生物化学与分子生物学课件：第26章 组学与医学

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1、目录目录第二十六章第二十六章组学与医学组学与医学-omics and Medicine目录目录遗传信息的方向与组学遗传信息的方向与组学目录目录第一节第一节基因组学基因组学 Genomics目录目录基因组基因组( (genome) )一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息。一个细胞（或病毒）所载的全部遗传信息。真真核核生生物物体体基基因因组组是是指指一一套套完完整整单单倍倍体体DNA（染染色色体体DNA）及及线线粒粒体体或或叶叶绿绿体体DNA的的全全部部序序列列，既既有有编编码码序序列列，也也有有大大量量存存在在的的非编码序列。非编码序列。 目录目录目录目录目录目录基因组学基因组学(genomic

2、s)是阐明整个基因组的结构、结构与功能关系是阐明整个基因组的结构、结构与功能关系以及基因之间相互作用的科学。以及基因之间相互作用的科学。 一、基因组学包含结构基因组学、功能一、基因组学包含结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学基因组学和比较基因组学 目录目录CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.Fishing in a More Effective Way!目录目录基因组学包括基因组学包括3个不同的亚领域个不同的亚领域结构基因组学结构基因组学(structural genomics) 功能基因组学功能基因组学(functional genomi

3、cs)比较基因组学比较基因组学(comparative genomics) 基因组学概念基因组学概念目录目录二、结构基因组学的主要任务是基因二、结构基因组学的主要任务是基因组作图和大规模测序组作图和大规模测序 结结构构基基因因组组学学(structural genomics)是是通通过过HGP的实施来完成的。的实施来完成的。HGP的的内内容容就就是是制制作作高高分分辨辨率率的的人人类类遗遗传传图图和和物物理理图图，最最终终完完成成人人类类和和其其它它重重要要模模式式生生物物全全部部基基因因组组DNA序序列列测测定定，因因此此HGP属属于于结构基因组学范畴。结构基因组学范畴。目录目录人类基因组计

4、划人类基因组计划19901990，美国国立卫生研究所和能源部投资，美国国立卫生研究所和能源部投资3030亿，亿，启动了人类基因组计划，预计启动了人类基因组计划，预计1515年时间完成人类年时间完成人类基因组全部序列的测定基因组全部序列的测定19961996，完成标记密度为，完成标记密度为0.60.6cMcM的人类基因组遗传的人类基因组遗传图谱，图谱，100100kbkb的物理图谱的物理图谱20002000，完成草图，完成草图20012001年年2 2月，公布人类基因组图谱的修订版月，公布人类基因组图谱的修订版20022002，完成测序工作，完成测序工作目录目录2 基因组图谱的构建基因组图谱的构

5、建基因组计划的主要任务是获得全基因组序列基因组计划的主要任务是获得全基因组序列但是，现在的测序方法每次只能测但是，现在的测序方法每次只能测80080010001000bpbp大量的测序片段要拼接大量的测序片段要拼接要知道序列在要知道序列在ChrChr上的位置才能正确拼接上的位置才能正确拼接基因组计划的第一个环节：基因组计划的第一个环节： 构建基因组图谱构建基因组图谱目录目录（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基（一）遗传作图和物理作图是绘制人类基因组草图的重要策略因组草图的重要策略 1遗传作图就是绘制连锁图遗传作图就是绘制连锁图 遗遗传传图图（genetic map）又又称称连连锁锁图图（lin

6、kage map）。遗遗传传作作图图（genetic mapping）就就是是确确定定连连锁锁的的遗遗传传标标志志位位点点在在一一条条染染色色体体上上的的排排列列顺顺序序以以及及它它们们之之间间的的相相对对遗遗传传距距离离，用用厘厘摩摩尔尔根根（centi-Morgan，cM）表表示示，当当两两个个遗遗传传标记之间的重组值为标记之间的重组值为1%时，图距即为时，图距即为1 cM。 （1）限制性片段长度多态性（）限制性片段长度多态性（RFLP） （2） 可变数目串联重复序列（可变数目串联重复序列（VNTR） （3）单核苷酸多态性（）单核苷酸多态性（SNP） 目录目录遗传图谱遗传图谱（geneti

7、c map） 采用采用遗传分析的方法遗传分析的方法将基因或其它将基因或其它DNADNA序列标定在染色体上构建连锁图。序列标定在染色体上构建连锁图。目录目录遗传标记遗传标记q有可以识别的标记，才能确定目标的方位有可以识别的标记，才能确定目标的方位及彼此之间的相对位置。及彼此之间的相对位置。q构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上构建遗传图谱就是寻找基因组不同位置上的特征标记。的特征标记。q包括：包括： 形态标记形态标记 细胞学标记细胞学标记 生化标记生化标记 DNA DNA分子标记分子标记目录目录RFLPRFLP分析分析目录目录微卫星微卫星（microsatellite）标记标记v微微 卫卫 星星

8、 又又 称称 为为 简简 单单 重重 复复 序序 列列 （ simple simple sequence repeatsequence repeat，SSRSSR）。）。v这这种种重重复复序序列列的的重重复复单单位位很很短短，常常常常只只有有2 2个个、3 3个或个或4 4个核苷酸个核苷酸v如一条染色体如一条染色体TCTTCTGAGAGAGGAGAGAGACGCACGC 另另一一染染色色体体TCTTCTGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGACGCCGC，就就构构成成了多态性。了多态性。目录目录物理图谱的构建物理图谱的构建v 用分子生物学方法直接检测用分子生物学方法直接

9、检测DNADNA标记在染色体标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。v 有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？ 目录目录遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷n 分别率有限分别率有限, ,精确性不够精确性不够n 人类只能研究少数减数分裂事件，不能人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体获得大量子代个体n 测序要求每个标记的间隔小于测序要求每个标记的间隔小于100100kbkbn基因组中有些区域是重组热点基因组中有些区域是重组热点n倒位、重复等染色体结构变异会限制交倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组换重组目录目录

10、酵酵母母遗遗传传图图与与物物理理图图比比较较A A 遗传图遗传图B B 物理图物理图目录目录2物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图及克隆系图 物理作图物理作图包括：包括： 荧荧光光原原位位杂杂交交图图（fluorescent in situ hybridization map，FISH map）：将将荧荧光光标标记记的的探探针针与与染染色色体体杂杂交确定分子标记所在的位置；交确定分子标记所在的位置； 限限制制性性酶酶切切图图（restriction map）；将将限限制制性性酶酶切切位点标定在位点标定在DNA分子的相对位置；分子的相对位置； 克隆相

11、连重叠群图（克隆相连重叠群图（clone contig map）酵母人工染色体酵母人工染色体（yeast artificial chromosome，YAC）细菌人工染色体细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome，BAC） 目录目录荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）目录目录荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）目录目录荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）目

12、录目录（二）通过（二）通过BAC克隆系、鸟枪法等完成大规克隆系、鸟枪法等完成大规模模DNA测序测序 1BAC克隆系的构建是大规模克隆系的构建是大规模DNA测序的基础测序的基础 BAC是是一一种种装装载载DNA大大片片段段的的克克隆隆载载体体系系统统，用用于于人人、动动物物和和植植物物基基因因组组文文库库构构建建。BAC具具有有插插入入片片段段较较大大（数数kb 数数百百 kb）、嵌嵌合合率率低低、遗传稳定性好、易于操作等优点。遗传稳定性好、易于操作等优点。 目录目录2鸟枪法是大规模鸟枪法是大规模DNA测序的重要方法测序的重要方法 步骤：步骤： 建立高度随机、插入片段大小为建立高度随机、插入片段

13、大小为1.6 kb到到4 kb左右的左右的基因组文库；基因组文库； 高效、大规模的克隆双向测序；高效、大规模的克隆双向测序； 序列组装（序列组装（sequence assembly）：借助软件将所测）：借助软件将所测得的序列进行组装，产生一定数量的相连重叠群；得的序列进行组装，产生一定数量的相连重叠群； 缺口填补：利用引物延伸或其他方法对缺口填补：利用引物延伸或其他方法对BAC克隆中还克隆中还存在的缺口进行填补。存在的缺口进行填补。 3高通量测序技术大大加快了基因组高通量测序技术大大加快了基因组DNA测序进度测序进度 目录目录鸟枪法（鸟枪法（shotgun sequencing）目录目录两两种

14、种基基因因组组测测序序策策略略目录目录（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的（三）生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段重要手段 三大生物信息中心：三大生物信息中心： 美国国家生物技术信息中心（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（欧洲生物信息研究所（EBI，http:/ebi.ac.uk）日本日本DNA数据库（数据库（DDBJ，http:/www.ddbj.nig.ac.jp） GenBank（http:/www.ncbi.nih.gov/Genbank）是）是NIH的基因序列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、的基

15、因序列数据库，包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、以及与之相关的生物学信息和参考文献，是世界上的权威序以及与之相关的生物学信息和参考文献，是世界上的权威序列数据库。列数据库。 目录目录目录目录功能基因组学功能基因组学v 完完成成基基因因组组测测序序，仅仅仅仅是是基基因因组组计计划划的的第一步，更重要的工作在于弄清楚：第一步，更重要的工作在于弄清楚： 基基因因组组序序列列中中所所包包含含的的全全部部遗遗传传信信息息是什么；是什么； 基因组作为一个整体如何行使功能。基因组作为一个整体如何行使功能。v就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。就是功

16、能基因组学的研究内容。 目录目录 又称后基因组学（又称后基因组学（postgenomics)postgenomics)q 基因的识别、鉴定、克隆基因的识别、鉴定、克隆q 基因结构、功能及其相互关系基因结构、功能及其相互关系q 基因表达调控的研究基因表达调控的研究三、功能基因组学系统探讨基因的三、功能基因组学系统探讨基因的活动规律活动规律 目录目录（一）通过全基因组扫描鉴定（一）通过全基因组扫描鉴定DNADNA序列中的基因序列中的基因 （二）通过（二）通过BLASTBLAST等程序搜索同源基因等程序搜索同源基因 （三）通过实验设计验证基因功能（三）通过实验设计验证基因功能 （四）通过转录组和蛋白

17、质组描述基因表达模式（四）通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式 目录目录根据序列分析搜寻基因根据序列分析搜寻基因 v 查找开放阅读框（查找开放阅读框（open reading frame, ORFopen reading frame, ORF）v 开开放放阅阅读读框框都都有有一一个个起起始始密密码码子子，ATGATG，还还要要有有终止密码子终止密码子。v 从从ATGATG开始，然后向下游寻找终止密码子。开始，然后向下游寻找终止密码子。v 起起始始密密码码子子和和终终止止密密码码子子之之间间的的碱碱基基数数目目要要能能够够被被3 3整除。整除。v 计算机可以很快给出结果。计算机可以很快给出结果。

18、目录目录第二节第二节 转转 录录 组组 学学Transcriptomics 目录目录转录组转录组（transcriptome）指生命单元）指生命单元（通常是一种细胞）所能转录出来的可直接参（通常是一种细胞）所能转录出来的可直接参与蛋白质翻译的与蛋白质翻译的mRNA（编码（编码RNA）总和，而）总和，而其他所有非编码其他所有非编码RNA均可归为均可归为RNA组组（RNome）。）。 转转录录组组学学（transcriptomics）是是在在整整体体水水平平上上研研究究细细胞胞编编码码基基因因转转录录情情况况及及转转录录调调控规律的科学。控规律的科学。 目录目录转录组学研究内容n对特定细胞转录与加

19、工的研究n对转录物编制目录n绘制动态转录物图形n转录物的网络式调节目录目录转录组学研究方法n高通量mRNA表达分析技术n基因表达系列分析技术n转录物编目的研究方法n绘制动态转录物图的研究方法n转录物调节网络目录目录一、转录组学研究全部一、转录组学研究全部mRNA的的表达及功能表达及功能 转转录录组组学学就就是是要要阐阐明明生生物物体体或或细细胞胞在在特特定定生生理理或或病病理理状状态态下下表表达达的的所所有有种种类类的的mRNA及及其其功功能能。目目前前，转转录录组组学学研研究究的的侧侧重重点点涉涉及及基基因因转转录录的的区区域域、转转录录因因子子结结合合位位点点、染色质修饰点、染色质修饰点、

20、DNA甲基化位点等。甲基化位点等。 转录组研究的主要技术：转录组研究的主要技术： 微阵列（微阵列（microarray）基因表达系列分析（基因表达系列分析（SAGE）大规模平行信号测序系统（大规模平行信号测序系统（MPSS） 目录目录基础知识mRNA检测技术核酸杂交技术原位杂交逆转录PCR (Reverse transcription PCR，RT-PCR)全长cDNA文库Real-time PCR目录目录 SAGE SAGE 技术的主要理论依据：技术的主要理论依据：n来自转录物内特定位置的一小段寡核苷酸序列（911bp）含有鉴定一个转录物特异性的足够信息，可作为区别转录物的标签（tag）；n

21、通过简单的方法将这些标签串联在一起，形成大量多联体（concatemer），对每个克隆到载体的多联体进行测序，并应用SAGE软件分析，可确定表达的基因种类，并可根据标签出现的频率确定基因的表达丰度（abundance）。 目录目录1.将5g含有oligodT（引物）的磁珠与RNA混合。2.合成双链cDNA。3.用Nla酶消化形成一条链末端有标签的产物。4.将样品分成两份，连接成含有识别序列的产物，以备用BsmF1消化。5.用MmeI切割每一个样品形成约60bp的标签。SAGE 步骤步骤目录目录6.延伸5秒，连接成约130bp的双链标签。7.PCR扩增。8.用Nla酶切130bp产物释放34bp

22、双链标签。9.连接片断形成串联体。10.克隆到pZErO-1+里，并测序。目录目录SAGE实实例例目录目录二、二、RNA组学研究非编码组学研究非编码RNA的集合的集合 调调 控控 型型 小小 分分 子子 非非 编编 码码 RNA包包 括括 snRNA、snoRNA、 scRNA、 催催 化化 性性 小小 RNA、 siRNA、miRNA等。等。在在基基因因的的转转录录和和翻翻译译、细细胞胞分分化化和和个个体体发发育育、遗遗传传和和表表观观遗遗传传等等生生命命活活动动中中发发挥挥重重要要的的组组织织和和调控作用调控作用, 从而形成了细胞中高度复杂的从而形成了细胞中高度复杂的RNA网络。网络。 目

23、录目录第三节第三节蛋蛋 白白 质质 组组 学学 Proteomics 目录目录蛋白质组(Proteome)n蛋白质组蛋白质组 广义上是指某种细胞或组织中基因组表达的所有广义上是指某种细胞或组织中基因组表达的所有蛋白质蛋白质; ; 狭义上狭义上, , 可以指不同时期细胞内蛋白质的变化。可以指不同时期细胞内蛋白质的变化。n蛋白质组学蛋白质组学 研究蛋白质组结构和功能的领域称为蛋白质组学。研究蛋白质组结构和功能的领域称为蛋白质组学。n研究内容研究内容: : 分析全部蛋白质组所有成分以及它们的数量分析全部蛋白质组所有成分以及它们的数量; ;确确定各种组分所在的空间位置、修饰方法、互作机制、定各种组分所

24、在的空间位置、修饰方法、互作机制、生物活性和特定功能等。生物活性和特定功能等。全景式蛋白质表达谱全景式蛋白质表达谱（global protein expression profile）分析分析。 目录目录蛋白质组分析复杂性n蛋白质有许多加工方式蛋白质有许多加工方式, ,如磷酸化、糖基化、乙如磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化等；酰化、泛素化等；nmRNA mRNA 的可变剪接、程序性移码和可控突变，的可变剪接、程序性移码和可控突变，1 1个个基因可编码许多不同的蛋白质，常常表现为组织基因可编码许多不同的蛋白质，常常表现为组织特异性；特异性；n蛋白质之间存在大量的相互作用，如形成同源或蛋白质之间存在

25、大量的相互作用，如形成同源或异源二聚体、三聚体或多聚体，不同的结合状态异源二聚体、三聚体或多聚体，不同的结合状态有不同的活性；有不同的活性；n1 1种蛋白质可参与多种反应，或多种蛋白质参与种蛋白质可参与多种反应，或多种蛋白质参与1 1种反应。种反应。目录目录蛋白质组研究技术蛋白质组研究技术 蛋白质组主要研究技术：蛋白质组主要研究技术： 双向电泳双向电泳 生物质谱技术生物质谱技术 蛋白质芯片蛋白质芯片 酵母双杂交酵母双杂交目录目录蛋白质组研究相关的数据库蛋白质组研究相关的数据库 蛋白序列数据库（蛋白序列数据库（SWISS-PROT/TrEMBL；http:/www.expasy.ch/）、）、基

26、因序列数据库（基因序列数据库（GenBank，EMBL；http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/，http:/www.ebi.ac.uk/）、）、蛋白质模式数据库（蛋白质模式数据库（Prosite；http:/www.expasy.ch/sprot/prosite.html）、）、蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白质三维结构数据库蛋白质二维凝胶电泳数据库、蛋白质三维结构数据库（PDB，http:/www.pdb.bnl.gov/；FSSP，http:/www.embl-ebi.ac.uk），），蛋白翻译后修饰数据库（蛋白翻译后修饰数据库（O-GLYCBASE，http:/www.cb

27、s.dtu.dk/databases/OGLYCBASE）目录目录一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质一、蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质的组成及其活动规律的组成及其活动规律 蛋蛋白白质质组组学学的的研研究究主主要要涉涉及及两两个个方方面面：一一是是蛋蛋白白质质组组表表 达达 模模 式式 的的 研研 究究 ， 即即 结结 构构 蛋蛋 白白 质质 组组 学学 （ structural proteomics）；二二是是蛋蛋白白质质组组功功能能模模式式的的研研究究，即即功功能能蛋蛋白白质组学（质组学（functional proteomics）。）。 （一）蛋白质鉴定是蛋白质组学的基本任务（一）蛋白质鉴

28、定是蛋白质组学的基本任务 （二）翻译后修饰的鉴定有助于蛋白质功能的阐明（二）翻译后修饰的鉴定有助于蛋白质功能的阐明 （三）蛋白质功能确定是蛋白质组学的根本目的（三）蛋白质功能确定是蛋白质组学的根本目的 目录目录二、二维电泳和质谱是蛋白质组学二、二维电泳和质谱是蛋白质组学研究的常规技术研究的常规技术 二二维维凝凝胶胶电电泳泳（2-DE）技技术术、质质谱谱（MS）技技术术以以及及大规模数据处理仍然是蛋白质组学的三大基本支撑技术。大规模数据处理仍然是蛋白质组学的三大基本支撑技术。 蛋白质组学研究的主要技术路线有两条：蛋白质组学研究的主要技术路线有两条： 以以2-DE分分离离为为核核心心的的研研究究路

29、路线线：混混合合蛋蛋白白首首先先通通过过2-DE分离，然后进行胶内酶解，再用质谱进行鉴定。分离，然后进行胶内酶解，再用质谱进行鉴定。 以以色色谱谱分分离离为为核核心心的的技技术术路路线线：混混合合蛋蛋白白先先进进行行酶酶解解，经经色色谱谱或或多多维维色色谱谱分分离离后后，对对肽肽段段进进行行串串联联质质谱谱分分析析以以实现蛋白的鉴定。实现蛋白的鉴定。 目录目录（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法（一）二维电泳是分离蛋白质组的有效方法 2-DE是是分分离离蛋蛋白白质质组组最最基基本本的的工工具具，其其原原理理是是蛋蛋白白质质在在高高压压电电场场作作用用下下先先进进行行等等电电聚聚焦焦（isoe

30、lectric focusing，IEF）电电泳泳，利利用用蛋蛋白白质质分分子子的的等等电电点点不不同同使使蛋蛋白白质质得得以以分分离离；随随后后进进行行SDS-聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺凝凝胶胶电电泳泳（SDS-PAGE），按按蛋白质分子量的大小进行分离。蛋白质分子量的大小进行分离。 目录目录蛋白质的二维电泳蛋白质的二维电泳 目录目录目录目录双双向向电电泳泳图图目录目录（二）质谱技术是蛋白质组鉴定的重要工具（二）质谱技术是蛋白质组鉴定的重要工具 1用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质 2用串联质谱鉴定蛋白质用串联质谱鉴定蛋白质 蛋蛋白白质质经经过过酶酶解解成成肽肽段段后后，获获得得

31、所所有有肽肽段段的的分分子子质质量量，形形成成一一个个特特异异的的肽肽质质量量指指纹纹图图谱谱（PMF），通通过过数数据据库库搜搜索与比对，便可确定待分析蛋白质分子的性质。索与比对，便可确定待分析蛋白质分子的性质。 用用PMF方方法法不不能能鉴鉴定定的的蛋蛋白白质质可可通通过过质质谱谱技技术术获获得得该该蛋蛋白白质质一一段段或或数数段段多多肽肽的的串串联联质质谱谱（MS/MS）信信息息并并通通过过数据库检索来鉴定该蛋白质。数据库检索来鉴定该蛋白质。 目录目录蛋白质的质谱分析蛋白质的质谱分析 目录目录目录目录三、蛋白质相互作用研究是认识蛋白三、蛋白质相互作用研究是认识蛋白质功能的重要内容质功能的

32、重要内容 蛋白质蛋白质- -蛋白质相互作用是维持细胞生命活动的蛋白质相互作用是维持细胞生命活动的基本方式。基本方式。 研究蛋白质相互作用常用的方法有酵母双杂交、研究蛋白质相互作用常用的方法有酵母双杂交、亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联、荧光共振能亲和层析、免疫共沉淀、蛋白质交联、荧光共振能量转移（量转移（FRET）等。）等。 目录目录第四节第四节代代 谢谢 组组 学学Metabonomics 目录目录三三羧羧酸酸循循环环目录目录代谢组学的创建普普遍遍认认为为代代谢谢组组学学的的概概念念是是英英国国帝帝国国理理工工大大学学的的NicholsonNicholson教授教授于于19991999年首先

33、提出年首先提出来的来的。NicholsonNicholson因因为他为他在代谢组学发展上的开拓性贡献，在代谢组学发展上的开拓性贡献，被学术界公认为代谢组学创始人被学术界公认为代谢组学创始人（代谢组学之父）（代谢组学之父）。Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E (November 1999). Metabonomics: understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis

34、of biological NMR spectroscopic data. Xenobiotica 29 (11): 11819目录目录代代谢谢组组（metabolomemetabolome）：基基因因组组的的下下游游产产物物也也是是最最终终产产物物，是是一一些些参参与与生生物物体体新新陈陈代代谢谢、维维持持生生物物体体正正常常生生长长功功能能和和生生长长发发育育的的小小分分子子化合物的集合。化合物的集合。代代谢谢组组学学（metabonomicsmetabonomics）就就是是测测定定一一个个生生物物/ /细细胞胞中中所所有有的的小小分分子子（M Mr r 1 1 000 000 d d）

35、组组成成，描描绘绘其其动动态态变变化化规规律律，建建立立系系统统代代谢谢图图谱谱，并确定这些变化与生物过程的联系。并确定这些变化与生物过程的联系。 目录目录代谢组学的特点代谢组学的特点细胞细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞内许多生命活动是发生在代谢物层面的，如细胞信号释放，能量传递，细胞间通信等都是受代谢物调控的信号释放，能量传递，细胞间通信等都是受代谢物调控的。 代谢物代谢物更多地反映了细胞所处环境，这与细胞的营养状更多地反映了细胞所处环境，这与细胞的营养状态、药物和环境污染物的作用以及其它外界因素的影响密态、药物和环境污染物的作用以及其它外界因素的影响密切相关切相关。基因组学和

36、蛋白质组学能够说明基因组学和蛋白质组学能够说明可能可能发生的事件，而代发生的事件，而代谢组学则反映谢组学则反映确实确实已经发生了的事情已经发生了的事情。基因和蛋白表达的微小变化在代谢物上会得到基因和蛋白表达的微小变化在代谢物上会得到放大放大, ,使检使检测测更容易更容易。目录目录代谢组学主要以生物体液为研究对象，如代谢组学主要以生物体液为研究对象，如血样、尿样等，另外还可采用完整的组织样品、血样、尿样等，另外还可采用完整的组织样品、组织提取液或细胞培养液等进行研究。组织提取液或细胞培养液等进行研究。 目录目录真正意义的代谢组学研究。真正意义的代谢组学研究。预处理和检测技术需满足高预处理和检测技

37、术需满足高灵敏度、高选择性和高通量灵敏度、高选择性和高通量的要求。需要对获得的数据的要求。需要对获得的数据进行解析进行解析。代谢物靶标分析。对个别特定组分分析。代谢轮廓分析。对预设组分的分析。代谢组学。特定样品中所有代谢物分析。代谢指纹分析。比较代谢物指纹图谱。一、代谢组学的任务是分析生物一、代谢组学的任务是分析生物/细胞细胞代谢产物的全貌代谢产物的全貌 目录目录二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学二、核磁共振、色谱及质谱是代谢组学的主要分析工具的主要分析工具 NMR：是当前代谢组学研究中的主要技术。代谢组学：是当前代谢组学研究中的主要技术。代谢组学中常用的中常用的NMR谱是氢谱（谱是氢谱（1H

38、-NMR）、碳谱（）、碳谱（13C-NMR）及磷谱（）及磷谱（31P-NMR）；）； MS：按质荷比（：按质荷比（m/z）进行各种代谢物的定性或定量分）进行各种代谢物的定性或定量分析，可得到相应的代谢产物谱；析，可得到相应的代谢产物谱； 色谱色谱-质谱联用技术：这种联用技术使样品的分离、定性、质谱联用技术：这种联用技术使样品的分离、定性、定量一次完成，具有较高的灵敏度和选择性。定量一次完成，具有较高的灵敏度和选择性。目前常用的联用技术包括气相色谱目前常用的联用技术包括气相色谱-质谱联用质谱联用（GC-MS）和液相色谱）和液相色谱-质谱联用（质谱联用（LC-MS）。）。目录目录69代谢组学的技术

39、平台n红外线光谱技术（红外线光谱技术（IRIR），），n核磁共振技术（核磁共振技术（NMRNMR），），n薄层色谱技术（色谱技术（TLCTLC），），n高效液相色谱技术（高效液相色谱技术（HPLCHPLC），），n高效毛细管电泳技术（高效毛细管电泳技术（HPCEHPCE），），n毛细管电泳与紫外线吸光率检测连用技术（毛细管电泳与紫外线吸光率检测连用技术（CE/UVCE/UV），），n毛细管电泳与激光诱导荧光检测连用技术（毛细管电泳与激光诱导荧光检测连用技术（CE/LIFCE/LIF），），n毛细管电泳与质谱连用技术（毛细管电泳与质谱连用技术（CE/MSCE/MS），），n气相色谱与质谱共用技术

40、（气相色谱与质谱共用技术（GC/MSGC/MS），），n液相色谱与质谱共用技术（液相色谱与质谱共用技术（LC/MSLC/MS），），n液相色谱与质谱先后使用技术（液相色谱与质谱先后使用技术（LC/MS/MSLC/MS/MS），），n高效液相色谱与质谱和核磁共振技术功用（高效液相色谱与质谱和核磁共振技术功用（LC/NMR/MSLC/NMR/MS）目录目录代谢组学研究的技术系统及手段代谢组学研究的技术系统及手段 目录目录代谢组学研究流程样品采集样品预处理代谢物分析-数据采集数据分析生命现象的解释代谢组指代谢组指一个细胞、一个细胞、组织或器组织或器官中所有官中所有代谢组分代谢组分的集合，的集合，尤其

41、指分尤其指分子质量为子质量为1,000以以下的小分下的小分子物质。子物质。目录目录600 MHz 1H NMR spectrum of control rat urineJ.K Nicholson, (2007) Nature Protocols目录目录600 MHz 1H NMR spectrum of blood serum sampleJ.K Nicholson, (2007) Nature Protocols目录目录74不同器官组织具有不同的代谢轮廓，广谱全采集不同器官组织具有不同的代谢轮廓，广谱全采集目录目录第五节第五节其其 他他 组组 学学 目录目录一、糖组学研究生命体聚糖多样性及

42、其一、糖组学研究生命体聚糖多样性及其生物学功能生物学功能 糖糖组组学学（glycomics）侧侧重重于于糖糖链链组组成成及及其其功功能能的的研研究究，其其主主要要研研究究对对象象为为聚聚糖糖，具具体体内内容容包包括括研研究究糖糖与与糖糖之之间间、糖糖与与蛋蛋白白质质之之间间、糖糖与与核核酸之间的联系和相互作用。酸之间的联系和相互作用。 目录目录（一）糖组学分为结构糖组学与功能糖组学（一）糖组学分为结构糖组学与功能糖组学两个分支两个分支 糖糖组组（glycome）指指单单个个个个体体的的全全部部聚聚糖糖，糖糖组组学学则则对对糖糖组组（主主要要针针对对糖糖蛋蛋白白）进进行行全全面面的的分分析析研研

43、究究，包包括括结结构构和和功功能能两两方方面面内内容容，可可为为结结构构糖糖组组学学（structural glycomics）和和功功能能糖糖组组学学（functional glycomics）两两个个分支。分支。 糖组学主要要回答糖组学主要要回答4个方面的问题：个方面的问题： 什么基因编码糖蛋白，即基因信息；什么基因编码糖蛋白，即基因信息； 可能糖基化位点中实际被糖基化的位点；可能糖基化位点中实际被糖基化的位点； 聚糖结构，即结构信息；聚糖结构，即结构信息； 糖基化功能，即功能信息。糖基化功能，即功能信息。 目录目录（二）色谱分离（二）色谱分离/质谱鉴定和糖微阵列技术质谱鉴定和糖微阵列技术

44、是糖组学研究的主要技术是糖组学研究的主要技术 1色谱分离与质谱鉴定技术色谱分离与质谱鉴定技术 2糖微阵列技术糖微阵列技术 3生物信息学生物信息学 糖糖微微阵阵列列技技术术是是生生物物芯芯片片中中的的一一种种，是是将将带带有有氨氨基基的的各各种种聚聚糖糖共共价价连连接接在在包包被被有有化化学学反反应应活活性性表表面面的的玻玻璃璃芯芯片片上上，一一块块芯芯片片上上可可排排列列200种种以以上上的的不不同同糖糖结结构构，几几乎乎涵盖了全部末端糖的主要类型。涵盖了全部末端糖的主要类型。 目录目录（三）糖组学与肿瘤的关系密切（三）糖组学与肿瘤的关系密切 多多种种血血清清糖糖蛋蛋白白可可作作为为肾肾细细胞

45、胞癌癌、乳乳腺腺癌癌、结直肠癌等的标记物；结直肠癌等的标记物；糖糖基基化化改改变变普普遍遍存存在在于于肿肿瘤瘤的的发发生生、发发展展过过程程中中，分分析析糖糖基基化化修修饰饰对对于于深深入入研研究究肿肿瘤瘤的的发生机制及诊断治疗有着重要的价值；发生机制及诊断治疗有着重要的价值；糖糖基基化化差差异异也也可可用用于于构构建建特特异异的的多多糖糖类类癌癌症疫苗，以发展新的免疫治疗策略。症疫苗，以发展新的免疫治疗策略。 目录目录二、脂组学揭示生命体脂质多样性及二、脂组学揭示生命体脂质多样性及其代谢调控其代谢调控 脂脂组组学学（lipidomics）就就是是对对生生物物样样本本中中脂脂质质进进行行全全面

46、面系系统统的的分分析析，从从而而揭揭示示其其在在生命活动和疾病中发挥的作用。生命活动和疾病中发挥的作用。 目录目录（一）脂组学是代谢组学的一个分支（一）脂组学是代谢组学的一个分支 脂脂组组学学的的研研究究内内容容为为生生物物体体内内的的所所有有脂脂质质分分子子，并并以以此此为为依依据据推推测测与与脂脂质质作作用用的的生生物物分分子子的的变变化化，揭揭示示脂脂质质在在各各种种生生命命活活动动中中的的重重要要作作用用机机制制。通通过过研研究究脂脂质质提提取取物物，可可获获得得脂脂质质组组（lipidome）的的信信息，了解在特定生理和病理状态下脂质的整体变化。息，了解在特定生理和病理状态下脂质的整

47、体变化。 目录目录（二）脂组学研究的三大步骤（二）脂组学研究的三大步骤分离、分离、鉴定和数据库检索鉴定和数据库检索1样品分离样品分离 2脂质鉴定脂质鉴定 3数据库检索数据库检索 脂质主要从细胞、血浆、组织等样品中提取。脂质主要从细胞、血浆、组织等样品中提取。 常常规规的的技技术术有有薄薄层层色色谱谱、气气相相色色谱谱-质质谱谱联联用用、电电喷喷雾雾质质谱谱、液液相相色色谱谱-质质谱谱联联用用、高高效效液液相相色色谱谱-芯芯片片-质质谱谱联联用用、超超高高效效液液相相色色谱谱-质质谱谱联联用用、超超高高效效液液相相色色谱谱-傅傅立立叶变换质谱联用等。叶变换质谱联用等。 目录目录（三）脂组学促进脂

48、质生物标志物的发现和疾（三）脂组学促进脂质生物标志物的发现和疾病诊断病诊断 脂组学所提供的方法能够监测患者与正常人脂组学所提供的方法能够监测患者与正常人之间的脂质变化，从中找到差异较大的脂质化合之间的脂质变化，从中找到差异较大的脂质化合物，作为疾病早期诊断的指标。物，作为疾病早期诊断的指标。 溶血磷脂酸在卵巢癌的诊断中表现出高度的溶血磷脂酸在卵巢癌的诊断中表现出高度的敏感性和特异性，能够作为早期诊断卵巢癌及术敏感性和特异性，能够作为早期诊断卵巢癌及术后随访的生物学标志物。后随访的生物学标志物。 目录目录第六节第六节组学在医学上的应用组学在医学上的应用目录目录一、疾病基因组学阐明疾病发病机制一、

49、疾病基因组学阐明疾病发病机制 （一）定位克隆技术是发现和鉴定疾病基因的（一）定位克隆技术是发现和鉴定疾病基因的重要手段重要手段 定定位位候候选选克克隆隆是是将将疾疾病病相相关关位位点点定定位位于于某某一一染染色色体体区区域域后后，根根据据该该区区域域的的基基因因、EST或或模模式式生生物物所所对对应应的的同同源源区区的的已已知知基基因因等等有有关关信信息息，直直接接进进行行基基因因突突变变筛筛查查，经经过过多多次次重重复复，可可最最终终确确定定疾疾病病相相关基因。关基因。目录目录疾疾病病基基因因组组学学的的研研究究将将在在全全基基因因组组SNPs制制图图基基础础上上，通通过过比比较较病病人人和

50、和对对照照人人群群之之间间SNPs的的差差异异，鉴鉴定定与与疾疾病病相相关关的的SNPs，从从而而彻彻底底阐阐明明各各种种疾疾病病易易感感人人群群的的遗遗传传学学背背景景，为疾病的诊断和治疗提供新的理论基础。为疾病的诊断和治疗提供新的理论基础。 （二）（二）SNPs是疾病易感性的重要遗传学基础是疾病易感性的重要遗传学基础 目录目录二、药物基因组学揭示遗传变异对药二、药物基因组学揭示遗传变异对药物效能和毒性的影响物效能和毒性的影响 药物基因组学药物基因组学（pharmacogenomics）是功）是功能基因组学与分子药理学的有机结合。能基因组学与分子药理学的有机结合。药物基因组学不是以发现人体基

51、因组基因为主药物基因组学不是以发现人体基因组基因为主要目的，而是运用已知的基因组学知识改善病人的要目的，而是运用已知的基因组学知识改善病人的治疗。治疗。药物基因组学以药物效应及安全性为目标，研药物基因组学以药物效应及安全性为目标，研究各种基因突变与药效及安全性的关系。究各种基因突变与药效及安全性的关系。 目录目录（一）药物基因组学预测药物反应性并指导个（一）药物基因组学预测药物反应性并指导个体化用药体化用药 （二）基因多态性是药物基因组学的基础和重（二）基因多态性是药物基因组学的基础和重要研究内容要研究内容 （三）鉴定基因序列的变异是药物基因组学的（三）鉴定基因序列的变异是药物基因组学的主要研

52、究策略主要研究策略 目录目录三、蛋白质组学发现和鉴别药物新靶点三、蛋白质组学发现和鉴别药物新靶点 （一）疾病相关蛋白质组学的研究是发现和验（一）疾病相关蛋白质组学的研究是发现和验证药物新靶点的有效途径证药物新靶点的有效途径 （二）耐药病原体的蛋白质组学研究将为新一（二）耐药病原体的蛋白质组学研究将为新一代抗生素的发现提供新的契机代抗生素的发现提供新的契机 （三）信号传导分子和途径是药物设计的合理（三）信号传导分子和途径是药物设计的合理靶点靶点 目录目录四、代谢组学是开展预测医学和个体四、代谢组学是开展预测医学和个体化医学的重要手段化医学的重要手段 （一）代谢组学丰富了预测医学的内涵（一）代谢组学丰富了预测医学的内涵 （二）代谢组学促进了个体化医学的发展（二）代谢组学促进了个体化医学的发展