7.2 组学的研究意义在线视频

大家好

我是来自中南大学

生命科学学院的何海伦

今天这节课给大家介绍的是

组学在我们医学研究中的重要的意义

这些年来各种各样组学蓬勃发展

有不同的组学

出现在我们的科学研究当中

比如在DNA层面上

有对应的基因组学

在RNA层面上有对应的转录物组学

然后在蛋白质层面上有蛋白质组学

然后还有它的最终的代谢产物

还对应着代谢物组学

那这节课我们就从不同组学

给大家进行一个详细的介绍

首先来给大家介绍一下

什么是基因组学

所谓基因组学

是阐明整个基因组的结构

结构与功能的关系

以及基因之间相互作用的一门学科

它主要分为三种

一种是结构基因组学

再一个是功能基因组学

还有一个就是比较基因组学

我们用基因组学可以研究哪些内容呢

比如可以对不同物种

全基因组谱进行绘制

还有我们可以通过

基因组学系统的探讨

各种基因的一些活动规律

再有通过疾病基因组学研究

我们可以阐明

不同疾病的一个发病机理

这篇文章就是利用基因组学的研究

找出了这种遗传性疾病

它的发病的一个突变位点

他的研究是通过全外显子测序技术

发现常染色体显性遗传病

多囊肾 多囊肝的一个特殊的基因上

发现了一个新的突变位点

它就是通过这种病例的收集 测序

全外显子测序

然后发现这种突变位点

就是突变进行筛选

然后对它的功能进行验证

因为我们不能只找到

这种突变位点就结束了

只能是推测可能是与疾病相关

至于它是否具体与疾病相关

我们就需要进行下一步的功能验证

这些功能验证我们可以通过

基因敲除的方法

没有这个基因以后

是不是引起相应的疾病

或者是通过这种免疫共沉淀

或者定点突变的方法

来验证相应的功能

通过上述的结合就能验证

是否这个突变与这个疾病密切相关

当然基因组学的研究也有不足

因为基因虽然存储着生命的种族

血型和凋亡等过程的全部信息

但是基因需要表达为特定的

RNA或者蛋白质以后

才能行使基因真正的功能

所以我们只进行基因层的研究

并不能知道到底是

这个基因将来转入的RNA

或者蛋白质是否在身体

真正发挥了该项作用

所以又引申了其他的一些组学

接下来介绍第二个组学

就是转录物组学

所谓转录物组学

是在整体水平上研究

细胞编码基因转录情况

及转录调控规律的一个科学

转录物组学就是要阐明生物体

或细胞在特定生理和病理条件下

表达的所有种类mRNA

以及这些mRNA的功能

目前我们的转录物组学

主要研究的侧重点

涉及到这种转录的区域是哪些

还有转录因子

它有什么样的结合位点

染色质后来被修饰的位点

DNA甲基化的位点

这都是转录物组学

所涉及的研究内容

常用的转录物组学研究的技术

包括微阵列cDNA分析

还有基因表达系列分析

以及大规模平行信号的一些测序等等

以右边这张图为例

我们可以比较正常细胞的mRNA

和肿瘤细胞的mRNA

用不同的荧光标记

然后在芯片上进行杂交

不同的细胞之间它会有这种

转录水平上的表达差异的不同

所以根据荧光强度的变化来看出

在肿瘤细胞当中是哪些相应的基因的

表达产物出现了这种变化

由于细胞存在异质性

就特别是对于这种肿瘤组织来说

它不同的细胞它的基因组上

或者转录组上是有很大的差异

所以在这基础上就发展出了

这种单细胞转录组学

下面我们先来看一下

什么是细胞的异质性

就是相似的细胞

基因表达具有异质性

这种异质性是由不同的

衍生基因组细胞循环

和微环境等决定的

因为我们常规的

这种转录物组检测方法

得到的是大量细胞基因

表达的一个共同的信息

很难反映出彼此的差异性

所以通过单细胞转录物组学

我们就可以把这个问题所规避掉

不同的人体在细胞当中

它是存在抑制性的

甚至是在一个组织

或者一个肿瘤当中

细胞也是有很大的不同

因此对单细胞转录物组的分析

不仅能够研究基因表达的抑制性

也能够研究表达的这种随机性

所以就是单细胞转录物组学

它所存在的意义和优势所在

除了转录水平上的研究以外

我们当然还更关注转录的mRNA

最终表达为蛋白质以后

他是如何行使功能的

所以这就介绍第三种组学

蛋白质组学

所谓蛋白质组学是以细胞组织和机体

在特定的时间和空间上

表达的所有蛋白质的

一个总和为研究对象

它能够帮助我们分析细胞内

动态变化的蛋白质组成

表达水平与修饰状态

了解蛋白质之间的相互作用关系

就是这么一个研究

就是一个蛋白质组学层面的研究了

能够进行蛋白质组学的研究技术

主要分为下面三个方面

首先我们要对蛋白质进行分离

这些分离技术常见的有

像二维电泳

高压液相色谱

还有二维液相等

分离了蛋白质以后

我们要对这些蛋白质进行鉴定

那这些鉴定包括Edman测序技术

还有质谱技术

鉴定完了以后

我们还要研究蛋白之间

是否存在这种相互作用

像酵母双杂交 免疫共沉淀

还有芯片荧光共振转移

都可以研究蛋白质

它是否存在相互作用

这就是在分离方法中的二维电泳

先跑一个等电聚焦电泳

然后再跑一个SDS电泳

分离出了不同的蛋白点

这是二维液相的一个图谱

也可以用来分离蛋白质

蛋白质组学

它可以研究细胞内

所有蛋白质的组成

及它的活动规律

而且被应用于生命科学

以及医学的各个领域

像在细胞分化

信号转导以及蛋白质折叠中

我们都可以依赖蛋白质组学

来进行深入的研究

还有蛋白质组学在疾病研究中

也有得到了很好的应用

比如发现我们新的疾病标志物

这一点在疾病研究中非常重要

还可以鉴定疾病相关的蛋白质

作为早期临床的一个检测工具

在临床上具有重要的意义

还有蛋白质组学

还可以帮助我们发现新的药物靶点

这都是蛋白质组学

在我们生命科学和医学领域

一个广泛的应用

通过这个例子我们来看一下

蛋白质组学是如何应用于

我们的实际研究当中的

那通过比较蛋白质组

研究药物处理前后

我们肺癌细胞内总蛋白

及组蛋白赖氨酸

乙酰化的一个变化情况

他用的这个药物处理是伏立诺他

这是一种蛋白质脱乙酰酶的抑制剂

如果它加进去以后

会抑制这个酶的乙酰化

组蛋白的乙酰化

通过蛋白质组分析

就是用药物处理的

还有没有药物处理的

当把他乙酰化抑制掉以后

它就可以在非小细胞肺癌的治疗中

有明显的作用

通过这个方式

来研究它作用了哪些蛋白

使他去乙酰化了

然后没有乙酰化

从而阐明非小细胞肺癌的

这个作用机制

最后给大家介绍的组学

是代谢物组学

代谢物组学是测定一个生物或细胞中

所有小分子的这种组成

那这些小分子一般是小于一千道尔顿的

我们可以通过这个组学测定

来描绘这些小分子

在我们细胞中的一个动态变化规律

然后建立系统代谢图谱

并确定这些变化与这个生物

生长过程的密切的联系

那代谢物的数量

会因为你的研究对象的不同

有很大的差别

比如一般植物

它的代谢物数量就非常大

有20万种

而动物就很少了 只有2500种

微生物就更少 只有1500种

代谢物组学的特点是

和前面有明显的不同的 对不对

因为基因组学和蛋白质组学

可能是让我们研究将来会发生些什么

就在你的生物体中

会发生一些什么变化

而代谢物组学要研究的是

告诉我们在细胞中

确实已经发生什么变化

所以通过代谢物组学可以告诉我们

在前面各种组学中

我们所得不到的很多的信息

比如我们可以关注这个细胞当中的

一些内源化合物的变化

还有对生物体系的小分子化合物

进行定性定量的研究

还有某些化合物的上调和下调

与某些疾病 还有毒性

基因的修饰 环境变化都是密切相关的

内源性化合物的知识可以用于

疾病的诊断和药物的筛选上

所以代谢物组学是有很多的优点

可供我们利用的

代谢物组学有

前面我们所讲到的基因组学

转录物组学和蛋白质组学

所不具备的一些优点

比如像基因还有蛋白质的表达

在我们通过组学检测的时候

它可能变化幅度非常小

但是当它转化为代谢物的时候

就会得到放大

那这样呢使我们检测

就会变得非常的容易

还有代谢物组学的研究

不需要建立全基因的测序

及大量序列标签这样的数据库

这就会使成本大大的降低

还有代谢物的研究种类

远小于蛋白质数目

像前面我们看到了

哺乳动物的它的代谢物的种类

只有2500种

这个数目是大大的小于

蛋白质组学的这种研究对象的数目的

还有研究中采用的技术呢

也是我们一些常规比较常见的技术

像我们常用的质谱联用 液质联

还有气质连 气相色谱和质谱联用

还有这种核磁共振技术

都是常见的实验技术和仪器

正是代谢物组学有上述优点

所以代谢物组学

现在已经在很多的研究领域

得到了广泛的重视和应用

比如在微生物领域呢

我们可以依赖代谢物组学

对微生物进行分类

筛选出它的突变体

研究它的功能基因

进一步研究它的生态学上的意义

与环境相互适应等一系列问题

那代谢物组学

在药物开发和疾病诊断上

也有广泛的应用

像他在疾病动物模型的确证

药物的筛选 药效和毒性的评估

都可以用代谢物组学来进行检测

还有代谢物组学在病原体感染

以及肿瘤学研究中

也有着积极的作用

它可以发现肿瘤的相关标志物

然后总结肿瘤细胞代谢特征

从而进行靶向治疗

比如我们可以用代谢物组学

来研究乳腺癌细胞的一个变化特征

我们获得了样品以后呢

进行它的整个的代谢物组学的分析

用的就是气质联和液质联等方法

研究它的乳腺上皮正常细胞

与乳腺癌细胞之间的代谢物的差异

进行比较研究

通过我们分析发现

乳腺癌细胞系中

它的谷胱甘肽

和氧化型谷胱甘肽的比值

是明显降低的

而它的细胞系中

与能量代谢相关的一些辅酶因子

像NAD是明显升高的

所以说明癌细胞系当中

它对能源的需求是明显增加的

通过类似的方法

我们可以有利于发现

这种乳腺癌细胞中的肿瘤标志物

并对它的肿瘤代谢特征进行总结

为乳腺癌细胞靶向治疗

提供了这种理论依据

由于像癌细胞这些癌组织

它具有这种细胞的异质性

所以在原来代谢物组学的基础上

也发展出了这种

单细胞的代谢物组学

单细胞代谢组学以及多种物质

同时可以定性定量进行分析

所以获得了很多更传统方法

难以获得的实验信息

代谢物组学通常是

化学小分子的它的研究

所以很难预测其它分布和动态过程

通过单分子

我们就可以避免这些问题的发生

而且单细胞代谢物组学

它的发展是依赖于我们这种

单细胞检出技术以及单细胞

检测技术的不断发展

会得到将来更好的应用的

好了

这节课

就给大家介绍了在不同组学层面上

我们可以进行开展的实验研究

然后大家可以根据自己的实验内容

来设计自己所需要的组学应用

谢谢大家