第4章基因组转录组和蛋白组
基因组、转录组和蛋白组
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Figure 3.1. The genome, transcriptome and proteome.
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• 基因组的表达不仅仅是一个遗传信息由 DNA-RNA-蛋白质的一个过程，这个法则忽 略了信息流由基因组到蛋白质组传递过程 是被调控的，这个过程每一步都是受到调 控，从而使得转录组和蛋白组的成分能够 做出迅速和准确的改变，并能使细胞调整 自己的生化状态能对外界的刺激做出反应，
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• 用生物素酰化的oligo（dT）引导合成cDNA第一链，再合成双链cDNA， 用专门识别4bp碱基的锚定酶（anchoring enzyme），如NlaIII(识别位 点为CATG)消化合成的双链cDNA,释放5‘序列，而生物素酰化的3’端仍 被吸附在链霉亲和素蛋白磁珠（streptavidin－coatedbeads）上
基因芯片（Genechip）
DNA微阵列(DNA Microarray)
• 原理
– 基本原理与传统的核酸印迹杂交（Southern blot, Northern blot）相 似，是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。所谓核酸探针 只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接上一些可检测的物 质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特 定基因，当探针与芯片上的靶基因杂交后，经严格的洗涤，除去 未杂交或部分配对的探针DNA分子（正常配对的双链热力学稳定 性比错配双链高），用荧光检测仪定量分析杂交信号强度，由于 探针与靶基因完全配对时产生的荧光信号强度比含一个或两个错 配碱基的杂合分子高数十倍，因而精确测定荧光信号即可实现检 测的特异性。同时通过检测每个靶基因分子的杂交信号强度，就 可获得样品分子的数量和序列信息。
基因组 转录组和蛋白组的数量关系
基因组转录组和蛋白组的数量关系
基因组、转录组和蛋白组的数量关系可以从以下几个方面来理解：
1. 信息量：基因组的信息数据产量最大，通量最高；转录组的信息量居中；蛋白组的数据产量最小，通量最低。
2. 完整信息对生物性质的指导意义：基因组的完整信息对生物性质的指导意义最小；蛋白组的完整信息对生物性质的指导意义最大，然而由于其数据量巨大，目前很难完全获取。
3. 技术手段：基因组和转录组现在都是用下一代测序（NGS）技术，而蛋白组用的是质谱技术。
综上所述，基因组、转录组和蛋白组在数量关系上呈现出不同的特点，其中基因组的信息量最大，转录组居中，而蛋白组的信息量虽然最小，但其完整信息对生物性质的指导意义最大。
在实际研究与应用中，需要综合考虑这些因素，选择合适的技术手段和策略来获取所需的信息。
分子生物学基因组转录组蛋白组ppt课件
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C. 烟草花叶病毒的感染实验
对病毒的研究逐渐深入以后，发 现一些植物的病毒仅含有RNA没 有DNA。
当用烟草花叶病毒（TMV）的 RNA和蛋白质分别进行感染试验， 发现只有RNA才能诱发感染。
RNA也是遗传物质
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蛋白质
RNA酶 处理
RNA
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2.2 The structure of DNA
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• 基因组表达的最初产物是转录组，即那些含有细胞在 特定时间所需生物信息、编码蛋白质的基因衍生而来 的RNA分子的集合。
• 转录组中的RNA分子以及其他来自非编码基因的RNA 都由转录过程产生。
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3.1 The structure of RNA
2’, 3’-环磷 酸二酯
A, C, G, U
核糖
1. 稳定性差 2. 主要以单链形式存在
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(1) (2) (3)
(4)
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这表明无毒性的R型活细菌在与被加热杀死的S型细菌混合后， 转化成了有毒性的S型活细菌。这些转化成的S型细菌的后代也是 有毒性的S型细菌，可见这种性状的转化是可以遗传的。 1944年，艾弗里从S型活细菌中提取了DNA，蛋白质和多糖等 物质，然后分别加入到培养R型细菌的培养基中。结果发现只有 加入DNA时， R型细菌才能转化成S型细菌。 通过上述研究表明，DNA是使R型细菌产生转化的物质，所以 DNA是遗传物质。
转录组和蛋白组
利用2-D gel 结合实时定量进行研究，创新点是推测出丙酮酸的 代谢流向饱和脂肪酸，从而增强了膜的rigidity and impermeability.
2011：
转录组：基因芯片技术
蛋白质组：2D-DIGE技术
在0.2%的 oxgal中培养，316基因，42个蛋白质发生显著变化。
Results and Discussion
（3） Bile induces common stress response in GG
. （4） Bile affects central
metabolic processes
典型文章
实验手段：DNA 芯片和实时定量PCR。
• Bile stress can also cause deleterious effects, including protein misfolding and denaturation, DNA damage, secondary structure formation in RNA, and intracellular acidification .
基因组（genome）：指的是细胞或生物体中所有 的DNA，包括所有的基因和基因间隔区。
转录组具有时空特异性
From Sanger to Next Generation Sequencing
2、蛋白组学技术的介绍
蛋白质组(Proteome)：指由一个基因组或一个细胞、 组织表达的所有蛋白质。
(1) Ox bile extract promotes induction of general stress response proteins the maturation of newly synthesized proteins, refolding and degradation
转录组 蛋白组
转录组蛋白组
转录组和蛋白组是生物学研究中重要的两个层面。
转录组是指一个细胞或组织中所有转录RNA（mRNA）的集合。
转录组研究可以揭示基因表达的调控机制、基因功能及其与疾病的关系。
而蛋白组则是指一个细胞或组织中所有蛋白质的集合。
蛋白质是细胞中最重要的分子之一，不仅参与到基本代谢和细胞信号转导过程中，还担负着许多生物体内的重要功能。
转录组和蛋白组之间的关系密切。
通过对转录组数据的分析，可以预测某些基因编码的蛋白质的表达情况。
而对蛋白组数据的研究则可以揭示出蛋白质的功能、结构及其与疾病的关系。
综合分析转录组和蛋白组数据，可以更深入地理解生物体内基因表达和蛋白质功能之间的关系，从而揭示出许多生物过程的本质。
转录组和蛋白组研究的方法也在不断地发展和完善。
随着高通量测序技术和蛋白质质谱技术的不断更新，转录组和蛋白组数据的获取和分析变得更加高效和准确。
这些技术的发展不仅加速了生物学的研究进程，也为医学研究和临床应用提供了更多的可能性。
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阐述基因组学转录组学蛋白质组学的概念
阐述基因组学转录组学蛋白质组学的概念基因组学、转录组学、蛋白质组学这三个词听起来是不是有点儿让人头大？一听到“组学”两个字，就觉得像是啥高深的学问似的，怕是咱们这些平常人理解不了。
不过，说真的，这些其实都是些非常酷且有趣的东西，能帮我们了解生命到底是怎么运作的！就像是给我们的身体开了一扇“内幕”的窗，让我们窥视那看不见的世界。
你知道吗？这些学科的诞生，让科学家能一步一步地“拆解”生命的密码，简直就像破译一个超级复杂的密码本，一点点的解锁着隐藏的秘密。
先说说“基因组学”。
咱们的基因其实就像是一本“生命手册”，里面记录了我们所有的遗传信息。
从你眼睛是大是小，到你喜欢吃辣还是不敢碰辣，甚至到你个子高不高、头发是黑是棕，基因都能给你做出详细的“说明书”。
而基因组学呢，就是研究这些“说明书”里的内容。
它通过分析我们所有的基因，帮助我们搞清楚这些基因到底是如何影响我们的健康、性格、甚至寿命的。
想象一下，如果你拿到一本特别厉害的“说明书”，它能告诉你这本书里每一条信息是怎么影响你的一生，那不是太酷了吗？再来说说“转录组学”。
这玩意儿好像听着就有点抽象，是吧？它比你想象的简单多了。
咱们的基因虽然是DNA做的，但它不直接就做事，而是得经过一个“中介”——RNA，才把“信息”传递给身体。
转录组学就是研究这些RNA的内容和功能。
简单来说，基因相当于是一个大老板，而RNA就是它的“助理”，负责把大老板的指令传达出去。
你想啊，这个过程就像是一个公司里老板和员工之间的沟通一样，老板有了好主意，员工得跟着做，才能让公司运作起来。
转录组学帮助我们理解这种信息传递的方式，弄清楚各种RNA是如何协同工作的，能告诉我们这些RNA在不同的生理和病理状态下到底发生了啥变化。
至于“蛋白质组学”，这个就更有意思了！咱们身体里所有的细胞，甚至细胞里的每个小零件，都是靠蛋白质来运作的。
蛋白质不仅是细胞的“构件”，更是维持生命运作的“动力源泉”。
基因组、转录组和蛋白组PPT演示文稿
基因芯片（Genechip）
DNA微阵列(DNA Microarray)
• 原理
– 基本原理与传统的核酸印迹杂交（Southern blot, Northern blot） 相似，是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。所谓核酸探 针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接上一些可检测的 物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别 特定基因，当探针与芯片上的靶基因杂交后，经严格的洗涤，除 去未杂交或部分配对的探针DNA分子（正常配对的双链热力学稳 定性比错配双链高），用荧光检测仪定量分析杂交信号强度，由 于探针与靶基因完全配对时产生的荧光信号强度比含一个或两个 错配碱基的杂合分子高数十倍，因而精确测定荧光信号即可实现 检测的特异性。同时通过检测每个靶基因分子的杂交信号强度， 就可获得样品分子的数量和序列信息。
• 蛋白质组
– 一个细胞合成的功能蛋白质的总和。
• 蛋白质组学
– 是人类基因组计划研究发展的基础上形成的交叉学科， 主要是从整体水平研究细胞内蛋白质的组成，结构及
其自身特有的活动规律
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蛋白质组研究的意义
• 基因虽是遗传信息的源头，而功能性蛋白是 基因功能的执行体
• 蛋白质本身的存在形式和活动规律，如翻译后修 饰、蛋白质间相互作用以及蛋白质结构等问题，必 须要依赖于对蛋白质组学的研究来解决。
• SAGE的应用
– 确定不同组织或细胞的表达谱，并能确定基因 的表达丰度
• 1995年Velculescu等首次从人类胰腺中得到了1000 个标签，其中351个（41.6％）只出现一次，77个 标签出现多次，10个丰度最高的标签中有9个至少 与Gent ligates to the cDNA contains
转录组学 与蛋白组学的区别
转录组学与蛋白组学的区别
转录组学和蛋白组学是生物学研究中的两个重要分支，它们各自从不同的角度研究生物体中的基因组和蛋白组，有着明显的差异和特点。
转录组学是指对生物体内所有mRNA的转录进行全面的研究和分析，属于基因组学的范畴。
它涉及到全基因组的检测，能够全面了解基因的转录和表达情况，彻底揭示基因的功能和调控机制，所以被广泛应用于识别新基因、功能研究、生物进化等方面。
转录组学的核心技术是RNA测序技术，通过高通量测序技术可以快速鉴定转录产物的种类和数量，这在揭示生物个体个体在分子水平上异质性方面也提供了很多的线索。
而蛋白组学则着重研究蛋白质的种类、定量、结构和功能等方面的问题。
通常来说，它的研究对象是生物体内的所有蛋白，而不是仅仅探寻转录产物。
因此，蛋白组学更多地关注蛋白质在生命活动中所起的作用和相互作用，试图从而全面理解生物的生命活动。
蛋白组学的核心技术是质谱技术，可以精确分析蛋白质的质量、定量和结构等信息，能够鉴定蛋白质的 post-translational modification 等变化，这为分析蛋白质复杂互作网络提供了基础。
总体来说，转录组学和蛋白组学的研究对象和关注点是不同的。
转录组学关注基因组的转录情况，侧重于探究基因的转录、调控机制和表达情况；而蛋白组学则关注蛋白质的结构、功能和相互作用等方面，旨在全面了解蛋白质在生命活动中的作用和互动关系。
因此，在进行生物学研究时，可以根据具体问题选取不同的技术方法，开展相应的研究工作。
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转rial analysis of
gene expression (SAGE) （三）利用DNA chip 可以比较不同的转录组 （四）大规模平行信号测序系统
MPSS(massively parallel signature sequencing,MPSS)。
编码和非编码RNA
• 细胞的RNA含量可以分为两类
– 编码RNA – 非编码RNA
编码和非编码RNA
– 编码RNA
• mRNA • 4% • 寿命短
– 细菌的mRNA半衰期几分钟， – 真核细胞大部分mRNA的半衰期也只有几小时 – 转录组的成分不是固定的，可以通过快速的改变
mRNA的合成来改变
转录组
Transcriptomes
• 转录组是特定细胞在某一功能状态下 所能转录出来的所有RNA的总和，包 括ｍＲＮＡ和非编码ＲＮＡ。
• 蛋白质是行使细胞功能的主要承担者，蛋白质组 是细胞功能和状态的最直接描述，而由于目前蛋 白质实验技术的限制，转录组成为研究基因表达 的主要手段。转录组是连接基因组遗传信息与生 物功能的蛋白质组的必然纽带，转录水平的调控 是目前研究最多的，也是生物体最重要的调控方 式。
基因组、转录组和蛋白质组
Genomes, Transcriptomes and Proteomes 结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学
概念
• 基因组
– 是指一个单倍体细胞中遗传物质得总量。染色体或基 因
• 转录组
– 一个细胞全部的mRNA 含量，是一个细胞在某一阶段 必须的生物信息，这些RNA分子会指导合成基因组表 达的最终产物，蛋白质组。
编码和非编码RNA
• 非编码RNA
– rRNA – tRNA – 真核生物特有的RNA
• 小核RNA（Small nuclear RNA） (snRNA; 也叫 URNA ）参与前体mRNA的剪接
• 小核仁RNA(Small nucleolar RNA) (snoRNA),参与rRNA前体 的加工以及 核糖体亚基的装配。
• 小胞质RNA(scRNA), 包括几种，有些功能已知，有些功能还 未知
小核RNA（ snRNA,核内小RNA）
• 存在于真核细胞的细胞核内，为小分子核 糖核酸，长度为106-189个核苷酸。
• 作用：参与hnRNA 的剪接和转运。 • hnRNA：核内不均一RNA，是成熟mRNA
的前体。
Figure 3.3. The RNA content of a cell. This scheme shows the types of RNA present in all organisms (eukaryotes, bacteria and archaea) and those categories found only in eukaryotic or bacterial cells. The noncoding RNAs of archaea have not yet been fully characterized and it is not clear which types are present in addition to rRNA and tRNA. For abbreviations, see the text.
2. 组织、器官特异性
不同器官或组织的功能不一样
3. 代谢或发育特异性
处于不同代谢阶段（或发育阶段）的结构基因表达亦 不相同
4. 可了相同的，尽管它们cDNA library)的构建
• cDNA:以RNA为模板，在反转录酶的作用的全部mRNA经反 细胞特异性
来自结构基因，仅代表正在表达的基因的遗传信息： 1—5% mRNA，80—85% rRNA，10—15% tRNA
• 开发新蛋白质、获得新基因
Figure 3.1. The genome, transcriptome and proteome.
• 基因组的表达不仅仅是一个遗传信息由 DNA-RNA-蛋白质的一个过程，这个法则忽 略了信息流由基因组到蛋白质组传递过程 是被调控的，这个过程每一步都是受到调 控，从而使得转录组和蛋白组的成分能够 做出迅速和准确的改变，并能使细胞调整 自己的生化状态能对外界的刺激做出反应，
转录组研究的应用领域
1. 无参考基因组的大规模功能基因的发掘(de novo transcriptome analysis);
2. 非编码区域功能研究：Non-coding RNA研究、 microRNA前体研究等
3. 转录本结构研究,包括UTR（Untranslated Regions即非翻译区)鉴定、Intron边界鉴定、可变 剪切研究,融合基因鉴定等
• 蛋白质组
– 一个细胞合成的功能蛋白质的总和。
• 蛋白质组学
– 是人类基因组计划研究发展的基础上形成的交叉学科， 主要是从整体水平研究细胞内蛋白质的组成，结构及 其自身特有的活动规律
蛋白质组研究的意义
• 基因虽是遗传信息的源头，而功能性蛋白是 基因功能的执行体
• 蛋白质本身的存在形式和活动规律，如翻译后修 饰、蛋白质间相互作用பைடு நூலகம்及蛋白质结构等问题，必 须要依赖于对蛋白质组学的研究来解决。
• 任何一种疾病在表现出可察觉的症状之前，就已经 有一些蛋白质发生了变化。因此寻找各种疾病的关 键蛋白和标志蛋白，对于疾病的诊断、病理的研究 和药物的筛选都具有重要意义。
• 肿瘤组织与正常组织之间蛋白质谱差异， 找到肿瘤特异性的蛋白分子，可能会对揭 示肿瘤发生的机制有帮助，目前已应用于 肝癌、膀胱癌、前列腺癌等研究中。