淺析功能基因組學與蛋白質組學的概念及應用

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1、【摘要】基因組相對較穩(wěn)定，而且各種細胞或生物體的基因組結構有許多基本相似的特征；蛋白質組是動態(tài)的，隨內外界刺激而變化。對蛋白質組的研究可以使我們更容易接近對生命過程的認識。蛋白質組學是在細胞的整體蛋白質水平上進行研究、從蛋白質整體活動的角度來認識生命活動規(guī)律的一門新學科，簡要介紹功能基因組學和蛋白質組學的科學背景、概念及其應用。【關鍵詞】基因組；功能基因組學；蛋白質組學；一、基因組及基因組學的概念基因組(genome)一詞系由德國漢堡大學H．威克勒教授于1920年首創(chuàng)，用以表示真核生物從其親代所繼承

2、的單套染色體，或稱染色體組。更準確地說，基因組是指生物的整套染色體所含有的全部DNA序列。由于在真核細胞的線粒體和植物的葉綠體中也發(fā)現(xiàn)存在遺傳物質，因此又將線粒體或葉綠體所攜帶的遺傳物質稱為線粒體基因組或葉綠體基因組。原核生物基因組則包括細胞內的染色體和質粒DNA。此外非獨立生命形態(tài)的病毒顆粒也攜帶遺傳物質，稱為病毒基因組。所有生命都具有指令其生長與發(fā)育，維持其結構與功能所必需的遺傳信息，本書中將生物所具有的攜帶遺傳信息的遺傳物質總和稱為基因組。[1]基因組學(genomic)一詞系由T．羅德里克(

3、T．Roderick)于1986年首創(chuàng)，用于概括涉及基因組作圖、測序和整個基因組功能分析的遺傳學學科分支，并已用來命名一個學術刊物Genomics。基因組學是伴隨人類基因組計劃的實施而形成的一個全新的生命科學領域。[1]基因組學與傳統(tǒng)遺傳學其他學科的差別在于，基因組學是在全基因組范圍研究基因的結構、組成、功能及其進化，因而涉及大范圍高通量收集和分析有關基因組DNA的序列組成，染色體分子水平的結構特征，全基因組的基因數(shù)目、功能和分類，基因組水平的基因表達與調控以及不同物種之間基因組的進化關系?；蚪M學

4、的研究方法、技術和路線有許多不同于傳統(tǒng)遺傳學的特點，各相關領域的研究仍處于迅速發(fā)展和不斷完善的過程中?！　』蚪M學的主要工具和方法包括：生物信息學，遺傳分析，基因表達測量和基因功能鑒定?！　《⒐δ芑蚪M學的概念及應用2001年，人類基因組計劃公布了人類基因組草圖，為基因組學研究揭開新的一頁?；蚪M學是研究生物基因組的組成,組內各基因的精確結構、相互關系及表達調控的科學。基因組學、轉錄組學、蛋白質組學與代謝組學等一同構成系統(tǒng)生物學的組學（omics）生物技術基礎?；蚪M研究應該包括兩方面的內容：以全

5、基因組測序為目標的結構基因組學（structuralgenomics）和以基因功能鑒定為目標的功能基因組學（functionalgenomics)，又被稱為后基因組（postgenome）研究，成為系統(tǒng)生物學的重要方法。（一）功能基因組學的概念功能基因組學是指在全基因組序列測定的基礎上，從整體水平研究基因及其產(chǎn)物在不同時間、空間、條件的結構與功能關系及活動規(guī)律。新藥開發(fā)的關鍵是藥物發(fā)現(xiàn)。目前多數(shù)以藥物作用靶點為基礎的藥物發(fā)現(xiàn)流程是：基因組-作用新靶點-篩選-先導物-藥物。[2]結構基因組學是繼人類基

6、因組之后又一個國際性大科學熱點，主要目的是試圖在生物體的整體水平上（如全基因組、全細胞或完整的生物體）測定出（以實驗為主、包括理論預測）全部蛋白質分子、蛋白質－蛋白質、蛋白質－核酸、蛋白質－多糖、蛋白質－蛋白質－核酸－多糖、蛋白質與其他生物分子復合體的精細三維結構，以獲得一幅完整的、能夠在細胞中定位以及在各種生物學代謝途徑、生理途徑、信號傳導途徑中全部蛋白質在原子水平的三維結構全息圖。在此基礎上，使人們有可能在基因組學、蛋白質組學、分子細胞生物學以致生物體整體水平上理解生命的原理。對疾病機理的闡明、

7、對疾病的防治有重要應用意義。（二）功能基因組學的應用基因組DNA測序是人類對自身基因組認識的第一步。隨著測序的完成，功能基因組學研究成為研究的主流，它從基因組信息與外界環(huán)境相互作用的高度，闡明基因組的功能。功能基因組學的研究內容：人類基因組DNA序列變異性研究、基因組表達調控的研究、模式生物體的研究和生物信息學的研究等。(1)基因組表達及調控的研究。在全細胞的水平，識別所有基因組表達產(chǎn)物mRNA和蛋白質，以及兩者的相互作用，闡明基因組表達在發(fā)育過程和不同環(huán)境壓力下的時、空的整體調控網(wǎng)絡。(2)人類基

8、因信息的識別和鑒定。要提取基因組功能信息，識別和鑒定基因序列是必不可少的基礎工作。基因識別需采用生物信息學、計算生物學技術和生物學實驗手段，并將理論方法和實驗結合起來?；诶碚摰姆椒ㄖ饕獜囊呀?jīng)掌握的大量核酸序列數(shù)據(jù)入手，發(fā)展序列比較、基因組比較及基因預測理論方法。識別基因的生物學手段主要基于以下的原理和思路：根據(jù)可表達序列標簽(STS)；對染色體特異性Cosmid進行直接的cDNA選擇；根據(jù)CpG島；差異顯示及相關原理；外顯子捕獲及相關原理；基因芯片技術；基因組掃描；