系统生物学 第六讲 表型组学、糖组学、脂质组学共51页文档

t NHGRI于2003年9月启动了DNA元件百科全书（ENCyclopedia Of DNA Elements，ENCODE）计划；该计划旨在解析人类基因组中的所有功能性元 件，内容包括编码基因、非编码基因、调控区域、染色体结构维持和调节染色 体复制动力的DNA元件等 。
（一） ENCODE 是HGP的延续与深入
了解 糖组学、脂组学的研究内容；系统生物医学在现代医学研究 中的应用
第一节
基因组学
基因组学是阐明整个基因组的结构、结构与功能的关系 以及基因之间相互作用的科学
t 结构基因组学（structural genomics） t 比较基因组学（comparative genomics） t 功能基因组学（functional genomics）
t 研究内容
? 种间比较基因组学阐明物种间基因组结构的异同 ? 种内比较基因组学阐明群体内基因组结构的变异和多态性
三、功能基因组学系统探讨基因的活动规律
? 基因组的表达 ? 基因组功能注释 ? 基因组表达调控网络及机制
EJIFCC. 2008; 19(1): 22–30.
四、ENCODE识别人类基因组所有功能元件
ENCODE的研究内容与策略
基因图谱中的序列标签位点（STS）和表达 序列标签（EST）分布示意
（三）通过 BAC克隆系、比较基因组学鉴别基因组的相似性和差异性
t 比较基因组学是在基因组序列的基础上，通过与已知生物基因组的比较， 鉴别基因组的相似性和差异性，一方面可为阐明物种进化关系提供依据， 另一方面可根据基因的同源性预测相DNA图或表达图（expression map），是一种以 表达序列标签（expressed sequence tag，EST）为标记，根据转 录顺序的位置和距离绘制的分子遗DNA的5'-或3'-末端序列，每个EST长度一般在300~500bp之间就 可以包含已表达的该基因的信息。

维生素D
促进人和动物对钙和磷的吸收
除了补钙之外还要补充维生素D或者多晒太阳。
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生物大分子包括哪些物质？它们在组成结构上有 没有共同点呢？
多糖、蛋白质、核酸 1 . 组成元素都含有C、H、O 2 . 都有它们的基本组成单位——单体，因此
这些生物大分子物质又称为单体的多聚体。
生物大分子以碳链为骨架
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小结
分类
1.糖类
(C H O)
单糖 核糖、脱氧核糖、 葡萄糖、果糖、半乳糖
二糖 麦芽糖、蔗糖、乳糖 多糖 淀粉、糖原、纤维素
2.脂质
(C H O)
作用
分类
作用
构成生物结构，主要能源物质
脂肪
磷脂
固醇（胆固醇、性激素、维生素D等）
储存能量，保温，缓冲，构成生物结构，
促进某些生命活动
一、糖类
二糖
（C12H22O11）
植物 动物：
麦芽糖 蔗糖 乳糖
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一、糖类
多糖
基 本 单 位
葡萄糖
植物 淀粉
纤维素
作用 植物细胞中储能物质 植物细胞壁的主要成分
动物： 糖原 动物细胞中储能物质
（主要分布在肝脏和肌肉中）
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一、糖类
糖尿病人的饮食受到严格的限制，受限制的并不 仅仅是甜味食品，米饭和馒头等主食都需定量摄取。 为什么？
生命活动的主要能源物质： 葡萄糖 细胞中的储能物质： 淀粉、糖原 参与细胞构成的物质： 纤维素、核糖、脱氧核糖 3.具有还原性的糖： 葡萄糖、果糖、麦芽糖
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糖类的摄入过量会引起肥胖吗？
过量的糖类可以转化为脂肪

学、 医药学 、 农学等领域起着举足轻重 的作用 。
１ 基因组学
Ｒ Ａ组学（ Ｎ ｏ ｉ ） Ｎ Ｒ Ａ ｍｅ 这一概念 是于 ２０ 提 出 ｓ ０ ２年 的， 主要任务是对细胞 中全部 Ｒ Ａ分子 的结 构与功能 Ｎ 进行 系统 的研 究 ， 整 体水 平 阐 明 Ｒ Ａ 的生物 学 意 从 Ｎ
多个基因或蛋 白质 同时进行 系统 生物 学研究。后基 因
代谢 组学 （ ｅ ｂｎｍ ｃ） ｍ ｔ ｏｏ ｉ 是在 ２ ａ ｓ ０世纪 ９ ｏ年代 中
期 发展起来 的， 对某一 生物或 细胞 中相 对分 子量 小 是
组学代表着基因组分析 的新阶段 ， 以高通量的实验方法 结合大规模 的统计 计算为 主要特 征。研究 的手段 包括
综上所述 ， 种组学有各 自的针对 性 ， 各 且有层次性 和相对独立性 。同时 ， 物体 内各种 物质 （ 酸 、 白 生 核 蛋 质、 、 、 糖 脂 离子 、 次生代谢 物 ） 之间是 相互关 联相互作 用 的 ， 以， 所 各种组 学 作 为系 统 生物 学研 究 的组 成 部
分， 彼此也 是相互关联 的。
白质功能的了解。对于蛋 白质相互作用的研究 ， 酵母双
杂交和噬菌体展示技术无疑是很好的研究方法 。
３ Ｒ Ａ组学 Ｎ
因组学 （ｐｇｎｍ ｅ） ， 组学（ ｍｅ） 结 尾的新名 ｅｉ ｏ ｉ 等 以“ ｅ ｓ ｏｉ ” ｓ 词不 断出现 。这些组 学 围绕核酸 、 白、 谢物 、 蛋 代 矿物 元素 、 表型 等方 面 的研 究不 断得 到 拓展 ， 现代 生物 在
功能分析的遗传学 分支 。它 出现于 ２ ０世纪 ８ 代 ， ０年 １８ ９ ６年美 国科 学家 Ｔ ｏ ａ ｏｅｉ ｈｍ ｓＲ ｄｒ ｋ正式提 出了基 因 ｅ

主要研究策略
• 自上而下 (Top-down，以Hood为代表) • 自下而上 (Bottom-up，以Kitano为代表) • 整合 (Integration) • 扰动法 (Perturbation)
整合－系统生物学的核心
系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、 生物小分子等）的整合。 从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。 研究思路和方法的整合。
spot digestion
Automated MALDI spotting
Automated spot picking
The Complete Proteomics Solution
差异凝胶电泳Difference Gel Electrophoresis (DIGE)
Protein extract 1 Label with fluor 1
系统生物学与分子生物学
整合性 的大科学
分子水平， 系统生物 学的基础
分子生物学
近几十年来发展最为 迅速的生物科学
系统生物学
21世纪的生物学
分子生物学 与 系统生物学
还原主义 将生物学还原到分子水平
整体主义 从系统层次上理解生物系统
研究对象是 生物系统的组成部分 （个别基因、个别蛋白质）
研究对象是
只有碎片
激光
(高能)
激光
(高能)
离子化
Protein
H+
没有基体 蛋白
基体 蛋白
系统生物学与相关学科的关系
生命活动三要素：物质、能量、信息 生物信息学
系统生物学
分子生物学
生理学
系统生物学与合成生物学的关系
“Synthetic Biology”

有些蛋白质的投送信号存在于肽链内， 但有些是与其糖链有关。
（五）糖蛋白聚糖具有分子间的识别作用

聚糖中单糖分子连接的多样性是聚糖起到分
子识别作用的基础。

受体与配体识别和结合也需聚糖的参与。

细胞表面糖பைடு நூலகம்合物的聚糖还能介导细胞-细胞
的结合。
第二节
蛋白聚糖
Proteoglycan

蛋白聚糖是一条或多条糖胺聚糖以共价键与核 心蛋白形成的大分子糖复合物化合物。
类风湿关节炎
单糖
糖类
多糖
糖蛋白(glycoprotein)
糖复合物 (glycoconjugates)
蛋白聚糖(proteoglycan) 糖脂(glycolipids)
第一节 糖蛋白
Glycoprotein


糖蛋白
一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋白质。 蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为 蛋白质的特性。 分布细胞膜、溶酶体、细胞外液
胞吞作用并降解
●与细胞粘着有关
细胞粘着(cell adhesion)是进化中随着多细胞生物出现的 必然现象。多细胞生物中细胞有相互识别而聚集成细胞群的能 力——细胞粘着。细胞群或组织(tissue)中细胞与细胞之间充满 着由糖蛋白(胶原蛋白、纤连蛋白、层粘蛋白)、蛋白聚糖、透明 质酸等组成的胞外基质(extracellular matrix,ECM)。在整个生 物体中,ECM形成一个连续的主体网络结构,所有的细胞都交织或 浸泡在这一网状基质中,网络中细胞一细胞粘着,细胞一ECM粘着 都是通过有关的膜内在蛋白质(integral membrane protein)完 成的。这些膜蛋白称细胞粘着分子(cell adhesion molecule, CAM)或粘着蛋白,包括整联蛋白(integrin),钙粘着蛋白(cadher --in)免疫球蛋白超家族(Ig superfamily),血管地址素 (vescular addressin) 选择蛋白(selectin)等。CAM 绝大多数 都是含N一糖链的糖蛋白.例如整联蛋白是由α一和β一亚基组成 的异二聚体,两个亚基上有多个N一糖基化位点。去糖链的整联蛋 白完全失去与纤连蛋白的粘着能力。

糖酵解
在缺氧条件下，细胞将葡萄糖分解成丙酮酸的过 程，释放少量能量。
三羧酸循环
在有氧条件下，细胞将丙酮酸氧化成二氧化碳和 水的过程，释放大量能量。
糖链的降解途径
糖原分解
糖原分解为葡萄糖的过程，用于提供能量或合成其他物质。
糖异生
非糖物质通过一系列酶促反应转化为葡萄糖或糖原的过程。
乳酸发酵
在缺氧条件下，细胞将葡萄糖转化为乳酸的过程，释放少量能量 。
糖链合成与降解的调节机制
激素调节
01
胰岛素、胰高血糖素等激素可以调节糖原的合成和降解。
神经调节
02
神经递质可以影响糖原的合成和降解。
代谢物调节
03
一些代谢物可以影响糖原的合成和降解。
04
糖链在细胞中的作用
糖链与细胞识别
总结词
糖链在细胞识别中发挥重要作用，参与 细胞与细胞、细胞与细胞外基质的相互 识别。
糖生物学在疾病诊断中的应用
肿瘤标志物检测
糖生物学在肿瘤标志物检测中发 挥了重要作用，通过检测肿瘤细 胞表面的糖蛋白和糖链，有助于 早期发现肿瘤。
感染性疾病诊断
某些病原微生物表面的糖蛋白具 有特异性，通过糖生物学技术可 以检测出这些糖蛋白，从而诊断 感染性疾病。
遗传性疾病诊断
一些遗传性疾病与糖基化异常有 关，通过糖生物学技术可以检测 出这些异常糖蛋白，有助于遗传 性疾病的诊断。
糖生物学在再生医学中的应用
干细胞治疗
糖生物学在干细胞治疗中具有重要作用，通过调控糖蛋白的表达 和糖基化过程，可以促进干细胞的增殖和分化。
组织工程
糖生物学在组织工程中发挥关键作用，通过研究细胞外基质中的糖 蛋白和糖链，可以模拟天然细胞外基质的结构和功能。

蛋白质组等生物信息。
13
植物表型组学研究技术
• 植物活力 • 根形态 • 叶的形态特性 • 光合效率 • 产量相关性状 • 生物量 • 对非生物胁迫的响应
14
叶片形态测量仪
15
麦穗形态测量仪
16
夹角测量仪
17
茎秆强度测量仪
18
麦穗数量测量仪
19
全自动考种仪
20
PlantScreen植物表型成像分析系统——高通量植物 表型组学研究平台
Genomics Transcriptomics
Proteins Metabolites
OH O OH
HO
OH
OH
OH O
OH NH2
Proteomics Metabolomics
Traits
Phenomics
7
8
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表型组学研究的需求
• 人口的急剧增长，城市化进程的加快、人类对生 物燃料的需求、气候变化、病虫害发生使全球粮 食安全受到极大挑战，传统育种已经很难满足三 大主要谷类作物( 水稻、玉米和小麦)的增产需求。
3
• 表型组学( phenomics) 最早由Steven A．Garan 于 1996 年提出。
• 表型组学( phenomics) 是研究生物体表现型特征 的学科。表型组学近年来得到了迅猛发展，其概 念也在逐步完善，但尚未形成定论。
4
• Gjuvsland、Freimer 和Houle等生物学家认为，表 型( Phenotype) 即生物某一特定物理外观或组成， 如植物的株高、花色、产量、酶活力、抗逆性等， 是基因型和环境共同作用的结果。
• 传统的育种转变为分子辅助育种，通过各种组学 手段提高了植物育种效率和水平。

02
核酸
核酸的组成
核酸由核苷酸组成，核苷酸由 五碳糖、磷酸基团和含氮碱基 组成。
核苷酸根据五碳糖的不同分为 脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸 ，分别构成DNA和RNA。
DNA由脱氧核糖核苷酸组成， RNA由核糖核苷酸组成。
核酸的种类
DNA
脱氧核糖核酸，存在于细胞核和 线粒体中，携带遗传信息。
RNA
核糖核酸，存在于细胞质中，参 与蛋白质合成。
总结词
了解脂质的组成和分类是理解其性质和功能的基础。
详细描述
脂质是由脂肪酸和醇通过酯键连接形成的化合物，根据所含脂肪酸的数目，可 以分为单脂和复脂。单脂包括油脂、蜡和磷脂等，复脂指的是胶束酯，它是由 多个单脂分子聚合而成。
脂质的性质和功能
总结词
了解脂质的性质和功能有助于理解其在生物学中的作用。
详细描述
感谢您的观看
THANKS
核酸、糖类和脂质是细胞中重要的生 物大分子，是构成细胞的基本物质， 对于理解细胞生命活动和生物体的代 谢具有重要意义。
掌握核酸、糖类和脂质的知识是学习 后续生物课程的基础，对于提高生物 学素养和科学思维能力具有重要作用 。
学习核酸、糖类和脂质有助于深入理 解遗传信息的传递、基因的表达以及 细胞信号转导等核心生物学过程。
05
小结
本章重点回顾
核酸结构与功能
糖类的分类与作用
核酸是细胞内携带遗传信息的物质，分为 DNA和RNA两种类型，每种类型都具有特 定的结构和功能。
糖类是生物体内重要的能源物质，根据其 结构和性质可分为单糖、二糖和多糖，它 们在生物体内分别具有不同的作用。
脂质的组成与功能
生物大分子以碳链为骨架
脂质是生物体内另一类重要的分子，包括 脂肪、磷脂和固醇等，它们在生物体内具 有调节生理功能和提供能量的作用。

例如，巨噬细胞活化是许多疾病发展过程中的关键步骤，在此过程中脂肪酸 去饱和和延伸酶受到强烈诱导，脂质组分析发现磷脂酰乙醇胺缩醛磷脂中的 多不饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸相应降低和增加，这为为巨噬细胞的活化 提供一种脂质特征指标。
对小鼠肝脏分离的细胞核和线粒体进行脂质组学研究，发现线粒体脂质组比 核脂质组表现出更多的时间波动。
由于脂类代谢是动植物的代谢中的第一大类，随着近年来脂质组学迅猛 发展, 科学家们将“脂质组学”从“代谢组学”中单独划分出来，与基因组 学和蛋白质组学一样成为一个独立学科。
脂质组学研究步骤
脂质的提取和分离
针对少数已知或假设的两脂质种，加方入相法应标通记的过内参使，通用过对不峰强同度或比峰面例积的的比较氯来对仿单个/脂甲质的醇丰度溶进行剂精确将定量脂质分离成有机相： Folch法（氯仿：甲醇= 2：1）和Bligh和Dyer法（氯仿：甲醇= 1：2）。 3、Mzmine，可以进行数据处理和制图, 并且可以通过演算法进行波谱过滤、峰采集、二维图形可视化、校正和规范化等。
脂质定量
绝对定量
针对少数已知或假设的脂质，加入相应标记的内参，通过对峰强度或峰面积 的比较来对单个脂质的丰度进行精确定量
相对定量
脂质种类较多时，可使用一种脂质内参代表一类脂质，或只使用一种外源脂 质分子作为相对定量标准
数据分析策略
手动注释 与标准品内参或已知数据比较（峰面积、质荷比、保留时间），结合相关知 识背景，对目标物质进行定性与定量
应用
血浆脂质组学
日常生理条件如空腹和进食、遗传背景和疾病可改变血浆脂质浓度和组成。 通过对血浆脂质组进行检测，可确定人体的健康状况。
数据库
LIPID MAPS( /)
这是是一个多组织联盟，旨在利用系统生物学方法、质谱方法等鉴定、定量 生物体内的脂质，揭示多种生命活动、环境变化带来的脂质变化。目前已经 收录了4万种脂质，涉及到人、小鼠、植物、细菌、真菌等。