第07.08.09.10章-药物组学

第七、八、九、十章药物基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学基因组学时代已经到来1990年人类基因组计划的启动，至2001年公布人类基因组图谱及初步分析结果，基因组学时代已经到来。这无疑是人类生命科学历史上的一个重大里程碑。人类基因组计划的顺利实施，真正成为生命科学领域第一项巨大的科学工程，催生孕育了基因组学的诞生。基因组学成为多学科相互渗透的“大科学”生物学科、医学、药学、计算机科学、化学、数学、物理学、电子工程学、考古学和地学等基因组学无疑已成为当前和今后相当长的时期内较活跃和影响较大的生物科学前沿学科之一。主要内容第七章药物基因组学第八章药物转录组学第九章药物蛋白质组学第十章药物代谢组学1.药物基因组学的诞生和发展（1）诞生早在20世纪50年代，人们就发现不同的遗传背景会导致药物反应的个体差异（不同个体对同一药物同一剂量的反应存在量与质的差别）。70年代末，杰弗里提出基因组中每100个碱基中就会有1个出现变异。80年代后期，这些差异被引进药物遗传学，并首次阐明了细胞色素P450酶系中的CYP2D6的基因多态性可以导致病人对药物的代谢出呈现快代谢和慢代谢两种不同的方式。第七章药物基因组学一.药物基因组学的介绍到20世纪末，由于分子生物学的发展、分子遗传学的发展和人类基因组计划的顺利实施，人类基因的多态性不断被发现和证实，人们认识到人体的许多基因都参与药物在体内的过程，药物在体内的反应和代谢也涉及到多个基因的相互作用。基因多态性导致了药物反应的多样性，并在药物遗传学基础上发展起来了药物基因组学，人类开始从基因组水平研究药物反应的个体差异。从而形成了一门以基因多态性为基础研究药物效应的个体间差异及其规律的新兴交叉学科，即药物基因组学。一.药物基因组学的介绍药物基因组学（pharmacogenomics）是研究遗传变异与药物反应相互关系的一门学科，是以提高药物的疗效和安全性为目标。是利用人类基因组学研究不同人群（个体）基因组的遗传学差异对药物反应的影响，以促进新药开发和临床个体化用药的学科。药物基因组学是在药物遗传学（遗传药理学）的基础上发展起来的。一句话：研究个体遗传变异对药物应答的影响。药物基因组学不是以发现新基因、探明疾病的发生机制和预见发病风险为目的，而是利用已知的基因组学理论，研究遗传因素对药物反应的影响，或以药物效应和安全性为主要目标，研究药物动力学和药效学差异的基因特征，以及基因变异所致的不同个体对药物的不同反应。从基因水平研究基因序列的多态性与药物效应多样性之间的关系。基因组DNA序列多态性生命的遗传信息存储于DNA序列之中，基因组DNA序列的变异是物种遗传多样性的基础。DNA的多态性：在长期的进化和适应环境的过程中在正常群体中，由于各个体DNA分子的某些位点发生突变，产生基因序列差异的现象被称为基因（或DNA）多态性。人类基因组中约0.1%差异序列。包含了重要的个体遗传差异信息，造成了人们患病的不同和对药物的不同反应。分子标记的概念DNA序列差异形成的分子标记可以反映群体中存在的差异个体。广义的分子标记(molecularmarker)是指可遗传的并可检测的DNA序列和蛋白质。狭义的分子标记概念只是指DNA标记，而这个界定现在被广泛采纳：能反映生物个体或种群间基因组中某种差异特征的DNA片段，它直接反映基因组DNA间的差异。分子遗传标记的特点无表型效应不受环境的限制和影响普遍存在于所有生物数量丰富等特殊优势分子标记的种类DNA分子标记在过去20年得到了迅速发展,主要可分成三个世代，大致可分为三大类。第一类是以分子杂交为核心的分子标记技术，如：★限制性片段长度多态性标记（Restrictionfragmentlengthpolymorphism,简称RFLP标记）；其原理为:碱基的改变与染色体结构的变化导致生物个体或种群之间DNA片段酶切位点的变化,用限制性内切酶切割改变的DNA,将产生长短、种类、数目不同的限制性片段,这些片段经聚丙烯酰胺凝胶电泳分离后就会呈现出不同的带状分布,而具有差异的DNA片段就可通过Southern杂交检测出来。第二类是以聚合酶链式反应（PCR反应）为核心的分子标记技术，包括：★随机扩增多态性DNA标记（简称RAPD标记）；★简单序列重复标记（SSR标记）或简单序列长度多态性（SSLP标记）；★扩展片段长度多态性标记（AFLP标记）；★序列标位（Sequencetaggedsites,简称STS标记）；第三类是以基因组序列为基础的一些新型的分子标记，如：★单核苷酸多态性（Singlenuleotidepolymorphism,简称SNP标记）；★表达序列标签（Expressedsequencestags,简称EST标记）等。定义：主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。其比较的不是DNA的片段长度，而是相同序列长度里的单个碱基的差别。1996年，Lander报道了用单核苷酸多态性标记（singlenucleotidpolymorphismSNP）制备第三代遗传连锁图的遗传标记。单核苷酸多态性（singlenucleotidpolymorphism，SNP）单核苷酸多态性（SNPs）的发生频率最高，人类DNA中每300个碱基对就有一个SNP，因此，一个人类个体大约携带1000万个SNPs。SNP特点1.最常见的一种2.数量多、分布广3.具有遗传稳定性4.具有二态性5.可以建立单体型区域6.疾病遗传机制的候选改变位点SNP的分布在基因组DNA中,任何碱基均有可能发生变异,因此SNP既有可能在基因序列内,也有可能在基因以外的非编码序列上。①位于基因编码区的SNP（cSNP），cSNP又可分为两种:一种是同义cSNP,即SNP所致编码序列的改变并不影响其翻译蛋白质的氨基酸序列,突变碱基与未突变碱基的含义相同;另一种是非同义cSNP,指碱基序列的改变可使以其为蓝本翻译的蛋白质序列发生改变,从而影响蛋白质的功能。②5‘非编码区；3’非编码区；其他非编码区（内含子外显子链接区）。检测方法比较新兴的方法包括：Taqman探针技术、磷酸测序(pyrosequencing)、DNA芯片(DNAchip)分析、变性高效液相色谱(denaturinghighperformanceliquidchromatography,DHPLC)、能量转移标记的等位特异PCR、基质辅助激光解吸附电离飞行时间质谱(matrixassistedlaserdesorptionionizationtimeofflightmassspectrometry,MALDI-TOF)等.国际人类基因组单体型图计划：HapMap计划单体型：是指位于一条染色体上某一区域的倾向于整体遗传的一组紧密连锁的遗传标记物，称作单体型（haplotype）。对SNP而言，专指位于单条染色体上某一区域的一组相关联的相邻SNPs的等位位点，倾向于以一个整体遗传给后代。标签SNP(htSNP）：一个染色体区域可以有很多SNP位点，但在每一个单体型中总有几个SNP位点对于检测这一单体型是必需的，称为标签SNP.确定单体型只需检测标签SNP即可。“国际人类基因组‘单体型图’计划”（ＨａｐＭａｐ）是继“国际人类基因组计划”之后，人类基因组研究领域的又一重大研究计划。科学家们将在已完成的人类全基因组序列图的基础上，确定人类经世代遗传仍保持完整的单体型图；以及在不同族群中这些单体型的类型与分布。并将这些不同的单体型标上标签。国际人类基因组单体型图计划：HapMap计划HapMap计划将鉴定来自世界不同地区的四个群体的常见单体型，以及特异识别这些单体型的标签SNPs。2002年10月，中国、美国、英国、日本、加拿大五国代表在美国华盛顿正式启动了这项计划。中国完成10％，美国完成31％，日本占25％，英国占24％，加拿大占10％。中国负责3号、21号和8号染色体单体型图的绘制。通过单体型图计划将鉴定出20～100万个标签SNP位点。2.药物基因组学的研究方法目的：通过基因分型的方式指导个体化治疗。核心内容：筛选和鉴定与疾病或药物应答表型相关的遗传标记物。常用方法：关联分析方法。基于候选基因的关联分析和基于全基因组的关联分析3.药物基因组学的发展目前，药物基因组学的发展就是将近几年在研究人类基因组与功能基因组中发展的新技术（如高通量扫描、生物芯片、高密度单核苷酸多态性(SNP)、遗传图谱、生物信息学等）新知识，融入到分子医学、药理学、毒理学等诸多领域，并运用这些技术与知识从整个基因组层面系统地去研究不同个体的基因差异与药物疗效的关系，了解具有重要功能意义的和影响药物吸收、转运、代谢、排泄的多态性基因，从而明确药理学作用的分子机制以及各种疾病致病的遗传学机理，最终达到指导临床合理用药、引导市场开发好药的目的。第八章药物转录组学第一节转录组学概述第二节转录组学在药学中的应用第二节转录组学概述一、转录组广义：指在某一生理条件下，一种细胞、组织、器官或生物体所能转录出来的所有RNA的总和。包括mRNA和非编码RNA。狭义：指活细胞所能转录出来的所有mRNA，即从基因组DNA中转录的基因总和，也称为表达谱。转录组是连接基因组遗传信息和生物功能的蛋白质组的必然纽带,也是基因功能及结构研究的基础和出发点。是基因表达第一步的产物，是细胞最重要的组分。转录水平的调控是目前研究最多的，也是生物体最重要的调控方式之一。转录组与基因组的关系转录组是基因组表达的产物。不同的是转录组只能是特定时间和空间条件下表达的基因。转录组来自于基因组，量小的多但重要。人基因组有30亿bp，只有不到3万个能基因转录，转录后的mRNA能翻译成蛋白质的只占整个转录组的40%。转录组是高度动态的，转录组数据通常表现出高度的可变性。二、转录组学一、概念：是基因组学后新兴的一门学科，是一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。简言之，是从RNA尤其是mRNA水平上研究基因表达情况的学科。研究的主要内容是针对不同条件下基因表达方式的表征。转录组学是基因组学的重要分支，也是连接基因结构和功能的一个桥梁和纽带，更是基因调控研究的主要基础和层面。研究方法基于杂交技术：1.基因芯片技术基于测序的技术：2.基因表达系列分析（SAGE）3.大规模平行信号测序（MPSS）4.RNA测序技术是一种以测序为基础,采用数字化分析手段，在转录物水平上分析特定组织或细胞中基因群体表达状态的（基因组表达模式）的技术。通过快速和详细分析成千上万个EST来寻找出表达丰度不同的SAGE标签序列，从而比较完整的获得基因组的表达信息。已成为基因表达定量和定性研究的一种有效工具。2.基因表达系列分析技术（serialanalysisofgeneexpression，SAGE）。1999年发明基因表达系列分析技术SAGE技术理论上可以检测到一个细胞内所有转录体的表达，而且可以给每一个转录体定量。SAGE技术的理论基础①一个来自转录产物3′端特定位置的一个短的寡核苷酸序列(10～14bp)含有足够信息，能够鉴定一个特异转录本，可以作为区别转录本的标签(tag);例如：一个10碱基的序列能有410=1048576种不同的排列组合，因此在理论上每一个10碱基标签就能够代表一种转录本的特征序列。②将短的标签通过简单的方法串联在一起,形成大量多联体,对每个克隆到载体的多联体进行测序,得到代表转录本信息的标签序列。并将得到的短序列核苷酸顺序以连续的数据形式输入计算机中进行处理。③将标签串联体的测序信息与已知的标签数据库进行比较分析,可确定在特殊条件或生理状态下生物体基因的真实表达模式,并可根据标签出现的频率确定基因的表达丰度。那么，如何获得标签呢？(1)提取植物mRNA,以生物素标记的oligo(dT)为引物将mRNA反转录成双链cDNA;