蛋白組學分析技術第一章蛋白質組學與系統生物學2

參考書：

蛋白質分析實驗技術指南，李玉花、藍興國、周波等編著，高等教育出版社，2011.系統生物學，張自立等編著，科學出版社，2009.蛋白質組學研究-概念、技術及應用，張麗華等譯（原書第二版），科學出版社，2010.新一代基因組測序，M.賈尼特編著，科學出版社，2012.Introductiontoproteomics-toolsforthenewbiology.DanielC.Liebler,HumanaPress,2002.Guidetoproteinpurification(SecondEdition),RichardR.Burgess,科學出版社，2011.蛋白質組學中的蛋白質純化手冊，茹炳根主譯，化學工業出版社，2008.3MolecularandCellularProteomicsJournalofProteomeResearchJournalofProteomicsProteomicsExpertReviewofProteomicsBBA-ProteinsandProteomicsCurrentProteomicsProteomeScienceProteomics-clinicalapplications相關的期刊：4第一章:蛋白質組學與系統生物學蛋白組學分析技術課程之5第一章：蛋白質組學與系統生物學1.1“還原論”與“整體論”1.2基因組學1.3轉錄組學1.4蛋白質組學1.5蛋白質相互作用組學6

1.1“還原論”與“整體論”生物科學：生物體是一個多層次、多功能的復雜結構體系，研究其運動變化規律的科學。7

1.1.1從分子生物學到“基因決定論”JamesWatson(left)wasonly24whentogetherwithFrancisCrick(right)hepublishedthepaperthatfirstdescribedthestructureofDNA,1953。8TheCentralDogmaofMolecularBiologyCrick,19589

1.1.1從分子生物學到“基因決定論”基因決定論（還原論）：注重把復雜生物體層層分解到分子水平，側重單個分子的功能。生命科學的研究熱衷于把復雜的生物體層層分解,從個體到器官,從器官到組織,從組織到細胞,再從細胞到分子,最終力求在基因水平上尋找個體生命現象的根源。生命科學的研究幾乎呈現出以基因為中心的勢態。ProductiondecisionofRice1011121314151617

1.1.2“基因決定論”、“還原論”局限性“同一粒種子，為什么在甲地能夠發芽而在乙地卻不能發芽呢？這似乎只能說明，種子本身沒有問題！”裘沛然先生在其《人學散墨》一書中如是說。基因好比種子，種子是否發芽——即基因是否被激活發病，取決于甲地或乙地的土壤是否適合種子發芽，而并不取決于“種子本身”。如“人有稟性畏漆，但見漆便中其毒，亦有性自耐者，終日燒煮竟不為害也”（《諸病源候論·漆瘡候》），需要注意的是“稟賦不耐并非出生就顯現，也不一定終生不變，每一個體對各種因素的易感性和耐受性可隨年齡、環境而改變”。《素問·上古天真論》云：“法于陰陽，和于術數，飲食有節，起居有常，不妄作勞，故能形與神俱，而盡終其天年，度百歲乃去。18

1.1.2“基因決定論”、“還原論”局限性淀粉合成（馬鈴薯）基因決定論的局限性在臨床上（如雙胞胎的相同基因損傷卻會產生不相同的后果）和在實驗室中（如突變即便是在同質化環境中也會在同基因的動物中產生不同效應）都早已明顯表現出來了。19

1.1.2“基因決定論”、“還原論”局限性20

1.1.2“基因決定論”、“還原論”局限性乳腺癌婦女細胞中BRCAI基因發生突變，該婦女到60歲后約有70%的概率會患乳腺癌。那么還有30%的女性未患癌癥？2013年5月14日，朱莉在文章《我的醫療選擇》中稱自己通過基因檢測確定帶遺傳缺陷基因BRCA1，醫生估測她患乳腺癌和卵巢癌的幾率頗高，分別為87%和50%，朱莉選擇雙側乳腺切除術，降低患癌風險。21

1.1.2“基因決定論”、“還原論”局限性4）、中心法則的修改22

1.1.3整體論的新潮流2005年，Goodman等認為復雜多細胞生物的基因調控受到多個層次的相互制約:有機體個體調節、細胞調節、轉錄調節、翻譯調節和后加工調節等相互影響，且各層次均離不開它們所處環境的作用。2004年，Silverman在science雜志發表了“重新考慮基因決定論”的文章，認為基因決定論存在一些問題，也強調了基因調節中有多種不確定性。1987年美國國會通過了人類基因組計劃，1990年正式啟動撥款。2000年報道了第一個完整的蛋白質組-支原體蛋白質組；同時，轉錄組學、相互作用組學、代謝組學等，也開展了大量的研究工作。23DNARNAProteinGenome

“Genomics”Proteome

“Proteomics”Transcriptome

“Transcriptomics”24

1.1.4系統生物學系統生物學：在系統層次上理解生物系統，力求闡述作為一個系統的生物系統，并重點著眼于一下4個問題：系統結構的闡述；系統行為的分析；控制系統的方法；如何設計系統。（日本）系統生物學：是研究一個生物系統中所有組分（基因、RNA、Protein等）的構成，以及在特定條件下這些組分間的相互關系，并通過計算生物學建立一個數學模型來定量描述和預測生物功能、表型和行為的科學。Hood（2004）系統生物學：是在細胞、組織、器官和生物體水平上研究結構和功能各異的生物分子及其相互作用，并通過計算生物學定量闡明和預測生物功能、表型和行為。楊勝利（2004）25Leeetal.2005.trendsinbiotechnology.26

總結與問題：1.還原論？2.整體論？3.還原論與整體論的局限性？271.2基因組學基因組:是一種生物體或個體細胞所具有的一套完整的基因及其調控序列。基因組學：研究基因組的結構組成、時序表達模式和功能，提供有關物種及其細胞功能的進化信息。特點：強調進行細胞中全部基因及非編碼區的整體性和系統性研究，從而全面揭示基因與基因間的相互關系、基因與非編碼序列的關系。2829Thehumangenome~3.2x109bp(thirtytimelargerthanC.elegansorD.melongaster)codingsequencesformonly5%ofthehumangenomeRepeatsequencesover50%Only~32.000genesHumangenomeisdistributedover22chromosome

pairsplusXandYchromosomesExonsofprotein-codinggenesarerelativelysmallcomparedtootherknowneukaryoticgenomesIntronsarerelativelylongProtein-codinggenesspanlongstretchesofDNA(dystrophin,codinga3.685aminoacidprotein,is>2.4Mbplong)Averagegenelength:~8,000bpAverageof5-6exons/geneAverageexonlength:~200bpAverageintronlength:~2,000bp~8%geneshaveasingleexonSomeexonscanbeassmallas1or3bp.30ThehumangenomeAllpeoplearedifferent,buttheDNAofdifferentpeopleonlyvariesfor0.2%orless.So,onlyupto2lettersin1000areexpectedtobedifferent.Evidenceincurrentgenomicsstudies(SingleNucleotidePolymorphismsorSNPs)implythatonaverageonly1letteroutof1400isdifferentbetweenindividuals.meansthat2to3millionletterswoulddifferbetweenindividuals.

31321.2基因組學技術：DNA體外擴增技術-PCR高通量自動化DNA測序技術331.2基因組學測序技術：Sanger-雙脫氧核苷酸末端終止法illumina高通量測序341.2基因組學illumina高通量測序351.2基因組學361.3轉錄組學371.3轉錄組學轉錄組是連接基因組遺傳信息與生物功能的蛋白質組的必然紐帶，轉錄組研究是基因功能及結構研究的基礎和出發點。

381.3轉錄組學技術：生物芯片技術GeneChip將標記的mRNA與點在固定支持物上的cDNA或寡核苷酸序列進行雜交，雜交后每個點的強度就代表特定序列的表達水平。391.3轉錄組學基因芯片的工作原理與經典的核酸分子雜交方法(southern、northern)一致，均應用已知核酸序列作為靶基因與互補的探針核苷酸序列雜交，通過隨后的信號檢測進行定性與定量分析。具體講是將許多特定的寡核苷酸片段或cDNA基因片段作為靶基因，有規律地排列固定于支持物上，樣品DNA/RNA通過PCR擴增、體外轉錄等技術摻入熒光標記分子或放射性同位素作為探針，然后按堿基配對原理將兩者進行雜交，再通過熒光或同位素檢測系統對芯片進行掃描，由計算機系統對每一探針上的信號作比較和檢測，從而得出所需要的信息。

401.3轉錄組學411.3轉錄組學高通量測序技術：能夠在單核苷酸水平對任意物種的整體轉錄活動進行檢測，在分析轉錄本的結構和表達水平的同時，還能發現未知轉錄本和稀有轉錄本，精確地識別可變剪切位點以及cSNP（編碼序列單核苷酸多態性），提供最全面的轉錄組信息。421.3轉錄組學431.4蛋白質組學澳大利亞的Wilkins和Wiliams(1994)在意大利舉行的第一屆國際雙向電泳會議上首次提出-蛋白質組(proteome)的概念.1995年，Wasinger在Electrophoresis上首次發表蛋白質組的研究文章，蛋白質組被定義為:一個基因組編碼的全部蛋白質.1997年,Wilkins和Wiliams將蛋白質組定義為:一個基因組或組織所表達的全部蛋白質.1999年,Nature雜志將蛋白質組定義為:在一個細胞的整個生命過程中，由基因組表達的以及表達后修飾的全部蛋白質.441.4蛋白質組學蛋白質組學:整體水平上研究細胞內蛋白質組成及其活動規律的一門科學.研究內容:不僅包括對細胞內各種蛋白質的識別與定量化,還包括確定它們的細胞內外的定位、修飾、相互作用、活性及其功能。451.4蛋白質組學1）蛋白質組學與單一蛋白質的研究比較？2）蛋白質組學與基因組學的比較？基因組學概念相比，由于基因組是基本穩定的，一個生物體僅有一個確定的基因組，組成該生物體的所有不同細胞都含有相同的基因組。但基因組內各個基因表達條件和表達的程度則隨時間、地點和環境條件而不同，所有蛋白質組作為一個整體在一個生物體的不同組織，在不同的發育條件下是不同的。461.4蛋白質組學技術：雙向凝膠電泳生物質譜471.