组学与医学

《生物化学与分子生物学》第二十六章组学与医学思维导图，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、组学在医学上的应用等内容。

26 第二十六章 组学与医学

组学在医学上的应用 P499

疾病基因组学阐明疾病发病机制

定位克隆技术是发现和鉴定疾病基因的重要手段

SNPs 是疾病易感性的重要遗传学基础

药物基因组学揭示遗传变异对药物效能和毒性的影响

药物基因组学预测药物反应性并指导个体化用药

基因多态性是药物基因组学的基础和重要研究内容

鉴定基因序列的变异是药物基因组学的主要研究策略

蛋白质组学发现和鉴别药物新靶点

疾病相关蛋白质组学的研究是发现和验证药物新靶点的有效途径

耐药病原体的蛋白质组学研究将为新一代抗生素的发现提供新的契机

信号转导分子和途径是药物设计的合理靶点

代谢组学是开展预测医学和个体化医学的重要手段

代谢组学丰富了预测医学的内涵

代谢组学促进了个体化医学的发展

代谢组学毒性联合计划的主要目标是

①对实验对象(动物的尿液、血清和组织)中代谢物的病理和生化变化进行详细的多维描述

②建立加入“有毒药物”后代谢产物的NMR谱图数据库

③建立毒性预测的专家系统

④寻找各类组合生物标志物

⑤通过对有毒和无毒类似物的分类，测试所建立的专家系统。该计划对 147 种典型药物的肝肾毒性进行了研究。通过检测正常和受毒动物体液和组织中代谢物的 NMR 谱，结合已知毒性物质的病理效应建立了第一个大鼠肝和肾毒性的专家系统。该专家系统分为 3 个独立的级别,可实现正常/异常的判别、对未知标本进行毒性或疾病的识别以及病理学生物标志物识别

其他组学 P497

糖组学研究生命体聚糖多样性及其生物学功能

糖组学分为结构糖组学与功能糖组学两个分支

糖组学主要要回答 4 个方面的问题

①什么基因编码糖蛋白，即基因信息

②可能糖基化位点中实际被糖基化的位点，即糖基化位点信息

③聚糖结构，即结构信息

④糖基化功能，即功能信息

色谱分离/质谱鉴定和糖微阵列技术是糖组学研究的主要技术

色谱分离与质谱鉴定技术

具体策略包括如下几个步骤:

①凝集素亲和层析-1(用于糖蛋白分离)：依据待分离糖蛋白的聚糖类型单独或串联使用不同的凝集素

②蛋白质消化：将分离得到的糖蛋白用蛋白酶 I 消化以生成糖肽

③凝集索亲和层析-2(用于糖肽分离)；采用与步骤①相向的凝集素柱从消化液中捕集目的糖肽

④HPLC 纯化糖肽

⑤序列分析、质谱和解离常数测定

⑥数据库搜索和聚糖结构分析以获得相关遗传和糖基化信息。然后使用不同的凝集素柱进行第二和第三次循环，捕集其他类型的糖肽，以对某个细胞进行较全面的糖组学研究。其中凝集素亲和层析亦称为糖捕获法

糖微阵列技术

生物信息学

糖组学与肿瘤的关系密切

脂组学揭示生命体脂质多样性及其代谢调控

脂组学是代谢组学的一个分支

脂组学的研究有以下优势

①只研究脂质物质及其代谢物。脂质物质在结构上的共同点决定了样品前处理及分析技术平台的搭建较为容易,而且可以借鉴代谢组学的研究方法

②脂组学数据库的建立和完善速度较快，并能建立与其他组学的网络联系

③脂质组分析的技术平台：可用于代谢组学的研究，促进代谢组学发展

脂组学研究的三大步骤——分 离、鉴定和数据库检索

样品分离

脂质鉴定

数据库检索

脂组学促进脂质生物标志物的发现和疾病诊断

代谢组学 P495

代谢组学的任务是分析生物/细胞代谢产物的全貌

代谢组学分为四个层次

①代谢物靶标分析：对某个或某几个特定组分的分析

②代谢谱分析：对一系列预先设定的目标代谢物进行定量分析。如某一类结构、性质相关的化合物或某一代谢途径中所有代谢物或一组由多条代谢途径共享的代谢物进行定量分析

③代谢组学：对某一生物或细胞所有代谢物进行定性和定量分析

④代谢指纹分析：不分离鉴定具体单一组分，而是对代谢物整体进行高通量的定性分析

核磁共振、色谱及质谱是代谢组学的主要分析工具

①NMR

②MS

③色谱-质谱联用技术

代谢组学数据依赖模式识别技术进行分析

基因组学 P488

基因组学包含结构基因组学、功能基因组学和比较基因组学

结构基因组学的主要任务是基因组作图和大规模测序

遗传作图和物理作图是绘制人类基因组草图的重要策略

遗传作图就是绘制连锁图

限制性片段长度多态性(RFLP)：利用特定的限制性内切酶识别并切割基因组 DNA，得到大小不等的DNA片段，所产生的DNA数目和各个片段的长度反映了 DNA 分子上不同酶切位点的分布情况。由于不同个体等位基因之间碱基的替换、重排、缺失等变化导致限制性内切酶点发生改变，从而造成基因型间限制性片段长度的差异

可变数日串联重复序列

单核苷酸多态性

物理作图就是描绘杂交图、限制性酶切图及克隆系图

物理作图包括

①荧光原位杂交图：将荧光标记的探针与染色体杂交确定分子标记所在的位置

②限制性酶切图：将限制性酶切位点标定在 DNA 分子的相对位置

③克隆相连重叠群图等

通过 BAC 克隆系、鸟枪法等完成大规模 DNA 测序

BAC 克隆系的构建是大规模 DNA 测序的基础

鸟枪法是大规模 DNA 测序的重要方法

①建立高度随机、插入片段大小为 1.6kb 到 4kb 左右的基因组文库

②高效、大规模的克隆双向测序

③序列组装。借助 Phred/Phrap/Consed 等软件将所测得的序列进行组装，产生一定数量的相连重叠群

④缺口填补。利用引物延伸或其他方法对 BAC 克隆中还存在的缺口进行填补

生物信息学是预测基因组结构和功能的重要手段

功能基因组学系统探讨基因的活动规律

通过全基因组扫描鉴定 DNA 序列中的基因

通过 BLAST 等程序搜索同源基因

通过实验设计验证基因功能

通过转录组和蛋白质组描述基因表达模式

转录组学 P491

转录组学研究全部mRNA的表达及功能

微阵列是大规模基因组表达谱研究的主要技术

SAGE 在转录物水平研究细胞或组织基因表达模式

MPSS 是以基因测序为基础的基因表达谱自动化和高通量分析新技术

RNA组学研究非编码RNA的集合

蛋白质组学 P493

蛋白质组学研究细胞内所有蛋白质的组成及其活动规律

蛋白质鉴定是蛋白质组学的基本任务

可以利用一维电泳和二维电泳并结合生物质谱、蛋白质印迹、蛋白质芯片等技术，对蛋白质进行全面的鉴定研究

翻译后修饰的鉴定有助于蛋白质功能的阐明

很多 mRNA 表达产生的蛋白质要经历翻译后修饰如磷酸化、糖基化、酶原激活等过程。翻译后修饰是蛋白质调节功能的重要方式，因此，研究蛋白质翻译后修饰对阐明蛋白质的功能具有重要意义

蛋白质功能确定是蛋白质组学的根本目的

蛋白质功能研究包括蛋白质定位研究,基因过表达/基因敲除(减)技术分析蛋白质活性，酵母双杂交/免疫共沉淀等技术研究蛋白质相互作用等。另外，分析酶活性和确定酶底物，细胞因子的生物分析，配基-受体结合分析等也属蛋白质功能研究范畴

二维电泳和质谱是蛋白质组学研究的常规技术

目前，进行蛋白质组学研究的主要技术路线有以下两条

①以 2-DE 分离为核心的研究路线：混合蛋白首先通过 2-DE 分离，然后进行胶内酶解，再用质谱进行鉴定。这是目前蛋白质组研究领域最常用的路线

②以色谱分离为核心的技术路线：混合蛋白先进行酶解，经色谱或多维色谱分离后，对肽段进行串联质谱分析以实现蛋白的鉴定。其中，质谱是研究路线中不可缺少的技术

二维电泳是分离蛋白质组的有效方法

质谱技术是蛋白质组鉴定的重要工具

用肽质量指纹图谱鉴定蛋白质

用串联质谱鉴定蛋白质

蛋白质相互作用研究是认识蛋白质功能的重要内容