组学和医学PPT课件.ppt
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1、目录目录生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学1.目录目录第二十六章第二十六章组学与医学学与医学-omics and Medicine2.目录目录3.目录目录第一第一节基因基因组学学 Genomics4.目录目录基因基因组(genome)一一个个细胞胞(或或病病毒毒)所所载的的全全部部遗传信信息息,它它代代表表了了一一种种生生物物所所具具有有的的全全部部遗传信信息息。对真真核核生生物物体体而而言言,基基因因组是是指指一一套套完完整整单倍倍体体DNA(染染色色体体DNA)及及线粒粒体体或或叶叶绿体体DNA的的全全部部序序列列,既既有有编码序序列列,也也有有大大量量存存在在的的非非编码序列。序列
2、。5.目录目录基因基因组学学(genomics)是是阐明整个基因明整个基因组的的结构、构、结构与功能关系构与功能关系以及基因之以及基因之间相互作用的科学。相互作用的科学。一、基因一、基因组学包含学包含结构基因构基因组学、功能学、功能基因基因组学和比学和比较基因基因组学学 6.目录目录基因基因组学包括学包括3个不同的个不同的亚领域域结构基因构基因组学学(structural genomics)功能基因功能基因组学学(functional genomics)比比较基因基因组学学(comparative genomics)基因基因组学概念学概念7.目录目录二、二、结构基因构基因组学的主要任学的主要任
3、务是基因是基因组作作图和大和大规模模测序序 结构构基基因因组学学(structural genomics)是是通通过HGP的的实施来完成的。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遗传图和和物物理理图,最最终完完成成人人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DNA序序列列测定定,因因此此HGP属属于于结构基因构基因组学范畴。学范畴。8.目录目录(一)(一)遗传作作图和物理作和物理作图是是绘制人制人类基基因因组草草图的重要策略的重要策略 1遗传作作图就是就是绘制制连锁图 遗传图(genetic map)又又称称连锁图(linkage map)。遗
4、传作作图(genetic mapping)就就是是确确定定连锁的的遗传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序序以以及及它它们之之间的的相相对遗传距距离离,用用厘厘摩摩尔根根(centi-Morgan,cM)表表示示,当当两两个个遗传标记之之间的重的重组值为1%时,图距即距即为1 cM。(1)限制性片段)限制性片段长度多度多态性(性(RFLP)(2)可可变数目串数目串联重复序列(重复序列(VNTR)(3)单核苷酸多核苷酸多态性(性(SNP)9.目录目录2物理作物理作图就是描就是描绘杂交交图、限制性、限制性酶切切图及克隆系及克隆系图 物理作物理作图包括:包括:荧光光原原位位杂交
5、交图(fluorescent in situ hybridization map,FISH map):将将荧光光标记的的探探针与与染染色色体体杂交确定分子交确定分子标记所在的位置;所在的位置;限限制制性性酶切切图(restriction map);将将限限制制性性酶切切位点位点标定在定在DNA分子的相分子的相对位置;位置;克隆相克隆相连重叠群重叠群图(clone contig map)酵母人工染色体酵母人工染色体(yeast artificial chromosome,YAC)细菌人工染色体菌人工染色体(bacterial artificial chromosome,BAC)10.目录目录(二
6、)通(二)通过BAC克隆系、克隆系、鸟枪法等完成大法等完成大规模模DNA测序序 1BAC克隆系的构建是大克隆系的构建是大规模模DNA测序的基序的基础 BAC是是一一种种装装载DNA大大片片段段的的克克隆隆载体体系系统,用用于于人人、动物物和和植植物物基基因因组文文库构构建建。BAC具具有有插插入入片片段段较大大(数数kb 数数百百 kb)、嵌嵌合合率率低低、遗传稳定性好、易于操作等定性好、易于操作等优点。点。11.目录目录2鸟枪法是大法是大规模模DNA测序的重要方法序的重要方法 步步骤:建立高度随机、插入片段大小建立高度随机、插入片段大小为1.6 kb到到4 kb左右的左右的基因基因组文文库;
7、高效、大高效、大规模的克隆双向模的克隆双向测序;序;序列序列组装(装(sequence assembly):借助):借助软件将所件将所测得的序列得的序列进行行组装,装,产生一定数量的相生一定数量的相连重叠群;重叠群;缺口填缺口填补:利用引物延伸或其他方法:利用引物延伸或其他方法对BAC克隆中克隆中还存在的缺口存在的缺口进行填行填补。3高通量高通量测序技序技术大大加快了基因大大加快了基因组DNA测序序进度度 12.目录目录鸟枪法法测序的原理与策略序的原理与策略 13.目录目录(三)生物信息学是(三)生物信息学是预测基因基因组结构和功能的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
8、心:美国国家生物技美国国家生物技术信息中心(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的基因序列数据的基因序列数据库,包含所有已知的核苷酸及蛋白,包含所有已知的核苷酸及蛋白质序列、序列、以及与之相关的生物学信息和参考文献,是世界上的以及与之相关的生物学信息和参考文献,是世界上的权威序威序列数据列数据库。14.目录目录三
9、、功能基因三、功能基因组学系学系统探探讨基因的基因的活活动规律律 功能基因功能基因组学的主要研究内容包括基因学的主要研究内容包括基因组的的表达、基因表达、基因组功能注功能注释、基因、基因组表达表达调控网控网络及及机制的研究等。它从整体水平上研究一种机制的研究等。它从整体水平上研究一种组织或或细胞在同一胞在同一时间或同一条件下所表达基因的种或同一条件下所表达基因的种类、数量、功能及在基因数量、功能及在基因组中的定位,或同一中的定位,或同一细胞在胞在不同状不同状态下基因表达的差异。下基因表达的差异。15.目录目录(一)通(一)通过全基因全基因组扫描描鉴定定DNA序列中的基因序列中的基因(二)通(二
10、)通过BLAST等程序搜索同源基因等程序搜索同源基因(三)通(三)通过实验设计验证基因功能基因功能(四)通(四)通过转录组和蛋白和蛋白质组描述基因表达模式描述基因表达模式 16.目录目录第二第二节 转 录 组 学学Transcriptomics 17.目录目录转录组(transcriptome)指生命)指生命单元元(通常是一种(通常是一种细胞)所能胞)所能转录出来的可直接参出来的可直接参与蛋白与蛋白质翻翻译的的mRNA(编码RNA)总和,而和,而其他所有非其他所有非编码RNA均可均可归为RNA组(RNome)。)。转录组学学(transcriptomics)是是在在整整体体水水平平上上研研究究
11、细胞胞编码基基因因转录情情况况及及转录调控控规律的科学。律的科学。18.目录目录一、一、转录组学研究全部学研究全部mRNA的的表达及功能表达及功能 转录组学学就就是是要要阐明明生生物物体体或或细胞胞在在特特定定生生理理或或病病理理状状态下下表表达达的的所所有有种种类的的mRNA及及其其功功能能。目目前前,转录组学学研研究究的的侧重重点点涉涉及及基基因因转录的的区区域域、转录因因子子结合合位位点点、染色染色质修修饰点、点、DNA甲基化位点等。甲基化位点等。转录组研究的主要技研究的主要技术:微微阵列(列(microarray)基因表达系列分析(基因表达系列分析(SAGE)大大规模平行信号模平行信号
12、测序系序系统(MPSS)19.目录目录二、二、RNA组学研究非学研究非编码RNA的集合的集合 除除了了mRNA以以外外,细胞胞内内还存存在在着着许多多其其他他种种类的的小小分分子子RNA,研研究究它它们的的种种类、时空空表表达达情情况况及及其其生生物物学学意意义便便是是RNA组学学的的范范畴畴。这些些小小分分子子RNA包包括括snRNA、snoRNA、scRNA、催催化化性性小小RNA、siRNA、miRNA等等。这些些调控控型型小小分分子子非非编码RNA,在在基基因因的的转录和和翻翻译、细胞胞分分化化和和个个体体发育育、遗传和和表表观遗传等等生生命命活活动中中发挥重重要要的的组织和和调控控作
13、作用用,从从而而形形成成了了细胞胞中中高高度度复复杂的的RNA网网络。20.目录目录第三第三节蛋蛋 白白 质 组 学学 Proteomics 21.目录目录蛋蛋白白质组学学(proteomics)以以细胞胞、组织或或机机体体在在特特定定时间和和空空间上上表表达达的的所所有有蛋蛋白白质即即蛋蛋白白质组(proteome)为研研究究对象象,分分析析细胞胞内内动态变化化的的蛋蛋白白质组成成、表表达达水水平平与与修修饰状状态,了了解解蛋蛋白白质之之间的的相相互互作作用用与与联系系,并并在在整整体体水水平平上上研研究究蛋蛋白白质调控控的的活活动规律律,故故又又称称为全全景景式式蛋蛋白白质表表达达谱(gl
14、obal protein expression profile)分析分析。22.目录目录蛋白蛋白质组研究相关的数据研究相关的数据库 蛋白序列数据蛋白序列数据库(SWISS-PROT/TrEMBL;http:/www.expasy.ch/)、)、基因序列数据基因序列数据库(GenBank,EMBL;http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/,http:/www.ebi.ac.uk/)、)、蛋白蛋白质模式数据模式数据库(Prosite;http:/www.expasy.ch/sprot/prosite.html)、)、蛋白蛋白质二二维凝胶凝胶电泳数据泳数据库、蛋白、蛋白质三三维结构数据
15、构数据库(PDB,http:/www.pdb.bnl.gov/;FSSP,http:/www.embl-ebi.ac.uk),),蛋白翻蛋白翻译后修后修饰数据数据库(O-GLYCBASE,http:/www.cbs.dtu.dk/databases/OGLYCBASE)23.目录目录一、蛋白一、蛋白质组学研究学研究细胞内所有蛋白胞内所有蛋白质的的组成及其活成及其活动规律律 蛋蛋白白质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组表表 达达 模模 式式 的的 研研 究究,即即 结 构构 蛋蛋 白白 质 组 学学(structural proteomics);二二是是蛋蛋
16、白白质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(学(functional proteomics)。)。(一)蛋白(一)蛋白质鉴定是蛋白定是蛋白质组学的基本任学的基本任务(二)翻(二)翻译后修后修饰的的鉴定有助于蛋白定有助于蛋白质功能的功能的阐明明(三)蛋白(三)蛋白质功能确定是蛋白功能确定是蛋白质组学的根本目的学的根本目的 24.目录目录二、二二、二维电泳和泳和质谱是蛋白是蛋白质组学学研究的常研究的常规技技术 二二维凝凝胶胶电泳泳(2-DE)技技术、质谱(MS)技技术以以及及大大规模数据模数据处理仍然是蛋白理仍然是蛋白质组学的三大基本支撑技学的三大基本支撑技术。蛋白蛋白质组学
17、研究的主要技学研究的主要技术路路线有两条:有两条:以以2-DE分分离离为核核心心的的研研究究路路线:混混合合蛋蛋白白首首先先通通过2-DE分离,然后分离,然后进行胶内行胶内酶解,再用解,再用质谱进行行鉴定。定。以以色色谱分分离离为核核心心的的技技术路路线:混混合合蛋蛋白白先先进行行酶解解,经色色谱或或多多维色色谱分分离离后后,对肽段段进行行串串联质谱分分析析以以实现蛋白的蛋白的鉴定。定。25.目录目录(一)二(一)二维电泳是分离蛋白泳是分离蛋白质组的有效方法的有效方法 2-DE是是分分离离蛋蛋白白质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在在高高压电场作作用用下下先先进行行等等电
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