1、. 作者作者 : 楊生生楊生生 焦炳華焦炳華: 第第27章章 組學與系統生物醫學組學與系統生物醫學目錄.第一節第一節 基因組學基因組學第二節第二節 轉錄組學轉錄組學第三節第三節 蛋白質組學蛋白質組學第四節第四節 代謝組學代謝組學第五節第五節 其他組學其他組學第六節第六節 系統生物醫學及其應用系統生物醫學及其應用.重點難點重點難點熟悉熟悉了解了解掌握掌握基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等的概念及其基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學等的概念及其研究內容研究內容系統生物醫學、分子醫學、精準醫學、轉化醫學等的內涵系統生物醫學、分子醫學、精準醫學、轉化醫學等的內涵糖組學、脂組學的研究內容；

2、系統生物醫學在現代醫學研究糖組學、脂組學的研究內容；系統生物醫學在現代醫學研究中的應用中的應用.基因組學基因組學第一節第一節.結構基因組學（結構基因組學（structural genomics）比較基因組學（比較基因組學（comparative genomics）功能基因組學（功能基因組學（functional genomics）基因組學是闡明整個基因組的結構、結構與功能的關系基因組學是闡明整個基因組的結構、結構與功能的關系以及基因之間相互作用的科學以及基因之間相互作用的科學.一、結構基因組學揭示基因組序列信息一、結構基因組學揭示基因組序列信息L. Yan et al. PNAS 2003;1

3、00:6263-6268遺傳圖譜遺傳圖譜(genetic map)物理圖譜物理圖譜(physical map)序列圖譜序列圖譜(sequence map).1.遺傳作圖就是繪制連鎖圖遺傳作圖就是繪制連鎖圖（一）通過遺傳作圖和物理作圖繪制人類基因組草圖（一）通過遺傳作圖和物理作圖繪制人類基因組草圖 第一代多態性標記：限制性片段長度多態性第一代多態性標記：限制性片段長度多態性-RFLP 第二代多態性標記：可變數目串聯重復序列第二代多態性標記：可變數目串聯重復序列-VNTR 第三代多態性標記：單核苷酸的多態性第三代多態性標記：單核苷酸的多態性-SNP遺傳作圖（遺傳作圖（genetic mapping

4、）: 就是確定連鎖的就是確定連鎖的遺傳標志位點遺傳標志位點在一條染色體上的排列在一條染色體上的排列順序及它們之間的相對遺傳距離，用順序及它們之間的相對遺傳距離，用厘摩爾根厘摩爾根（centi-Morgan，cM）表示，當兩個遺）表示，當兩個遺傳標記之間的重組值為傳標記之間的重組值為1%時，圖距即為時，圖距即為1 cM。常用的遺傳標志常用的遺傳標志.2.物理作圖就是描繪雜交圖、限制性酶切圖及克隆系圖物理作圖就是描繪雜交圖、限制性酶切圖及克隆系圖物理作圖（物理作圖（physical mapping）以物理尺度（）以物理尺度（bp或或kb）標示遺傳標志）標示遺傳標志在染色體上的實際位置和它們間的距離

5、，是在遺傳作圖基礎上繪制的更為在染色體上的實際位置和它們間的距離，是在遺傳作圖基礎上繪制的更為詳細的基因組圖譜。詳細的基因組圖譜。常用的物理作圖方法常用的物理作圖方法 熒光原位雜交圖（熒光原位雜交圖（fluorescent in situ hybridization map，FISH map） 限制性酶切圖（限制性酶切圖（restriction map） 連續克隆系圖（連續克隆系圖（clone contig map）.遺傳圖譜與物理圖譜示意遺傳圖譜與物理圖譜示意 遺傳圖譜標示了分子標志間的相對距離，以遺傳圖譜標示了分子標志間的相對距離，以cM標示標示物理圖譜標示了分子標志間的絕對距離，以物理圖

6、譜標示了分子標志間的絕對距離，以kb表示表示.（二）通過（二）通過EST文庫繪制轉錄圖譜文庫繪制轉錄圖譜轉錄圖譜又稱為轉錄圖譜又稱為cDNA圖或表達圖（圖或表達圖（expression map），是一種以），是一種以表達序列標簽（表達序列標簽（expressed sequence tag，EST）為標記，根據轉為標記，根據轉錄順序的位置和距離繪制的分子遺傳圖譜。錄順序的位置和距離繪制的分子遺傳圖譜。EST是指從是指從cDNA文庫中隨機選取的某一克隆進行測序所獲得的文庫中隨機選取的某一克隆進行測序所獲得的cDNA的的5-或或3-末端序列，每個末端序列，每個EST長度一般在長度一般在300500b

7、p之間就之間就可以包含已表達的該基因的信息?？梢园驯磉_的該基因的信息。.基因圖譜中的序列標簽位點（基因圖譜中的序列標簽位點（STS）和表達）和表達序列標簽（序列標簽（EST）分布示意）分布示意.（三）通過（三）通過BAC克隆系和鳥槍法測序等構建序列圖譜克隆系和鳥槍法測序等構建序列圖譜BAC文庫的構建與鳥文庫的構建與鳥槍法測序流程示意圖槍法測序流程示意圖.二、比較基因組學鑒別基因組的相似性和差異性二、比較基因組學鑒別基因組的相似性和差異性 種間比較基因組學闡明物種間基因組結構的異同種間比較基因組學闡明物種間基因組結構的異同 種內比較基因組學闡明群體內基因組結構的變異和多態性種內比較基因組學闡

8、明群體內基因組結構的變異和多態性比較基因組學是在基因組序列的基礎上，通過與已知生物基因組的比較，比較基因組學是在基因組序列的基礎上，通過與已知生物基因組的比較，鑒別基因組的相似性和差異性，一方面可為闡明物種進化關系提供依據，鑒別基因組的相似性和差異性，一方面可為闡明物種進化關系提供依據，另一方面可根據基因的同源性預測相關基因的功能。另一方面可根據基因的同源性預測相關基因的功能。研究內容研究內容.三、功能基因組學系統探討基因的活動規律三、功能基因組學系統探討基因的活動規律EJIFCC. 2008; 19(1): 2230. 基因組的表達基因組的表達 基因組功能注釋基因組功能注釋 基因組表達調控網

9、絡及機制基因組表達調控網絡及機制.四、四、ENCODE識別人類基因組所有功能元件識別人類基因組所有功能元件 NHGRI于于2003年年9月啟動了月啟動了DNA元件百科全書（元件百科全書（ENCyclopedia Of DNA Elements，ENCODE）計劃；該計劃旨在解析人類基因組中的所有功能性元）計劃；該計劃旨在解析人類基因組中的所有功能性元件，內容包括編碼基因、非編碼基因、調控區域、染色體結構維持和調節染色件，內容包括編碼基因、非編碼基因、調控區域、染色體結構維持和調節染色體復制動力的體復制動力的DNA元件等元件等 。.（一）（一）ENCODE是是HGP的延續與深入的延續與深入ENC

10、ODE的研究內容與策略的研究內容與策略.（二）（二）ENCODE已取得重要階段性成果已取得重要階段性成果人類基因組的大部分序列（人類基因組的大部分序列（80.4%）具有功能；）具有功能；人類基因組中有人類基因組中有399,124個區域具有增強子樣特征，個區域具有增強子樣特征，70,292個區域具有啟動子樣特征；個區域具有啟動子樣特征；RNA的產生和加工與啟動子結合的轉錄因子活性密切相關；的產生和加工與啟動子結合的轉錄因子活性密切相關；非編碼功能元件富含與疾病相關的非編碼功能元件富含與疾病相關的SNP，大部分疾病的表型，大部分疾病的表型與轉錄因子相關。與轉錄因子相關。.轉錄組學轉錄組學第二節第二

11、節.轉錄組（轉錄組（transcriptome）:指生命單元（通常是一種細胞）所能指生命單元（通常是一種細胞）所能轉錄出來的全部轉錄本，包括轉錄出來的全部轉錄本，包括mRNA、 rRNA、tRNA和其它非編和其它非編碼碼RNA的總和。的總和。轉錄組學（轉錄組學（transcriptomics）：是在整體水平上研究細胞編碼基：是在整體水平上研究細胞編碼基因（編碼因（編碼RNA和蛋白質）轉錄情況及轉錄調控規律的科學。和蛋白質）轉錄情況及轉錄調控規律的科學。.一、轉錄物學全面分析基因表達譜一、轉錄物學全面分析基因表達譜Leukemia. 2013;27(4):992-5大規模基因表達譜（大規?；虮?/p>

12、達譜（expression profile）分析）分析 .二、轉錄組研究采用整體性分析技術二、轉錄組研究采用整體性分析技術微陣列（微陣列（microarray）基因表達系列分析（基因表達系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）大規模平行信號測序系統（大規模平行信號測序系統（massively parallel signature sequencing, MPSS）.微陣列技術的基本步驟微陣列技術的基本步驟（一）微陣列是大規模基因組表達譜研究的主要技術（一）微陣列是大規?；蚪M表達譜研究的主要技術.基因表達系列分析基因表達系列分析(SAGE)（二

13、）（二）SAGE在轉錄物水平研究細胞或組織基因表達模式在轉錄物水平研究細胞或組織基因表達模式.大規模平行信號測序系統大規模平行信號測序系統(MPSS)（三）（三）MPSS是以序列測定為基礎的基因表達譜高通量分析新技術是以序列測定為基礎的基因表達譜高通量分析新技術.（一）高通量轉錄組測序是獲得基因表達調控信息的基礎（一）高通量轉錄組測序是獲得基因表達調控信息的基礎（二）單細胞轉錄組有助于解析單個細胞行為的分子基礎（二）單細胞轉錄組有助于解析單個細胞行為的分子基礎三、轉錄組測序和單細胞轉錄組分析是轉錄組學的核心任務三、轉錄組測序和單細胞轉錄組分析是轉錄組學的核心任務.蛋白質組學蛋白質組學第三節第三

14、節.蛋白質組（蛋白質組（proteome）是指細胞、組織或機體在特定時間和空間是指細胞、組織或機體在特定時間和空間上表達的所有蛋白質。上表達的所有蛋白質。蛋白質組學（蛋白質組學（proteomics）以所有這些蛋白質為研究對象，分析以所有這些蛋白質為研究對象，分析細胞內動態變化的蛋白質組成、表達水平與修飾狀態，了解蛋白質之細胞內動態變化的蛋白質組成、表達水平與修飾狀態，了解蛋白質之間的相互作用與聯系，并在整體水平上闡明蛋白質調控的活動規律，間的相互作用與聯系，并在整體水平上闡明蛋白質調控的活動規律，故又稱為故又稱為全景式蛋白質表達譜全景式蛋白質表達譜（global protein expres

15、sion profile）分析。）分析。.1.蛋白質種類和結構鑒定是蛋白質組研究的基礎蛋白質種類和結構鑒定是蛋白質組研究的基礎（一）蛋白質鑒定是蛋白質組學的基本任務（一）蛋白質鑒定是蛋白質組學的基本任務2.翻譯后修飾的鑒定有助于蛋白質功能的闡明翻譯后修飾的鑒定有助于蛋白質功能的闡明一、蛋白質組學研究細胞內所有蛋白質的組成及其活動規律一、蛋白質組學研究細胞內所有蛋白質的組成及其活動規律（二）蛋白質功能確定是蛋白質組學的根本目的（二）蛋白質功能確定是蛋白質組學的根本目的1.各種蛋白質均需要鑒定其基本功能特性各種蛋白質均需要鑒定其基本功能特性2.蛋白質相互作用研究是認識蛋白質功能的重要內容蛋白質相互

16、作用研究是認識蛋白質功能的重要內容.二、二維電泳、液相分離和質譜是蛋白質組研究的常規技術二、二維電泳、液相分離和質譜是蛋白質組研究的常規技術 基于二維（雙向）凝膠電泳（基于二維（雙向）凝膠電泳（two-dimensional gel electrophoresis，2-DE）分離為核心的研究路線；）分離為核心的研究路線； 基于液相色譜（基于液相色譜（liquid chromatography，LC）分離為核心的）分離為核心的技術路線。技術路線。蛋白質組研究主要有兩條技術路線蛋白質組研究主要有兩條技術路線.（一）（一）2-DE-MALDI-MS根據等電點和分子量分離鑒定蛋白質根據等電點和分子量分

17、離鑒定蛋白質12-DE是分離蛋白質組的有效方法是分離蛋白質組的有效方法2MALDI-MS鑒定鑒定2-DE膠內蛋白質點膠內蛋白質點.（二）（二）LC-ESI-MS通過液相層析技術分離鑒定蛋白質通過液相層析技術分離鑒定蛋白質1層析分離肽混合物層析分離肽混合物 從組織中提取的目標蛋白質混合物首先進行選擇性酶解，獲得從組織中提取的目標蛋白質混合物首先進行選擇性酶解，獲得肽段混合物，然后進行二維液相分離。肽段混合物，然后進行二維液相分離。2電噴霧串聯質譜鑒定肽段電噴霧串聯質譜鑒定肽段 利用高電場使利用高電場使MS進樣端的毛細管柱流出的液滴帶電，帶電液進樣端的毛細管柱流出的液滴帶電，帶電液滴在電場中飛向與

18、其所帶電荷相反的電勢一側。液滴在飛行過程中滴在電場中飛向與其所帶電荷相反的電勢一側。液滴在飛行過程中變得細小而呈噴霧狀，被分析物離子化成為帶單電荷或多電荷的離變得細小而呈噴霧狀，被分析物離子化成為帶單電荷或多電荷的離子，使被分析物得以鑒定。子，使被分析物得以鑒定。.代謝組學代謝組學第四節第四節.代謝組學（代謝組學（metabonomics）就是測定一個生物就是測定一個生物/細胞中所有的小細胞中所有的小分子（分子（Mr1000）組成，描繪其動態變化規律，建立系統代謝圖譜，）組成，描繪其動態變化規律，建立系統代謝圖譜，并確定這些變化與生物過程的聯系。并確定這些變化與生物過程的聯系。.一、代謝組學的

19、任務是分析生物一、代謝組學的任務是分析生物/細胞代謝產物的全貌細胞代謝產物的全貌 代謝物靶標分析（代謝物靶標分析（metabolite target analysis）：對某個或某幾個特定組）：對某個或某幾個特定組分進行分析；分進行分析； 代謝譜分析（代謝譜分析（metabolic profiling analysis）：對一系列預先設定的目標）：對一系列預先設定的目標代謝物進行定量分析。如某一類結構、性質相關的化合物或某一代謝途徑中所代謝物進行定量分析。如某一類結構、性質相關的化合物或某一代謝途徑中所有代謝物或一組由多條代謝途徑共享的代謝物進行定量分析；有代謝物或一組由多條代謝途徑共享的代謝

20、物進行定量分析； 代謝組學：對某一生物或細胞所有代謝物進行定性和定量分析；代謝組學：對某一生物或細胞所有代謝物進行定性和定量分析； 代謝指紋分析（代謝指紋分析（metabolic fingerprinting analysis）：不分離鑒定具體單）：不分離鑒定具體單一組分，而是對代謝物整體進行高通量的定性分析。一組分，而是對代謝物整體進行高通量的定性分析。代謝組學分為四個層次代謝組學分為四個層次.二、核磁共振、色譜及質譜是代謝組學的主要分析工具二、核磁共振、色譜及質譜是代謝組學的主要分析工具 NMR：是當前代謝組學研究中的主要技術。代謝組學中常用的：是當前代謝組學研究中的主要技術。代謝組學中常

21、用的NMR譜是氫譜是氫譜（譜（1H-NMR）、碳譜（）、碳譜（13C-NMR）及磷譜（）及磷譜（31P-NMR）；）； MS：按質荷比（：按質荷比（m/z）進行各種代謝物的定性或定量分析，可得到相應的代）進行各種代謝物的定性或定量分析，可得到相應的代謝產物譜；謝產物譜； 色譜色譜質譜聯用技術：這種聯用技術使樣品的分離、定性、定量一次完成，質譜聯用技術：這種聯用技術使樣品的分離、定性、定量一次完成，具有較高的靈敏度和選擇性。目前常用的聯用技術包括氣相色譜具有較高的靈敏度和選擇性。目前常用的聯用技術包括氣相色譜質譜（質譜（GC-MS）聯用和液相色譜）聯用和液相色譜質譜（質譜（LC-MS）聯用。）聯

22、用。代謝組的主要分析工具代謝組的主要分析工具.代謝組學研究的技術系統及手段代謝組學研究的技術系統及手段.三、代謝組學技術在生物醫學領域具有廣闊的應用前景三、代謝組學技術在生物醫學領域具有廣闊的應用前景可以提供疾?。ㄈ缒承┠[瘤、肝臟疾病、遺傳性代謝病等）診斷、預后和治療的可以提供疾?。ㄈ缒承┠[瘤、肝臟疾病、遺傳性代謝病等）診斷、預后和治療的評判標準，并有助于加深對疾病發生、發展機制了解；評判標準，并有助于加深對疾病發生、發展機制了解；可以快速檢測毒物和藥物在體內的代謝產物和對機體代謝的影響，有利于判定毒可以快速檢測毒物和藥物在體內的代謝產物和對機體代謝的影響，有利于判定毒物、藥物的代謝規律，為深

23、入闡明毒物中毒機制和發展個體化用藥提供理論依據；物、藥物的代謝規律，為深入闡明毒物中毒機制和發展個體化用藥提供理論依據；利用代謝組學技術對代謝網絡中的酶功能進行有效的整體性分析，可以發現已知利用代謝組學技術對代謝網絡中的酶功能進行有效的整體性分析，可以發現已知酶的新活性并發掘未知酶的功能；酶的新活性并發掘未知酶的功能；最后，由于代謝組學分析技術具有整體性、分辨率高等特點，可廣泛應用于中藥最后，由于代謝組學分析技術具有整體性、分辨率高等特點，可廣泛應用于中藥作用機制、復方配伍、毒性和安全性等方面的研究，為中藥現代化提供技術支撐。作用機制、復方配伍、毒性和安全性等方面的研究，為中藥現代化提供技術支

24、撐。.其他組學其他組學第五節第五節.（一）糖組學分為結構糖組學與功能糖組學兩個分支（一）糖組學分為結構糖組學與功能糖組學兩個分支（二）色譜分離（二）色譜分離/質譜鑒定和糖微陣列技術是糖組學研究的主要技術質譜鑒定和糖微陣列技術是糖組學研究的主要技術（三）糖組學與腫瘤的關系密切（三）糖組學與腫瘤的關系密切一、糖組學研究生命體聚糖多樣性及其生物學功能一、糖組學研究生命體聚糖多樣性及其生物學功能.（一）脂組學是代謝組學的一個分支（一）脂組學是代謝組學的一個分支（二）（二）脂組學研究的三大步驟脂組學研究的三大步驟分離、鑒定和數據庫檢索分離、鑒定和數據庫檢索1. 樣品分離樣品分離2. 脂質鑒定脂質鑒定3.

25、 數據庫檢索數據庫檢索（三）脂組學促進脂質生物標志物的發現和疾病診斷（三）脂組學促進脂質生物標志物的發現和疾病診斷二、脂組學揭示生命體脂質多樣性及其代謝調控二、脂組學揭示生命體脂質多樣性及其代謝調控.系統生物醫學及其應用系統生物醫學及其應用第六節第六節.一、系統生物醫學是以整體性研究為特征的一種整合科學一、系統生物醫學是以整體性研究為特征的一種整合科學系統生物學（系統生物學（systems biology）是系統性地研究一個生物系統中所有組是系統性地研究一個生物系統中所有組成成分（基因、成成分（基因、mRNA、蛋白質等）的構成以及在特定條件下這些組分間、蛋白質等）的構成以及在特定條件下這些組分

26、間的相互關系，并分析生物系統在一定時間內的動力學過程。的相互關系，并分析生物系統在一定時間內的動力學過程。系統生物醫學（系統生物醫學（systems biomedicine）應用系統生物學原理與方法研應用系統生物學原理與方法研究人體（包括動物和細胞模型）生命活動的本質、規律以及疾病發生發展究人體（包括動物和細胞模型）生命活動的本質、規律以及疾病發生發展機制，實際上就是系統生物學的醫學應用研究。機制，實際上就是系統生物學的醫學應用研究。.（一）系統生物醫學強調機體組成要素和功能的全網絡（一）系統生物醫學強調機體組成要素和功能的全網絡系統生物醫學從全方位、多層次（分子、細胞器、細胞、組織、器官、系

27、統生物醫學從全方位、多層次（分子、細胞器、細胞、組織、器官、個體個體/基因型、環境因子、種群、生態系統）和整體性研究的角度，揭示基因型、環境因子、種群、生態系統）和整體性研究的角度，揭示一個機體所有組成成分（基因、一個機體所有組成成分（基因、mRNA、蛋白質等）的構成，以及在特、蛋白質等）的構成，以及在特定條件下這些組分間的相互關系及其效應。定條件下這些組分間的相互關系及其效應。.（二）（二）系統生物醫學將極大地推動現代醫學科學的發展系統生物醫學將極大地推動現代醫學科學的發展預測醫學（預測醫學（predictive medicine）預防醫學（預防醫學（preventive medicine）

28、個性化醫學（個性化醫學（personalized medicine）.二、分子醫學是發展現代醫學科學的重要基礎二、分子醫學是發展現代醫學科學的重要基礎分子醫學（分子醫學（molecular medicine）就是從分子水平闡述疾病狀態下就是從分子水平闡述疾病狀態下基因組的結構、功能及其表達調控規律，基因組的結構、功能及其表達調控規律， 并從中發展的現代高效預測、并從中發展的現代高效預測、預防、診斷和治療手段。預防、診斷和治療手段。.（一）疾病基因組學闡明發病的分子基礎（一）疾病基因組學闡明發病的分子基礎（二）藥物基因組學揭示遺傳變異對藥物效能和毒性的影響（二）藥物基因組學揭示遺傳變異對藥物效能和毒性的影響（三）疾病轉錄組學闡明疾病發生機制并推動新診治方式的進步（三）疾病轉錄組學闡明疾病發生機制并推動新診治方式的進步（四）疾病蛋白質組學發現和鑒別藥物新靶點