从结构基因组学到功能基因组学

学、天文 学、计算机科学，将不断造就新技术和新领域，紧 紧依赖和不断促进新技术科学的革命 , 早期的生物学发展，由经典的生物学向分子 生物学的演进，倾向于对生物体空间上的机械的 分离和生命过程时间上的静止的模拟；而以基因 组学为契机，分子水平的生命科学研究 “分久必 合”，通过对基因组学在分子机制、组织定性定量 达、细胞生理过程、环境作用、物种进化成果的 整合、关联、模拟等，由整体上动态的把握和探索 生命过程 , 生物研究关注的对象已不再停留于提 取与分离，单个分子结构的解析，或是一条代谢途 径或一个信号的转导通路，而是提升到了细胞活 动的网络和生物分子之间复杂的相互作用关系 , 由此，生物学发展必将完成否定之否定的哲学规 律，回归细胞的新阶段 , 基因组学研究包括两个方面的内容：即以全 基因组测序为最终目的结构基因组学 （-./0*.0/12 345’()*+ ）和以基因功能鉴定为目标的功能基因 组学（605*.)’512 345’()*+ ）, 下面以基因组学的 发展为线索介绍基因组学各个方面 , ! 结构基因组学 结构基因组学研究内容主要包括以下几个 层面： 遗传图谱：利用各种 789 多态性，如 :6;<、 :9<7、96;<、--:、-8< 等分子标记手段，通过计 算遗传标志之间的重组频率，建立遗传连锁图谱, 物理图谱：通过构建全基因组 =9>、?9>、粘 粒文库等，采用如 -@-、A-@等标记手段，根据文 库克隆之间重叠序列，确定片断间的连接顺序和 遗传标志间的物理距离 , 序列图谱：根据物理图谱将基因组分为若干 具有标识的区域，进行测序分析，在同一区域内需 要利用 789片断重叠群使测序工作得以不断延 伸或采取全基因组鸟枪法等策略，直至完成全基 因组测序 , 基因图谱：通过基因表达产物 (:89反追到 染色体中，确定基因在基因组中的位置 , 运用正 常基因图谱，就可以构建特定条件下与异常情况 下 *789差异图的，作为指导研究和利用生物体 以及基因医学等的蓝图 , " 转录组学 转录组学或称转录本图谱或基因表达图谱， 即比较不同组织和不同发育阶段、正常状态与疾 病状态，以及体外培养的细胞中等基因表达模式 的差异 , 通过如 :@&<>:、A-@、-9BA、789芯片 等分析方法，描绘特定细胞或组织在特定状态下 的基因表达的种类和丰度的信息，编制成基因表 达的数据 , # 比较基因组学 比较基因组学（>’(C1/1.)D4 345’()*+）是基于 结构基因组学，对基因和基因组进行比较，以了解 基因的表达、功能和进化 EFG,利用分子标记对基因进 行作图，通过比较作图、模式生物基因组序列分析、 微观共线性分析等，研究物种之间的进化关系、克 隆重要性状基因、进行遗传研究和性状改良, $ 表基因组学 或称基因调控图谱、表遗传学图谱，指描述全 基因组基因的表达活性，在基因组水平研究与基 因表达调控相关的修饰作用的专门领域 , 着重研 究基因组染色质状态，789甲基化状态、组蛋白 的乙酰化作用，甲基化作用或磷酸化作用以及其 他特殊化学修饰等 , % 蛋白组学 蛋白质组概念 HIIJ 年由澳大利亚科学家 K)2L)5+ 和 K)22)1(+首先提出，现指全部基因表达 的全部蛋白质及其存在方式，是一个基因组、即一个 细胞、一个组织或个体所表达的全部蛋白质组分E#G, 蛋白组学旨在阐明生物体全部蛋白质的表达 及功能模式，在蛋白质水平定量、动态、整体性的 研究生物体 , 蛋白组学现已逐渐成为生命科学研 究最炙手可热的方向 , 可概括为以下几个层次： 首先是基因组编码的全部蛋白质各级结构的 阐明，常称为结构蛋白质组学 , 通常根据基因组 序列全部开放型阅读框架（M:6）预测蛋白质一级 结构，通过 N射线衍射技术等研究结晶蛋白质的 !"第 # 期 空间结构，通过质谱方法对蛋白质进行鉴定、测 序，并研究蛋白质的磷酸化和糖基化修饰 $ % & ’ 然后是提供各种活性蛋白质的翻译时间、基 因产物相对浓度、修饰作用、细胞定位等信息，为 现今所谓功能蛋白质组学研究的主要内容 ’ 功能 蛋白质组学以在特定时间、特定环境条件下的蛋 白质为研究对象，是位于对个别蛋白的传统研究 和以全体蛋白质为研究对象的蛋白质组研究的中 间层次 ’ 其主要采用以蛋白质二维电泳串联质谱 为基础的技术路线，结合融合蛋白活体表达等具 体方法 ’ 最后是研究各活性蛋白之间的相互作用，蛋 白与 ()*、+)*之间的相互作用等，揭示蛋白质 表面相互作用特征的能力，构建全细胞的蛋白网 络，以了解细胞内各种事件进行和调节的关键所 在 ’ 主要利用各种检测蛋白质相互作用的手段， 如免疫共沉淀、以酵母为代表的杂交系统、交联反 应、蛋白质芯片结合亲和印记、亲和层析、荧光共 振能量转移、表面胞质团共振等，提供全细胞或生 物体蛋白质相互作用的整体、量化信息 ’ 整合蛋白质组学 ,个层次的研究结果，会将 基因组学研究提高到前所未有的高度，对生物体 遗传、发育、分子机制、细胞生理活动、生命周期、 信息传递与反馈等研究提供详尽的资料，使生命 科学重回整体研究细胞学的新阶段 ’ 蛋白质组比基因组复杂的多，与 ()* 不同， 蛋白质要进行各种方式的转录后修饰；一个基因 可以编码多个不同的蛋白质，导致蛋白组比之基 因组要复杂、庞大许多数量级；而且，蛋白质的水 平经常并不反映 -+)* 的水平. 即使是存在一个 开放读框也不能保证存在一种蛋白质；蛋白质还 会对它所处环境的改变进行应答，如改变在细胞 中的定位、降解成片断、改变稳定性以及所结合 的物质的变化；最后，一种蛋白质可以与不止一 种生化过程有关，不同的蛋白质可以完成相同的 功能 ’ 此外蛋白质组与基因组相比，还有其特 点：首先，基因组具有均一性，即在同一生物体的 所有体细胞中是一样的 ’ 蛋白质组则具有异质 性，在生物体不同发育阶段，细胞内蛋白质的种类 是不一样的；同样，不同组织中其细胞表达的蛋白 质也有很大差异 ’ 其次，基因组稳定、不易发生 改变，而蛋白质组则是动态的、可变的，即使是同 一种细胞在生命的不同时期、在不同条件下，其蛋 白质组也是在不断的变化之中 $ ! & ’ 由此可见，蛋 白质工程的工作量之大，远非基因组测序可比，需 要广泛的国际合作和有远见卓识的科学团体和科 学家组织协调 ’ ! 糖组学 糖是生物体内核酸、蛋白质、脂类之外的另一 大类生物大分子，糖缀合物糖链大多存在于细胞 表面和细胞分泌的蛋白上，可通过糖基化影响蛋 白质功能 ’ 糖链参与几乎所有真核生物的每一生 命过程，其功能是复杂而多样的 ’ 分子内，糖蛋白 糖链影响蛋白质的折叠、溶解度、半衰期、抗原性 及生物活性等；在分子间，通过糖缀合物糖链与蛋 白质的相互作用来介导细胞的专一性识别和调控 生命过程 ’ 糖脂的糖链不仅与蛋白质受体相互识 别，其本身也是信号传导分子 ’ 蛋白聚糖更是参 与细胞 /细胞基质相互作用的主要分子 ’ 糖组学（01234-56 ）是指细胞内所有的糖链， 包括糖复合物的表达、调控和生理功能的科学，通 过研究糖链确定基因所携带的遗传信息与其功能 之间的关系，因此糖组学的产生是基因组学和蛋 白组学研究的必然结果 $ 7 & ’ 糖组学的研究应从基 因组 /蛋白质组 /糖组的整体概念出发，以基因 组学的研究成果为基础，以糖蛋白为研究中心 ’ 其研究的主要内容涉及作为信息分子的糖链及其 复合物、利用糖蛋白构建糖链数据库、病理相关的 异常糖基蛋白以及制造糖结合物等 ’ 糖组学研究刚刚起步，主要依赖于蛋白组学 的成果，用于分析糖类代谢和参加糖基转移的各 种酶类；包含各种糖链结构的糖库的建立也将为 糖链参与的细胞识别提供有力工具 ’ 鉴于糖链结 构，功能和调控的高度复杂性，目前，糖组学要解 决的关键技术问题是糖链结构分析和合成方法的 建立 ’ 要使糖生物学的发展速度得以提升就必须 在化学合成和结构分析的方法学上获得突破，为 生物学功能研究提供强有力的技术平台 $ 8 & ’ " 其他衍生的基因组学科 随着基因组学的深入和发展，基因组研究和 其它学科研究不断交叉，促成了许多新兴学科的 诞生 ’ 如： "# $ 代谢组学 生物体内复杂的代谢途径在蛋白质组的基础 上可以有一个轮廓，通过规模化研究追踪生物体 的代谢途径，整体解释生物体代谢规律’ )93:4164; 赵晋平等：从结构基因组学到功能基因组学 !" 生 命 科 学 研 究 #""! 年 于 $%%%年，提出了代谢组学（&’()*+,+-./0 ）的 概念，代谢组指的是“一个细胞、组织或器官中，所 有代谢组分的集合，尤其指小分子物质”，而代谢 组学则是一门“在新陈代谢的动态进程中，系统研 究代谢产物的变化规律，揭示机体生命活动代谢 本质”的科学 1 2 3 4 代谢组学关注的是各种代谢路径底物和产物 的小分子代谢物（&5 6 $ 78 ），反映细胞或组织 在外界刺激或是遗传修饰下代谢应答的变化，包 括糖、脂质、氨基酸、维生素等 4 其研究技术平台 主要是基于核磁共振 （9&:）并辅助以高效液相 层析（;<=>）和质谱（&?）等，同时需要根据工作 的需要建立主成分分析，簇类分析等相应的数据 分析平台 1 % 3 4 代谢组学因其检测目标数目相对较少，研究 平台易于建立且通用性强，因而相对基因组和蛋 白组学具有自己的独特优势 4 目前代谢组学主要 应用于植物、微生物代谢组学研究，疾病诊断、药 物毒性、临床性安全评价等许多方面 4 随着研究 的深入，代谢组学正日益成为功能基因组学研究 的热点，将在揭示基因功能的功能基因组学中发 挥更大的作用，帮助人们更好更深地了解生物体 中各种复杂的相互作用及生物对外界环境和自身 基因变化的响应，并为药物开发、临床诊断、营养 科学、生物基因表型鉴定和具应用价值代谢产物 开发提供指导 4 !" # 营养基因组学 人类通过食物获取的营养分为有大量营养和 微量营养，两者对于保持人体良好健康状态都是 不可缺少的，营养学家开始采用营养基因组学整 体全面的研究食物营养因素的分子机理 4 8’@@) <’,,) 最早提出了营养基因组学（9A(B.C’,+-./0 ） 的概念 4 所谓营养基因组学是指研究导致表型改 变的任何与营养有关的水平上的生理的变化，而 非单个或几个孤立生物学标志物的改变 1 $" 3 4 简言 之，营养基因组学主要研究在分子水平上和人群 水平上膳食营养与基因的相互作用及其对人类健 康的影响，并致力于建立基于个体基因组结构特 征上的膳食干预方法和营养保健手段，提出更 具个性化的营养策略，以使得营养学研究的成果 更有效地应用于饮食科学、疾病预防，促进人类健 康等 1 $$ 3 4 例如，理论上，以植物为基础的食谱可以保证 人们各生活阶段的营养，并且许多植物次级代谢 产物对于人体健康和各种疾病的预防至关重要 4 但是，植物微量营养的水平变化很大，而且食谱中 微量营养的摄入量又随主要植物性食物来源的变 化而变化 4 营养基因组学的一个研究方面是检测 和操纵植物中的微量营养代谢途径，基因组学的 研究提供了研究基础，用在鉴定对人类营养有重 要作用的植物次级代谢途径的相关基因 4 !" $ 环境基因组学 人类对环境暴露的易感性在不同个体中存在 遗传背景的差异，某些基因对环境因素的作用会 产生特定的反应，称为环境应答基因 （D,E.B+,F -’,()@ B’0G+,0’ C’,’），而这些基因及其多态性仍 未有系统研究、分析或报导，环境基因组 （D,E.F B+,-’,()@ C’,+-./0 ）即指基因组中环境应答基因 的总和 4 环境基因组学和环境基因组（DH<）是研 究人类疾病与环境因素、环境因素相关疾病的遗 传敏感性等有关的易感基因，DH< 的候选基因 有：异源生物体代谢和解毒基因、激素环境影响基 因、受体基因、89I修复基因、细胞周期相关基 因、参与免疫和感染反应的基因，营养基因等 1 $# 3 4 !" % 药物基因组学 药物基因组学（ 序列分析、蛋白质结构预测、分子进化、数据库中 的知识发现 （?+(@7*4)* <-/.(6*3A -+ <%&%B%/*C ?<<）等 0 这一领域的重大科学问题有：继续进行数据 库的建立和优化；研究数据库的新理论、新技术、 新软件；进行若干重要算法的比较分析；进行人类 基因组的信息结构分析；从生物信息数据出发开 展遗传密码起源和生物进化研究；培养生物信息 专业人员，建立国家生物医学数据库和服务系统0 运用生物信息学，对日益增长的 <=>和蛋白 质的序列和结构进行收集、整理、储存、发布、提 取、检索与分析，以达到理解这些生物大分子信息 的生物学意义，可用于寻找蛋白质家族保守序列 和对蛋白质高级结构进行预测，研究大分子分子 进化，数据库建立及各种分析，检索软件的开发， 直到建立虚拟生命 0 随着基因组学的发展，基因组学广泛地与各 门学科交叉融合，产生各种延伸科学，开发出自动 化高通量的新兴技术，实现基因组学产业化成为 必然 0 因此抓住基因组学技术革命契机，缩短与 国际先进水平差距，攻占科学技术创新制高点，是 推动现代科学技术和国民经济发展，提高综合国 力的必由之路 0 参考文献（$%&%’%()%*）+ 8 " : 李宝健 0 展望 #" 世纪的生命科学 8 D : 0 生命科学C #EEEC "# F" G H ;IJ9;0 8 # : 李伟，印莉萍 0 基因组学相关概念及其研究进展 8 D : 0 生 物学通报，#EEE，;K F"" G H "J;0 8 ; : L>MN=OP1 Q RC RS1==P R =TPY ZNPTMX1SJ$P1P^ DSMP，等 0 代谢组学及其应 用 8 D : 0 生物工程学报C #EEKC #" F" G H "JK0 8 "E : VNR\>PT VC VPO_N<0 =5&3-)*+(,-./H 5+3%6*7-+) ,%+‘/ .(+/&-&5&-(+ -+ 3*7%&-(+ &( U((4 8 D : 0 =5&3-&-(+C #EE9C #EH #J;0 8 "" : ?>$_X DNV0 <-*&J4-/*%/* )*+* -+&*3%.&-(+/ 8 D : 0 =5&3-&-(+C #EE9C #EH #!J;"0 8 "# : 巴月C 吴逸明C 王国领 0 环境基因组计划（PO$）对预防医 学发展的影响 8 D : 0 医学与哲学C #EE;C #9 F# G H "J90 8 "; : <1PLM D0 <35) 4-/.(6*3AH % ’-/&(3-.%7 2*3/2*.&-6* 8 D : 0 M.-J *+.*C #EEEC #[IH "W!EJ"W!90 8 "9 : 段孝民 0 基因组学研究概述 8 D : 0 北京农业科学C #EE"C WH !J"E0