转录组学与蛋白质组学的研究

转录组学与蛋白质组学的研究制作人：张婷婷、李志龙YourcompanysloganLOGO目录一转录组学与蛋白质组学的概念二转录组学与蛋白质组学的联系三转录组学与蛋白质组学的研究一转录组学与蛋白质组学的概念YourcompanysloganLOGO一基因组学的概述基因组转录组活性蛋白编码基因的RNA拷贝蛋白质组细胞的蛋白质库细胞的生物化学YourcompanysloganLOGO（一）转录组与转录组学转录组（transcriptome）：那些在特定时间所需生物信息，编码蛋白质的基因衍生而来的RNA分子的集合（转录组是由mRNA构成的）。转录组学（transcriptomics）：以转录组分析为研究内容的研究领域称为转录组学，即研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的类型与拷贝数。YourcompanysloganLOGO转录组与转录组学所有生物仅真核生物总RNA编码RNA占总量的4%功能性RNA占总量的96%前体核糖体RNA前体转运RNA核小RNA核仁小RNA微小RNA短干扰RNA前体信使RNA（hnRNA）信使RNA核糖体RNA转运RNA图注：细胞的RNA组成YourcompanysloganLOGO（一）转录组与转录组学转录组的两个性质：2转录组并不从头合成，一个细胞通过分裂诞生时就已经接收了其上一代的部分转录组，并维持一生。1转录组并不固定，而且可以通过改变个别mRNA的合成速率而重建。YourcompanysloganLOGO（二）蛋白质组与蛋白质组学蛋白质组(Proteome)：细胞内那些决定细胞所能进行生化反应性质的所有蛋白质组成成分。（这些蛋白质是通过翻译那些组成转录组的mRNA分子而合成的。）蛋白质组学(proteomics)：是在蛋白质水平上定量、动态、整体性地研究生物体。YourcompanysloganLOGO中心发则中心法则二、转录组学与蛋白质组学的联系YourcompanysloganLOGO转录组与蛋白质组的关系转录组和蛋白质组之间联系的重要成分---遗传密码（geneticcode）遗传密码又称密码子、遗传密码子、三联体密码。指信使RNA(mRNA)分子上从5'端到3'端方向，由起始密码子AUG开始，每三个核苷酸组成的三联体。它决定肽链上每一个氨基酸和各氨基酸的合成顺序，以及蛋白质合成的起始、延申和终止。几乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是非细胞结构的病毒，它们也是使用标准遗传密码。YourcompanysloganLOGO转录组与蛋白质组的关系YourcompanysloganLOGO转录组与蛋白质组的关系非标准遗传密码：虽然遗传密码在不同生命之间有很强的一致性，但亦存在非标准的遗传密码。在有“细胞能量工厂”之称的线粒体中，便有和标准遗传密码数个相异的之处，甚至不同生物的线粒体有不同的遗传密码。支原体会把UGA转译为色氨酸。纤毛虫则把UAG(有时候还有UAA)转译为谷氨酰胺(一些绿藻也有同样现象)，或把UGA转译为半胱氨酸。一些酵母会把GUG转译为丝氨酸。在一些罕见情况，一些蛋白质会有AUG以外的起始密码子。真菌、原生生物和人以及其它动物的粒线体中的遗传密码与标准遗传密码的差异，主要变化如图：YourcompanysloganLOGO转录组与蛋白质组的关系密码子通常的作用例外的作用所属的生物UGA中止编码色氨酸编码人、牛、酵母线粒体，支原体(Mycoplasma)基因组，如CapricolumUGA中止编码半胱氨酸编码一些纤毛虫(ciliate)细胞核基因组，如游纤虫属(Euplotes)AGR精氨酸编码中止编码大部分动物线粒体，脊椎动物线粒体AGA精氨酸编码丝氨酸编码果蝇线粒体AUA异亮氨酸编码蛋氨酸编码一些动物和酵母线粒体UAA中止编码谷氨酰胺编码草履虫、一些纤毛虫(ciliate)细胞核基因组，如嗜热四膜虫(ThermophAilustetrahymena)UAG中止编码谷氨酸编码草履虫核细胞核基因组GUG缬氨酸编码丝氨酸编码假丝酵母核基因组AAA赖氨酸编码天冬氨酸编码一些动物的线粒体，果蝇线粒体CUG亮氨酸编码中止编码圆柱念珠菌(Candidacylindracea)细胞核基因组CUN亮氨酸编码苏氨酸编码酵母线粒体标准遗传密码的偏离示例YourcompanysloganLOGO二转录组学与蛋白质组学的联系这种现象最初是1979年由英国剑桥大学FrederickSanger小组发现的。YourcompanysloganLOGO二转录组学与蛋白质组学的联系弗雷德里克·桑格（FrederickSanger1918年8月13日）是一位英国生物化学家，曾经在1958年及1980年两度获得诺贝尔化学奖，是第四位两度获得诺贝尔奖，以及唯一获得两次化学奖的人。桑格于1918年8月13日出生于英国格洛斯特郡，父亲是一位医生。从布莱恩斯滕高中（BryanstonSchool）毕业后，桑格进入了剑桥大学圣约翰学院，并于1939年完成自然科学文学士学位。三转录组学与蛋白质组学的研究YourcompanysloganLOGO(一)转录组与转录组学一些研究方法能够判断DNA片段中有无基因的存在，但却不能给出那些基因在DNA序列上的定位信息。获得定位信息最容易的方法是对相关cDNA进行测序，而cDNA是mRNA的复制本，与该基因的编码区相对应，并且在编码区的两端还多出同时被转录的前段序列和尾端序列。因此，将cDNA序列与基因组DNA序列相比较，就可以描述相应基因的位置。1研究目的YourcompanysloganLOGO(一)转录组与转录组学目前用于转录组数据获得和分析的方法主要有基于杂交技术的芯片技术包括cDNA芯片和寡聚核苷酸芯片，基于序列分析的基因表达系列分析SAGE（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）和大规模平行信号测序系统MPSS(massivelyparallelsignaturesequencing,MPSS)。2研究方法YourcompanysloganLOGO基于序列分析的基因表达系列分析（SAGE）基础：SAGE产生长度12bp的短序列，每一条都代表转录组中存在的一种mRNA。依据：任一12bp的序列应该在基因组中每隔4的12次方bp出现一次，真核mRNA的平均长度大约是1500bp，所以，4的12次方相当于11000个转录物的总长度。所以，12bp的序列标签能够用来确认编码存在于转物中的mRNA的所有基因。YourcompanysloganLOGO(一)转录组与转录组学2研究方法YourcompanysloganLOGO基因表达系列分析SAGE（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）cDNA的形成YourcompanysloganLOGO（一）转录组与转录组学3应用通过这种基于基因表达谱的分子标签，不仅可以辨别细胞的表型归属，还可以用于疾病的诊断。尤其对于研究癌症产生重大的影响。YourcompanysloganLOGO（一）转录组与转录组学一项基于转录组测序的研究发现了前列腺癌中新的基因融合。这项研究是由密歇根大学的研究团队完成的，他们通过对病人细胞系和肿瘤样本的转录组进行测序，发现了前列腺癌中新的基因融合。文章发表在2009年1月11日的《Nature》网络版上。YourcompanysloganLOGO（一）转录组与转录组学加拿大的科学家们用下一代测序方法研究来自一个雌激素-受体-阿尔法-阳性的转移性小叶乳腺癌患者的基因组和转录组。在癌症基因组和转录组的研究方面取得新的进展，相关文章发表在2009年10月的一期Nature封面文章上。YourcompanysloganLOGO（一）转录组与转录组学同样对那些临床表现不明显或者缺乏诊断金标准的疾病也具有诊断意义，如自闭症。目前对自闭症的诊断要靠长达十多个小时的临床评估才能做出判断。基础研究证实自闭症不是由单一基因引起，而很可能是由一组不稳定的基因造成的一种多基因病变，通过比对正常人群和患者的转录组差异，筛选出与疾病相关的具有诊断意义的特异性表达差异，一旦这种特异的差异表达谱被建立，就可以用于自闭症的诊断，以便能更早地，甚至可以在出现自闭症临床表现之前就对疾病进行诊断，并及早开始干预治疗。YourcompanysloganLOGO（一）转录组与转录组学转录组的研究应用于临床的的另一个例子是可以将表面上看似相同的病症分为多个亚型，尤其是对原发性恶性肿瘤，通过转录组差异表达谱的建立，可以详细描绘出患者的生存期以及对药物的反应等等。YourcompanysloganLOGO（二）蛋白质组与蛋白质组学1研究目的：蛋白质组扮演着联系基因组与细胞生物化学功能间的核心角色。因而描述不同细胞蛋白质组就成为理解基因组是如何执行功能以及功能失常的基因组是如何导致疾病的关键。检测转录组能够获得在某个细胞中哪些基因是活化状态的确切提示，但是对于提示细胞中存在哪些蛋白质尚不够准确。只是因为影响蛋白质组成的因素不仅包括mRNA，还包括被翻译成蛋白质的速率以及蛋白质降解的速率。YourcompanysloganLOGO（二）蛋白质组与蛋白质组学2研究内容：①针对有关基因组或转录组数据库的生物体或组织细胞，建立其蛋白质组或亚蛋白质组及其蛋白质组连锁群，即组成性蛋白质组学。②以重要生命过程或人类重大疾病为对象，进行重要生理病理体系或过程的局部蛋白质组或比较蛋白质组学。③通过多种先进技术研究蛋白质之间的相互作用，绘制某个体系的蛋白，即相互作用蛋白质组学，又称为“细胞图谱”蛋白质组学。此外，随着蛋白质组学研究的深入，又出现了一些新的研究方向，如亚细胞蛋白质组学、定量蛋白质组学等。蛋白质组学是系统生物学的重要研究方法.YourcompanysloganLOGO（二）蛋白质组与蛋白质组学3研究方法：蛋白质鉴定方法蛋白质组研究蛋白质分离方法双向凝胶电泳液相色谱基质辅助激光解析电离飞行时间质谱电喷雾串联质谱YourcompanysloganLOGO双向凝胶电泳(2-DＥ)---分离蛋白质组中的蛋白质（5）图像采集和分析（4）凝胶中蛋白的检测(3）第二向分离：SDS．聚丙稀酰胺凝胶电泳(2)第一向分离：等电聚焦（1）样品制备YourcompanysloganLOGO双向凝胶电泳(2-DＥ)---分离蛋白质组中的蛋白质（1）样品制备双向电泳成功的关键在于建立一套有效的、可重复的样品制备方法。样品制备的影响因素包括蛋白质的溶解性、分子量、电荷数及等电点等。对于不同的样品性质及研究目的。其方法也不尽相同。不同的样品性质。用于样品处理的缓冲液必须在低离子强度的基础上．既能保持蛋白质的天然电荷。又能维持其溶解性。因此．绝大多数样品往往都需要通过多次实验才能摸索到最适宜的条件。返回YourcompanysloganLOGO双向凝胶电泳(2-DＥ)---分离蛋白质组中的蛋白质（2）第一向分离：等电聚焦蛋白质是两性分子，在不同的pH环境中可以带正电荷、负电荷或不带电荷。对每个蛋白质来说都有一个特定的pH，此时蛋白质的静电荷为零，此pH值即该蛋白质的等电点(pI)。将蛋白质样品加载至pH梯度介质上进行电泳时，它会向与其所带电荷相反的电极方向移动在移动过程中，蛋白分子可能获得或失去质子，并且随着移动的进行，该蛋白所带的电荷数和迁移速度下降。当蛋白质迁移至其等电点pH位置时，其净电荷数为零，在电场中不再移动。聚焦是一个与pH相关的平衡过程：蛋白质以不同的速率靠近并最终停留在它们各自的pI值；在等电聚焦过程中，蛋白质可以从各个方向移动到它的恒定位点。YourcompanysloganLOGO双向凝胶电泳(2-DＥ)---分离蛋白质组中的蛋白质返回YourcompanysloganLOGO双向凝胶电泳(2-DＥ)---分离蛋白质组中的蛋白质（3）第二向分离：SDS．聚丙稀酰胺凝胶电泳双向电泳的第二向是将IPG胶条中经过第一向分离的蛋白转移到第二向SDS．PAGE凝胶上，根据蛋白相对分子质量或分子量(M