生命科学 交叉前沿专题
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人类基因组计划 ——结构基因组学
后基因组研究 ——功能基因组学
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后基因组研究
任务与目标 人类对自身的认识过程 目前的研究内容 基因的cDNA 基因cDNA的克隆 基因cDNA的功能预测 基因的功能研究方法 基因转录调控研究 基因相互作用的研究 基因功能研究的应用
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任务与目标
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细胞表达 谱分析
细胞诱导性 表达谱分析
染色体 定位
原位杂交
基因功能的 初步定位 确定研究方向 基因的翻译 （原核/真核表达） 基因的 功能研究 基因的转染 和超值表达 基因的阻抑 或敲除 基因的转录 调控研究
蛋白质纯化 蛋白质结构 和功能分析 细胞学 分析研究
单克隆抗体 的制备
免疫组化 免疫电镜
1，了解基因编码蛋
白的组织分布
2，了解基因编码蛋
白的亚细胞结构 定位
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基因功能的分类研究
生物化学的方法 核苷酸水平 蛋白质水平
分子生物学方法
细胞生物学方法 模式生物的应用
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以功能为基础的基因分类
Cytokine, chemokine and growth factors Plasmid proteins Hormones Apoptosis Oncogene,cancer and tumor supressors Adhesion molecules and cell structure Cell receptors Ion channels and transportation Signal transduction, cell signaling Cell cycle Stress response DNA replication and repair Transcription Translation Protein modification Metablism, enzymes Houskeeping and cell structure
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SAGE + EST
Liver
cDNA Express sequence tag
Determining a gene expression pattern characteristic of liver’s function
Sequencing thausands tags cloning
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核苷酸水平
1， cDNA全长完整性 2，阅读框（ORF，open reading fram） 3，核苷酸序列同源性比较 4，染色体定位
蛋白质水平 1，氨基酸序列同源性比较
2，功能域预测 3，信号肽预测 4，亚细胞结构定位
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第22号染色体
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Chromosome 22 Gene and Predicted Gene Start (bp) End (bp) Locus Name Observation Method Title
一， 破解贮存于基因组之中的遗传语言， 这种语言不同于现在人类已知的所有语言； 二， 识别、分离、鉴定和克隆所有基因（现 在只克隆出一万多个）； 三，搞清每个基因的功能及基因之间的相互作 用和相互关系。
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人类对自身的认识过程
整体水平
器官水平
细胞水平
分子水平
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目前的研究内容
一，基因的cDNA 1，识别、分离、鉴定和克隆所有基因, 2，确定所有基因的功能， 3，确定所有基因的表达谱及调控机制。 二，基因的多态性 1，多态性的种类及定位， 2，基因的多态性与功能的联系， 3，单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms SNPs）。
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基因转染和基因剔除
细胞水平 ： 超表达 (overexpression)
瞬时表达
稳定表达
阻断和关闭(shout down)
反义技术 核酶技术（Ribozyme) RNAi
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生物体水平
线虫，果蝇，小鼠
转基因小鼠（Transgeneic mouse)
基因剔除小鼠 (Gene knock-out mouse)
26172
24046
AP000522.1
Predicted gene
Similar to Tr:P3பைடு நூலகம்897
34549576 34550048
AC002055.4
Predicted gene
Matches EST cluster
22号染色体至少有碍34550048 bp, 按人体共有30亿 bp，10万 条基因估算，应有 900基因, 而生物信息学预测 237基因。因此 还需用其它方法确定基因，cDNA克隆就起很大的作用。
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基因的cDNA
7
真核基因的结构
转录起始点 促进子 起动子 内含子
外显子1
内含子
外显子3
外显子2
转录调控区
基因表达区
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基因cDNA的克隆
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cDNA的概念
外显子
DNA
5‘
转录，剪接
3‘
mRNA
AAAAAAA
3’ 引物
逆转录 （用TTTTTT引物）
cDNA第一链
5’ 引物
以cDNA第一链为模板， 合成互补的cDNA第二链
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Description of SAGE Serial analysis of gene expression (SAGE) is a method for comprehensive analysis of gene expression patterns.
Three principles underlie the SAGE methodology: 1) A short sequence tag (10-14bp) contains sufficient information to uniquely identify a transcript provided that that the tag is obtained from a unique position within each transcript; 2) Sequence tags can be linked together to from long serial molecules that can be cloned and sequenced; and 3) Quantitation of the number of times a particular tag is observed provides the expression level of the corresponding transcript.
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制备靶 片段
实验组
制备固相 探针
（组织，细胞） 对照组 （组织，细胞）
提取mRNA
Cy5标记
提取mRNA
Cy3标记
杂交
结果观察，信息分析
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散点图
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膜芯片
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扫描图
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•DNA芯片 •寡核苷酸芯片 •蛋白质芯片 •细胞芯片 •组织芯片
•化学感受器与图像结合的新型生物 芯片
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单克隆抗体及免疫组织化学
必须克服的障碍： 1，低丰度mRNA基因的克隆--- mRNA的富集 2，避免大量的重复---差减法 3， cDNA的全长完整性---cDNA第二链的合成 4，大规模测序---高通量测序仪的应用
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基因cDNA的功能预测
Bioinformatics
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生物信息学（Bioinformatics)分析
cDNA
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基因cDNA的意义
人工地翻译基因编码蛋白质
1，研究基因编码蛋白质的功能 2，从核苷酸水平研究基因功能 3，扩増基因 4，生产基因重组的产品
研究基因的功能实际上是通过研究基因的cDNA来实现
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大规模克隆基因cDNA的策略
估计人体有30亿对核苷酸，10万个 基因，迄今克隆得约 1万多个基因
基因芯片技术
信息时代的产物90年代兴起的一项前沿 生物技术 横跨： 生命科学、 物理学、 计算机科学、微电子技术 光电技术、 材料科学 等现代高科技 高度集约化 高灵敏度 大通量平行分析
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其基本原理是将一系列的核酸 片段固定在芯片载体上作为固相 靶片段（target）， 待测的核酸片 段人工标记上不同的荧光、或同 位素等作为探针（probe），一定 条件下两者杂交，根据杂交后不 同的信号即可获得靶片段的信息， 进行计算机分析。
2，基因转录调控的实验研究
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基因相互作用的研究
受体 - 配体
细胞内信号传递途径 蛋白质分子 - DNA 分子
蛋白质分子 - RNA 分子
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基因功能研究的应用
疾病相关基因 基因工程药物 化学药物的靶基因
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基因产业
基因产业将成为21世纪朝阳产业，它的 巨额经济效益吸着投资商和企业向这一 领域汇聚。目前美国的一些著名公司正 在进行着一场重组和改造，把主要目标 放在与基因相关的产业开发上。如今， 如果有哪家公司宣布克隆出具有某种功 能的基因，其股票马上大幅升值。人类 基因研究的任何成果都会给无所不能的 “基因工程”增添强大的驱动力，创造出人 间奇迹。
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基因的功能研究
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基因表达谱用于功能研究
1，组织、细胞表达谱 2，差异的组织、细胞表达谱 3，诱导的细胞表达谱表达谱
专用技术
1，SAGE分析 2，生物芯片技术
基因芯片，细胞芯片，组织芯片
3，其它
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Serial Analysis of Gene Expression (SAGE)
Serial Analysis of Gene Expression (SAGE)用于 定量地、平行地分析大量的转录本。若要知道一种 组织，器官或细胞的基因表达谱，首先从组织细胞 里分离出短转录本，归类、连接并克隆。测定数千 个克隆的DNA序列就可以了解代表这种组织、器官 或细胞的功能的基因表达谱。所以SAGE提供了一 种广泛应用的工具，定量地分析比较各种正常组织 细胞，各种发育状态和各种病理状态下的基因表达 谱。/网站搜集了大量的SAGE供 研究者检索。