前美国总统奥巴马在《2015年国情咨文》中提出...
TRANSCRIPT
深度解释：http://mt.sohu.com/20160504/n447646446.shtml1
前美国总统奥巴马在《2015年国情咨文》中提出
“精准医疗计划”
国家卫生计生委：我国将启动精准医疗计划（2015）
新闻视频：http://news.xinhuanet.com/video/2015-12/01/c_128483887.htm2
3
精准医 疗
4
精准医 疗
5
精 准医 疗的科 技基础
1950s
DNA双螺旋结构
1960s
基因编码概念
1970s
基因测序技术
1980s
DNA样本放大技术（PCR）
1990s
人类基因组计划
2000s
靶向药物出现
2000-至今靶向药物的发展测序技术的发展大数据和云技术
6
2016年7月，美国VA、DoD、NCI三部门联合宣布将建立第一个同时进行
基因信息和蛋白信息表征的医学系统，把基因组和蛋白质组作为常规检测
手段，对癌症病人进行个性化蛋白基因组表征，为更快速、更精准地用药
提供指导。
生命科学导论--生物技术与生命科学
组学与生物信息学2019-12-02
7
Tel: 0551-63600536(O)
Email: [email protected]
安徽省重组蛋白质药物工程技术研究中心7
1
生物信息学3
内 容
2 组 学
8
人类基因组计划
8
1
9
人类基因组计划
9
基因组 (Genome)
载有细胞或生物个体的全套遗传信息的全部遗传物质
基因组是什么？
真核生物基因组
细胞核基因组：1.3X107kb ( 6千个基因)
~ 3.3X109kb (4万个基因)
线粒体基因组：16 kb (13个基因) ~ 399
kb (34个基因)
叶绿体基因组：120kb (87个基因) ~
190kb (183个基因)
10
不同物种的基因组尺度
拟南芥 河豚 黑猩猩衣原体
11
人类 ：23条染色体， 3.3X109 bp， 2万 ~ 2万5千，~1.5%序列用于编码基因
人类基因组计划
在15年时间(1990～2005)，至少投入30亿美元，构建详细的人类基因组遗传图和物理图，确定人类DNA的全部核苷酸序列和所有的基因。
遗传图谱（Genetic Map）
物理图谱 （Physical Map）
序列图谱 （Sequence Map）
基因图谱 （Gene Map）
12Project Apollo，240；Manhattan Project；20 12
DNA双螺旋的发现
13
威尔金斯、弗兰克林沃森和克里克 1962, Nobel Prize 1953,4，Nature
“尽管你不是天才，但如果拥有优秀的合作者，那么，你有可能获诺贝尔奖”
实验科学理论科学 ＋
13
1958，Nobel Prize
1980，Nobel Prize
链终止法，Sanger法
300bp-500bpEcoR1
DNA测序方法
14
弗雷德里克·桑格
14
链终止法示意图
DNA测序方法
15
15
James D. Watson
1988年，加入NIH，筹划人类基因组计划；1990年，启动项目；1993年，因为反对给人类基因申请专利而被迫离开了这个项目。
人类基因组计划的启动
16
16
1.鸟枪法测序（shotgun
seqensing）；2.人造生命；
Craig Venter
1.1993年，接手HGP；2. NHGRI主任 ；
Francis Collins
人类基因组计划的实施
17
17
18
Celera公司 (J. Venter )国际人类基因组计划组织
“全基因组鸟枪法”基因组作图/测序法
测序理念的异同
人类基因组计划的主要研究策略
Celera公司 (J. Venter )国际人类基因组计划组织
先作图
再测序
先测序
再作图
“全基因组鸟枪法”(whole-genome shotgun)
基因组作图/测序法
测序理念的异同
19
准确 快
19
2001年2月15日
2001年2月16日
1990，启动，＄30亿，15年
1996，0.6cM
遗传图谱，100
kb物理图谱
2000，
完成草图
2001，
公布序列
2003
结束
“将使多数人类疾病的诊断、预防和治疗发生革命性变化”
1998，Celera (3年,＄3亿)
20
20
基因组测序完成了，人们原本还期望测序结果能够很快地运用于
医疗实践，但是生物系统本身的复杂性还是让我们的希望破灭了
21
21
基于基因组信息的健康时代
22
22
基因检测应用
23
24
基因检测应用
25
基因检测与疾病预防
Bad Blood: Secrets and Lies in a Silicon Valley Startup
（《坏血：硅谷初创公司的秘密与谎言》）
基因检测涉及伦理、隐私和人类遗传资源保护、生物安全等问题26
基因检测提前发出健康预警，干扰日常生活；
受检者承受心理伦理挑战；
27
结果不准确，带来误导；
不能筛查新生儿的其他疾病特征：如肿瘤 28
29
改变了研究思路—整体观
(-Omics=?Oh, Mix!)HGP催生了组学（-Omics）
人类基因组计划催生了新的研究方法
30
30
人类基因组计划催生了新的研究方法
31
DNA
RNA
蛋白质
代谢物
细胞
组织
器官
个体
基因组 基因组学
蛋白质组 蛋白质组学
转录组
转录组学 代谢组
代谢组学
人类基因组计划与系统生物学（3）
生物信息学
计算生物学
HGP促进了交叉学科的发展
生物信息学；
计算生物学；
人类基因组计划催生了新的研究方法
32
32
2
33
组 学
33
组学（-Omics）
基因组学（Genomics）
转录组学（Transcriptomics）
蛋白质组学（Proteomics）
代谢组学（Metabolomics）
转录组学(transcriptomics）
免疫组学（Immunomics）
脂类组学（lipidomics）
糖组学（glycomics ）
RNA组学(RNomics)
(一些种类个体的系统集合 )
单纯研究某一方向（基因、蛋白质）无法解释全部生物医学问题，科学家就提出从整体的角度出发去研究人类组织细胞结构，基因，蛋白及其分子间相互的作用，通过整体分析反映人体组织器官功能和代谢的状态，为探索人类疾病的发病机制提供新的思路。(系统生物学)
研究细胞、组织或整个生物体内某种分子的所有组成内容
什么是组学
34
34
结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学、癌症基因组学、药物基因组学、毒理基因组学、环境基因组学和营养基因组学；是研究生物基因组和如何利用基因的一门科学
结构基因组学：以全基因组测序为目标；功能基因组学：以基因功能鉴定为目标，又被称为后基因组研究。
概念：对所有基因进行基因作图、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学，就是在基因组水平上研究基因的结构和功能的科学。
基因组学
35
35
结构基因组学 （structural genomics ）1.基因组测序；2.基因组作图；
结构基因组学
36
36
功能基因组学 （functional genomics ）1.进一步识别基因以及基因转录调控信息；2.鉴定所有基因产物的功能（主要任务）；3.研究基因的表达调控机制（基因相互关系和基因调控网络）；
Gene MicroarraysGeneChip Comparison of gene
功能基因组学
37
37
Gene Microarrays（基因芯片） are small glass squares
covered with millions of strands of DNA that can be scanned
using a beam of light. Each spot has many copies of the same
gene, each different. There will be thousands of different
genes present. These are known as probes（探针）。
Gene microarray for routine clinics
功能基因组学
38
基因芯片可用于：癌症筛查与类型鉴定，遗传疾病筛查
38
比较基因组学 （Comparative Genomics ）
1.分析同源基因的功能；2.比对序列差异研究生物多样性；3.绘制系统进化树；
比较基因组学
39
39
discover differences
between individuals
Y-chromosome DNA
复旦大学对曹操与曹参做了一次亲父鉴定 ，100%确定无关
40
Single Nucleotide Polymorphisms (SNP):
单个核苷酸的多态性，包括单位点的突变或缺失
SNPs have a low rate of mutation and thus are good markers of human
history. Most useful for comparing entire genomes.
比较基因组学
41
41
42
狭义概念：利用双向电泳和质谱等高通量技术，鉴定出某一个研究对象中的全部蛋白质；
广义概念：不仅要鉴定出某一个研究对象中的全部蛋白质，还要了解这些蛋白质的活性、修饰、定位、降解、代谢和相互作用及其网络功能与时空变化关系。
蛋白质组学
43
43
蛋白质组学 （Proteomics）在基因组学的基础上研究蛋白质表达和功能的科学
组成蛋白组学
功能蛋白组学
临床蛋白组学
血清蛋白质组学
体液蛋白质组学
膜蛋白质组学
氧化蛋白质组学
。。。。。。
蛋白质组学
44
44
蛋白质芯片（Protein array）
高通量蛋白质组学研究的新型技术
蛋白质组学
45
45
• 1.发掘，对蛋白质组尽可能全面的分门别类；
• 2.描绘蛋白质在人类疾病、发育和分化等生理过程中的作用；
• 3.蛋白质相互作用网络的构建；
• 4.蛋白质修饰图谱的构建；
• 5.蛋白质活性、定位和代谢等功能和时空变化关系；
蛋白质组学的应用：
蛋白质组学
46
46
3
47
生物信息学
47
Biology in the 21st century is being transformed from a purely
lab-based science to an information science as well.
什么是生物信息学
生命科学进入信息时代的产物
48
48
Bioinformatics：Biology + Informatics + Statistics
49
49
生物信息学是干啥的？主流学者两派观点：1. 认为生物信息学应当能发现一些新的规律、新现象，所以是
一门科学；
2. 认为生物信息学应当处理生物学里一些实际的问题，比如算法、数据库，软件等，所以是一门技术。
什么是生物信息学
50
51
生物信息学应用
数据库的构建开发、设计一系列相关的工具，能够方便有效的获取、管理以及使用各种类型的数据和信息。
算法软件开发开发新的算法及统计学的方法来揭示大规模数据之间
的联系。
实验数据分析分析和解释各种类型的生物学数据，包括核酸、氨基酸序列、蛋白质功能结构域以及蛋白质三级结构等。
生物信息学应用——数据库构建
• 1. 核酸三大数据库：GenBank, EBI, DDBJ.
• 2. Ensembl数据库：基因组注释。
• 3. ESTs数据库；
• 4. UniGene数据库
• 5. Refseq数据库；
• 6. NCBI的Gene信息数据库;
• 7. 蛋白质序列：Swissprot/EMBL/UniProt数据库。
GenBank是NIH遗传序列数据库，一个所有可以公开获得的DNA序列的注释过的收集。GenBank同日本（DDBJ）和欧洲分子生物学实验室（EMBL）的DNA数据库（欧洲生物信息研究所，EBI）共同构成国际核酸序列数据库合作。这三个组织每天交换数据。
52
52
GenBank数据格式
Definition: 标题
序列长度 数据类型
编号
版本号GI number
53
53
核酸数据库数据的增长
GenBank以指数形式增长，核酸碱基数目大概每14个月就翻一个倍。最近，GenBank拥有来自47,000个物种的30亿个碱基。
54
54
55
生物信息学应用——序列比对工具开发
• 1. 1970年，Gibbs AJ 和 McIntyre GA，点阵法进行氨基酸和核酸的序列比较：当相同的字母在两条序列中同时出现时，在交叉处置点。
• 2. 1970年，Needleman-Wunsch，全局优化的序列比对算法：
允许匹配、错配和缺失。动态规划的算法：任务可分割，分成更小的子问题进行解决。
• 3. 1981年，Smith-Waterman，局部优化的序列比对算法。
• 4. FASTA & BLAST的开发，启发式优化算法。
• 5. 多序列比对：CLustalW/X, POA, MUSCLE.
56
56
57
57
生物信息学应用——数据分析
生物信息学与精准医学
准确地找出与疾病有关的单核苷酸多态性
58
生物信息学应用——数据分析
生物信息学与肠道微生物
整个肠道菌群作为一个整体，对它所包含的所有基因进行分
析。这个基因的大集合，就被称作宏基因组。通过对肠道菌
群宏基因组的研究，有助于进一步挖掘肠道菌群功能，更深
层次的探究肠道菌群和人体健康的关系。
H7N9的起源分析
59
生物信息学应用——数据分析
《后基因组时代的思考》 吴家睿 教授
《系统生物学》课件 吴家睿 教授
《生物信息学》课件 薛 宇 教授
互联网公共资源
本章课件部分内容整理自以下资料，特此致谢！
60
致 谢
60
Thank you !
生命科学导论--生物技术与生命科学
61
61