功能基因组学及其研究方法53页PPT

《功能基因组学》PPT课件
SAGE 步骤
1. 将5μg含有oligo dT（引物）的磁珠与 RNA混合。
2. 合成双链cDNA。
3. 用NlaⅢ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Mme I切割每一个样品形成约60bp 的标签。
➢ 科学研究已开始进入“后基因组时代”。主要是开展 功能基因组学和蛋白质组学的研究。
➢ 有科学家形象地说道：即使基因测序全部完成，也只 好像是一本没有姓名，只有号码的电话簿。“后基因 组时代”的最终目标，是要把深奥的DNA语言变成一 本大基因百科全书。
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功能基因组学
功能基因组学，后基因组学(Post genomics)： 利用结构基因组学提供的信息和产物 通过在基因组或系统水平上全面分析基因的 功能 生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转 向对多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。
特定基因检测 突变检测 多态性分析 基因表达谱
• 生物信息学的工具 • 基因相关性研究 • 基因功能 • 药物设计和开发 • 潜在反义试剂开发 • 个体化医疗 • 身份识别 • 基因诊断 • 其他与生物有关的领域
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例：肿瘤诊断
国外有一临床病人表现出典型的白血病症状，但形态 学检测不典型，根据相关检查，诊断为AML（acute myeloid leukaemia, 急性骨髓白血病），治疗几个月后未见 好转。后来用DNA芯片与病人骨髓的mRNA杂交，结果显示 AML和ALL(acute lymphoblastic leukaemia 急性成淋巴细胞白 血病)基因都表达较低，而在数据分析中发现，编码原肌球 蛋白的基因表达极高，从而确诊为肺泡弹状肌肉瘤，改变 治疗方案，病情出现缓解。

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SWISS-MODEL • SWISS-MODEL: 网址/ • 非专业人士应用最为广泛的一个在线建模服务器。 • 特点：简单、自动化、对学术团队免费。
Automated mode:自动模式，可以称为是最傻瓜的方式 提交自己的氨基酸序列+邮箱即可 适用：一致性较高时
等电点，分子量预 测工具
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/protscale/
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TGREASE疏水性参数
• 高正值的氨 基酸具有更 大的疏水性 而低负值的 氨基酸具有 更强的亲水 性
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蛋白质跨膜区预测(TMHMM)
http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/
现代生物学实验技术
基因组学研究——功能基因分析
1 1
要求：
1.掌握常用的序列比对工具 2.能构建进化树 3.能够预测蛋白质的二级结构、疏水区、跨膜区等 4.能够进行简单的同源建模分析 5.了解KEGG数据库的检索
2
序列比对——BLAST应用
3
生物序列的同源性
同源性(homology)： 指从一些数据中推断出的两个基因或蛋白质序列具有共
DNA 序列
蛋白质序列
转录&翻译
蛋白质结构
折叠
• 氨基酸序列只有折叠成特定的空间结构 才具有相应的活性和相应的生物学功能
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为什么要研究蛋白质结构? • 生物体中许多重要的功能由蛋白质完成 • 分析蛋白质结构、功能及其关系是蛋白质组计
划中的一个重要组成部分 • 分析蛋白质结构有助于药物设计研究 • 有助于了解蛋白质相互作用，这对于生物学、
医学和药学都是非常重要
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蛋白质二级结构 • α-helix (30-35%)

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人类基因组计划与基因16组学
4．基因图
生物的性状是由结构或功能蛋白决定的，蛋 白质是由mRNA编码的， mRNA是由基因转录而 来的，而基因的表达又有时间和空间的特异性。
提取特定生长发育时期或特定组织器官中的 mRNA逆转录即可得到cDNA，再进行分子杂交鉴 别出与转录相关的基因，就可以绘制一张可表达 基因图——转录图(transcription map)，所以说转 录图是基因图的雏形。
-
人类基因组计划与基因29组学
2．中国HGP的第二阶段
1999.9，中国加入IHGSC，负责测定人类 3号染色体3pter-D3S3610区域约30Mb的测序 任务，即“1%项目”，成为加入IHGSC的惟 一一个发展中国家。
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人类基因组计划与基因30组学
三、功能基因组学
人类基因组计划 与功能基因组学
-
人类基因组计划与基因34组学
2．比较基因组学
比较基因组学(comparative genomics)是基 于基因组图谱和测序基础上，在DNA水平上对 不同生物基因组的结构进行比较，以研究基因 的结构功能、表达机制和物种进化的学科。
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人类基因组计划与基因35组学
2．比较基因组学
主要的模式生物
大肠埃希菌(E. coli) 酵母菌(S. cerevisiae) 秀丽线虫(C. elegans) 果蝇(D. melanogaster) 小鼠(M. musculus)
第十二章 人类基因组计划与功能基因组学
现代生物学与现代医学
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人类基因组计划(human genome project， HGP)是一项国际性科学研究计划，旨在阐明 人类基因组30亿个碱基对的序列，从物理和功 能角度发现和定位人类基因组基因，破译人类 全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全 面地认识自我。

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制备靶 片段
制备固相 探针
实验组
（组织，细胞）
提取mRNA
Cy5标记
对照组 （组织，细胞）
提取mRNA
Cy3标记
杂交
结果观察，信息分析
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扫描图
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蛋白质组(proteom)：
一个细胞内的全套蛋白质，反映了特 殊阶段、环境、状态下细胞或组织在 翻译水平的蛋白质的表达谱。
自1990年开始实施人类基因组计划以来，在它的影 响下，迄今已完成了400多个物种的基因组DNA序 列的测定，其中包括流感嗜血杆菌、大肠杆菌、酵 母、秀丽线虫等多个病原微生物和模式生物以及人 类基因组的测序。
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模式生物是指一类被深入研究旨在揭示特定生命 现象普遍规律的生物物种。大多数生物学过程在 长期的进化过程中是高度保守的，因此，许多生 物学过程在大多数或所有的模式生物中都是类似 的，模式生物也因此在生物学研究中具有不可替 代的重要作用。
存在某些完全相同的序列； ORF演绎的氨基酸序列相似； ORF的排列相似，如等长的外显子； 模拟的多肽链的高级结构相似，等。
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是运用计算机技术和信息技术开发新的算法和统 计方法，对生物实验数据进行分析，确定数据所 含有的生物学意义，并开发新的数据分析工具以 实现对各种信息的获取和管理的学科。
基因克隆的策略
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基因敲除技术（gene knockout)
通过基因工程的方法将一个结构已知但功能未知的 基因去除，或用其他序列相近的基因取代（又称基 因敲入,基因替换），然后从整体观察生物体，从而 推测相应基因的功能。这种人为地把生物体某一种 有功能的基因完全缺失的技术称为基因敲除技术。

解各个基因或DNA片段之间的相对
距离。
遗传标志：
1、限制性酶切片段长度多态性(RFLP)
2、短串联重复序列(STR)
3、单核苷酸多态性(SNP)
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1、形态学标记
• 形态学标记(morphological marker)
能够用肉眼识别和观察、明确显示遗传多样性 的外观性状。
• 特点
学距离（在减数分裂事件中两个位点之间
进行交换、重组的百分率，1%的重组率称
24.07为.20201cM）为图距的基因组图。
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遗传图采用遗传学距离(genetic
distance)作为图距，单位cM。 cM
值越大，两者之间距离越远。人类
基因组的遗传大小已经确定为
3600cM。通过遗传图分析，可以了
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同工酶与等位酶
• 同工酶(isozyme)：电泳所可区分的同一种 酶（系统）的不同变化
• 等位酶(allozyme)：由一个位点的不同等位 基因编码的同种酶的不同类型，其功能相 同但氨基酸序列不同
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等位酶分析的过程
材料的采集
研磨和酶的提取
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人类基因组计划的启动
1986 年诺贝尔奖获得者R.Dulbecco
（杜尔贝科）提出人类基因组计划——
测出人类全套基因组的 DNA 碱基序列
（ 3 X 109 bp ）
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1975年，获诺贝尔生理医学奖
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美国政府决定于 1990年正式启动 HGP，预计用 15 年时间，投入 30 亿 美元，完成 HGP。

• 加州大学洛杉矶分校 • 发现了可能导致精神分裂症的3个新候选基因 • 3种基因的拷贝数突变CNVs （copy-number
variants ）与脑部功能有关，增加患有精神分裂症的 几率
• MYT1L, CTNND2, ASTN2
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基因变异可能增加患肺癌几率
• Nature Genetics，2008.11，James D McKay，Paul Brennan
• 目前主要是采取劝导或保护的手段，使携带者抵制对可卡因 的诱惑。
• 希望藉此防止想尝试毒品的行为以及研发相关的手段。 • 正在研制一种疫苗，携带者注射后可降低对毒品的兴奋度
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主宰基因在血糖水平调控中起关键作用
• Science，322( 5906) 1395 - 1399，2008, Atul R. Chopra ， Bert W. O'Malley
• Genetic Association and Expression Studies Indicate a Role of Toll-Like Receptor 8 in Pulmonary Tuberculosis
• 与结核病易感性有关的基因，男性比女性更易感染结 核病
• 全球约有1/3的人感染了结核分支杆菌，但仅 5%~10%的人得结核病。推测可能是与宿主免疫应答 相关的免疫基因发生了变异。
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特殊基因突变增加脑动脉瘤风险
• Nature Genetics，doi:10.1038/ng.240，Kaya Bilguvar， Murat Günel
• Susceptibility loci for intracranial aneurysm in European and Japanese populations

来实现的，而DNA的核苷酸序列能决定组成它所对 应蛋白质的氨基酸序列。这种关系叫做遗传密码。
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基因突变 基因通常是一个稳定的遗传单位，
但它也可能发生可遗传的变异，这种变异叫基因突
变（mutation）。突变以后的基因以新的形式稳定
遗传。携带突变基因的生物体叫突变体（mutant），
携带正常基因的生物体叫野生型（wild type)。
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1
基因
基因,在希腊语中是“给予生命”之意，1909年，
丹麦生物学家 W.Johannsen首先使用名词“基因”
代替“遗传因子” 这个术语。随着遗传学、分子
生物学、生物化学领域的发展，人们对基因本性的
认识逐渐深入，基因的概念和涵义也不断地发展和
丰富。
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2
1926年，Morgan发表了“基因论”，指出基因 是在特定的染色体上，而且是呈直线排列在染色体 上的遗传颗粒，位于同源染色体的同一位置上的相 对基因叫做等位基因。基因是世代相传的，基因决 定遗传性状的表达。
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在回文序列的下游有6~8个A-T对，因此，这段 终止子转录后形成的RNA具有发夹结构，并具有 与A互补的一串U，因为A转录物 从DNA模板上释放出来是有利的，也可使RNA聚 合酶从DNA上解离下来，实现转录的终止。
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基因克隆
一个或多个结构基因的功能，或导致一个或多个蛋白质
（或酶）量的改变。
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人类基因包括4个区域
①编码区，包括外显子与内含子
②前导区，位于编码区上游，相当于mRNA 5’末端非编码区（非翻译区）；
③尾部区，位于mRNA 3’编码区下游，相当 于3末端非编码区（非翻译区）；