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1、毒理基因组学与系统毒理学,第十章,1,江高峰,Contents,2,第一节 概 述,毒理基因组学（toxicogenomics）,研究生物体的整个基因组与环境有害因素间的交互作用及其方式的一门新兴学科。,基因组： 一套染色体中的完整DNA序列。体细胞含两套染色体，其中一套DNA序列就是一个基因组。包括基因和非编码DNA。,环境有害因素： 化学、物理、生物,3,毒物基因组学,人类基因组计划（human genome project）,美国1985年提出，1990年正式启动。美、英、法、德、日、中共同参与了这一价值达30亿美元的HGP。,旨在测定人类染色体所包含的30多亿个碱基对的序列，发现所有人
2、类基因，并明确其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。,4,5,HGP与曼哈顿原子弹计划、阿波罗计划并称为三大科学计划。,解码生命，了解生命的起源、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。,HGP目的,6,7,遗传图谱：确定基因在染色体上的排列，标明基因之间相对位置。,物理图谱：构成基因组的全部基因的排列和间距的信息,序列图谱：以某一染色体上所含全部碱基顺序绘制的图谱。是转录序列、调节序列和功能未知序列的综合。,转录图谱：基因精确位置和功能，不同时间不同基因表达，不同组织基因表达，正常与非正常情况下基
3、因表达,HGP任务,1999年6月26日，中科院遗传所人类基因组中心向美国HGP递交加入申请，成为继美、英、日、德、法后第六个加入该组织的国家。,1999年11月10日，1%计划被列入中国国家项目，由北京华大基因研究中心负责，国家基因组南方中心、北方中心共同参与，承担1测序工作。,3号染色体短臂上一个约30Mb区域,8,9,6国人类基因组中心研究比例,美国：WASHMIT等7家研究中心，54 英国：SANGER一家研究中心，33 日本：RIKEN等两家研究中心，7 法国：GENOSCOPE研究中心，2.8 德国：IMB等3家研究中心，2.2 中国：北京华大研究中心、国家南北方基 因研究中心等三
4、家，1。,10,二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成,个人基因图谱,11,Watson在人类历史上第一个拥有个人基因图谱。,1953年,英国克里克 1962年诺贝尔奖 HGP发起人及首席负责人,2007年，全球20亿黄种人的第一个个人基因序列图，首个完整的中国人基因组图谱。,炎黄一号,12,生命密码： 个性、欲望、疾病、精神状况。遗传缺陷将影响就业、交友、婚姻等诸多方面。,13,Genetic and educational assortative mating among US adults. Proc Natl Acad Sci USA. 2014 May 19,I l
5、ike your genes,Individuals are more genetically similar to their spouses than they are to randomly selected individuals from the same population.,People also are more likely to pick mates who have similar DNA.,Similar characteristics, including religion, age, race, income, body type and education.,1
6、4,Examined the genomes of 825 non-Hispanic white American couples, specifically 1.7 million single-nucleotide polymorphisms.,Found that there were fewer differences in the DNA between married people than between two randomly selected individuals.,Whether people also choose genetically similar friend
7、s?,Smaller than the strength of educational assortative mating in the same sample,HGP意义,15,1、带动一场医学革命 用基因图谱看病 基因药物治病 基因检测预防隐患 基因治疗疾病,2、操纵生命 优生优育 延长寿命 选择最佳生活环境,3、进行精确的个体鉴定 基因身份证 生物考古,4、巨大商机 生物制药 器官培植,16,单基因遗传病： 霍金 渐冻人 林肯 马凡综合征 维多利亚 血友病 梵高 遗传代谢病,基因编辑,基因治疗疾病,17,改造生命的“魔剪”：CRISPR,成簇规律间隔短回文重复序列：Clustered
8、Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,浅蓝色线段：串联重复的DNA序列 深蓝色线段：千变万化的非重复序列,18,1980s末，日本科学家,20世纪末，大规模基因组测序技术，生物信息学,2000年，西班牙科学家，20多种细菌和古细菌都带有结构组成相当类似的CRISPR序列,？CRISPR序列应该是有生物学功能的,2005年，搜集了60多种细菌4500段CRISPR序列，88段在不同物种重复出现，其中47个序列和噬菌体基因组序列高度一致！,19,？对付噬菌体入侵的武器,细菌讨厌噬菌体，却在基因组里留下各种噬菌体的序列信息,20,细菌免疫系统
9、：一小段重复DNA片段,2007年，杜邦公司旗下丹尼斯克食品配料公司科学家发现： 1）在嗜热链球菌中人工添加一段CRISPR序列，可帮助细菌抵挡对应病毒入侵！ 2）每当有新噬菌体入侵，细菌就把它的基因组序列整合到自己的CRISPR序列中，下次就可对抗同样病毒入侵-自我进化。,21,CRISPR抗病毒机制,？CRISPR序列定位入侵的病毒,研究证实：CRISPR序列转录成RNA分子，充当向导，带着一个蛋白复合体，在细菌体内游荡。当病毒入侵，且DNA序列和CRISPR完全一致，蛋白就把病毒DNA一刀剪断。,超轻量级基因组GPS,22,美国结构生物学家Jennifer Doudna：解析RNA分子相
10、关蛋白质结构；开始关注与CRISPR RNA分子结合的蛋白复合体,关于CRISPR如何定位、定位后如何切割病毒基因组，科学家大概知道，有一个庞大蛋白复合体Cascade应该起到剪刀作用，但复合体太大，结构复杂。,23,Jennifer Doudna： 2005年，加州大学伯克利分校“言论自由运动”咖啡馆，地球微生物学系Jillian Banfield,24,2011年，瑞典于默奥大学法国人Emmanuelle Charpentier与Jennifer Doudna,Emmanuelle研究化脓链球菌CRISPR序列，发现细菌中Cas9蛋白就有独立完成利用CRISPR序列定位和切割病毒基因组的能
11、力。,2012年，证实了Emmanuelle猜想，立陶宛Virginijus Siksnys,25,更重要的是，Emmanuelle Charpentier与Jennifer Doudna发现，Cas9定位功能完全依赖CRISPR RNA几十个碱基，如人工编辑CRISPR RNA，就可让Cas9蛋白切割任意指定DNA。,全新基因组编辑技术：理论上只需设计一段几十个碱基的CRISPR，加上天然存在的Cas9蛋白，就可随心所欲定位和修改任何一段人类基因组！,26,2013年初，短短数周时间内，三个研究组相继证明，人工设计的CRISPR序列与Cas9蛋白结合，在人类细胞中同样可以高效地定位、剪切和修
12、改基因组。 Emmanuelle Charpentier与Jennifer Doudna 麻省理工学院博德研究所张锋 哈佛大学医学院George Church,27,Cas9蛋白像一个有两块卡槽的接线板，能同时插进一条CRISPR RNA和一条病毒DNA。 当CRISPR RNA和病毒DNA序列对应时，Cas9蛋白变形，卡住并剪断病毒DNA。,28,2014年11月，Breakthrough Prize in Life Sciences，每人300万美元，（脸书Mark Zuckerberg，谷歌Sergey Brin等人设立）,29,2016年3月9日，美国沃伦阿尔珀特奖,Rodolphe
13、Barrangou Philippe Horvath Jennifer Doudna Emmanuella Charpentier Virginijus Siksnys,30,2016年3月23，Canada Gairdner Awards小诺贝尔奖,Jennifer Doudna、张锋、Emmanuelle Charpentier、杜邦Philippe Horvath及北卡罗莱纳州立大学Rodolphe Barrangou,31,CRISPR/Cas9市场前景,？改造微生物、植物、动物，甚至人类基因组，避免遗传病，让人类更聪明、更健康、更长寿,市场分析，以CRISPR为基础的基因组编辑市场会
14、达到每年数十亿美元规模，更乐观的估计则认为年销售额接近500亿美元。,32,CRISPR/Cas9技术专利之争,CRISPR/Cas9技术第一项专利许可，授予博德研究所和麻省理工学院，张锋，2014年4月15日,不仅有巨额专利许可费，而且可从源头控制整个基因编辑和基因治疗产业,杜德纳和卡彭蒂耶：2012年6月专利申请 张锋：2012年底提交,33,first-to-file：谁先申请谁获得专利,first-to-invent：谁先发明谁获得专利,美国2013年3月16日改成first-to-file,基因身份证,34,2015年，5000万人拥有个人基因图谱“基因身份证”。,1990年，解码和
15、分析一个人类基因组需耗时15年、耗资30亿美元；2013年，同样工作仅需一天时间和1000美元。,35,基因信息获取：毛发、血液等，提取DNA，测序，制作基因身份证。,选取16个固定的遗传基因位点进行检测，其组合具有唯一性，能把持卡人与全世界60亿人区分开来（双胞胎除外），正确率达99.99%以上。,意义： 1）DNA寻亲： 2）其他：意外事故、财产继承、输血、器官和骨髓移植，根据“基因身份证”寻找信息。,考古-曹操家族DNA密码,36,复旦大学历史学和人类学联合课题组：研究当代超千例曹姓后人DNA，对比曹操叔祖父曹鼎DNA，确定Y染色体基因突变点O2*-M268为曹操家族DNA固有突变点。,
16、后基因组时代,后基因组计划：对基因组生物学功能研究应用。,结构基因组学,功能基因组学,37,哈佛大学麦克贝斯：人类基因组图谱并没有告诉我们所有基因的“身份”以及它们所编码的蛋白质。真正发挥作用的是蛋白质，扮演着构筑生命大厦的“砖块”角色，可能藏着开发疾病诊断方法和新药的“钥匙”。,环境基因组学（Environmental Genome Project，EGP） 毒理基因组学研究计划（Toxicogenomics Research Program，TRP）,研究内容,基因组学 转录组学 蛋白质组学 代谢组学 遗传多态性 生物信息学等,基本任务,利用人类基因组的资料，帮助筛选和鉴别潜在的环境遗传毒物，并在基因组水平上阐明毒作用发生的机制,38,TRP研究目标,远期目标,建立全基因组/蛋白质组毒性反应数据库，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。,39,40,钓鱼,捞鱼,TRP意义:从传统的遗传毒性检测方法到基因群检测方法转变，
