第五章

基因结构和表达变化与疾病的关系

基因结构与表达异常与疾病

• 蛋白质是生命的物质基础，人体各种生命现象和生命过程主要是通过蛋白质的生理功能体现。

• 疾病的本质是由各种原因引起蛋白质的质和量的改变的导致的蛋白质空间结构的紊乱。

• 蛋白质的质和量的改变从分子生物学角度讲，又是基因结构及表达的改变的结果，故基因结构与表达的改变是疾病发生发展的重要机制。

3

第一节 不同基因通过不同机制导致疾病发生

蛋白质功能紊乱是疾病发生的基因病理机制，但不同的基因通过不同机制引起蛋白质功能紊乱。 基因结构改变 环境因素影响了基因的表达 外源致病基因的进入表达：产生了毒性蛋白；产 生了合成非蛋白毒性物 质的酶。

一、基因结构改变导致蛋白质结构或量变化引起疾病

由于体内外各种因素改变了某基因特定的

DNA 序列碱基组成和排列顺序，导致 DNA

一级结构发生改变，改变了基因结构即基因

突变。其分子机制可以是替换、插入或缺失，

因而产生不同的突变类型。

( 一 ) 基因突变的多种类型

1. 点突变是单个碱基的改变：转换和颠换2. 缺失是一个或多个核苷酸的丢失3. 插入是一个或多个核苷酸的增加4. 倒位是一段核苷酸序列方向倒转基因突变还分为配子突变与体细胞突变动态突变指串联重复序列（拷贝数）随世代的传

递而改变。

基因突变的类型

1. 点突变 : 单个碱基的改变 在基因一级结构的某个位点上，一种碱基

被另一种碱基取代。

分为： 转换 （ transition） 颠换 （ transversion）

基因突变的类型

2. 缺失（ delelation）是一个或多个核苷酸的丢失：在基因一级结构中某个位点上，一个核苷酸或一段核苷酸序列丢失造成的基因结构改变。

3. 插入（ insertion）

基因突变的类型

4. 倒位是一段核苷酸序列方向倒转：基因内部的 DNA 序列重组，使一段 DNA

序列的方向倒转。

5. 配子突变与体细胞突变

6. 动态突变指串联重复拷贝数随世代的传递而改变（ dynamic mutation ）

(1)基因突变引起遗传密码的改变：根据基因突变产生的遗传效应不同分为

( 二 ) 不同的基因突变引起不同的遗传效应

a. 同义突变 (consense mutation)

b. 错义突变 (missense mutation)

c. 无义突变 (nonsense mutation)

d. 移码突变（ frame-shifting mutation）

•同义突变 (same sense

mutation)：密码子发生改变 ,

但所编码的氨基酸不变。

例如： CUU CUC CUG → 亮氨酸

• 错义突变（missense mutation ）

指 DNA 分子中碱基的取代，经转录产生的mRNA 后，相应密码子发生改变，编码另一种氨基酸，使蛋白质中的氨基酸组成和排列顺序发生改变。

由于碱基的取代、缺失或插入，使原来编码某种氨基酸的密码子变成一个终止密码子的基因突变叫无义突变 (nonsense mutation) 。

•亮氨酸的密码子 UUA ，中间的 U 变为 A 这样一个碱基变化就会成为（终止密码子） UAA 。

•酪氨酸的密码子是 UAC，置换突变使 UAC变为密码子UAG后翻译便到此停止。

无义突变：

• 指 DNA 链上插入或丢失 1 个、 2 个甚至多个碱基（但不是三联体密码子及其倍数），在读码时，由于原来的密码子移位，导致在插入或丢失碱基部位以后的编码都发生了相应改变。移码突变造成的肽链延长或缩短，取决于移码终止密码子推后或提前出现。

移码突变 (frame-shift mutation)

(2) 基因突变影响 hnRNA 的剪接

基因突变发生在 hnRNA 的一级结构上特定的剪接位点上，导致 hnRNA

的剪接错误，产生异常的 mRNA ，最终产生异常的蛋白表达产物，改变生物性状。

(三 ) 结构基因改变导致蛋白质变化引起疾病

1. 血红蛋白病 (hemoglobinopathy)：

• 血红蛋白 (hemoglobin, Hb) 的结构特点

• 珠蛋白 (globin) 基因的时、空特异性表达

血红蛋白结构• 血红蛋白是由 4 条肽链（两个 α 和两个 β 链）组成的。每

条肽链都类似于肌红蛋白的肽链，都结合一个血红素。

•血红蛋白的脱氧（ T ）和氧合（ R ）构象在氧的亲和性方面有很大区别。由于结构上的相互作用是与它的三级和四级结构有关，所以血红蛋白在结合氧的过程中显示出别构效应和协同性。

• 血红蛋白分子一级结构上的轻微差别就可能导致功能上的很大不同，正常成年人血红蛋白中的 β 链的第六位的谷氨酸残基被缬氨酸取代就会导致镰刀形细胞贫血病的异常血红蛋白 HbS 的生成。

血红蛋白病——镰刀形细胞贫血症

血红蛋白病类型异常血红蛋白: 珠蛋白结构(质)变异，导致贫血。

地中海贫血 : 珠蛋白合成 (量 )减少，又称

珠蛋白合成障碍性贫血。

20

四、基因调控序列变异导致表达水平变化引起疾病

• 通过对 β 珠蛋白基因的转录调控序列研究，发现这些调控序列如发生基因突变，就会降低 β

珠蛋白基因的转录水平， β 珠蛋白合成减少，引起 β 型地中海性贫血。

• 除了调控序列改变会影响相应基因的表达外，基因内的内含子变异也会影响蛋白质合成。

二、细胞间信号异常导致基因表达异常引起疾病 人体各细胞间通过激素、神经递质、旁分泌信号

等保持细胞间的联系，调节彼此的代谢。基因表达也受到细胞间信号的调控。通过细胞间信号传递，能保证基因表达的时间特异性和空间特异性以及表达水平正常。

• AFP 是胚胎发育过程中表达的蛋白，具有免疫抑制作用，保护胎儿免受母体免疫攻击。在接受异常的细胞增殖信号作用下，其基因表达，导致肝癌细胞逃避机体免疫监视。成为肝癌发生的重要因素。

三、细胞内因素导致基因表达异常引起疾病• 异常的细胞内信号导致基因表达异常引起疾病 高血糖 → DAG↑ → PKC → ACE → Ang ↑⊕ ⊕ Ⅱ

• 异常的 DNA 甲基化导致基因表达异常引起疾病 hCG5‘ 转录起始区低甲基化→非滋养层细胞 hCG ↑ → 受体结合→ ⊕ cAMP 信号途径 →调节其它生长因子产生，促进 Tumor 形成 ↑

刺激蛋白质合成 心肌肥大

23

• 四、病原生物基因的体内表达

1 、外原病原生物进入人体内，大量繁殖，生长，引起机械或生物学损伤2 、与人体争夺营养，引起疾病3 、产生生物毒素作用人体，引起疾病4 、外源基因的整合到人基因组上，引变了一些基因结构或表达。

二、基因结构和表达与疾病的研究策略

1．通过结构分析确定基因变异 核糖核酸酶切分析、杂合双链分析、 化学切割错配、酶促切割错配

3．通过功能学研究确定致病基因 转基因技术、基因敲除、 反义技术、基因诱导超表达

2．基因表达水平分析 差异显示、抑制消减杂交、基因表达系列分析

核糖核酸酶切分析

基本原理 :

在一定条件下，异源双链核酸分子RNA： RNA或 RNA： DNA 中错配碱基可被核糖核酸酶 RNase识别并切割，通过凝胶电泳分析酶切片段的大小，即可确定错配的位置。

核糖核酸酶切分析（ RNase cleavage ）

缺点：• 当 RNA探针上错配的碱基为嘌呤时，核糖核酸

酶切割效率低甚至不切割；

• 分析 DNA 的一条链，突变检出率为 30% ；同时分析 DNA 的两条链，突变检出率为 70% ；

• 需要制备特异性的 RNA探针

杂合双链分析法 （ heteroduplex analgsis, HA ）

直接在非变性凝胶上分离杂交的突变型 -

野生型 DNA 双链。由于突变型和野生型 DNA

形成的异源杂合双链 DNA 在其错配处会形成单链环形突起，在非变性凝胶中电泳时，会产生与相应同源双链 DNA 不同的迁移率。

检测缺失突变只适于 200-300bp长度片段 ,

且不能确定位置 ,检出率只有 80%.

化学切割错配法 （ Chemical cleavage of mismatch, CC

M ）

基本原理：

将待测含 DNA片段与相应的野生型 DNA

片段或 RNA片段混合变性杂交，在异源杂合的双链核酸分子中，错配的 C 能被羟胺和哌啶切割，错配的 T 能被四氧化锇切割，经变性凝胶电泳可确定是否存在突变。

化学切割错配法

特点：• 突变检出率高；• 如使用荧光检测系统，灵敏度较高；• 可检测长度达 2Kb 的核酸片段；• 步骤多、费时、有毒；• 如对正义链与反义链都进行分析 ,检测率

达 100%.

酶促切割错配 (enzyme mismatch cleavage )

• 酶促切割错配是一种与 Rnase酶切分析相类似的方法 .

• 不同之处是该方法采用的酶是 T4 核酸内切酶Ⅶ能够识别 12 种错配的碱基 ,并在错配碱基附近进行酶切 .优点 :对检测 DNA片段可用 DNA探针杂交检测 .最长检测长度达到 1.5Kb.缺点 :可出现非特异性切割 , 对错配认别也不是 100%.

RFLP--Restriction Fragment Length Polyhmorphism

RFLPs

Microsatellite repeats

35

二、通过基因表达水平分析确定基因在疾病发生中作用

• 人类疾病发生的另一个重要原因是基因表达水平的改变，因基因表达水平的改变涉及的往往不是单一基因，而是多基因，即一些基因表达增加，一些基因表达降低，导致由其编码蛋白组成的代谢及调节系统异常，引发疾病。

• 因此通过基因水平找到正常与疾病状态下的差异表达基因，确定其在疾病中作用。

• 方法： Northern杂交法，消减杂交技术、差异显示法、定量 RT-PCR 、基因表达芯片等．

差异显示技术 (mRNA differential display reverse transcription chain reaction, DDRT-PCR)

在不同的生长时期、在个体的发育与分化的不同阶段、在生物体对疾病的反应以及不同的环境下调控基因的表达是不同的，这就是基因的差别表达（ differential expression）。

原理：利用两组特殊的引物对差别表达的基因进行扩增。3’端引物：利用 mRNA的 poly A尾巴设计。根据 mRNA结构分析知道， poly A尾巴之前的两个碱基只有 12 种可能的排列组合：

根据这 12 种排列组合，设计 12 种不同的引物，这样就将所有 mRNA 分成了 12 组。这些引物由 11~12个T 及两个其它的碱基组成，用通式 5’-T11MN 或 5’-T12MN 表示， M为 A、 G、 C 的任一种， N为A、 G、 C、 T 的任一种。这种引物称锚定引物。

5’端引物： 5’端为 10 个碱基（ 10-mer ）组成的随机引物。每一个随机引物都可能与总 mRNA 中的某一些分子发生杂交，杂交位点也可能在 mRNA 的不同位点上。

用一种 3’锚定引物和一种 5’ 随机引物进行扩增，可获得 50~100条 100~500bp的 DNA扩增带。为了要寻找更多的 DNA差异带，应使用全部的 12 种锚定引物以及尽可能多的 5’ 随机引物。

• 抑制性差减杂交 (SSH) --- Diatchenko

L, et al. PNAS 1996; 93:6025-6030

• Suppression subtractive

hybridization: a method for

generating differentially regulated or

tissue-specific cDNA probes and

libraries

抑制性差减杂交 (suppressive subtractive hybridization, SSH)

• 原理 SSH 是差减杂交与 PCR 结合的快速分离差异基因的方法。运用杂交动力学原理，丰度高的单链 DNA

退火时产生同源杂交的速度快于丰度低的单链 DNA ，使不同丰度的单链 DNA得到均衡；抑制 PCR利用链内退火优于链间退火的优点，使非目的基因片段两端反向重复序列在退火时产生类似发卡的互补结构 , 无法作为模板与引物配对，选择性地抑制了非目的基因片段的扩增，从而使目的基因得到富集、分离。

方法• 提取实验组和对照组 mRNA 合成双链 cDNA ，

经识别 4 碱基的限制性内切酶切割

• 实验组 cDNA 平均分为 2 份，分别连接 2个接头

• 进行 2轮差减杂交和抑制性 PCR

• 获得富集的目的基因

抑制性 差减杂交 (SSH)

流程图

检测组 (Tester) — 含目的基因 cDNA ，加接头驱逐组 (Driver) — 不含目的基因 cDNA ，不加接头 * 接头含 PCR 引物

正向 SSH: 易感者 (Tester) + 不易感者 (Driver)

易感者特异表达或高表达基因 反向 SSH: 不易感者 (Tester) + 易感者 (Driver)

不易感者特异表达或高表达基因

抑制性差减杂交 (SSH)

• 优点 采用两次差减杂交和 PCR ，保证了高特异性 ( 假阳性率可降至 6 ％ ); 在杂交过程中可使不同丰度基因均衡化，获得低丰度差异表达基因 ; 操作相对简便，是目前分离新基因的主要方法

• 缺点 起始材料需要 g 级量 mRNA; SSH 差减克隆片段较小，获取 cDNA全长序列有一定难度

抑制性差减杂交 (SSH)

• Elkeles A,et al. Mol Cell Biol 1999; 19: 2594-2600

• The c-fos proto-oncogene is a target for transactivation by the p53 tumor suppressor

• 采用 SSH法证实 , 在 p53介导的细胞凋亡过程中， c-fos是p53转录刺激的靶基因 , 从而提供了这两种重要调控蛋白相互作用的直接依据

抑制性差减杂交(SSH)

Kostic C and Shaw PH. Oncogene 2000; 19:3978-3987

Isolation and characterization of sixteen novel p53 response genes

通过 SSH比较了 p53 缺失和含 p53 的结肠癌细胞株间基因差异表达，发现 16个 p53依赖的下游靶基因

抑制性差减杂交 (SSH)

基因表达系列分析(Serial Analysis of Gene Expression, SAGE)

是一种用于定量、高通量基因表达分析的实验方法 (Velculescu et al., 1995)。 SAGE 原理 : 分离每个转录本的特定位置的较短的单一的序列标签（约 9-14 个碱基对），这些短的序列被连接、克隆和测序，特定的序列标签的出现次数就反应了对应基因的表达丰度。

Serial analysis of gene expression (SAGE) 技术流程

反转录酶切 连接

测序

单条测序＝＝对 30 － 40 条 EST 测序

分析

由于采样量大大提高，可对低表达基因进行分析：基因表达量分析、寻找新基因等等

实验步骤较长要求较

实验步骤较长要求较

高高

转基因技术

指在生物基因组中带有插入或整合入

的外源基因，生物个体能将它一传给后代，并表达出该基因的生物活性物质，从而使受体生物获得新的性状。

Transgenic Animal

• Animal in which a segment of DNA has been physically inserted into the genome.

• The genome of all cells of the organism contains the DNA segment.

• The DNA segment is present in the germ line so it can be transmitted to progeny as a Mendelian trait.

Retroviral Mediated Gene Transfer

MoMuLV Producing Cells

Mouseembryos

Insertion of viral DNA containingtransgene into embryos

Transgenic Mouse

X

1-cell pronuclear stagemouse embryo.

PMS + HCGto superovulate

Pregnant Foster Mother

Oviduct Transfer

++

2-cell stage embryo

Holding PipetteInjection Pipette

基因敲除（ Knock out ）

Step 1. Isolate developing embryo at blastocyst stage. This embryo is from a strain of mice with gray

fur.

Step 2. Remove embryonic stem cells from gray-fur

blastocyst. Grow stem cells in tissue culture.

Step 3. Transfect stem cells with homologous recombination construct. Select for homologous recombination by growing stem cells in neomycin and GCV.

+ neomycin + gancyclovir

Step 4. Remove homologously recombined stem cells from petri dish and inject into a new blastocyst that would have only white fur.

Step 5. Implant several chimeric blastocysts into pseudo-pregnant, white fur mouse.

Step 6. Mother will give birth to a range of mice. Some will be normal white fur mice but others will be chimeric mice. Chimeric mice have many of their cells from the original white fur blastocyst but some of their cells will be derived from recombinant stem cells. Fur cells from recombinant stem cells produce gray patches which are easily detected.

Step 7. Mate the chimeric mice with wild-type white fur mice. If the gonads of the chimeric mice were derived from recombinant stem cells, all the offspring will have gray fur. Every cell in gray mice are heterozygous for the homologous

recombination.

Step 8. Mate heterozygous gray mice (+/ H) and genotpye the gray offspring. Identify homozygous recombinants (H / H) and breed them to produce a strain of mice with both alleles knocked out. The pure breeding mouse strain

is a "knockout mouse".

                                                                                                                                            knockout mouse

核酶技术确定基因在疾病中的作用

1. RNA 分子，催化核糖体 RNA 中内含子的自我拼接；除了催化 RNA 的剪切，还可催化 DNA

的剪切、 RNA 的聚合、 RNA 链的复制等。2. 优点 : 其底物的碱基配对特异性。核酶与底物

结合常形成“发夹”结构或“锤头”结构。3. 设计核酶特异性地结合于靶点，以其本身酶活

性进行剪切。

What is RNAi ?

• RNA干扰（ RNA interference， RNAi ）• 内源性或外源性双链 RNA介导的细胞内 mRNA

发生特异性降解，导致靶基因的表达沉默，产生相应的功能表型的缺失现象。

转录后基因表达抑制现象的发现

＋CHS Gene

矮牵牛花

(Jorgensen, R, 1990)

RNAi 现象的发现

线虫（ C. elegans)

(Fire, 1998)

+

Par-1 Gene Disruption Expression

DownDouble Strand RNA

线 虫， 果 蝇微生物， 植 物 线 虫， 果 蝇微生物， 植 物

dsRNA

Dicer cleavage of dsRNA

siRNA

RNAi 抑制基因表达的机理

siRNA associatedWith RISC complex

Cell Membrane

5’P OH3’Target mRNA

RNA干扰 (RNA interference, RNAi) RNAi 是将一段双链的 RNA 序列导入机体或细胞中 ,机体或细胞中与之有同源序列的基因的表达将会受到抑制 ,甚至表达受到完全抑制

基因诱导超表达技术确定基因在疾病中的作用

将目的基因全长序列与高活性启动子或组织

特异性启动子融合，经过转化后，在诱导剂的作用下或在特定的组织细胞中，目的基因超表达，相应的基因表达产物大量积累。比较加入诱导剂前后的表型变化，从而确定目的基因在疾病发生中的作用。

三、疾病相关基因的功能克隆和定位克隆

1． 疾病相关基因

2． 功能克隆

3． 定位克隆

疾病相关基因与疾病

• 单基因病 ( 一个基因位点上的缺陷 )

• 多基因病 (涉及两个以上的基因位点 )

• 染色体病 (染色体结构与数目的改变 )

• 获得性基因病 (遗传易感性或病原微生物 )

功能克隆 (Functional cloning)

以获得的蛋白质表达及功能信息为线索，

分离鉴定出相应的基因，叫未知基因的功能克隆。

基因克隆（gene cloning)

• 功能克隆（ functional cloning ）

--- 根据特异蛋白质分离目的基因的策略

• 表型克隆（ phenotype cloning ）

--- 根据特异 mRNA 分离目的基因的策略

功能克隆 　氨基酸序列　　核苷酸序列　　 PCR

特异蛋白质 　 目的基因 　抗体 　基因文库筛选评价优点 -- 在单基因性状的基因分离方面仍为常用策略缺点 -- 特异蛋白质确定、鉴定及其纯化困难 *

-- 难以分离微量表达基因 -- 无法研究无蛋白质产物的基因 -- 难以进行多基因控制性状的基因分离

通过蛋白质的抗原抗体反应分离鉴定未知基因

• 基因转录后在核糖体上翻译合成蛋白质，形成核糖体 -mRNA- 蛋白质产物部分氨基酸序列的复合体，运用抗体与蛋白质产物的免疫共沉淀反应，可以分离此复合体，进而分离到 mRNA ，最终克隆到未知基因。

西红柿女孩西红柿女孩一女孩患苯丙酮一女孩患苯丙酮尿症，不食尿症，不食““人人间烟火间烟火””，仅能，仅能吃西红柿。吃西红柿。智力发育不全、严重的呕吐，皮肤、毛发颜色变浅，虹膜颜色减退、尿、汗有特殊腐臭。目前以低苯目前以低苯丙氨酸饮食治疗。丙氨酸饮食治疗。

定位克隆

• 又称为“逆向遗传学”，始于 20世纪 80 年代后期

• 利用遗传连锁或细胞学定位技术将致病基因定位于染色体的特定区带。

• 定位：通过连锁分析找出与目的基因紧密连锁的遗传标记在染色体上的位置。

• 克隆：从定位的染色体区段内分离克隆所要的基因，并进一步研究其功能。

疾病

遗传标记，染色体定位

基因序列

mRNAcDNA 蛋白质产物

生物学功能

疾病疾病

基因基因

功能功能

定位克隆：通过遗传标记 ，先获得某一表型基因在染色体上的定位 ，再在候选区域内选择已知基因，进行致病突变的筛选 ，并获得 cDNA 及全基因。

基本思路是通过连锁分析原理进行基因定位。 若多态标记与待定基因距离较远 ，则它们在向子代传递时会发生自由分离 ，呈“连锁平衡”；反之 ，则不发生自由分离 ，而呈现“共分离”现象 ，即“连锁不平衡”。据此可在染色体上定位与某一 DNA标记相连锁的基因。

1. 将基因定位于染色体

特定区段

2. 候选基因筛选鉴定

定位克隆的主要步骤之 一是将目标基因定位于特定染色体上。

主要方法： 家系遗传调查分析法、染色体断裂点分析 （家系选择、分离分析、连锁分析） 体细胞杂交法 核酸杂交技术 突变分析技术

家系遗传分析法• 选择一个含有 40 多个能提供信息的减数

分裂事件的三代以上 的家系，要排除家系的异质性；

• 除了对照基本遗传表型的各种表现型的几率外，还要考虑外显不全；以数学计算机模型模拟分析；

• 选择一定的遗传标记，进行基因分型，确定疾病基因在染色体上的位置。

基因连锁分析• 连锁分析主要是应用限制酶片段长度多态性（ RFLP ）为

遗传标志进行家系分析

– 在人类基因组中，平均约 200 bp 可发生一对变异 （称为中心突变 ）

• 中心突变造成了序列上的多态性，不少序列多态性发生在限制酶识别位点上，产生了限制酶酶切位点的多态性

• 用该限制酶水解 DNA 就会产生长度不同的片段，称 RFLP 。

定位候选克隆• 该方法是定位克隆的进

一步发展• 将疾病相关基因定位于染色体相关区域

• 该染色体区域得到若干候选基因

• 进一步分析得到目的cDNA

• 蛋白质功能研究

疾病

染色体定位

若干候选基因

确定目的基因

蛋白质功能

cDNA筛选　染色体定位只是定位克隆的其中一步。由于ｃDNA筛选、确认的困难 ，是定位克隆策略的“瓶颈”。

目前获得基因序列的方法大致有 :

(1)对 < 500kb 的关键部位进行直接测序；

(2)比较基因组作图和测序；

(3) 基因结构特征分析；

(4)cDNA捕获，主要有Ｃ pG岛捕捉层析法、

外显子捕捉法、直接筛选 PCR法等方法

cDNA筛选•直接法：用基因组 DNA直接从 cDNA文库中筛选位于该基因组片段内的cDNA。

•选择法：将基因组 DNA固定在膜上，与总 cDNA或 cDNA文库的 PCR 产物杂交，找到能杂交到膜上的 cDNA片段，再用 PCR扩增这些 cDNA片段。

通过 EST 拼接• 如：已知小鼠某基因在人当中有高度同源序列• 用该小鼠 cDNA比对人的 EST数据库• 得到一簇 EST后，将相邻的 EST通过相互重

叠部分进行拼接。• 得到人对应的完整 cDNA的序列后，两端设计

引物在 cDNA文库中进行 PCR，得到该 cDNA的克隆。

• 至此，与小鼠对应的人的该基因得以克隆出来。

基因芯片技术的应用• 使用传统方法寻找新基因，不仅需要投入大量的资金，而且针对性不强，效率低下，大部分工作繁琐重复。

• 通过基因芯片分析正常组织和疾病组织基因表达情况的差异，往往能够从那些表达异常的基因中发现新的致病基因。

四、 HGP 与疾病相关基因的研究

随着人类基因组草图测定的完成，宣告了“ 后基因组时代 ”的到来。功能基因组学成为研究的重心，蛋白质组学的研究受到了空前的关注，也为疾病相关基因的克隆创造了条件。

同一种细胞或组织，处于不同的状态（生理与病理等），发育的不同阶段，受到外界的不同影响时，都可能使细胞中蛋白质的情况产生相应的变化，从而产生不同的蛋白质组。蛋白质组学关注和研究的就是这些变化。

研究蛋白质与疾病相互关系的方法

•ELISA•免疫印迹•免疫沉淀•蛋白质亲和层析•毛细管电泳

噬菌体展示技术噬菌体展示技术

丝状噬菌体基因丝状噬菌体基因基因基因 编码产物编码产物 功能功能

gIgI pIpI 噬菌体装配噬菌体装配gIIgII pIIpII 噬菌体基因组复制噬菌体基因组复制gIIgII pIIIpIII 尾端外壳蛋白，与尾端外壳蛋白，与 FF 因子结合因子结合gIVgIV pIVpIV 噬菌体装配噬菌体装配gVgV pVpV 噬菌体基因组复制噬菌体基因组复制gVIgVI pVIpVI 外壳蛋白，末端外壳蛋白，末端““塞子塞子””gVIIgVII pViIpViI 外壳蛋白，高度疏水，组装起始信号外壳蛋白，高度疏水，组装起始信号gVIIIgVIII pVIIIpVIII 主要外壳蛋白主要外壳蛋白gIXgIX pIXpIX 外壳蛋白，高度疏水，末端外壳蛋白，高度疏水，末端““塞子塞子””gXgX pXpX gIIIgIII启动子激活蛋白启动子激活蛋白

建 库

筛选

核糖体展示 (ribosome display)

• 核心是利用体外核糖体表达载体构建 sc Fv

抗体库 ,并于体外转录为 m RNA, 体外翻译表达 , 随后以固相化的抗原分子亲和筛选出核糖体 -m RNA-sc Fv 复合物中的高亲和力 sc Fv 。这种技术在实验中不用任何细胞 , 是第一个完全在体外筛选有功能蛋白的方法。

特点

• 不需转化细菌或真核细胞

• 避免了宿主随细胞基因组复制过程中可能丢失而产生的

库 容下降 , 亦解决了因抗体筛选条件不利于宿主细胞生

存而导致抗体丢失这一难题。

• 由于核糖体展示技术的体外翻译、体外筛选的特点 , 大

大缩短了实验周期 , 具有省时省力、方便快速的特点。

蛋白质组分离技术蛋白质组分离技术双向凝胶电泳技术

• 双向凝胶电泳技术 (2DE) ：又称二维电泳，其原理是在相互垂直的两个方向上，分别基于蛋白质不同的等电点和分子量，运用等电聚焦(isoelectric focusing ， IEF) 和十二烷基硫酸钠—聚丙烯酰胺凝胶电泳 (SDS-PAGE)，把复杂的蛋白质混合物中的蛋白在二维平面上分离展开。完整的双向凝胶电泳分析，包括样品制备、等电聚焦、平衡转移、 SDS—PAGE 、斑点染色、图像捕捉和图谱分析等步骤。

双向凝胶电泳技术的应用• 用于分离细胞或组织蛋白质粗提物• 构建特定组织或细胞的蛋白质“二维参考图谱”；• 分析特定时间与病理、生理状态下蛋白质的表达情况，进行蛋白质组差异比较。

• 已构建特定组织或细胞的蛋白质 2DE图谱数据库• 不同生物、不同器官、组织、细胞的专一性 2DE数据库，为实现对已知蛋白质的分析鉴定、未知蛋白的发现、总结蛋白质结构、性质与功能的规律以及实现模拟与预测等奠定了基础。

1 ．疾病的蛋白质组研究 （ 1 ）肿瘤蛋白质组研究 （ 2 ）心血管疾病蛋白质组研究 （ 3 ）神经系统疾病研究 2 ．病原微生物的蛋白质组研究 3 ．蛋白质组药物开发

生物信息学主要研究领域• ⑴ 建立和管理各种生物信息数据库• ①核酸序列数据库• ②三维结构数据库• ⑵基因组序列信息的提取和分析• ①序列比对（ Alignment ）和结构比对• ②蛋白质结构预测• ③蛋白质编码基因的计算机辅助识别• ④非编码区分析和 DNA语言研究• ⑤ 分子进化和比较基因组学 、遗传密码的起源• ⑥ 序列重叠群（ Contigs ）的装配• ⑶生物大分子结构模拟及其与疾病、药物设计• ⑷ DNA芯片和微阵列的发展

与疾病的关系研究• 基因多态性分析 即使一个基因的序列已经确定，它只是有代表性的序列之一，在群体分布中，仍存在有基因的多态性。正是由于多态性的存在，生物表型及对环境、外源物和药物的反应即不同。研究基因多态性可以对群体的基因共性及其中的基因个性 ( SNPs) 都有明确的认识。

• 基于遗传的流行病学研究 流行病学研究是医学信息学的重要课题之一。将流行

病学的遗传和非遗传性的研究与分子基因信息结合起来，会导致对疾病的机理、个体对某种疾病的易感性和疾病在群体中的分布有更明确的认识，对疾病的预防和治疗有极大的指导意义。

•单基因病的研究

蛋白质二维电泳：

蛋白质提取 样品前处理一向等电聚焦

二向 SDS—PAGE

凝胶银染及扫描

双向电泳分析软件分析 差异蛋白

质点的质普分析

生物信息数据查询、建立蛋白质数据库

功能基因组和蛋白质组 基因序列

编码蛋白质结构预测

基于结构的同源模建

基于蛋白质结构知识

基因功能预测

药物先导化合物的开发

潜在靶标的识别

2003-2-16 30

两种慢性髓系白血病细胞对干扰素—α 的不同反应性 2002年度总结报告

中南大学湘雅医学院分子生物学研究中心

Thank you!

医学分子生物学作业• 以所学分子生物学知识为基础 ,试述一种与

基因有关的疾病。（小综述）要求：1. 文稿 论点明确、资料可靠，层次清楚。 1500 － 2000 字，

小四号字（行距 1.5 ） A4 打印 ; 可有插图和图表。可交电子版 (Word 或 PPT 格式 ) 。

2. 文题自拟，署班级、作者姓名；参考文献不少于 3 篇，按先后编序。

3. 来稿请交：电子版（邮件主题：作业－学号）可交至Email ： mbrc@xysm.net ，纸质稿请于 5 月 31 日实验课前由班长统一交给分子生物学研究中心任课老师。如有雷同，不计成绩。