基因组学研究的应用前景

基因组学研究的应用前景摘要：基因组学是一门研究基因组的结构，功能及表达产物的学科，基因组的结构不仅是蛋白质，还有许多复杂功能的RNA,包括三个不同的亚领域，及结构基因组学，功能基因组学和比较基因组学。近几年，基因组学在微生物药物，细菌，病毒基因，营养基因方面都有进展，其前景是光明的。

关键词：基因研究未来结构

一、微生物药物产生菌功能基因组学研究进展

微生物药物是一类化学结构和生物活性多样的次级代谢产物，近年来多个产生菌基因组序列已经被测定完成，在此基础上开展的功能基因组研究方兴未艾，并在抗生素生物合成，形态分化，调控，发育与进化及此生代谢产物挖掘等方面有着新的发现，展现出广阔的研究前景，青霉素及其衍生的《》内酰胺类抗生素极大地改善了人类的卫生保健和生活质量，并促进研究人员不断对其工业生产菌株类黄青霉进行遗传改良和提高其产量，从而降低生产成本。经过60年的随机诱变筛选，当前青霉素产量至少提高了三个数量级，同时，青霉素的生物合成机理也得到了较为清晰的阐述，其pcbAB编码的非核糖体肽合酶ACVS~DPcbc编码的异青霉素N合成酶IPNS位于细胞质中，而苯乙酸COA连接酶PenDE编码的IPN酰基转移酶位于特殊细胞器一微体中。

研究发现，青霉素合成基因区域串联扩增，产黄青细霉胞中微体含量增加都可显著提高青霉素产量。然而随机诱变筛选得到的黄青霉工业菌株高产的分子机制尚不明确。为此，2008年荷兰研究人员联合国美国venter基因组研究所对黄青霉wisconsin54—1225进行了基因组测试和分析，并进一步利用DNA芯片技术研究了wisconsin54—1255及其高产菌株DS17690在培养基中是否添加侧链前体苯乙酸情况下的转录组变化，四组数据的比较分析发现，有2470个基因至少在其中一个条件下是差异表达的，根据更为严格的筛选标准，在PPA存在的条件下，高产菌相比测序菌株有307个基因转录是上调的，和生长代谢，青霉素前体合成及其初级代谢和转运等功能相关，另有271个基因显著下调，主要是与生长代谢及发育分化相关的功能基因。

二、乳酸菌基因组学的研究进展

酵糖类时的主要的代谢产物是乳酸,故多数的乳酸菌能在有氧条件下生长，但是无氧条件下生长更好。某些乳酸菌作为人和动物的胃肠道的益生菌，对维护和增强机体健康水平起到了重要的作用。很久以前，乳酸菌已广泛地用于食品，饮料，微生物制剂等行业口。在发酵方面主要起生物转化作用，同时乳酸菌也是一个廉价的抗菌剂，根据伯杰细菌鉴定手册，乳酸菌目前主要分为23个属，主要有乳杆菌属（（lactobacillus），乳球菌属（lactococcus），肠球菌属（enleroccu），双歧杆菌属（bifidohactericum）。从2001年完成乳酸菌球IL430即第一主乳酸菌的全基因组测序开始，至目前为止已完整公布全基因组序列的乳酸菌共有14种。包括嗜热乳酸链球菌，约是乳杆菌，乳酸乳球菌，肠系膜明串珠菌。

开展乳酸菌基因组学研究可拓宽对乳酸菌的认识，从更微观的角度认识乳酸菌及其功能基因，应用基因组学的方法可将乳酸菌基因结构与其生理功能建立联系，从而促进其代谢组学，分泌蛋白和进化方向研究。对乳酸菌机体产生的各种生态效应和生理作用的主要物质基础就是细菌蛋白，特别是分泌性蛋白，同其他细菌一样，乳酸菌在胁迫环境下包括高温或低温，极酸或及碱，高盐，氧化及各类营养限制等，通过诱导表达方式该改变代谢类型与水平来适应环境。利用蛋白质化学方法与生物信息学方法开展蛋白功能研究，为进一步揭示乳酸菌的行为机制和生理作用提供新的认识。

三、毒理基因组学研究进展

毒理基因组学是利用最新的基因组学技术来进行毒理学研究的新兴学科，它能够快速全面地检测出化合物和生物体相互作用后的基因表达方式，在通过生物信息学的方法对化合物的毒性进行定性分析。它可以为传统毒理学检测筛选更多的生物学标志物，解释有毒物质的制毒机理，降低风险评价的不确定性，但是，毒理基因组学还存在许多问题，如实验问题不统一，分析理论不完善，检测费用太昂贵等。其中最主要的理论问题在于与，虽然人们早已认识到毒理基因组学最大的优势是可对毒性进行较全面的分类和预测，但是已有的研究仍然集中在生物标志物的筛选和制毒机理的解释上，而没有充分利用全基因组变化的信息，因为理论上除了实验误差引入的基因表达以外的变化都是化合物和生物相互作用的结果。要解决这些问题，新发

现的micro RNA毒理基因组和动态基因表达图谱的研究可能是一个潜在的方向。总体来说。目前毒理基因组学只能作为风险评价的参考，但是它最终将作为风险评价提供有力的理论依据和准确的预测，提高风险评价的准确性。

毒理基因组学虽然有他传统毒理学方法不可比拟的优势,但是它存在风险评估中的应用还十分有限，其主要存在的问题可以总结为以下几个方面：（1）大多数数据库收集数据流于形式，没有起到数据升华的作用，（2）没有统一规范实验设计（3）毒性分类预测理论方法的不完善（4）技术壁垒高，价格昂贵，要解决问题可以从以下几个方面努力，首先，芯片技术要简单下，后者机械化，同时又要降低成本mRNA毒理基因组学可以是一个潜在的发展方向。其次，要明确毒理基因组学的数据库的主流，如果一个数据库能像一个软件来使用，这将大大推动毒理学的发展。美国食品与药品安全局（FDA)和环境保护局（EPA)都认识到毒理基因组学的潜在开发能力。FDA 正在鼓励毒理基因组学的研究，希望为新药的开发提供更合理的途径。EPA 在他的政策报告中也得到，EPA相信独立基因组学将会对风险评估起到重大的影响，提高风险评估的准确性，但是这些数据自身还不足以成为决定性评价的依据，它们必须和传统的检测方法结合起来使用。目前，毒理基因组学只能以个例的形式参与风险评估。我国在毒理基因组学领域的研究刚刚起步，要受到技术和资金的双重限制。现在，生物芯片北京国家工和研究中心和其他一些生物芯片公司的技术已经与国际接轨，这将成为毒理基因组学在我国发展的重大的契机。

四、营养基因组学

营养基因组学是一门研究基因组与营养和健康之间关系的学科，较具体的论述是：营养基因组学主要在分子水平以及人群水平上研究膳食营养与基因间的交互作用及其对人类健康的影响；并将致力于建立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，使营养研究的结果能够更有效地应用于疾病的预防，达到促进人类健康的目的。营养基因组学的研究将关注整个机体，整个系统或是整个生物功能分子水平的变化，而非单个或是几个孤立生物学标志的改变。

营养基因组学的建立是基于药物与基因相互作用的研究工作，但基因与食物中的营养素和生物活性分子的相互作用要复杂得多。营养基因组学研究策略主要通过营养干预模型（人体，动物和细胞）。应用高通量组学的技术，根据不同目的的选择不同研究层次进行筛选，主要有四个层次：（1）结构基因组，主要通过DNA测序，SNP芯片，比较基因组杂交芯片和甲基化芯片等检测DNA结构和修饰等基因组的差异（2）转录组学以基因表带芯片，包括mRNA芯片和非编码RNA芯片，以及深度测序技术等主要手段筛选基因差异表达谱，蛋白质组学以蛋白质分离技术家质谱鉴定技术为主获得差异蛋白分离技术加质谱鉴定技术为主获得差异蛋白质谱，代谢组学以代谢物小分子分离加质谱或核磁共振技术鉴定获取小分子代谢物，这些高通量技术往往获取大量技术进行加工处理后还需要与生物信息学技术结合等才能获得比较明确和有用的信息。随着这些功能强大的整体性生物检测技术以及结合了最先进计算机技术的生物信息学方法的不断改进和提高，将不断推进营养基因组学这门学科发展。

①Van den berg MA, wester laken, leeflang C, eta .functional characterization of the penicilin biosyntheticgene cluster of penicilicum chrysogeum wisconsin 54-1255 fungal genet biol, 2007, 44(9)830-844

②Van denberg MA, albangR, babermannk elal genomese quencing and ananlysis of the filamentous fungus penicillium chlysogenum .Nat biotechnol, 2008

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③Thomson IM PARKERJ PEROUCM etal. A custom microarray platform for analysis of microrn a gene expression nature meth ods 2004 147 53