Pathway Analysis and Proteomics

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(完整版)双向电泳原理与流程

(完整版)双向电泳原理与流程
Amersham Biosciences ——提供基因组、蛋白组学研究整体解决方案
GE Healthcare Life Sciences ——实现从发现到功能研究,从体外到体内的突破
GE Healthcare milestones in 2-D electrophoresis
2002
Amersham Biosciences launched Ettan™ DIGE
1991
Pharmacia Biotech introduced Immobiline DryStrip
1973
1978
1982
LKB introduced Immobiline™
1979
Pharmacia Fine Chemicals introduced Pharmalyte™
The first multiple separation system, ISO-DALT, was developed
4/ GE Title or job number /
2/3/2020
Why 2DE?
Only “Proteomics” is the large-scale screening of the proteins of a cell, organism or biological fluid, a process which requires stringently controlled steps of sample preparation, 2-D electrophoresis, image detection and analysis, spot identification, and database searches.
2/3/2020

生物信息学导论与方法课程教学大纲-上海交通大学生物医学工程学院

生物信息学导论与方法课程教学大纲-上海交通大学生物医学工程学院

32
2
双语(汉语+英语)
生物医学工程学院
*课程简介 (Description)
(中文 300-500 字,含课程性质、主要教学内容、课程教学目标等) 生物信息学是一门新兴的生命科学与计算科学的前沿交叉学科。本课程讲授生 物信息学主要概念和基本计算技术。内容主要包括基因、蛋白序列比对,数据库搜 索,马可夫模型,新一代测序介绍,突变的功能预测,转录组测序与分析,非编码 RNA 和表观遗传,人工智能与机器学习基础,本体论和分子通路,以及 R 编程语言 入门和实验上机数据处理与分析等。重点放在生物信息学的计算方法及其运用方面, 包括生物问题的制定,算法的设计,软件开发的置信度评估等。通过本课程的介绍, 使学生系统地掌握生物信息学的基本理论、基本知识,掌握生物信息学的基本技 术,培养学生如何充分使用交叉学科的知识与技术,训练学生分析问题和解决问 题的能力及实际动手数据处理和分析能力。 通过本课程的理论介绍和实际数据上机 操作,将让学生掌握如何应用生物信息学和计算科学手段解决生命和医学,特别在 大数据和精准医疗等领域的科学问题。 (英文 300-500 字) The course will introduce the fundamental concepts and basic computational techniques for mainstream bioinformatics problems. The course covers sequence alignment, sequence database search, Markov model and multiple sequence alignment, functional prediction of genetic variants, next generation sequencing, noncoding RNA and epigenetics, introduction to artificial intelligence and machine learning, gene ontology and pathway, and R programming in-course practices. Emphasis placed on computational aspect of bioinformatics including formulation of a biological problem, design of

PROTEOmics技术的研究和应用

PROTEOmics技术的研究和应用

PROTEOmics技术的研究和应用Proteomics是研究蛋白质的组成、结构、功能和相互作用等方面的一门学科,是基于对蛋白质进行系统研究以探索生命基础研究和疾病发生机制的一种全新技术。

本文将对Proteomics技术的研究和应用进行探讨。

一、Proteomics技术的研究进展近年来,随着人类基因组计划的完成,Proteomics发展迅速。

目前,主要有两种Proteomics技术,一种是全蛋白组学,另一种是靶向蛋白组学。

1. 全蛋白组学全蛋白组学是指通过对蛋白质组进行全面、高通量的分析来了解蛋白质的特点和功能。

采用液相色谱和质谱等相关技术,对癌细胞、病毒、酵母等不同细胞中的蛋白质组进行充分的研究和探索,有助于认识到蛋白质组的异同和相互作用,从而推动生物医学研究的发展。

2. 靶向蛋白组学靶向蛋白组学是指通过对某种特定蛋白质的研究来探索其生物学特点及与其相关的疾病发生机理。

通过采用分离和纯化等技术手段,对蛋白质的组成、结构、功能进行深入研究,可以为药物研发提供一定的理论和实验基础。

二、Proteomics技术的应用Proteomics技术在很多领域都有广泛的应用,比如生物医学、农业生物技术、食品科技等等。

以下是几个具体的应用领域。

1. 诊断和治疗疾病Proteomics技术在病毒病、癌症、心血管疾病、自身免疫性疾病、神经系统疾病等方面有着广泛的应用。

通过分析蛋白质组,可以获得更为准确的诊断结果,并且可以为药物研发提供相关的信息。

2. 新药开发Proteomics技术可以通过对某个特定蛋白质的研究,寻找与之相互作用的其他分子,从而有助于新药的开发。

此外,可以通过Proteomics技术确定药物的靶点,为新药的研发提供一定的依据。

3. 生物质谱学生物质谱学是一项基于Proteomics技术的研究,它主要研究蛋白质的分离、鉴定和分析。

生物质谱学在生物医学、食品科技、环境保护等方面都有广泛的应用。

4. 个性化医疗个性化医疗是一种基于个体基因、蛋白质组成、代谢状态等信息的医疗模式。

蛋白质组学技术在各领域的解决方案

蛋白质组学技术在各领域的解决方案

蛋白质组学技术在农业生物科研领域、疾病机理机制研究、药物研究、海洋环境、植物胁迫机制研究等方面具有广泛应用。

蛋白组学的研究通常遵循以下思路:蛋白质组学研究思路图 1 蛋白质组学研究思路一、蛋白质组学在农业生物科研领域的应用蛋白质组学技术在农业生物科研领域的应用为作物生长发育、病虫害防治、遗传育种、畜牧兽医学疾病诊断和治疗等方面发挥重要的作用,为现代农业发展开辟新途径。

1 .蛋白质组学在农作物研究中的应用农业是我国人口赖以生存的基础,而提高粮食产量和品质则是农业发展的关键。

蛋白质组学关键技术在作物遗传育种、品系鉴定、品质改良、逆境胁迫应答等关键环节的应用,为农业作物的进一步开发利用提供巨大的参考价值。

蛋白质组学可系统研究农作物在特定环境或某个发育阶段的组织和器官中蛋白质的表达变化,有助于作物发育过程机制的理解。

Jia等人利用SWATH等技术对四种玉米组织中的蛋白质进行定量分析:包括未成熟雌穗,未成熟雄穗,授粉后20天的幼胚和14日龄幼苗的根。

在玉米的4种组织中总共鉴定到4551个蛋白质,其中在雌穗,雄穗,幼胚和幼根中分别鉴定到3916、3707、3702和2871种蛋白质。

利用生物信息学技术将蛋白质组和转录组进行关联分析,并且进一步分析组织特异性高表达的基因和蛋白,以了解玉米组织结构和器官发生的调节机制,为研究玉米发育生物学研究提供了新的线索。

相关成果2017年发表在Journal of Proteome Research上。

图 2 实验流程图文献来源:Jia HT, Sun W, Li MF, et al. An integrated analysis of protein abundance, transcript level and tissue diversity to reveal developmental regulation of maize [J]. J. Proteome Res, December 18, 2017.2.蛋白质组学在食品科学中的应用在食品安全研究中,蛋白组学的出现为食品科学的研究指明了方向,同时也为食品科学的研究奠定了良好的发展平台。

蛋白质组学及其应用PPT课件

蛋白质组学及其应用PPT课件
3、Zheng M, Hu K, Liu W, Li H, Chen J, Yu X. Proteomic analysis of different period excretory secretory products from Clonorchis sinensis adult worms: molecular characterization, immunolocalization, and serological reactivity of two excretory secretory antigens-methionine aminopeptidase 2 and acid phosphatase. Parasitol ResMar;112(3):1287-97. 2013
7、Jun Pang, Weipeng Liu, Xiaopeng Liu, Liaoyuan Li, Youqiang Fang, Qipeng Sun, Shaojun Liu, Mingtao Li, Zulan Su, Xin Gao. Profiling protein markers associated with lymph node metastasis in prostate cancer by DIGE-based proteomics analysis. J Proteome Res. 2010;9:216226. 8、Yan-Xin Luo, Ji Cui, Lei Wang,,Dian-Ke Chen. Identification of cancer-associated proteins byproteomics and downregulation of b-tropomyosinexpression in colorectal adenoma and cancer. Proteomics Clin. Appl. 2009 9、Jing Luo, Jine Yang, Bing-Yun Yu, Wei Liu, Mingtao Li, Shi-Mei Zhuang. Identification of Siah-interacting protein as a potential regulator of apoptosis and curcumin resistance. Oncogene. 2010; 29(48):6357-6366 10、Liu W, Zhou XW, Liu S, Hu K, Wang C, He Q, Li M. Calpain-truncated CRMP-3 and -4 contribute to potassium deprivation-induced apoptosis of cerebellar granule neurons. Proteomics. 2009 Jul;9(14):3712-28. 11、Wang J, Wu S, Jin X, Li M, Chen S, Teeling JL, Perry VH, Gu J. Retinoic acid-inducible gene-I mediates late phase induction of TNF-alpha by lipopolysaccharide. J Immunol. 2008 Jun 15;180(12):8011-9. 12、Kang L, Yang ZL, Liu W, Zhang LJ, Liu SJ, Huang MJ, Li MT, Wang JP. (2008) Serum proteomic variation study in patients with Crohn disease. Zhonghua Wei Chang Wai Ke Za Zhi. 2008 May;11(3):266-9. 13、Fu H, Dou J, Li W, Luo J, Li KC, Lam CS, Lee NT, Li M, Han Y. Mecamylamine prevents neuronal apoptosis induced by glutamate and low potassium via differential anticholinergicindependent mechanisms. Neuropharmacology. 2008 Mar;54(4):755-65.

转录组学与蛋白质组学的研究

转录组学与蛋白质组学的研究

转录组学与蛋白质组学的研究转录组学和蛋白质组学是两种重要的生物技术,用于研究生物体的基因表达和蛋白质组成。

在过去的几十年中,这些技术在分子生物学和生物医学领域取得了巨大的进展,为我们深入了解生命的分子机制和疾病的发生机制提供了重要的手段。

转录组学研究的是基因的转录过程,即基因通过转录过程产生RNA分子的过程。

转录组学研究能够全面地测量一些生物体或组织中所有基因的表达水平。

这种全局性的分析可以帮助我们了解基因的调控方式、基因之间的相互作用以及不同组织或疾病状态下的基因表达模式的变化。

转录组学研究的方法中最常用的是RNA测序技术,通过测量RNA分子的序列和数量来获得基因的表达水平信息。

蛋白质组学研究的是蛋白质在生物体或组织中的组成和功能。

蛋白质是细胞的重要功能分子,它们负责细胞的结构和功能。

通过蛋白质组学研究,我们可以了解到生物体中蛋白质的种类、数量和相互作用。

蛋白质组学研究的方法包括质谱技术和蛋白质芯片技术等,这些技术能够帮助我们鉴定和定量蛋白质,并用于研究它们的功能和相互作用。

转录组学和蛋白质组学的研究为我们提供了深入了解生物体功能和疾病机理的关键信息。

例如,研究中发现了许多与肿瘤相关的新基因,这些基因可以作为新的肿瘤标记物和治疗靶点。

此外,转录组学和蛋白质组学也为疾病的临床诊断和预后评估提供了新的方法。

通过研究基因或蛋白质在不同疾病状态下的表达变化,我们可以快速、准确地诊断疾病,并为患者提供个体化的治疗方案。

然而,转录组学和蛋白质组学研究也面临一些挑战。

首先,这些技术需要大量的实验材料和高昂的成本,这限制了研究的范围和深度。

其次,数据分析和解释也是一个复杂的问题,需要开发新的算法和统计方法来处理和解释大规模的转录组和蛋白质组数据。

此外,转录组和蛋白质组数据的解释也需要结合其他生物信息学数据(如基因功能注释和代谢途径分析)来获得更全面和准确的结果。

总之,转录组学和蛋白质组学的研究为我们深入了解生命的分子机制和疾病的发生机制提供了重要工具。

转录组学和蛋白质组学

转录组学和蛋白质组学

转录组学和蛋白质组学1. 引言转录组学和蛋白质组学是现代生物学研究中的两个重要领域。

转录组学研究基因在特定条件下的转录活性,而蛋白质组学则关注细胞或生物体内所有蛋白质的表达与功能。

这两个研究领域在揭示生物体的基因调控、信号传导、代谢途径等方面发挥着重要作用。

2. 转录组学2.1 背景转录组学是研究细胞或生物体内所有基因在特定条件下的转录水平的科学。

通过对RNA-seq技术的应用,可以获取到细胞中所有mRNA的序列信息,从而了解基因在不同条件下的表达情况。

2.2 研究方法2.2.1 RNA-seqRNA-seq是一种高通量测序技术,可以直接测定mRNA的序列。

通过将mRNA反转录成cDNA,并进行文库构建和测序,可以得到大量的RNA序列信息。

这些数据可以用于定量分析基因表达水平、寻找新基因、检测可变剪接等。

2.2.2 差异表达分析差异表达分析是转录组学研究中常用的方法之一。

通过比较不同条件下的基因表达水平,可以筛选出在特定条件下显著差异表达的基因。

这些差异表达基因往往与特定生物过程或疾病相关。

2.2.3 功能富集分析功能富集分析是对差异表达基因进行生物学功能注释的方法。

通过将差异表达基因与已知的生物学数据库进行比对,可以确定这些基因所涉及的通路、功能和生物过程。

功能富集分析有助于深入了解转录组数据背后的生物学意义。

2.3 应用领域转录组学在许多领域都有广泛应用,包括: - 生物医学研究:通过比较正常和疾病状态下的转录组数据,可以发现与疾病相关的关键基因和通路,为新药开发提供理论依据。

- 农业科学:通过转录组学研究农作物或家畜在不同环境条件下的响应机制,可以改良作物品种、提高产量和抗逆性。

- 生态学研究:通过转录组学研究不同物种在自然环境中的适应性,可以揭示物种间的相互作用和生态系统的稳定性。

3. 蛋白质组学3.1 背景蛋白质组学是研究细胞或生物体内所有蛋白质的表达与功能的科学。

蛋白质是细胞中最重要的功能分子,其表达水平和功能状态对生物体的生理和病理过程起着至关重要的作用。

生物的组学名词解释

生物的组学名词解释

生物的组学名词解释生物学中的组学是研究生物组织中基因组、转录组、蛋白质组以及代谢产物组等在整个生命过程中的组成、结构和功能的科学。

它的发展使我们能够更深入地理解生命的奥秘,并为科学研究和医学实践提供了重要的工具和方法。

本文将对组学中常见的一些名词进行解释,并探讨其在生物学研究中的意义和应用。

1. 基因组学(Genomics)基因组学指的是对生物个体或种群的基因组进行全面系统的研究。

基因组是一个生物个体或种群的全部遗传信息的总和,包括基因和非编码区域。

基因组学通过对DNA序列的测定和分析,揭示了基因组的组成、结构、功能和演化等重要信息。

基因组学的进展为研究基因与表型之间的关系以及疾病的发生机制提供了重要的工具。

2. 转录组学(Transcriptomics)转录组学是研究生物体内全部 mRNA 的集合和其在不同条件下的表达程度的科学。

通过转录组学的研究可以揭示基因的转录水平以及基因在不同组织、器官、发育阶段或病态条件下的表达模式。

转录组学技术使我们能够更全面地了解生物体内基因的调控网络,对于发现新基因、揭示基因功能以及研究疾病的发生机制具有重要的意义。

3. 蛋白质组学(Proteomics)蛋白质组学是研究生物体内全部蛋白质的集合以及其在不同条件下的表达和相互作用的学科。

蛋白质组学研究的关注点不仅包括蛋白质的表达水平,还包括翻译后修饰、交互作用以及蛋白质在细胞和组织中的定位和功能等方面的信息。

蛋白质组学技术的发展为研究蛋白质的功能与调控、疾病的诊断与治疗提供了重要的手段。

4. 代谢组学(Metabolomics)代谢组学是研究生物体内代谢产物的集合以及其在不同条件下的变化和相互关系的科学。

在代谢组学中,我们可以全面了解生物体内代谢物的种类、量级以及它们在不同生理状态下的变化情况。

代谢组学技术的发展有助于我们理解生物体内代谢途径的调控网络,发现新的生物标志物,从而为疾病的早期诊断和治疗提供有力支持。

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Pathway Analysis and Proteomics
Fenghai Duan f.duan@ UNMC/PSM/Biostat June 21st, 2006
1
Outline
• Pathway analysis
– Relevance network – Bayesian network
• Construct your genetic networks
– First, try RBIN and CBRN – Then, try BN on the sub-graph of RBIN and CRBN given enough data are available
Butte, Atul J. et al. (2000) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 12182-12186 13
Copyright ©2000 by the National Academy of Sciences
Pros and Cons of CBRN
• Pros
5
Pathway Analysis
• Relevance network (RN)
– Biology-based RN: Relevant Biological Interaction Networks (RBIN) (Stragtagene’s pathway analysis tools) – Correlation-based RN: Butte, 2000
• Bayesian network
– Probabilistic graphical approach – Studying the causality instead of correlation
6
RBIN
• Studying lists of genes (or proteins) by representing their known biological functional relationship with large graphs:
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Observation and Intervention
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Learning BN
• Finding the best network structure • Finding the best set of parameters for the conditional distributions, given the graphical structure
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Elements of BN
• A BN is a directed acyclic graph (DAG) that consists of
– a set of nodes (genes) – a set of edges representing the dependencies between genes
• Networks are constructed based on the conditional probabilities between genes • The goals is to determine the dependent relationships between genes • With the help of interventions, inferring the causal relationships between genes
• Greedy List Expansion
– Adding each neighbor node to the list and re-calculating the list’s probability – Stopping the node adding till the list’s probability measure begins to increase 9
– Considering the number of interactions between a protein and a list (of proteins) – Considering the size of the sub-graph induced by the list – Considering the number of interactions bridging two lists – Comparing the probability distribution of above with the model of random graphs 7
MI ( A, B ) = H ( A) + H (B ) − H ( A, B )
• Pearson’s Correlation (Butte et al., PNAS, 2000)
~2 = r r r2 abs(r )
12
• Constructing CBRN
An E about Pathway Analysis
• Compose the set of genes for constructing genetic networks
– Identify differentially expressed (DE) genes, but some network genes might not be DE – Filter out “noise” genes according to certain thresholds – Throw in the genes based on known biological facts
– Fast and light computation – Useful to local relation
• Cons
– No dependent relationship – No causal inference – Lots of false positives
14
Bayesian Networks
• Slide 17-30 were adapted from the lecture of Florian Markowetz, “Bayesian network models for gene regulation”, 2004 (http://compdiag.molgen.mpg.de)
17
• A table of parameters that describe a conditional distribution for each variable given its parent --- Conditional Probability Table
16
Acknowledgement to Florian Markowetz
Techniques of CBRN
• Mutual Information (Butte & Kohane, Pac. Symp. Biocomput, 2000)
– Entropy
H ( A) = −∑ p( xi ) log 2 ( p( xi ))
i =1 n
– Removing low-entropy variables (e.g., genes) – Mutual information
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Why Pathway Analysis?
• So far, Microarray analysis provides us a snapshot of thousands of gene expression profiles in a cell, e.g., DE genes, clusters of similar-expressed genes • But, it is more important to investigate the regulatory relationship among genes, e.g., does Gene A regulate Gene B?
– i.e., a collection of standardized facts extracted from biological literature
8
Procedure of RBIN
• List Connectedness:
– Extracting all interactions involving the members of the list – Calculating the probability that these interactions occur in a randomly selected collection of objects
An Example of RBIN
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Correlation-based RN (CBRN)
• Butte et al., 2000 • Using Pearson’s correlation or mutual information to construct the correlation matrix • Setting the threshold to assign zero to the small values • Absence of edges indicates that genes are not correlated • Finally, a pairwise and non-directional network was constructed 11
• Proteomics
– Types of Proteomics – Steps in Expressional Proteomics – Technologies for Proteomics – Genomics vs. Proteomics
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