环境基因组学（Environmental genomics）,探讨环境-基因，基因-基因间的交互作用 目标：研究遗传变异如何影响机体对环境因素作用的反应，包括发掘环境反应基因的多态性，评价这些多态性的功能及其与患病风险的关系,8,环境基因组计划（Environmental genomics project, HPG）,美国国立环境卫生科学研究所（NIEHS），1998年 目的：归纳整理人类基因组的多态性，并将这些信息用于研究机体对环境暴露的反应性和对疾病的易感性的差异。,9,利用人类基因组的资料，帮助筛选和鉴别潜
4、在的环境毒物，并在基因组水平上阐明毒作用发生的机制。,毒理基因组学的基本任务,10,近期目标：是确定某种有害因素的反应基因（信号基因）用于毒理学和相关疾病的研究。 远期目标：建立全基因组与蛋白质组毒性反应知识库，并在此基础上开辟以芯片技术和生物信息技术为特征的数字毒理学（digitized toxicolgy）,毒理基因组学的研究目标,11,National Center for toxicogenomics，NCT 的主要任务,促进基因和蛋白表达技术在毒理学中的应用； 促进人类环境暴露和疾病易感性关系的研究； 确定暴露和毒效应的生物标志； 推进暴露与生物学反应关系的计算和处理方法； 建立毒理
5、基因组学的公用数据库。,12,高通量筛选系统 计算机数据处理,第二节 毒理基因组学研究的技术平台,获取大规模生物学数据， 包括基因组、转录组、 蛋白质组和代谢组 表达数据,对大量信息进行 及时而合理的处理 基因表达数据经典毒理学试验资料,13,一、基因组学与转录组学技术平台,（一）差异显示反转录PCR技术（DDRT-PCR）PCR和聚丙烯酰胺凝胶电泳为基础 总RNA-cDNA- PCR -DNA测序胶 目的：找出表达有差异的cDNA片段,14,DDRT-PCR特点,优点周期短 功能多 灵敏度高 所需RNA量少重复性高 所获得的cDNA 仅代表mRNA 3非翻译区 缺点 假阳性率高 ；凝胶中单条
6、cDNA带成分不均一； 一些低拷贝数mRNA不能有效呈现等,15,（二）基因表达序列分析技术 (serialanalysisofgeneexpression ,SAGE,来自cDNA3特定位置的一段9-11bp长的序列能够区别基因组中95%的基因。这段基因特异的序列被称为标签（SAGE tag) 目的：获得基因在特定组织中的表达及基因表达丰度 前提： Genbank必须有某一物种的DNA序列信息。,16,（三）微阵列分析DNA微阵列(microarray assay)或DNA芯片(DNA chip)发红色荧光Cy3发绿色荧光Cy5,17,cDNA微阵列技术,优点 灵敏度高 mRNA丰度低至10
7、万分之一仍能被检测出可同时采用几种不同颜色的荧光染料标记探针，在同一张阵列膜进行一次杂交实验就可分析不同样品间基因表达的差异 缺点 成本较高 需要特殊的信号检测分析系统，玻片上的微阵列不能重复使用,18,（四）RNA干涉（RNA interference, RNAi)技术 RNA干涉是近年来发展的一种基因功能研究的方法，进而从反向角度来阐明基因的功能。RNAi是指将外源性双链RNA导入细胞后，可产生21-23nt长度的小分子干涉RNA，引起与其同源的特异基因mRNA降解的现象，属于转录后的基因沉默。 （五）单核苷酸多态性检测单核苷酸多态性(single nucleotide polymorph
8、isms, SNPs)指染色体基因组水平上单个核苷酸变异引起的DNA序列多态性，在人群中发生频率大于1%。,19,目前最常用技术路线是利用双向凝胶电泳分离蛋白、综合质谱和生物信息学分析技术 进行鉴定双向凝胶电泳和质谱技术是目前蛋白质组学研究的核心技术,二、蛋白质组学技术平台,20,（一）磁共振 （二）色谱-质谱联用技术,三、代谢组学技术平台,21,简而言之，是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。 是获取、处理、储存、分析和解释生物信息的一门学科，它综合运用数学、计算机科学的各种工具，以核酸、蛋白质等生物大分子数据库作为主要研究对象，对巨量生物学原始数据进行存
9、储、管理、注释、加工，使之成为具有明确生物学意义的生物信息。,四、生物信息学 (bioinformatics),22,生物信息学的组成,（一）生物学数据库DNA序列数据库、蛋白质一级数据库、蛋白质二级数据库等 （二）生物信息学分析方法序列比对预测、结构比对预测、功能比对预测 （三）应用软件GCG、Staden,23,毒作用机制研究 化学物毒性预测 比较毒理学研究 混合物联合毒作用研究 危险度评定 表型锚定 信息整合,第三节 毒理基因组学研究的内容及其应用,24,传统毒理学使用大量的动物模型进行毒性测试,存在使用动物多、周期长、工作量大的缺点。 检测指标：基因表达 更敏感、更特异,一、毒作用机制
10、研究,25,分子标志物或“基因指纹( fingerprints)”，通常依赖对基因转录表达的分析。 单基因的检测方法，分析能力有限 DNA微阵列技术的发展,实现了对群体基因的平行检测,因此,直接对基因表达谱进行分析可能是未来毒理学研究的一个重要方向。,26,在新化合物开发过程中，将其基因表达谱与已知化合物的“基因指纹”相比较，就可以从中推测新化合物是否具有某种相似的毒性效应，从而进一步设计更全面和更细致彻底的毒性检测。,二、化学物毒性预测,27,(1)选定已知毒性物质作为标准参照物,如常见的内分泌干扰物、重金属(如铅、汞、砷)、致癌物多环芳香烃如苯并()芘等;(2)选定参照物已知或者可能作用的
11、靶基因作为阵列目标基因,如基因、基因、53基因、基因、修复酶基因、细胞色素450基因家族等。(3)在特定组织或细胞中,用暴露于参照物质时靶基因的表达谱与受试物表达谱进行比较,预测其毒作用类型；(4)应用统计学分类方法如聚类分析、自组图分析发现两类毒物的基因表达模式的差异。,根据研究目的可分别设计识别化学物的毒性、毒作用途径或靶器官的阵列,基本程序如下:,28,问题：动物实验结果外推到人类-动物模型 解决的关键：桥梁生物标志物(bridging biomarkers)，能够在不同物种间进行毒性比较的生物标志物 技术：高通量的DNA微阵列技术 意义：桥梁生物标志物用于比较不同种属间毒性反应的不同，
12、特别是显示某一损伤即将出现的生物标志,从而可在安全允许的范围内进行人体试验。,三、比较毒理学研究,29,安全性评价只研究一段时间内一个化合物的毒性 从一系列单独的化合物的试验结果外推至这些物质混合后的效应是不科学的 高通量的基因组学和蛋白质组学手段检测基因、蛋白质的变化为研究混合物暴露后评价化合物之间的协同性或拮抗。,四、混合物联合毒作用研究,30,传统毒性测试方法的危险性评价正朝着对各种科学数据进行整合的方向发展,在此,生物标志物就显得尤为重要。 目前的标志物多为毒物代谢物、DNA加合物、组织病理以及生化改变,数量有限且不一定具备足够的敏感性和特异性。 基因组技术为毒理学研究提供了大量可供筛
13、选的生物信息分子,结合生物信息学分析技术,有望确定敏感、特异的生物标志物。 个体易感性分析融入危险性评价,五、危险度评定,31,是将特定的基因图谱改变于特定剂量或时间条件下的毒性损害相联系的过程。 相关表达谱的表型锚定是毒性评价的基础，目前已进行基因表达谱与疾病病理相关性研究的仅有坏死、凋亡、纤维化、炎症等表型，尚有大量工作待进行。,六、表型锚定,32,一是对经某种暴露后一个个体（动物或人）有不同技术平台（基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学）获得的测定结果进行比较和分析，找出其联系和变化规律。 二是对不同个体甚至不同种属生物的实验结果进行分析处理，找出相同或差异之处。 三是对不同实验室的
14、研究结果进行比对，获得能够重复的、可进入公共数据库的可信资料。要求进入数据库的资料必须标准化，不仅能够存取和交换，而且易于分析和比较，以便被各个实验室共享。,七、信息整合,33,系统毒理学是将毒理基因组学、传统毒理学和生物信息学融合在一起而形成的一个体系。 系统生物学在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用,并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为包括系统干扰、监测分子表达、整合反应资料以及建立系统分子结构和整个网络功能的模型。,第四节 从毒理基因组学到系统毒理学,34,以基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学等为技术平台 由表及里、由宏观到微观 揭示由基因组序列和调控的改变到毒性表现的过程和机制,35,
