生物化學(xué)及分子生物學(xué)人衛(wèi)第九組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)第1頁/共51頁第一節(jié)基因組學(xué)第二節(jié)轉(zhuǎn)錄組學(xué)第三節(jié)蛋白質(zhì)組學(xué)第四節(jié)代謝組學(xué)第五節(jié)其他組學(xué)第六節(jié)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)及其應(yīng)用第2頁/共51頁重點(diǎn)難點(diǎn)熟悉了解掌握基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等的概念及其研究?jī)?nèi)容系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)、分子醫(yī)學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等的內(nèi)涵糖組學(xué)、脂組學(xué)的研究?jī)?nèi)容；系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用第3頁/共51頁基因組學(xué)第一節(jié)第4頁/共51頁結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structuralgenomics）比較基因組學(xué)（comparativegenomics）功能基因組學(xué)（functionalgenomics）基因組學(xué)是闡明整個(gè)基因組的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及基因之間相互作用的科學(xué)第5頁/共51頁一、結(jié)構(gòu)基因組學(xué)揭示基因組序列信息L.Yanetal.PNAS2003;100:6263-6268遺傳圖譜(geneticmap)物理圖譜(physicalmap)序列圖譜(sequencemap)第6頁/共51頁1.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第一代多態(tài)性標(biāo)記：限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性-RFLP第二代多態(tài)性標(biāo)記：可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列-VNTR第三代多態(tài)性標(biāo)記：?jiǎn)魏塑账岬亩鄳B(tài)性-SNP遺傳作圖（geneticmapping）:就是確定連鎖的遺傳標(biāo)志位點(diǎn)在一條染色體上的排列順序及它們之間的相對(duì)遺傳距離，用厘摩爾根（centi-Morgan，cM）表示，當(dāng)兩個(gè)遺傳標(biāo)記之間的重組值為1%時(shí)，圖距即為1cM。

常用的遺傳標(biāo)志第7頁/共51頁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（physicalmapping）以物理尺度（bp或kb）標(biāo)示遺傳標(biāo)志在染色體上的實(shí)際位置和它們間的距離，是在遺傳作圖基礎(chǔ)上繪制的更為詳細(xì)的基因組圖譜。

常用的物理作圖方法熒光原位雜交圖（fluorescentinsituhybridizationmap，F(xiàn)ISHmap）限制性酶切圖（restrictionmap）連續(xù)克隆系圖（clonecontigmap）第8頁/共51頁遺傳圖譜與物理圖譜示意

遺傳圖譜標(biāo)示了分子標(biāo)志間的相對(duì)距離，以cM標(biāo)示物理圖譜標(biāo)示了分子標(biāo)志間的絕對(duì)距離，以kb表示第9頁/共51頁（二）通過EST文庫繪制轉(zhuǎn)錄圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜又稱為cDNA圖或表達(dá)圖（expressionmap），是一種以表達(dá)序列標(biāo)簽（expressedsequencetag，EST）為標(biāo)記，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的分子遺傳圖譜。

EST是指從cDNA文庫中隨機(jī)選取的某一克隆進(jìn)行測(cè)序所獲得的cDNA的5'-或3'-末端序列，每個(gè)EST長(zhǎng)度一般在300~500bp之間就可以包含已表達(dá)的該基因的信息。第10頁/共51頁基因圖譜中的序列標(biāo)簽位點(diǎn)（STS）和表達(dá)序列標(biāo)簽（EST）分布示意第11頁/共51頁（三）通過BAC克隆系和鳥槍法測(cè)序等構(gòu)建序列圖譜BAC文庫的構(gòu)建與鳥槍法測(cè)序流程示意圖第12頁/共51頁二、比較基因組學(xué)鑒別基因組的相似性和差異性種間比較基因組學(xué)闡明物種間基因組結(jié)構(gòu)的異同種內(nèi)比較基因組學(xué)闡明群體內(nèi)基因組結(jié)構(gòu)的變異和多態(tài)性比較基因組學(xué)是在基因組序列的基礎(chǔ)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(jìn)化關(guān)系提供依據(jù)，另一方面可根據(jù)基因的同源性預(yù)測(cè)相關(guān)基因的功能。研究?jī)?nèi)容第13頁/共51頁三、功能基因組學(xué)系統(tǒng)探討基因的活動(dòng)規(guī)律EJIFCC.2008;19(1):22–30.基因組的表達(dá)基因組功能注釋基因組表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及機(jī)制第14頁/共51頁四、ENCODE識(shí)別人類基因組所有功能元件NHGRI于2003年9月啟動(dòng)了DNA元件百科全書（ENCyclopediaOfDNAElements，ENCODE）計(jì)劃；該計(jì)劃旨在解析人類基因組中的所有功能性元件，內(nèi)容包括編碼基因、非編碼基因、調(diào)控區(qū)域、染色體結(jié)構(gòu)維持和調(diào)節(jié)染色體復(fù)制動(dòng)力的DNA元件等。/ENCODE/第15頁/共51頁（一）ENCODE是HGP的延續(xù)與深入ENCODE的研究?jī)?nèi)容與策略第16頁/共51頁（二）ENCODE已取得重要階段性成果人類基因組的大部分序列（80.4%）具有功能；人類基因組中有399,124個(gè)區(qū)域具有增強(qiáng)子樣特征，70,292個(gè)區(qū)域具有啟動(dòng)子樣特征；RNA的產(chǎn)生和加工與啟動(dòng)子結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子活性密切相關(guān)；非編碼功能元件富含與疾病相關(guān)的SNP，大部分疾病的表型與轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)。第17頁/共51頁轉(zhuǎn)錄組學(xué)第二節(jié)第18頁/共51頁轉(zhuǎn)錄組（transcriptome）:指生命單元（通常是一種細(xì)胞）所能轉(zhuǎn)錄出來的全部轉(zhuǎn)錄本，包括mRNA、rRNA、tRNA和其它非編碼RNA的總和。轉(zhuǎn)錄組學(xué)（transcriptomics）：是在整體水平上研究細(xì)胞編碼基因（編碼RNA和蛋白質(zhì)）轉(zhuǎn)錄情況及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的科學(xué)。第19頁/共51頁一、轉(zhuǎn)錄物學(xué)全面分析基因表達(dá)譜Leukemia.

2013;27(4):992-5大規(guī)?；虮磉_(dá)譜（expressionprofile）分析第20頁/共51頁二、轉(zhuǎn)錄組研究采用整體性分析技術(shù)微陣列（microarray）基因表達(dá)系列分析（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）大規(guī)模平行信號(hào)測(cè)序系統(tǒng)（massivelyparallelsignaturesequencing,MPSS）第21頁/共51頁微陣列技術(shù)的基本步驟（一）微陣列是大規(guī)模基因組表達(dá)譜研究的主要技術(shù)/10000533/dna-microarray-technology/第22頁/共51頁基因表達(dá)系列分析(SAGE)（二）SAGE在轉(zhuǎn)錄物水平研究細(xì)胞或組織基因表達(dá)模式/findings/index.html第23頁/共51頁大規(guī)模平行信號(hào)測(cè)序系統(tǒng)(MPSS)/probe/docs/techmpss/（三）MPSS是以序列測(cè)定為基礎(chǔ)的基因表達(dá)譜高通量分析新技術(shù)第24頁/共51頁（一）高通量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序是獲得基因表達(dá)調(diào)控信息的基礎(chǔ)（二）單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組有助于解析單個(gè)細(xì)胞行為的分子基礎(chǔ)三、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析是轉(zhuǎn)錄組學(xué)的核心任務(wù)第25頁/共51頁蛋白質(zhì)組學(xué)第三節(jié)第26頁/共51頁蛋白質(zhì)組（proteome）是指細(xì)胞、組織或機(jī)體在特定時(shí)間和空間上表達(dá)的所有蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）以所有這些蛋白質(zhì)為研究對(duì)象，分析細(xì)胞內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的蛋白質(zhì)組成、表達(dá)水平與修飾狀態(tài)，了解蛋白質(zhì)之間的相互作用與聯(lián)系，并在整體水平上闡明蛋白質(zhì)調(diào)控的活動(dòng)規(guī)律，故又稱為全景式蛋白質(zhì)表達(dá)譜（globalproteinexpressionprofile）分析。第27頁/共51頁1.蛋白質(zhì)種類和結(jié)構(gòu)鑒定是蛋白質(zhì)組研究的基礎(chǔ)（一）蛋白質(zhì)鑒定是蛋白質(zhì)組學(xué)的基本任務(wù)2.翻譯后修飾的鑒定有助于蛋白質(zhì)功能的闡明一、蛋白質(zhì)組學(xué)研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)的組成及其活動(dòng)規(guī)律（二）蛋白質(zhì)功能確定是蛋白質(zhì)組學(xué)的根本目的1.各種蛋白質(zhì)均需要鑒定其基本功能特性2.蛋白質(zhì)相互作用研究是認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)功能的重要內(nèi)容第28頁/共51頁二、二維電泳、液相分離和質(zhì)譜是蛋白質(zhì)組研究的常規(guī)技術(shù)基于二維（雙向）凝膠電泳（two-dimensionalgelelectrophoresis，2-DE）分離為核心的研究路線；基于液相色譜（liquidchromatography，LC）分離為核心的技術(shù)路線。蛋白質(zhì)組研究主要有兩條技術(shù)路線第29頁/共51頁（一）2-DE-MALDI-MS根據(jù)等電點(diǎn)和分子量分離鑒定蛋白質(zhì)1．2-DE是分離蛋白質(zhì)組的有效方法2．MALDI-MS鑒定2-DE膠內(nèi)蛋白質(zhì)點(diǎn)第30頁/共51頁（二）LC-ESI-MS通過液相層析技術(shù)分離鑒定蛋白質(zhì)1．層析分離肽混合物

從組織中提取的目標(biāo)蛋白質(zhì)混合物首先進(jìn)行選擇性酶解，獲得肽段混合物，然后進(jìn)行二維液相分離。2．電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜鑒定肽段

利用高電場(chǎng)使MS進(jìn)樣端的毛細(xì)管柱流出的液滴帶電，帶電液滴在電場(chǎng)中飛向與其所帶電荷相反的電勢(shì)一側(cè)。液滴在飛行過程中變得細(xì)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。第31頁/共51頁代謝組學(xué)第四節(jié)第32頁/共51頁代謝組學(xué)（metabonomics）就是測(cè)定一個(gè)生物/細(xì)胞中所有的小分子（Mr≤1000）組成，描繪其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立系統(tǒng)代謝圖譜，并確定這些變化與生物過程的聯(lián)系。第33頁/共51頁一、代謝組學(xué)的任務(wù)是分析生物/細(xì)胞代謝產(chǎn)物的全貌①代謝物靶標(biāo)分析（metabolitetargetanalysis）：對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)特定組分進(jìn)行分析；②代謝譜分析（metabolicprofilinganalysis）：對(duì)一系列預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)代謝物進(jìn)行定量分析。如某一類結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)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(jìn)行定量分析；③代謝組學(xué)：對(duì)某一生物或細(xì)胞所有代謝物進(jìn)行定性和定量分析；④代謝指紋分析（metabolicfingerprintinganalysis）：不分離鑒定具體單一組分，而是對(duì)代謝物整體進(jìn)行高通量的定性分析。代謝組學(xué)分為四個(gè)層次第34頁/共51頁二、核磁共振、色譜及質(zhì)譜是代謝組學(xué)的主要分析工具①NMR：是當(dāng)前代謝組學(xué)研究中的主要技術(shù)。代謝組學(xué)中常用的NMR譜是氫譜（1H-NMR）、碳譜（13C-NMR）及磷譜（31P-NMR）；②MS：按質(zhì)荷比（m/z）進(jìn)行各種代謝物的定性或定量分析，可得到相應(yīng)的代謝產(chǎn)物譜；③色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)：這種聯(lián)用技術(shù)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(lián)用技術(shù)包括氣相色譜—質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用和液相色譜—質(zhì)譜（LC-MS）聯(lián)用。代謝組的主要分析工具第35頁/共51頁代謝組學(xué)研究的技術(shù)系統(tǒng)及手段第36頁/共51頁三、代謝組學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(yù)后和治療的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并有助于加深對(duì)疾病發(fā)生、發(fā)展機(jī)制了解；可以快速檢測(cè)毒物和藥物在體內(nèi)的代謝產(chǎn)物和對(duì)機(jī)體代謝的影響，有利于判定毒物、藥物的代謝規(guī)律，為深入闡明毒物中毒機(jī)制和發(fā)展個(gè)體化用藥提供理論依據(jù)；利用代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)中的酶功能進(jìn)行有效的整體性分析，可以發(fā)現(xiàn)已知酶的新活性并發(fā)掘未知酶的功能；最后，由于代謝組學(xué)分析技術(shù)具有整體性、分辨率高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于中藥作用機(jī)制、復(fù)方配伍、毒性和安全性等方面的研究，為中藥現(xiàn)代化提供技術(shù)支撐。第37頁/共51頁其他組學(xué)第五節(jié)第38頁/共51頁（一）糖組學(xué)分為結(jié)構(gòu)糖組學(xué)與功能糖組學(xué)兩個(gè)分支（二）色譜分離/質(zhì)譜鑒定和糖微陣列技術(shù)是糖組學(xué)研究的主要技術(shù)（三）糖組學(xué)與腫瘤的關(guān)系密切一、糖組學(xué)研究生命體聚糖多樣性及其生物學(xué)功能第39頁/共51頁（一）脂組學(xué)是代謝組學(xué)的一個(gè)分支（二）脂組學(xué)研究的三大步驟——分離、鑒定和數(shù)據(jù)庫檢索

1.樣品分離

2.脂質(zhì)鑒定 3.數(shù)據(jù)庫檢索（三）脂組學(xué)促進(jìn)脂質(zhì)生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)和疾病診斷二、脂組學(xué)揭示生命體脂質(zhì)多樣性及其代謝調(diào)控第40頁/共51頁系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)及其應(yīng)用第六節(jié)第41頁/共51頁一、系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)是以整體性研究為特征的一種整合科學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)（systemsbiology）是系統(tǒng)性地研究一個(gè)生物系統(tǒng)中所有組成成分（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）的構(gòu)成以及在特定條件下這些組分間的相互關(guān)系，并分析生物系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)的動(dòng)力學(xué)過程。系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)（systemsbiomedicine）應(yīng)用系統(tǒng)生物學(xué)原理與方法研究人體（包括動(dòng)物和細(xì)胞模型）生命活動(dòng)的本質(zhì)、規(guī)律以及疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制，實(shí)際上就是系統(tǒng)生物學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。第42頁/共51頁（一）系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)強(qiáng)調(diào)機(jī)體組成要素和功能的全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)從全方位、多層次（分子、細(xì)胞器、細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體/基因型、環(huán)境因子、種群、生態(tài)系統(tǒng)）和整體性研究的角度，揭示一個(gè)機(jī)體所有組成成分（基因、mRNA、蛋白質(zhì)等）的構(gòu)成，以及在特定條件下這些組分間的相互關(guān)系及其效應(yīng)。第43頁/共51頁（二）系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)將極大地推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展預(yù)測(cè)醫(yī)學(xué)（predictivemedicine）預(yù)防醫(yī)學(xué)（preventivemedicine）個(gè)性化醫(yī)學(xué)（personalizedmedicine）第44頁/共51頁二、分子醫(yī)學(xué)是發(fā)展現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)的重要基礎(chǔ)分子醫(yī)學(xué)（molecularmedicine）就是從分子水平闡述疾病狀態(tài)下基因組的結(jié)構(gòu)、功能及其表達(dá)調(diào)控規(guī)律，并從中發(fā)展的現(xiàn)代高效預(yù)測(cè)、預(yù)防、診斷和治療手段。第45頁/共51頁（一）疾病基因組學(xué)闡明發(fā)病的分子基礎(chǔ)（二）藥物基因