医学生物学 （三）近亲婚配存在发病风险 降低，向群体发病率靠近。例如唇裂＋腮裂的图11-6群体和患者不同级别亲属关系的发病风险发病风险，一级亲属(4%)＞二级亲属比较分布图(0.7%)＞三级亲属(0.3%)>一般群体G：一般群体；P：患者；I、II、llI：一、二、三级亲属(0.17%）（表11-5，图11-6)。在群体发病率越低的多基因病中，这种下降的趋势越明显。 （五）发病率有明显的种族（或民族）差异 多基因遗传病在不同的种族（或民族）的发病率有明显的差异（表11-6)，表现出遗传基础或基因库的差异。唇裂和腮裂在最常见出生缺陷中居第四位，美国每700名高加索人种的新生儿中就有1人出现此缺陷。这两种缺陷的发病率也存在种族差异，亚裔美国人的发病率是1/500，而非裔美国入的发病率只有约1/2000。


医学生物学 群体发病率病名日本人美国人属全球种族之冠。 表11-6一些多基因遗传病（畸形）发病率的种族差异0.0030.002脊柱裂0.0060.005无脑儿0.00170.0013唇裂＋腾裂0.0140.055先天性畸形足0.010.007先天性鹘关节脱位2型糖尿病（成人糖尿病）发病率在各地不一，欧洲人只有2/100患此病，非裔美国人患此病者有13/100，中南美裔美国人有17/100。美国亚利桑那州皮马印第安人的糖尿病发病率达50/100，几乎四、多基因遗传病发病风险的—般估计方法70%80％时，可用Edward公式(1960)来估计发病风险。~例如先天性唇裂的群体患病率为017%，遗传率h2为76%，代入以上公式后，患者一级亲属的：.发病率f』门而百＝4%。=402080%，则患者一级亲属的发病率将高千群体发病率的^开方值；如果一种病的群体发病率低于0.l％或遗传率低于70%，则患者一级亲属的发病率将低于群体发巴褂桨捉运室张邻1:~80％时，可以查图来估计。一般群体发病率、70%“OA2的发病率的关系图解冗岔交，即患者一级亲属的患病率。可以看出接近于当一个家庭中出现了某种多基因遗传病患者，如何估计出家庭中其他成员患同种多基因遗传病的可能性或再发风险呢？多基因遗传病涉及多种遗传因素和环境因素，发病原因复杂，不能够像对单基因病那样，准确推算出可能的发病风险。但是，一般来讲，多基因遗传病患者的一级亲属的发病风险与下列因素有关。


医学生物学 群体发病率病名日本人美国人属全球种族之冠。 （一）遗传率与群体发病率多基因遗传病的发病风险与遗传率和群体发病率的高低有密切关系。如何利用遗传率对患者的一级亲属的发病风险进行估计，有以下两种情况。1.用Edward公式估计患者一级亲属发病率如果群体发病率在0.1%~1％之间，遗传率为J悲者一级亲属的发病率；p：一般群体发病率。 如果一种病的群体发病率高于1％或遗传率高于 病率的开方值。显然，群体发病率和遗传率过高或过低时，都不能使用Edward公式估计发病风险。2通过查图解估计患者一级亲属发病率如果群体发病率不是在0. I%~1％之间，遗传率不在遗传率和患者一级亲属的发病率关系见图11-7。以原发性高血压为例，该病的群体发病率约为6%，遗传率为62%，在图11-7的横坐标（群体发病率）上查出6％之点经过该点作一向上的垂直线，在0.10.20.40.60.81246810图中找出遗传率为62％的斜线，该斜线与经过6％的一般群体发病率（％）垂直线相交之点，再从该点作一向左的横线与纵轴相图11-7群体发病率、遗传率和患者一级亲属16%，所以患者一级亲属的发病率为16%。如果采用Edward公式计算，f＝』贡记2=24.9%，显然是高千实际发病风险的。（二）家族聚集倾向患者亲属患病率明显高于群体患病率。随亲属级别的降低，患者亲属发病风险迅速下降，在发病率低的疾病，这个特点尤为明显。（三）家庭中患病的人数与再发风险多基因遗传病的再发风险与家庭中患病人数呈正相关。一个家庭中患某种多基因遗传病的人数越多，该病的再发风险越大。例如，人群中一对表型正常的夫妇婚配，生第一胎罹患唇裂的风险是0.17%；如果他们已生有一个唇裂患儿，说明两人携带有一定数量的此种畸形的易感基因，再生育时孩子发生唇裂的风险提高到4%；如果前两胎均为唇裂患儿，说明他们携带有更多数量的易感基因，易患性更接近于发病阙值，第三胎孩子发生唇裂的再发风险急剧上升至10%。一个家庭中患某种病的人数越多，说明该家庭带有易患性基因越多，由于基因的累加效应，使得患者一级亲属的再发风险升高。相反，在单基因病中，父母的基因型是一定的，无论已出生几个患儿，一级亲属的再发风险从理论上讲都是1/2或1/4，不会由千患儿数增多而发生变化。查表11-7(Smith,1971)可以根据双亲和同胞中已患病的人数估计疾病的再发风险。


医学生物学 如果一种病的群体发病率高于1％或遗传率高于  患病双亲数群体发患病同胞数病率％遗传率％0120122（四）病情严重程度与再发风险 与病情较轻的患者比较，病情严重的患者带有较多的易感基因（致病基因），其父母也同样。因户而他们的易患性更接近于阙值。再次生育时的再发风险也相应提高。以唇裂和腮裂为例，一位只有单侧唇裂的患者，其同胞的发病风险为2.46%；一位单侧唇裂合并腮裂的患者，其同胞的再发病风险为4.21%；一位双侧唇裂合并腾裂的患者，其同胞的再发病风险可高达5.74%。而在单基因遗传病中，不论病情轻重，一般不会影响再发风险的程度，即在理论上再发风险仍为1/2或1/4。发病阙值（五）群体发病率有性别差异时与再发风险A早当一种多基因遗传病的群体发病率存在两性差异时，即亲属再发风险与性别有关，这表明不同性别的易患性阔值不同。群体发病率高的性别阙值低，如果患病，其子女的再发风险低；群体发病率低的性别阙值高，该性别患者的后代发病风险也高。该现象称作但ter效应(C呾er effect)（图11-8)。


医学生物学 患病双亲数群体发患病同胞数病率％遗传率％0120122（四）病情严重程度与再发风险 群体发病率低的性别患者，必然带有较多的致低一一一－易患性平均值一高病基因才能超过阙值而发病。因此，其子女中将会有更多的致病基因，从而有较高的发病风险。群体图11-8阅值有性别差异的易患性分布(Carter$.1/.发病率高的性别患者，必然带有较少的致病基因，效应）其子女有较低的发病风险。例如，先天性幽门狭窄，某人群在男性的发病率为0.5%，在女性的发病率为0.1%，即男性发病闾值低千女性，女性发病阙值高。男性患者的儿子的发病率为5.5%，女儿的发病率为2.4%；反之，女性患者的儿子的发病率为19.4%，女儿的发病率为7.3%（表11-8，图11-9)，表明女性带有更多的易患性基因。 后代（％）先证者儿子女儿父亲5.5..母亲19.4一般群体患病率0.5.龋/／飞｀阅发病阔值主嘘性臼患易易患性平均值易患性平均值


医学生物学 后代（％）先证者儿子女儿父亲5.5..母亲19.4一般群体患病率0.5.龋/／飞｀阅发病阔值主嘘性臼患易易患性平均值易患性平均值 (1)一般群体易患性变异分布；（2）男性先证者易患性变异分布；（3）女性先证者易患性变异分布由以上叙述的影响因素来看，在估计多基因病的再发风险时，应考虑各方面的因素，根据有关资料和数据进行全方位分析，综合性判断，方可得到较为客观的结论。 第三节常见的人类多基因遗传病 多基因遗传病又称复杂疾病(complex disease)，涉及多个基因及环境因素复杂的参与和相互作用。多基因遗传病不遵循孟德尔遗传定律，用一般的家系连锁分析难以取得突破性进展。多基因遗传病基因的研究主要从两个方面探讨，一是获得疾病家系材料，依靠统计学方法分类分析、优势对数计分法连锁分析、受累同胞对分析、群体关联分析等证实起主控作用的主基因的存在；二是用候选基因检测法或遗传标记定位主基因，定位克隆法和全基因组关联研究等鉴定主基因。通过以上方法和技术，一些常见多基因遗传病的易感基因定位研究有了新进展，例如，在高血压、糖尿病、哮喘和精神分裂症以及自身免疫性疾病的遗传机制方面有了进一步深入的认识。


医学生物学 —、原发性高血压（一）疾病概述 原发性高血压(essential hypertension,EH)[OMIM#l45500, OMIM*145505]是以体循环动脉压升高为主要表现的心血管综合征，是导致多种心脑血管疾病的最重要的危险因素。高血压或血压的升高显著增加了卒中、充血性心力衰竭慢性心脏病、终末期肾脏疾病等的发病风险。血压是一个具备＼I飞f[｝渐进性特点的遗传表型，全世界范围内有20%～30％的人患有高血压，我国成年人高血压的患病率为18.8%。只有1％高血压病例是符合孟德尔遗传规律的遗传性高血压，占高血压患者总数95％的原发性高血压为多基因遗传病，具有明显的家族聚集性。


医学生物学 （二）发病生物学机制 1遗传因素精神分裂症属多基因遗传方式，遗传率为70%-85%，单卵双生子发病一致率40%-60%，异卵双生子发病一致率10%-16%。应用关联分析方法和全基因组扫描技术，发现几十种基因或位点是SZ的易感基因或候选区域。目前已知的相关基因至少有4大类：(1)多巴胺受体基因(DRD基因）：多巴胺是重要的神经递质，多巴胺过量是导致SZ的主要原因，所以多巴胺受体基因是SZ的候选基因。DRD2基因定位于11q22.1-q22.3; DRD3基因定位千3ql3.3，是SZ的重要候选基因；DRD4基因定位于llp15.5，与SZ有微弱关联。(2)5轻色胺受体2A基因(5-HTR2A基因）：5－轻色胺是神经递质中的另一个重要的成分，5HTR2A基因定位千13q14，其基因产物是471个氨基酸组成的G蛋白偶联受体，分布在带状核，嗅结体，新皮质I、V层和嗅前体等。5-HTR2A基因可能与SZ的病理学变化有关。(3)人类白细胞抗原基因(HLA基因）：HLA基因定位于6p21.3，是人类基因组中多态性最丰富的基因群。有些SZ患者存在自身免疫现象。因而，HLA可能参与SZ的发病过程。


医学生物学 （二）发病生物学机制 (4)KCNN3基因：人脑和小鼠脑存在编码一种较小的钙激活钾离子通道蛋白的cDNA家族，包括KCNNl、KCNN2和KCNN3。人KCNN3基因定位于1q21.3，编码731个氨基酸长度的肤链，在基因内靠近5'端的区域含有两个CAG三核昔酸重复序列。SZ患者较长CAG重复片段的频率显著高于正常人，KCNN3基因的CAG重复片段与SZ之间存在中等程度的正相关。以上基因的多态性、突变或特定的基因型与精神分裂症有不同强度的相关性。22qll微缺失综合征中，约有25％的患者同时患有精神分裂症；精神分裂症患者中2％带有22qll缺失，在早发性精神分裂症中，可高达65%。但精神分裂症与染色体畸变之间的关系还无明确结论。2.环境因素产科并发症、孕产期营养不良、缺乏母乳喂养、妊娠期吸烟、饮酒、接触毒物、宫内感染、围产期损伤等均可能影响胎儿神经系统发育。社会心理因素包括文化、职业和社会阶层、移民、孕期饥饿、社会隔离与心理社会应激事件等可能和SZ有关。大多数SZ患者的病前性格多表现为内向孤僻敏感多疑，可追溯到病前发生过相应的生活事件。


医学生物学 二、糖尿病（一）疾病概述 糖尿病(diabetes mellitu s, DM)[OMIM#l25850, OMIM"'.222000]是临床表现以慢性血糖升高为特征的碳水化合物、蛋白质、脂肪代谢紊乱的综合征，可引起多系统损害，导致眼、肾、神经、心脏和血管等组织器官慢性进行性病变。欧美DM患病率为2%～3％或更高。有调查显示，2010年中国18岁及以上成人DM患病率为11.6%，其中男性患病率为12.1%，女性患病率为1l.0%；城市居民患病率为14.3%，农村居民患病率为10.3%。DM的发病95％以上属千多基因遗传病。1型DM发生于青少年，起病急，症状重，为自身免疫性疾病，由千胰岛B细胞膜上HLA-11类基因异常表达，使B细胞膜成为抗原递呈细胞，在环境因素作用下，免疫反应被激活，产生自身抗体，导致胰岛细胞炎症，演变为DM。2型DM多发生于中老年，起病慢，症状轻，是由千胰岛素抵抗产生代谢紊乱，出现的慢性并发症可有自主神经功能紊乱。随着年龄增长，患者出现胰岛B细胞数目减少，胰岛素分泌缺陷或终末器官对胰岛素产生抗性，导致糖尿病。2型DM占90%-95%。


医学生物学 三、支气管哮喘（一）疾病概述 支气管哮喘(bronchial asthma)[OMIM#208550]简称哮喘，是一种气管阻塞、气道炎症为特征的慢性炎症性疾病。全世界范围内患病率从1%-16％不等，我国约为I.24%。支气管哮喘以儿童多见，男性略多千女性。目前我国是全球哮喘病死率最高的国家之一。支气管哮喘临床上表现为反复发作的喘息、气急、胸闷或咳嗽等症状，常在夜间及凌晨发作或加重，多数患者可自行缓解或经治疗后缓解。长期反复发作哮喘可并发慢性支气管炎或肺气肿。外源性哮喘(extrinsic asthma)常于幼年发病，有明显的对过敏源(anaphy lactogen)的多态反应史。内源性哮喘(intrinsic asthma)常于成年发病，常年发作，较为严重。各型哮喘共同的支气管病理改变主要是支气管平滑肌痉挛、黏膜水肿、炎细胞浸润、管壁腺体过度分泌入管腔形成黏液栓，进而引起支气管栓塞。


医学生物学 四、精神分裂症（一）疾病概述 精神分裂症(schizophrenia,SZ)[OMIM#l81500, OMIM%181510]是一种严重的精神疾病，在思维、情感、行为等方面出现障碍，精神活动与周围环境不协调的精神疾患。通常患者意识清晰，智力属正常，部分出现认知障碍。SZ在全世界的患病率为1%～4%。 五、先天性唇腮裂 （一）疾病概述先天性唇聘裂(congenital cleft lip and palate, CLP)[OMIM%119530, OMIM#l19300, OMIM#119500]是口腔颌面外科最常见的先天性出生缺陷性疾病，发病率约为1.7/10000，随着地区>种族及社会经济状况的不同而呈现差异。我国唇腮裂的发病率高达1.82/1000，在出生缺陷的发生率中占第一或第二位，男性略多于女性。尽管外科技术已取得很大进步，但这一畸形给患者和家庭还是带来了精神与经济负担，严重影响了我国的出生人口素质。临床表现为患儿单侧或双侧唇裂，以单侧常见，单侧与双侧之比为6:1。包括完全性唇裂和不完全性唇裂，前者通常伴有腮裂。本病可通过手术矫正，唇裂一般应在6个月内实施唇裂整复术。


医学生物学 五、先天性唇腮裂 根据全身是否伴发其他畸形，唇腮裂可以分为非综合征型唇腾裂(non-syndro皿c cleft lip or palate, NSCUP)和综合征型唇腮裂(syndro皿c cleft lip or palate, SCUP)。大约有20％的唇腮裂与已经发现的近500种综合征有关，通常临床上所讲的唇腮裂主要是指NSCUP。非综合征型唇腮裂多被认为是一种多基因遗传病，由遗传和环境因素相互作用引起，具有显著的遗传异质性。（二）发病生物学机制1.遗传因素先天性唇腮裂由多基因遗传因素造成，遗传率为77.5%，一、二、三级亲属的发病风险分别为4%、0.9％和0.35%。


医学生物学 五、先天性唇腮裂 国内外大多数学者采用连锁和关联的分析方法研究，陆续报道了多个与NSCUP有关的候选易感基因和染色体区域，其中lq32(IRF6)、1p36.3(MTHFR)、lq22-lq24(SKI)、2pl3(TGFA)、2q33(SUMOJ)、4p16(MSXJ)、11q23-q24(PVRLJ)、17q21(RARA)、19q13(BCL3、TGFBJ)、X染色体(TBX22)等得到了较多研究的支持。IRF6基因是迄今为止发现的与NSCUP最为相关的基因。GWAS目前已经成为研究常见复杂疾病遗传易感性的主要手段，其在NSCUP遗传病因学研究领域得到很好的应用。应用GWAS的方法对欧洲人群NSCUP进行研究，发现在人类染色体8q24.21上的一个640kb区段包含多个SNP位点与NSCUP具有显著相关性。在欧洲人群的NSCUP进行GWAS分析，还发现了另外两个与NSCUP发病相关的染色体区域，分别是17q22和10q25.3。国内众多学者根据以上3个GWAS筛选候选基因，在前期研究的基础上，选择MAFB、ABCA4基因和8q24.21、10q25.3、17q22区域的SNP以及国际上研究的热点基因WNT3、SUMO]上的变异在中国人群中进行验证，也证实了这些基因或染色体区域的变异与NSCUP存在强相关性。尤其是8q24区域，在多个人群中证实与NSCUP的发生密切相关。我国学者在第16号染色体16pl3.3区域首次鉴定出一个与NSCUP显著关联的位点，该SNP位点rs8049367位千16p13.3染色体CREBBP基因上游50kb和ADCY9基因下游的32kb处。尽管当前研究发现了这些与NSCUP高度相关的易感基因，但由于该疾病病因的复杂性，仍未能完全揭示NSCUP的发病机制。


医学生物学 五、先天性唇腮裂 2.环境因素先天性唇腾裂与环境诱变因子有很大关系。流行病学调查和动物实验已证实胚胎早期的外环境，包括病毒感染、化学药物、毒物、放射线、环境污染、吸烟、酒精、维生素A、抗癫病药物、饲养宠物、缺氧、妊娠反应、营养不良、生育年龄、胎次、胎儿出生季节等均与唇腮裂的发生有关。环境因素必须在胚胎第7周左右发生影响才有可能造成唇腾裂的发生，过晚则不会影响唇弓发育一虽然很多疾病遵循简单的孟德尔遗传方式或者与染色体畸变有关，但是还有一些常见疾病（如糖尿病、阿尔茨海默病、心肌梗死、肿瘤、精神疾病和高血压等）和先天畸形（唇裂、肝裂和神经管畸形等）不符合以上遗传方式。这些疾病涉及几个或多个基因位点的遗传变异的累积效应，每对基因对表型的作用相对较小。我们称这些受很多不同对基因影响的性状或疾病为多基因遗传，是多对基因和多种环境因素的相互作用的结果。多基因性状通常是数量性状，在群体中的分布是连续的。多基因阐值模型可以预测或估计受累先证者的亲属的疾病或畸形的再发风险，其估计方法不同于孟德尔遗传规律分析。心再发风险代表的平均风险，在不同家系中会有所不同；＠再发风险随着家系患病人数增加而增加；＠再发风险随着畸形或疾病的严重程度而提高；＠随着疾病或畸形发生率在一般人群中的降低，受累先证者的亲属发病风险与一般人群的发病率的差异加大；＠当发病率有性别差异时，发病率低的性别先证者受累后代的发病风险高于发病率高的性别先证者受累后代的发病风险。


医学生物学 五、先天性唇腮裂 1.数量性状和质量性状有哪些异同点？2.估计多基因遗传病的发病凤险时，应考虑到哪些因素？3.多基因遗传病有哪些遗传特点？4.某多基因遗传病在我国人群的发病率为1%，遗传率约为80%，一对夫妇身体健康，生了一儿一女，儿子患此种病，他们担心将来孙子、孙女也将患该病，试问其发病风险如何？5.多基因遗传病的易患性阐值、平均值与群体发病率之间有何种关系？6.通过调查和计算得到10对MZ和DZ双生子的IQ差异如下：序号MZ（同性，共同生活）DZ（同性，共同生活） 一-----一，＇l·一 _______·-___......一，．l·一一一，一，一--... l·,.•l•··,·一..._，.--－嘈H...嘈....王-... m试用这些数据估算一下IQ的遗传率。7.了解并熟悉原发性高血压、糖尿病、支气管哮喘、精神分裂症和先天性唇胖裂等多基因遗传病的遗传方式、患病率、临床表现和发病的生物学机制。（殷丽天）


医学生物学 ？夕记第十二章表观遗传学 经典遗传学认为基因型对表型有决定作用，基因型的差异在于DNA序列的不同，而遗传也被认为是一种基因从亲代到后代的传递过程。然而，人们也注意到很多现象难以用经典遗传学理论解释。比如，在一个生物体内所有细胞的基因组几乎完全相同的前提下，为何会发育分化为不同类型的体细胞？同卵双生子，即使是在同样的环境中长大，有时也会在头发颜色、性格、疾病易患性等方面出现较大的差异。再例如，马和驴杂交的后代马骡和驴骡会在体格、脾性等诸多方面表现出显著差异。上述事实说明，还存在一种不同于基因的遗传因素对表型发挥着重要的调控作用。但长期以来，人们并不清楚这些遗传因素究竟是什么？所起的作用有多大？在什么样的情况下起作用？


医学生物学 ？夕记第十二章表观遗传学 20世纪60年代以后，人们对千发育相关分子机制的逐渐深入认识，极大地推动了一门崭新学科一表观遗传学(epigenetics)的诞生。表观遗传学一词最早由英国学者Waddington在1939年创造，系由“epigenesis”和“genetics“合并而来，用来描述从基因型到表型的控制机制。20世纪70年代，Holliday等率先发现了第一个重要的表观遗传学调控机制，DNA甲基化(DNA methylation)可以影响基因的表达。随后，Hollid ay将表观遗传学的定义进一步修订为“没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达改变”。此后，组蛋白修饰、非编码RNA在表观遗传调控过程中的作用也相继被发现。目前，表观遗传学被定义为研究基因序列在不发生改变的清况下，基因表达发生了可遗传变化规律的科学。


医学生物学 ？夕记第十二章表观遗传学 应该说，表观遗传学是在研究与经典孟德尔遗传规律不符的许多遗传现象的过程中逐步发展起来的。表观遗传学相关机制解释了很多经典遗传学无法解释的谜团。著名遗传学家Klar曾说过“人'绝不仅仅是基因的简单叠加“；而沃森(Watson)也曾说过“你可以继承DNA序列之外的一些东西，这才真正是现代遗传学让我们激动的地方”。 第一节表观遗传修饰的分子机制—、DNA甲基化 DNA甲基化是表观遗传学最为核心的调控机制之一。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与转录因子等相互作用方式的改变，从而影响基因表达。而DNA甲基化异常也常常会导致胚胎发育异常、染色体不稳定、基因组印记异常，并与肿瘤等复杂性疾病的发生发展有着极为密切的联系。


医学生物学 (-)DNA甲基化概述 DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferas e, DNMT)的催化下，以S－腺背甲硫氨酸(S-adenosyl methionine, SAM)作为甲基供体，将甲基共价结合到DNA序列特定碱基上的化学修饰过程（图12-1)。在哺乳类动物中，DNA的甲基化修饰主要发生在胞瞪唗的第5位碳原子，形成5－甲基胞啥唗(5mC)。需要强调的是，哺乳动物中DNA甲基化主要发生在CpG二联核昔酸这种形式的胞啼唗上。哺乳动物基因组中的CpG以散在分布和高度富集形式分布。高度富集CpG的区域，长度一般在500~2000bp之间，被称为CpG岛(CpG island)，多位于基因的转录调控区如侧翼区、增强子等附近，也可以出现在基因内部。在哺乳动物中，60%~90％的CpG岛可发生甲基化修饰。 （二）DNA甲基化分子机制1. DNA甲基转移酶在哺乳动物体内，已发现3 种有活性的DNA甲基转移酶，分别被命名为DNMTl、DNMT3a和DNMT3b（表12-1)。DNMTl主要针对5－甲基胞嘻唗


医学生物学 （二）DNA甲基化分子机制1. DNA甲基转移酶在哺乳动物体内，已发现3 DNA双链中已经有一条发生甲基化而另一条未甲基化的情况，催化DNA复制双链中的新合成链发生甲基化，称之为维持甲基化(maintenan?e methylation)，也称图12-15－甲基胞晚哫的形成SAM:S－腺昔甲硫氨酸，S-adenosylmethionine; SAH:S保留甲基化。DNMTl负责将DNA甲基化信息传递给腺昔高半胱氨酸，S-adenosylhomocysteine子代细胞。而DNMT3a和DNMT3b主要负责修饰原本不存在甲基化修饰的DNA双链发生甲基化，被称为从头甲基化(de novo methylation)。


医学生物学 DNA甲基转移酿物种酶活性功能缺失后的表现 DNMTl小鼠维持CpG甲基化基因组范围DNA甲基化丢失；E9.5天胚胎致死；印记基因表达异常；异位X染色体失活；已沉默反向转座子的激活；在肿瘤细胞中引起细胞周期阻滞和有丝分裂异常DNMT3a小鼠CpG从头甲基化出生后4~8周死亡；雄性不育；生殖配子无法建立甲基化印记DNMT3b小鼠CpG从头甲基化微卫星DNA去甲基化；E14.5天胚胎致死并伴随血管和肝脏缺陷DNMT3b人CpG从头甲基化ICF综合征；免疫缺陷；着丝粒不稳定；面部畸形；重复序列及近着丝粒异染色质发生去甲基化(1)DNMTl:DNMTl是最早被克隆的，也是哺乳类动物细胞中最为常见的DNA甲基转移酶。DNMTl在生殖细胞和神经元中高表达，主要分布于细胞分裂周期S期的DNA复制叉中，与增殖细胞核抗原、组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)和DNAPl（一种DNMTl相关蛋白）组成复合体，参与CpG序列甲基化的维持，将半甲基化的CpG完全甲基化，确保DNA甲基化信息被完整传递给子代细胞。


医学生物学 DNA甲基转移酿物种酶活性功能缺失后的表现 (2)DNMT3a和DNMT3b:DNMT3a广泛表达，尤其在未分化的胚胎干细胞中高表达，而在已分化细胞中表达水平极低。DNMT3a主要负责CpG上的甲基化，并具有甲基化序列依赖性。DNMT3a的分子结构包含l个位千N端的调节结构和1个位于C端的催化结构，包绕在保守的CS DNA甲基转移酶结构。DNMT3a的N端调节结构主要包含有1个PHD结构域和1个PWWP结构域。其中，PHD结构域富含半胱氨酸，能够结合锌离子，可以为各种转录因子、组蛋白乙酰化酶、组蛋白甲基转移酶等的结合和相互作用提供一个平台。PWWP结构域含有保守的色氨酸－脯氨酸序列，能够特异性识别组蛋白尾部的H3K36三甲基标记，这种相互作用可以增强DNMT3a的活性，促进核小体DNA甲基化。DNMT3a主要在胚胎发育发挥作用，胚胎干细胞缺失该酶可引起胚胎致死或胚胎发育畸形。


医学生物学 DNA甲基转移酿物种酶活性功能缺失后的表现 DNMT3b与DNMT3a结构相似，功能有一定重叠。但DNMT3b区别千DNMT3a之处在于：DNMT3b可参与着丝粒附近小卫星重复序列的甲基化；DNMT3b缺失会导致基因组稳定性出现问题，主要表现在出现非整倍体和多倍体，或染色体断裂与融合。小鼠Dnmt3a和Dnmt3b同时缺失会引起胚胎在着床后无法启动从头甲基化而导致胚胎致死在第9.5天时间点。需要强调的是，上述这些DNA甲基转移酶的作用并非孤立存在，而是彼此协作关系。DNMTl和DNMT3a可以共同参与胚胎的植入与发育过程；DNMT3b和DNMTl也可以一起参与胚胎细胞甲基化心L状态的维待。 立人 2.甲基化DNA结合蛋白DNA甲基化是基因转录抑制的重要机制，除了可直接阻止转录因子结合外，通过与甲基化DNA结合蛋白的结合并募集辅阻遏物也是引起基因表达受到抑制或者基因沉默的重要机制。甲基化DNA结合蛋白是一类能够随DNMT一起被招募至DNA甲基化位点CpG的蛋白，因此也被称为甲基化CpG结合蛋白。


医学生物学 立人 哺乳动物中已被鉴定的甲基化DNA结合蛋白主要包括：O甲基化CpG结合域(methyl-CpG-binding domain,MBD)蛋白家族；(IDK印so和胆so样蛋白家族；＠SRA(set and ring finger-associated)等3个家族。MBD家族包括MBDl-4、MeCP2(methyl-CpG-bin如ng protein2)共5个家族成员，是一类含有甲基化CpG结合域(MBD)的蛋白。MBD家族成员在和CpG结合后会进一步招募转录抑制复合体蛋白如共抑制因子、组蛋白去乙酰化酶等来发挥转录抑制作用。其中MBDl主要分布在哺乳类动物的肺和肝脏中，是MBD家族分子量最大的蛋白成员。MBD2主要分布在哺乳类动物的大脑纹状体中。MBD2可结合千启动子区域，参与介导启动子区高甲基化所引起的基因沉默。MBD3是MBD家族中分子量最小的成员。MBD4是一种胸腺密唗糖基酶，在肿瘤细胞中是维持启动子区高甲基化状态所必需的。MeCP2主要分布千有丝分裂后期阶段的神经细胞中，对于神经系统的发育与功能发挥具有重要意义。


医学生物学 立人 Kaiso蛋白是一种含有锌指结构的CpG甲基化结合蛋白，借助其锌指结构可与至少2个以上的甲基化CpG实现结合，来抑制基因转录。ZBTB4和ZBTB38也是含有锌指结构的CpG甲基化结合蛋白，因与Kaiso结构和功能非常相类似，将其归为Kaiso样蛋白。SRA结构域蛋白是一类结合于增强子区甲基化位点的转录抑制因子。3. DNA去甲基化DNA去甲基化是将DNA上的5－甲基胞瞪唗还原为胞啼唗，即移除甲基的过程。DNA去甲基化有2种方式：O复制相关的DNA去甲基化：主要发生在DNA复制过程中，通过靶向干扰DNMTl并使之缺失或失活，引起新生成的DNA链不能被甲基化；＠主动去甲基化：是指在一些特定情况下，甲基被迅速从DNA上移除的过程。目前关于这一现象背后的机制还不明确。


医学生物学 二、组蛋白修饰 组蛋白的翻译后修饰是表观遗传学调控的另外一种核心手段。核小体是染色体的基本结构组成单元，由H2A、H2B、H3、儿各2分子聚合为八聚体，八聚体上缠绕有146bp的DNA双链。这些核心组蛋白的N端通常形成裸露在八聚体外面的尾巴，呈松散状态，是组蛋白翻译后修饰的重要靶点。目前已发现组蛋白修饰至少包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化等8种修饰类型，其中以乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等4种方式最为常见。 （一）组蛋白乙酰化与去乙酰化 1.组蛋白乙酰化与组蛋白乙酰基转移酶组蛋白乙酰化(histone acetylation)是指在组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyltransforase, HAT)催化作用下，将乙酰基从乙酰辅酶A上转移到组蛋白N端尾部较为保守的赖氨酸e位氨基上的修饰过程。


医学生物学 （一）组蛋白乙酰化与去乙酰化 目前发现的HAT可被分为三大类：心GNAT(Gcn5-related N-acetyltransferase)家族；(2)MYST家族；＠其他具有HAT活性的蛋白，如p300/CBP等。2.组蛋白乙酰化的功能组蛋白乙酰化修饰具有以下儿方面功能（表12-2):组蛋白乙酰化位点组蛋白乙酰化酶主要功能组蛋白乙酰化位点组蛋白乙酰化酶主要功能H3K9未知组蛋白沉积Gcn5,SRC-1转录激活Kl4Gcn5,PCAF转录激活Esal, Tip60转录激活、DNA修复SRC-1转录激活Elp3转录激活（延伸）


医学生物学 （一）组蛋白乙酰化与去乙酰化 Kl8Gcn5转录激活、DNA修复p300/CBP转录激活K23Gcn5转录激活、DNA修复p300/CBP转录激活、DNA修复K27Gcn5转录激活K36Gcn5转录激活H4K5Hatl组蛋白沉积Esal,Tip60转录激活、DNA修复ATF2转录激活p300转录激活K8Gcn5,PCAF转录激活Tip60DNA修复ATF2转录激活Elp3转录激活（延伸）p300转录激活K12Hatl组蛋白沉积、端粒沉默Esal,Tip60转录激活、DNA修复p300转录激活K16Gcnl5转录激活Esal, Tip60转录激活、DNA修复ATF2转录激活Sas2常染色质化(1)激活基因转录与转录延伸：发生在组蛋白尾部赖氨酸上的乙酰化能够消除赖氨酸的正电荷，从而会削弱组蛋白尾巴与带负电荷DNA磷酸骨架的静电作用力，促进转录因子与DNA的结合（图12-2)。(2)增进组蛋白和DNA的结合，促进核小体的组装：新合成的组蛋白常会在H3K56以及H4K5、H4K8和H4K12位点发生乙酰化。这些乙酰化修饰会促进组蛋白与相关辅助因子的相互作用，进而增强组蛋白与DNA的结合，促进核小体的包装。


医学生物学 （一）组蛋白乙酰化与去乙酰化 (3)抑制异染色质的形成：异染色质和常染色质在组蛋白乙酰化水平上存在显著差异，异染色质较常染色质的组蛋白乙酰化水平要低很多。 (4)参与DNA损伤修复和基因组稳定性的维持。 3.组蛋白去乙酰化与组蛋白去乙酰化酶组蛋白去乙酰化酶是一类能够将乙酰基从组蛋白赖氨酸e位氨基上移除的酶。目前巳经鉴定的组蛋白去乙酰化酶共有18种，根据组蛋白去乙酰化酶的序列相似程度（同源性）、亚细胞定位以及酶活性，常被分为4大类。去除乙酰化的组蛋白与DNA的心七结合会因此而变得更为紧密，不利于转录因子及其辅助因子的结合，因此基因的转录表达被抑制。


医学生物学 乙上［~基因转录懿 （二）组蛋白甲基化组蛋白甲基化(histone methylation)修饰是指在组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferase, HMT)的催化作用下，将甲基转移到H3和H4组蛋白赖氨酸和精氨酸残基上的修饰过程。自从2000年第一个赖氨酸甲基转移酶被鉴定以来，已有28种赖氨酸甲基转移酶和9种精氨酸甲基转移酶被发现。目前发现存在24个组蛋白甲基化位点，17个位于赖氨酸残基上，7个位千精氨酸残基上。其中，赖氨酸残基上可发生单甲基化、双甲基化和三甲基化三个层次的修饰，而精氨酸残基上仅能发生单甲基化和双甲基化修饰。1.组蛋白赖氨酸甲基化在组蛋白赖氨酸已知的17个甲基化位点中，有6个位点的研究最为深入，分别是H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79和H4K20。相对千乙酰化修饰，组蛋白赖氨酸甲基化修饰要复杂得多，主要表现在以下几个方面：心甲基化修饰具有多种截然不同的功能，既可以是转录激活(H3K20me3)，也可以是转录抑制(H3K9me3)；还可以参与转录延伸(H3K36me3)或DNA损伤修复(H4K9me3)过程。＠同一个位点可以发生单甲基化、双甲基化和三甲基化三个层次的修饰。＠发生在同一位点的不同层次的甲基化可以具有不同的功能。＠和乙酰化修饰不同，组蛋白甲基化不能改变赖氨酸的电荷，故不能通过静电作用力来改变染色质与转录因子的结合。


医学生物学 乙上［~基因转录懿 2.组蛋白精氨酸甲基化组蛋白精氨酸甲基化是由蛋白质精氨酸甲基转移酶(protein arginine methyltransferases, PRMT）将S-腺昔甲硫氨酸的甲基转移至精氨酸(R)的肌基氮原子上的修饰过程。组蛋白精氨酸可通过甲基化形成单甲基精氨酸(monomethyl arginines, MMA)、对称二甲基精氨酸(symmetric dimethyl arginines, SOMA)和不对称二甲基精氨酸(asymmetric dimethyl arginines, ADMA)3种甲基化修饰形式。在组蛋白中已鉴定的精氨酸甲基化位点主要有H3R2、H3R8、H3R17/26、H4R3和H2AR3/29等。已发现的蛋白质精氨酸甲基化转移酶共有9种。


医学生物学 乙上［~基因转录懿 组蛋白精氨酸发生甲基化修饰对基因的转录表达具有调控作用，因具体甲基化位点差异以及辅助因子的不同，既可以参与转录激活，也可能参与转录抑制。例如，组蛋白H4R3的甲基化可以促进基因转录，而组蛋白H3R8和H4R3的双甲基化修饰则可以抑制基因转录。此外，精氨酸甲基化还可参与DNA损伤修复等过程。＼014压160下篇现代生物医学3.组蛋白去甲基化组蛋白赖氨酸和精氨酸上的甲基还可以被移除，此过程称组蛋白去甲基化，也是一个酶催化的过程。组蛋白赖氨酸甲基的去除依靠组蛋白赖氨酸去甲基化酶催化完成，根据作用机制的不同，此类酶可以被分为两大类：一类是FAD依赖的胺氧化酶；另一类是亚铁离子Fe2＋和a－酮戊二酸盐依赖的双加氧酶。组蛋白精氨酸去甲基化则依靠肤基精氨酸脱氨酶(peptidylar即nine如minase, PADI)家族成员，通过去除精氨酸上的一个氨基，将其转化为瓜氨酸。 （三）组蛋白磷酸化 组蛋白磷酸化主要发生在丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸残基上，由磷酸激酶来催化，是一种瞬时、可诱导的修饰机制，主要出现在一些特定生理进程如DNA损伤应答、染色体分离过程中（表12-3)。


医学生物学 （三）组蛋白磷酸化 组蛋白磷酸化位点磷酸化修饰酶主要功能H2A Serl MSKl转录抑制Ser139ATR、ATM、DNA-PK DNA修复Thr120Buhl、VprBP有丝分裂、转录抑制Thr142WSTF DNA修复、细胞凋亡H2B Ser14Mstl细胞凋亡Ser36AMPK转录激活H3SerlO Aurora-B激酶有丝分裂、减数分裂MSKl、MSK2基因快速活化IKK心转录激活Snfl转录激活MSKl、MSK2基因快速活化Thrll Dlk/Zip有丝分裂Tyi41JAK2转录激活（四）组蛋白泛素化和类泛素化组蛋白泛素化和类泛素化会给组蛋白共价结合上泛素(76个氨基酸多肤）和类泛素(100个氨基酸左右大小多肤）的过程。组蛋白泛素化主要发生在H2AK119和H2BK123位点的单泛素化，参与转录抑制（表12-4)。组蛋白类泛素化主要发生在组蛋白H4的K5、K8、Kl2、Kl6、K20;H2B的K6、K7、Kl6、K17；以及H2A的K126位点。组蛋白类泛素化可以通过抑制组蛋白乙酰化水平来抑制基因转录表达。


医学生物学 组蛋白泛素化位点泛素化修饰酶主要功能 H2A Kll9Ring2精子的发生H2B K120UbcH6减数分裂 三、非编码RNA 非编码RNA是对于那些不作为翻译蛋白质模板的RNA的统称。除所熟知的tRNA、rRNA、小核RNA(small nuclear RNA,snRNA)外，近年来又陆续发现了包括小干涉RNA(small interfere RNA, siR＠怂化NA)、微小RNA(microRNA,miRNA)、piRNA(piwi-interacting RNA)、小核仁RNA(small nucleolar RNA,snoRNA)、长链非编码RNA以及环状RNA(circular RNA, circRNA)在内的一些非编码RNA。研究表明，非编码RNA在表观遗传学的调控中发挥着重要的作用。


医学生物学 三、非编码RNA 根据lncRNA与相邻蛋白质编码基因相对毗邻关系，可将其分为5种类型：心正义lncRNA(sense lncRNA)：与蛋白编码序列的正义链重叠；＠反义lncRNA(antisense lncRNA)：与蛋白编码序列的反义链重叠；＠双向lncRNA(bidirectional lncRNA)：位于编码基因转录起始位点相距超过lOOObp以上的反义链上，且两者转录方向相反；＠基因内lncRNA(intronic lncRNA)：，多位于转录本的内含子区内；＠基因间lncRNA(intergenic lncRNA)：通常位千两条蛋白质编码基因的基因间隔区。2. l n cRNA的功能研究发现，lncRNA广泛参与DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑等生物学过程，能与DNA、RNA、蛋白质分子作用，顺式或反式调控靶基因表达。lncRNA能在转录前、转录、转录后水平调控基因的表达，发挥多样的生物学功能。


医学生物学 三、非编码RNA (1)lncRNA参与DNA甲基化：lncRNA可以参与由DNA甲基化介导的基因转录失活过程。例如，哺乳动物的X染色体失活(X chromosome inactivation, XCI)过程中发生有广泛的DNA甲基化、组蛋白修饰，而lncRNA也参与其中，并发挥着至关重要的作用。lncRNA Xisi被认为是启动X染色体失活的关键因素。lncRNA Xist只在失活的X染色体表达，并覆盖在其表面，激发X染色体高度凝集异染色质化。而在需要保待活性的X染色体中可以生成lncRNA Tsix，后者可以募集DNMTia到Xist基因的启动子区，使其发生DNA甲基化，桔抗lncRNA Xist的作用，最终阻止lncRNA Xist在活化X染色体中累积。物细胞凋亡和生长的关键调控因子，可通过模拟糖皮质激素应答元件来结合糖皮质激素受体(glu-＼吭{t}cocorticoid receptor, GR)的DNA结合结构域，阻止糖皮质激素受体与糖皮质激素应答元件的相互作用，从而抑制下游基因的转录表达，促进细胞凋亡。


医学生物学 三、非编码RNA 第二节表观遗传修饰异常与疾病、DNA甲基化异常遗传病在生命个体生长、发育、分化和衰老的过程中，存在着广泛而精准的DNA甲基化和去甲基化修饰。DNA甲基化和去甲基化动态平衡关系的维持，对于正常机体功能的发挥至关重要，而这种动态平衡关系的打破则会导致疾病的发生。研究表明，肿瘤、自身免疫性疾病、代谢性疾病、心血管疾病、神经精神疾病中均发现广泛的DNA甲基化异常。下文仅重点描述与DNA甲基化关系密切的综合征。 （一）小脑共济失调、耳聋和发作性睡病综合征 1.疾病概述小脑共济失调、耳聋和发作性睡病综合征(autosomal dominant cerebellar at叩a, deafness, and narcolepsy,ADCADN)[OMIM:f/604121]是一种罕见病。ADCADN的主要特征为进行性小脑共济失调、发作性嗜睡（猝倒）、感觉神经性耳聋和痴呆。随着疾病发展，患者还出现视神经萎缩、感觉神经病变、精神异常、抑郁症、痴呆、锥体外系（或锥体、自主神经）病征、糖尿病、心肌病、癫病等。常于40岁后发病。


医学生物学 （一）小脑共济失调、耳聋和发作性睡病综合征 2.发病生物学机制ADCADN的致病基因为DNMTJ基因，定位千19p13。作为一种DNA维持甲基化酶，DNMTl在DNA复制和修复期间对千核基因组甲基化状态的维持具有重要作用。DNMTJ突变会导致基因组DNA甲基化状态异常，ADCADN患者基因组总甲基化水平下降，但某些基因CpG岛的甲基化反而增高。此外，DNMTJ突变还可直接影响线粒体DNA甲基化水平的改变，进而影响线粒体功能，与视神经萎缩、周围神经病变和耳聋等表型的发生有关。（二）Rett综合征Rett综合征(Rett syndrome, RTI)[OMIM#312750]也称雷特综合征，是一种严重的神经发育性遗传病。由奥地利学者Rett在1966年报道。1.疾病概述根据临床表现差异，Rett综合征的常被分为典型和非典型两大类。


医学生物学 （一）小脑共济失调、耳聋和发作性睡病综合征 典型Rett综合征主要累及女性，在女童中的发病率约为1/15000-1/10000。典型RTI的病程常被分为4个阶段。心发育停滞期：6～18个月时开始发病，表现为发育停滞、头部生长迟缓和肌张力低下，对玩耍及周围的环境事物丧失兴趣；＠快速倒退期：多发生于1~3岁阶段，表现为发育迅速倒退伴激惹现象、惊厥、语言丧失、孤独症、手部会出现目的性运动技能消退及刻板动作（如绞手、拍手、搓手）、失眠和自虐；＠假性静止期：多发生于2~10岁阶段，表现为严重的智力倒退或明显的智力低下，孤独症表现改善。出现肢体僵硬、惊厥、典型的手刻板动作，明显的共济失调以及躯体失用；＠运动恶化期：发生于10岁以上，通常会待续数年，主要表现为上、下运动神经元受累，生长迟缓，进行性脊柱侧弯，肌体僵硬，双足萎缩，失去独立行走的能力，语言功能丧失。非典型Rett综合征又常被分为顿挫型、保留语言功能型、晚发退化型、早发惊厥型以及先天性变异型Rett综合征(congenital variant of Rett syndrome)[OMIM#613454]5种类型。


医学生物学 （一）小脑共济失调、耳聋和发作性睡病综合征 2.发病生物学机制典型Rett综合征的致病基因为MeCP2[OMIM*300005]，定位千Xq28。已证实95％的典型Rett综合征患儿存在MeCP2基因突变。MeCP2所编码蛋白产物是一种甲基化DNA结合蛋白，能特异性地结合DNA序列中甲基化CpG二核甘酸并招募相关辅助因子来引起靶基因转录抑制。MeCP2蛋白主要表达千神经系统，主要存在千成熟神经元中，因为突变导致的MeCP2功能丧失，会引起相关靶基因过度表达，导致中枢神经系统发育障碍。而在非典型Rett综合征患儿中MeCP2基因突变的检出率仅为40%~50%。研究发现，先天性变异型Rett综合征的致病基因为FOXGJ(forkhead box Gl)[OMIM*164874]，定位于14ql2，该基因的编码产物也是一种转录抑制因子。早发惊厥型Rett综合征被认为与CDKLS(cyclin-dependent kinase-like5)[OMIM*300203]基因突变有关。该基因定位于Xp22.13，与MeCP2基因位点存在部分重叠。CDKL5基因编码产物是一种激酶，能够引起MeCP2蛋白发生磷酸化。


医学生物学 二、组蛋白修饰异常遗传病 (—)Rubinstein-Taybi综合征Rubinstein-Taybi综合征(Rubinstein-Taybi syndrome, RTS)，又称Rubinstein综合征。由Rubinstein和Ta如在1963年首先报道。1.疾病概述Ruhinstein-Taybi综合征包括2种亚型：Rubinstein-Ta如综合征I(Rubinstein-Taybi syndrome I, RTSI)[OMIM#l80849]和Rubinstein-Taybi综合征2(Rubinstein-Taybi syndrome2, RTS2)[OMIM#613684]。Rubinstein-Taybi综合征2型较Rubinstein-Taybi综合征l型的病情要轻。Rubinstein-Taybi综合征是一种先天性异常综合征。以精神发育迟滞、智力障碍、出生后身体发育迟滞、小头畸形、拇指（趾）粗短等为主要特征。患者常表现出特殊面容，出现不同程度的高眉弓、长睫毛、脸裂低斜、脸下垂、宽鼻梁、鼻中隔长、拱状腾等异常，亦可见异常微笑样或鬼脸样表情。此外，患者有较高的羁患肿瘤的风险。


医学生物学 二、组蛋白修饰异常遗传病 Rubinstein-Taybi综合征的发病率约为1/125000-1/100000，以散发为主。2.发病生物学机制RTSl的致病基因是CREBBP[OMIM*600140]，定位于16p13。CREBBP突变占到RTS发病的50%-70%。RTS2的致病基因是EP300[OMIM*602700]，定位于22ql3，但EP300基因突变仅占RTS发病的3%～8%。EP300和CREBBP系组蛋白乙酰基转移酶，可通过与多个转录因子的结合来参与激活相关靶基因表达。EP300和CREBBP突变导致其所具有的组蛋白乙酰基转移酶活性降低或丧失，从而引起相关靶基因表达受到抑制，进而造成细胞增殖分裂和胚胎发育异常。 （二）生殖器－骸骨综合征 生殖骈猴骨综合征(gen ito-patellar syndrome, GPS)[OMIM#606170]，由Goldblatt于1988年首次报道。


医学生物学 （二）生殖器－骸骨综合征 1.疾病概述生殖器－嫔骨综合征是一种罕见的遗传病，发病率<l/1000000，符合常染色体显性遗传。生殖器摇骨综合征以生殖器畸形、膝盖骨发育不全或发育不良、智力障碍为主要特征。此外，还可表现出臀部和膝盖屈曲挛缩，阱抵体发育不全的小头畸形，肾盂积水或者多发性肾裂肿等异常。2.发病生物学机制生殖器猴骨综合征是一种组蛋白乙酰化修饰异常遗传病，其致病基因为顷{tiKAT6B基因[OMIM*605880]，定位于10q22.2，编码一个广泛表达的组蛋白乙酰基转移酶。KAT6B能够使组蛋白H3的14位赖氨酸发生乙酰化，从而激活相关基因的转录表达。KAT6B基因突变会引起组蛋白乙酰转移酶活性丧失。已发病的大多数患者均为KAT6B基因致病突变的携带者。


医学生物学 三、非编码RNA异常遗传病软骨毛发发育不良综合征 软骨毛发发育不良综合征(cartilage-hair hypoplasia, CHH)[OMIM#250250]又称McKusick干朊端软骨发育不良(McKusick type metaphyseal chondrodysplasia)或短肢侁儒免疫缺陷症(immunodeficiency with short-limbed dwarfism)。1965年由McKusick等发现并报道。1疾病概述CHH主要具有以下临床表现：心身材矮小、短肢侁儒；＠头发和眉毛稀疏，纤细，颜色浅；＠骨骼异常：腰椎前凸、前外侧的胸部畸形、排骨过长、肘关节发育、手指和脚趾关节松弛、指甲盖过短、膝内翻；＠免疫缺陷，嗜中性粒细胞和淋巴细胞减少，易反复感染。


医学生物学 CHH符合常染色体隐性遗传。 2.发病生物学机制本病的致病基因为RMRP(RNA component of mitochondrial RNA processing endoribonuclease)。RMRP基因定位于9pl3，其表达产物是一种268nt的lncRNA。lncRNA RMRP可与蛋白结合形成具有RNA核糖内切酶活性的核糖核蛋白复合物MRP，在线粒体中负责在DNA复制的位点切割引物RNA，在细胞核中负责rRNA前体的剪切加工。研究还发现，lncRNA RMRP还可与端粒反转录酶TERT形成一个具有RNA聚合酶活性的复合物，用以产生可用千形成siRNA的双链RNA。lncRNA RMRP基因突变有两种截然不同的形式，第一类主要以6~30位核昔酸与转录调控元件TATA盒之间的插入和重复突变为主，会影响lncRNA RMRP的转录；第二类突变主要发生在转录序列的保守核昔酸位点，以g.70A>G突变最具代表性，可以直接导致核糖核蛋白复合物RNA内切酶活性降低，减少成熟5.8S rRNA的生成，引起核糖体组装减少。


医学生物学 四、基因组印记异常疾病（一）基因组印记概述 基因组印记(genomic imprinting)是一种不符合孟德尔遗传规律的特殊遗传现象，特指父方和母方的等位基因在子代所表现出不对称、不等价表达方式，即只能表达一方的等位基因，从而引起功能差异。如果只表达父方等位基因，而母方不表达，称母方印记(maternal imprinting)；如果只表达母方等位基因而父方不表达，称父方印记(paternal imprinting)。


医学生物学 四、基因组印记异常疾病（一）基因组印记概述 印记基因在人类染色体主要可分布千16对常染色体中，其中以7、11号染色体最为集中。印记基因在基因组中的分布具有成簇分布的特点，80％的印记基因分布千16个印记基因簇中。成簇分布的印记基因往往受到染色体印记区域的印记中心(imprinting center, IC)或印记调控区(imprinting control region, ICR)调控。已在小鼠中发现了7个这样的印记调控区。印记调控区在调控印记基因表达时具有以下2个显著特点：中印记区域中的印记基因倾向于同时表达为父源或母源特征；＠非编码RNA（主要为lncRNA)在印记调控区的作用过程中扮演者极为重要的作用，这些lncRNA一般由ICR转录而来，可通过顺式或反式作用来调控印记基因表达。哺乳动物中基因组印记过程一般可被分为印记形成、印记维持和印记去除3个阶段。非编码RNA、DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传学机制在此过程发挥着重要的作用。


医学生物学 四、基因组印记异常疾病（一）基因组印记概述 基因组印记错误会导致的两个等位基因同时表达或失活，是许多遗传性疾病发生的原因。迄今已发现数十种人类遗传疾病被发现与基因印记异常有关，如Beckwith-Wiedemann综合征(BeckwithWiedemann syndrome, BWS)、Russell-Silver综合征(Russell-Silver syndrome, RSS)、Prader-Willi综合征(Prader-Willi syndrome, PWS)、Angelman综合征(Angelman syndrome, AS)等。（二）Beckwith-Wiedemann综合征Beckwith-Wiedemann综合征[OMIM#130650]，又称过度生长综合征或巨大舌－跻膨出综合征。由Beckwith和Wiedemann在1969年首先报道。


医学生物学 四、基因组印记异常疾病（一）基因组印记概述 CDKNJC基因被错误印记，导致父方和母方的CDKNJC均不能表达，丧失了对细胞周期进程的负调控。因此，在BWS患者中，IGF2的过度表达以及CDKNJC的不表达，引起胚胎过度生长。在BWS相关llp15.5印记基因簇所发生的印记异常中，IGF2基因发生母方印记丢失占到BWS发病率的50%; CDKNJC基因被错误印记占到BWS发病率的5%；其余则由父源性单亲二倍体(unipare ntal disomy, UPD)、llp15.5重复、倒置、易位、微缺失和微重复等所引起。 （三）Russell-Silver综合征 Russe ll-Silver综合征[OMIM#l80860]，又称不对称身材－矮小－性发育异常综合征或先天性不对称祩儒性腺激素增高综合征。由Sliver和Russell分别在1953年和1954年报道。


医学生物学 （三）Russell-Silver综合征 1.疾病概述RSS患者以严重的出生前和出生后生长发育迟缓为显著特征。患者表现出典型的成比例矮身材，成年男性患者的平均身高为151cm，成年女性患者的平均身高为140cm。患者的头部发育正常，但脸部特征会出现一些异常如前额宽阔、小三角形脸、下巴小而尖、嘴角低垂。此外，约78％的患者会出现躯体不对称，主要表现为上肢、下肢、躯干左右不对称或躯干部局部不对称。婴幼儿患者进食困难，易发生低血糖。此外，患儿还可合并发生泌尿生殖系统发育异常、肾脏异常。患儿存在运动及认知发育延迟、学习障碍，但智力发育较为正常。据估计，RSS在西方国家的发生率约为1/10000-1/3000，无性别差异。


医学生物学 （三）Russell-Silver综合征 2.发病生物学机制RSS的发病有一定的遗传异质性，涉及7号和11号染色体印记异常，主要存在以下几种机制：O在约60％的RSS患儿中发现llp15.5的H19及IGF2印记异常。llp15.5的H19（父方印记）和IGF2（母方印记）两个印记基因，受位于着丝粒附近印记调控区ICR调控，而父源染色体ICR发生去甲基化所引起的染色体绝缘效应会导致父源等位基因IGF2的表达被关闭，引起/GF2低表达，从而导致胚胎宫内生长发育迟缓。＠约10％的患者是由于7号染色体母源性单亲二倍体所致，即患儿的两条7号染色体均来自于母亲，导致位千7号染色体的印记基因表达异常。＠1%的患者存在7pl2.1的GRBJO(growth factor receptor bound protein10)基因突变。GRBlO能够与胰岛素受体和胰岛素样生长因子1的受体结合，抑制其蛋白激酶的活性，从而干扰相关信号通路，引起胚胎发育异常。


医学生物学 （三）Russell-Silver综合征 （四）Prader-Willi综合征Prader-Willi综合征[OMIM#l76270]又称为Prader-Labhar-Willi综合征、隐睾－侁儒－肥胖－智力低下综合征。1956年由Prader等首次报道。1.疾病概述PWS患儿以神经行为异常并影响多种器官的发育为主要特征。出生前可见胎动低；在婴儿早期喂养困难、生长缓慢、手足小；婴儿晚期或幼儿期会因过度饮食而导致体重快速增加并发展为病态性肥胖。患者头部常见上唇薄、耳畸形等特征。PWS患者主要症状还包括运动和语言发育迟滞、认知障碍和明显的行为异常，如脾气暴躁、固执、操纵以及强迫行为。此外，患者还存在性腺发育不良，性功能减退，第二性征发育不良等问题。PWS的发病率约为1/22000-1/10000，绝大多数为散发。


医学生物学 166下篇现代生物医学 2.发病生物学机制PWS是第一个被报道与基因组印记有关的疾病。PWS发病的机制有以下四种情况：心父源染色体15qll-ql3关键区域的缺失，占65%~75%；＠母源单亲二倍体，即患者含有2条母源15号染色体，占20%~30%；＠父源染色体15qll-ql3印记中心缺陷，占2%~5%；＠染色体易位：15号染色体与其他染色体发生不平衡结构重排所致，占<1%。研究发现，15qll-q13至少存在SNRPN、NDN、MKRN3、MAGE位、PARJ、PAR5、PAR7、!PW等印记基因，并表现为父源性表达。已证明，在这些印记基因中，部分基因被证明具有剪切加工能力；部分基因产物为非编码RNA。SNRPN位于印记基因簇的中心位置，被认为在PWS的发病过程中扮演重要角色。（五）Angelman综合征Angelman综合征(Angelman syndrome, AS)[OMIM#105830]又称快乐木偶综合征或天使人综合征。1965年由Angelman等首先报道。


医学生物学 166下篇现代生物医学 1.疾病概述AS是一种罕见的神经发育疾病，以严重的智力低下、语言障碍、发育延迟、共济失调和睡眠障碍为主要特征。患者脸上常常带着独特但不正常的快乐面容（频繁大笑、微笑和兴奋），但语言错乱。患儿大约6个月开始出现发育障碍，但AS的典型性症状一般要到1岁之后才会比较明显。AS新生儿患病率约为1/50000~1/24000，绝大多数为散发。2.发病生物学机制AS的发生与患者15qll-q13区所编码的一种泛素蛋白连接酶E3A(ubiquitin-protein ligase E3A, UBE3A)基因印记异常有关。正常情况下，UBE3A为母源等位基因表达，UBE3A印记异常引起AS的发生主要基于以下四种情况：心母源UBE3A缺失，占65%~75%；＠父源单亲二倍体，占3%~7%；＠印记中心发生微缺失，占3%;@UBE3A基因突变，占5%~11%。


医学生物学 166下篇现代生物医学 表观遗传学是研究DNA序列在没有发生改变的情况下，基因功能发生可逆、可遗传改变的遗传学分支学科。表观遗传学关注基因的表达调控机制，主要研究DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA等机制如何在转录前、转录及转录后水平调控基因的表达。表观遗传学与经典遗传学是矛盾的统一体，表观遗传学相关理论很好解释了一些非孟德尔遗传现象发生的机制，加深了人们对于胚胎发育、X朵色体失活、基因组印记及其相关疾病的认识。随着表观遗传学研究的深入，越来越多的证据也显示，表观遗传学与肿瘤、自身免疫性疾病、代谢性疾病、心血管疾病、神经精神疾病等复杂性疾病的发生和发展密切相关。表观遗传学修饰机制的可逆性与可遗传性，进一步凸显了环境因素在遗传中的重要作用，对于人们的生活和健康具有重要指导意义。 1.经典遗传学与表观遗传学的关系？ 2. DNA甲基化对于基因的表达有什么影响？基因能够通过甲基化来调节其转录表达水平依赖于基因组中的哪一种特殊结构？


医学生物学 1.经典遗传学与表观遗传学的关系？ 3.非编码RNA有哪些主要类型？miRNA主要通过哪几种方式来影响基因表达？4.基因组印记背后的遗传现象符合经典孟德尔遗传规律吗？基因组印记背后涉及哪些表观遗传学调控机制？5如何理解DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA在表观遗传学调控中的相互作用？6.表观遗传学理论对于重新认识拉马克的进化理论有何意义？ （胡劲松）第十三章肿瘤生物学 肿瘤(tumor, neoplasm)是在致瘤因素作用下，细胞生长调控紊乱，导致机体某部位组织异常增生而形成的一种新生物通常成肿块状，故名肿瘤。肿瘤的组织增生脱离了一般组织正常生长的规律，可分为良性和恶性肿瘤。前者生长缓慢，与周围组织界限清楚，不发生转移，对人体健康危害不大；后者生长迅速，可转移到身体其他部位，还会产生有害物质，破坏正常器官结构，使机体功能失调，威胁生命。


医学生物学 （胡劲松）第十三章肿瘤生物学 恶性肿瘤也叫癌症(cancer)，是目前危害人类健康最严重的一类疾病。在我国较为常见和危害性严重的癌症包括肺癌、肝癌、乳腺癌、食管癌、胃癌、肠癌、前列腺癌、宫颈癌、鼻咽癌、白血病和脑癌等。探索肿瘤发生、发展和转移等过程的机制，是医学生物学研究的重要组成部分，肿瘤学与现代生物学已融合成为整体，肿瘤生物学理论和技术的完善将为人类最终攻克肿瘤做出巨大贡献。 第一节肿瘤的本质与基本特征 肿瘤由实质和间质两部分构成。肿瘤实质是肿瘤细胞，是肿瘤的主要成分，起源于机体正常组织，具有组织来源特异性，决定肿瘤的生物学特征。通常根据肿瘤细胞的组织来源，进行肿瘤的分类、命名和组织学诊断，并根据其分化和增生情况来确定肿瘤的恶性程度。肿瘤细胞最基本的特征是永生化，同时具有许多不同于正常细胞的生理、生化和形态特征。肿瘤间质起支持和营养肿瘤实质的作用，不具特异性，一般由结缔组织和血管组成，有时还可有淋巴管。 一、肿瘤的起源 1.肿瘤起源千正常组织肿瘤细胞起源千正常组织，但失去了构成正常组织的能力，是在外部因素和内部因素作用下，由机体正常组织细胞发生恶性转化而成。


医学生物学 一、肿瘤的起源 环境致癌因素是肿瘤发生的外部因素。随着人类生存环境的改变，机体更易接触到化学、物理和生物等致癌因素。这些环境中的致癌因素在一定条件下可以诱发机体正常组织转变为肿瘤。化学致癌因素的作用有一定的时间性和剂量效应，大部分致癌物或其代谢产物易与DNA分子发生共价结合形成化合物或交联损伤，引起基因突变或染色体重排、缺失等，包括黄曲霉毒素、烧化剂类、芳香族胺类、碱基类似物、亚硝胺类及偶氮染料等。物理致癌因素通常会导致细胞内自由基增多或者引起细胞DNA断裂、交联和染色体畸变，包括热、电离辐射和紫外线等，如有时多次烫伤或创伤可诱发皮肤组织转化成癌。生物致癌因素主要是各种病毒，会导致机体细胞生长失控而诱发肿瘤，包括反转录病毒、乙型肝炎病毒、人乳头瘤病毒和EB病毒等。


医学生物学 一、肿瘤的起源 基因自发突变和遗传因素是肿瘤发生的内部因素。基因自发突变是由于DNA复制过程中，基因内部脱氧核昔酸的数量、顺序和种类发生了局部改变从而改变了遗传信息的正常结构，根据DNA复制过程中基因突变率及人的一生中细胞分裂次数推测，在人一生中每个基因都有可能发生10-JO次的突变。遗传因素是指个体从亲代获得某些遗传缺陷或某种多态性突变基因型，这些个体在相同环境下与普通人群相比更易发生肿瘤，具有肿瘤遗传易感性(tumor genetic susceptibility)，遗传因素导致某些肿瘤发生具有家族聚集现象，比如神经母细胞瘤(neuroblastoma汃乳腺癌和前列腺癌等。正常组织最终发展成为肿瘤一方面与外、内部因素有关，另一方面也与机体本身的状态如神经、内分泌系统状态及机体对肿瘤的免疫反应等因素有关。只有一小部分发生恶性转化的细胞，能够继续增殖，逃避免疫系统攻击，最终形成肿瘤组织，因此通过提高机体对肿瘤细胞的免疫力将有利千肿瘤的预防与治疗。


医学生物学 一、肿瘤的起源 2.肿瘤源于机体内许多特定种类的细胞恶性上皮肿瘤(carcinoma)来源于上皮组织，占癌症死亡病例中80％以上。恶性上皮肿瘤又可细分为4种亚型：心由保护性细胞层的上皮细胞发展而来的鳞状细胞癌(squ皿ous cell carc inoma)，常发生在皮肤、口腔、唇、子宫颈、阴道、食管、喉和阴茎等处；＠来源千上皮组织中具有分泌能力细胞的腺癌(adenocarcinoma)，肿瘤细胞大小不等、形状不一、排列不规则，具有异质性，腺癌较多见于乳腺、胰腺、肺、肝、前列腺、卵巢和膀胱等处；＠由上皮基底层细胞发展而来的基底细胞癌(basal cell carcinoma)，基底细胞癌非常普遍，大部分上皮组织均可发生；＠发生于膀胱、输尿管或肾盂的移行上皮结构的移行细胞癌(transitional ce且carcinoma)。两种或多种亚型可以共存于同一个器官，如肺中可以同时存在鳞状细胞癌和腺癌，乳腺中可以同时存在鳞状细胞癌和基底细胞癌。


医学生物学 一、肿瘤的起源 肉瘤(sarcoma)来源千各种连接组织和多种间质细胞，如脂肪、骨、软骨、肌细胞和血管等，发病率占临床1%。常见的肉瘤包括骨肉瘤、软骨肉瘤、脂肪肉瘤、平滑肌肉瘤、横纹肌肉瘤、纤维肉瘤、滑膜肉瘤和血管肉瘤等。白血病(leukemia)来源于骨髓等造血系统，能够在血液中产生大量非正常血细胞，常见的白血病包括急性髓细胞性白血病、慢性髓细胞性白血病、急性淋巴细胞性白血病和慢性淋巴细胞性白血病等。淋巴瘤(lymphoma)和多发性骨髓瘤(multiple myeloma)来源于免疫系统，主要包括多发性骨髓瘤、非霍奇金淋巴瘤(non-Hodgkin lymphoma)和霍奇金淋巴瘤等(Hodgkin lymphoma)。胶质细胞瘤(glioma)是由构成中枢和外周神经系统的细胞恶性转化而来，包括星形细胞瘤、少突细胞瘤、成神经管细胞瘤和胶质母细胞瘤等。


医学生物学 二、肿瘤细胞的永生化 正常情况下，一旦发育结束，除了成体干细胞之外，机体内所有正常细胞都配备一种自动的自我摧毁机制，在经过大约60次分裂之后，这些细胞会在内在基因的控制下发生凋亡。而当正常组织细胞分端粒酶反转录酶裂次数限制和凋亡机制失灵时，细胞能够获得永生化(immortality)能力，可以无限增殖并形成肿瘤，危害正常组织细胞功能。细胞永生化是肿瘤细胞的普遍特lA U-G征，是肿瘤形成的一个决定性因素。/在细胞永生化过程中，端粒酶活化起着关键性作核昔酸用，功能失调的端粒酶可以促使基因组不稳定并发生图13-1端粒酶的结构各种异常改变。端粒酶是一种自身携带模板的反转录酶，由RNA和蛋白质组成，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端（图13-1)。在需要不断分裂的细胞如成体干细胞中，端粒酶有活性；而绝大部分成体细胞中，端粒酶活性被抑制，当细胞每分裂一次时，染色体末端的端粒DNA序列就会缩短，当端粒缩短到一定程度时，细胞就发生凋亡。但是，在停止产生端粒酶的细胞中，细胞偶尔发生突变而重新激活端粒酶，当这些细胞分裂时，端粒就不会缩短，细胞就会一直存活，具有永生化特性，这就是肿瘤细胞永生化的形成机制。


医学生物学 三、肿瘤的基本特征 肿瘤是由多种不同类型细胞组成的复合物，包括永生化的肿瘤细胞及其招募来的正常间质细胞。肿瘤细胞在最终形成肿瘤过程中，获得了一系列肿瘤标志性的特征（图13-2)。(1)持续增殖的信号(s u staining proliferative signa lin g)：肿瘤细胞可以通过多种途径获得持续增殖的信号。如肿瘤细胞产生生长因子配体，自分泌刺激增殖；肿瘤细胞诱导间质细胞提供各种生长因子，刺激肿瘤细胞自身生长；肿瘤细胞表面霄殖逃避受体信号高表达或构象改变，进而对生长信号反应灵敏等。(2)逃避生长抑制(evading growth suppressors)：肿瘤细胞对多种抗生长信号不敏感。在肿瘤细胞中用千确保正常组织稳态机制的接触抑制现象消失；抑癌基因能拭异常胃功能受到影响，导致抑制细胞增殖发生障碍，如抑癌基因RB[OMIM*614041]和p53[OMIM*191170]发生突变导致细胞基因组不正常复制和逃离细胞周期检测点的基和突变呴＇g僵眉习尸监控。(3)抵抗细胞死亡(resisting cell血管生成细胞死亡


医学生物学 三、肿瘤的基本特征 death)：凋亡是在不同生理调节下，触发的图13-2肿瘤十大特征细胞程序性死亡，肿瘤细胞通过增加抗凋亡因子如Bcl-2表达、下调凋亡促进因子如B ax表达、增加生存信号如胰岛素样生长因子1/2(IGF l/能。例如，肿瘤细胞会通过分泌TGF-f3或其他免疫抑制因子来麻痹免疫系统，从而确保它们不被免疫v叩fa初级肿瘤形成局部浸润渗入血管.. 移出血管远端浸润进人血液循环微小转移灶形成转移灶增殖宏观转移灶形成 细胞如细胞毒性T淋巴细胞(CTL)和自然杀伤细胞(NK)清除。因此，提高机体免疫系统对肿瘤细胞的应对能力，对多种肿瘤的预防和治疗将起到积极作用，如含有大量CTL和NK细胞比缺少这些免疫细胞的结肠癌和卵巢癌患者预后好。


医学生物学 第二节肿瘤发生发展的分子基础—、原癌基因 1976年，Bishop和Varmus发现鸡Rous肉瘤病毒中src基因[OMIM*190090](v-src)是诱发肿瘤的主要原因。v-src是一种蛋白酪氨酸激酶，过度磷酸化的v-src将导致细胞恶性转化，刺激细胞无限增殖而形成肿瘤。用v-src基因的cDNA与其他基因组DNA杂交，发现v-src基因的同源物普遍存在千动物细胞中，表明动物细胞自身正常的src基因(c-src)具有诱发肿瘤产生的潜质，c-src成为第一个被发现的原癌基因(proto-oncogene)，这一重大发现使B ishop和Varmus获得了1989年诺贝尔生理学或医学奖。原癌基因与细胞生长、增殖和分化等生理过程密切相关，是维持机体正常生命活动所必需的，在进化上高度保守。当原癌基因发生点突变、重排、启动子插入、增强子插入、扩增和低甲基化等变化，导致其基因产物增多或活性增强时，原癌基因激活成为癌基因(oncogene)，细胞就会过度增殖，从而形成肿瘤。许多生长因子、生长因子受体、G蛋白、激酶和转录因子基因等都属千原癌基因。


医学生物学 第二节肿瘤发生发展的分子基础—、原癌基因 1生长因子类生长因子是细胞外信号，能够与细胞膜上的生长因子受体结合，引发多种蛋白激酶活化，进而对转录因子进行修饰，参与调控一系列基因表达。生长因子类原癌基因代表如c-sis基因，该基因的编码产物是血小板衍生因子(PD GF)的B链，与PDGF受体结合，促进细胞增殖，导致肿瘤发生。2生长因子受体类生长因子受体是能与生长因子专一性结合的跨膜蛋白，大多具有酪氨酸激酶活性，是细胞增殖信号的重要调控因子。生长因子受体类原癌基因的代表如erbB基因，该基因编码表皮生长因子(EGF)受体，包括erbB-1, erbB-2[OMIM*164870]和erbB-3[OMIM*190151]，在许多实体肿瘤中存在erbB基因的高表达或异常表达。其中erbB-2基因表达产物又称为HER-2或n eu, HER-2基因扩增是影响乳腺癌生长与转移的最重要因素之一，大约30％的乳腺癌中出现HER-2过量表达现象（图13-4)，肿瘤细胞增殖、侵袭和转移能力较强，分化成熟和凋亡机制受到抑制。


医学生物学 细胞质细胞质膜/ 图13-4HER-2过量表达霆因拷贝数f;＠mRNA转录仁＠细胞表面受体蛋白表达伈＠受体胞外域释放f3. G蛋白类G蛋白能与GTP结合，具有GTP水解酶活性。G蛋白类原癌基因的代表如ras基因家族，该基因家族在进化上非常保守，表达产物的相对分子质量为2l x l03，对正常细胞的增殖和分化起重要调节作用。ras基因突变是最普遍的一种激活方式，突变后Ras蛋白发生构型改变，功能也随之改变，活化状态的Ras蛋白能持续地激活磷脂酶C(PLC)产生第二信使，造成细胞不可控制地增殖。


医学生物学 癌基因的功能与相关肿瘤。原癌基因功能相关肿瘤 s/,S生长因子尤因(Ewing)肉瘤erb-B受体酪氨酸激酶，EGF受体乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌、唾液腺癌fins受体酪氨酸激酶，CSF-1受体髓性白血病ras G-蛋白肺癌、结肠癌、膀胱癌、直肠癌src非受体酪氨酸激酶劳斯(Ro u s)肉瘤Abl-1非受体酪氨酸激酶慢性髓性白血病raf丝氨酸／苏氨酸激酶腮腺肿瘤c-myc转录因子伯基特(Burkitt)淋巴瘤、肺癌、早幼粒细胞白血病fos转录因子骨肉瘤myb转录因子结肠癌erb-A转录因子急性非淋巴细胞白血病抑癌基因(tumor suppressor ge n e)也称抗癌基因，是一类存在于正常细胞内可抑制细胞生长并具有潜在抑癌作用的基因。抑癌基因与原癌基因相互制约，在控制细胞生长、增殖及分化过程中起若负调节作用，维持正负调节信号的相对稳定。抑癌基因突变、缺失或失活可引起细胞恶性转化而导致肿瘤发生，其中研究最多的是视网膜母细胞瘤(retinoblastoma, RB)基因和p53基因。


医学生物学 癌基因的功能与相关肿瘤。原癌基因功能相关肿瘤 1. RB基因RB基因是1986年第一个被克隆并完成序列测定的抑癌基因，在视网膜母细胞瘤、三阴性乳腺癌、小细胞肺癌和侵袭性前列腺癌等多种肿瘤中突变频率较高。RB基因定位在人染色体13q14上，编码一个相对分子质量约为105x l03的蛋白质(p l05气，p l05RB蛋白有磷酸化和去磷酸化两种形式，参与细胞周期GI-S期检测点的调控过程。在细胞分裂晚期，p l05RB去磷酸化，脱磷酸p l05RB与转录因子E2F结合，抑制E2F调控DNA复制相关酶基因的转录过程；在细胞周期GI期时，RB蛋白在被Cyclin/CDK(CyclinD/CDK4或者CyclinE/CDK2)磷酸化后释放E2F，引发DNA复制相关酶转录，细胞由G I期进入S期时，促使细胞分裂增殖（图13-5)。


医学生物学 癌基因的功能与相关肿瘤。原癌基因功能相关肿瘤 2. p53基因p53基因是迄今发现与人类肿瘤相关性最高的基因，在50％恶性肿瘤中，p53基因发生变化。该基因定位千(p17p13，可编码相对分子质量为53X103的蛋3白质，主要分布于细胞核浆，能与DNA特异结合，发挥转录因子的功能；p53蛋白也能够与胞质中的B cl-2家族蛋白发生相互作用，从而介导凋亡途径，使得线粒体外膜通透性增高，释放出细胞色素C，使细胞发生凋亡。。mRNA p53活性受磷酸化、乙酰化、甲基化和泛素化等翻译后修饰调控，通过维持基因组稳定、。 。飞编码蛋白 阻滞细胞周期、促进细胞凋亡和抑制肿瘤血管生成等方式发挥抑癌基因作用。p53犹如“基因组卫士”，在GI期检查3DNA损伤情况，监视细胞基因组的完整性。。三II只三当基因组有损伤时，基因组变得不稳定，遗传信息发生改变，诱发p53开启下游基因图13-5RB参与细胞周期检测点调控p21转录；p21蛋白是CDK抑制剂，可与细胞周期停滞蛋白，引起G期阻滞，给细胞提供足够时cyclin-CDK复合物结合，抑制CDK蛋白激酶活性，导致cyclin-CDK无法磷酸化RB


医学生物学 。飞编码蛋白 上间修复损伤DNA；如果修复失败，p53蛋白三t则通过上调Bax和PUMA表达、下调Bcl-2表达、调控死亡信号受体蛋白、TNF受体和Fas蛋白等途径引发细胞凋亡过程。值得注意的是，p53基因在细胞内的作用方式为显性负作用(dominant negative),野生型p53基因失活促进肿瘤形成，而突二三二G变型p53基因不仅仅是其抑癌基因功能缺失，有时突变型p53可以作为肿瘤促进因 }i子，消除正常p53基因的功能。例如，正常三三 p53蛋白能剌激抑制血管生成基因Smad4表达，抑制肿瘤血管形成，但突变型p53蛋圈13-6正常和突变型p53的作用机制白可以促进新生血管生成，有利于肿瘤的快速生长和转移，还能够提高c-myc和端粒酶反转录酶TERT[OMIM*187270]基因表达水平（图13-6)。


医学生物学 }i子，消除正常p53基因的功能。例如，正常三三 3. PTEN基因人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因(phosp h a t as e and tensin homolog deleted from chromosome ten gene, PTEN)是具有双重特异磷酸酶活性的抑癌基因，是继p53基因后另一与肿瘤发生关系密切的基因。PTEN[OMIM+601728]基因位于染色体10q23.3，蛋白相对分子质量约为56xl03。肿瘤细胞中，PTEN基因突变或缺失现象非常普遍，在胶质母细胞瘤、前列腺癌、子宫内膜癌、肾癌、卵巢癌、乳腺癌、肺癌、膀胱癌、甲状腺癌、头颈部鳞状细胞癌、黑色素瘤和淋巴瘤等多种肿瘤中均有发生。PTEN能够负调控PI3K/AKT和MAPK信号转导通路，同时与p53主导的信号通路存在相互对话(cross-ta l king)，在细胞生长凋亡、黏附迁移和浸润等方面具有重要作用。PTEN基因主要通过等位基因缺失、基因突变和甲基化改变等方式失活，PTEN失活是多种类型肿瘤预后的评价指标。表13-2是一些常见抑癌基因的功能及相关肿瘤。


医学生物学 174下篇现代生物医学三、关键信号转导通路或方，月基醮激和的族eaSpur图亡游（凋下才达层木ases13是切号因细蛋途控肿信细瘤制径胞制现 导表个密信殖身导导调激。亡内肿抑5』细抑发致转因多程殖增自转转负刺展面制，、号基有过增促使号号殖和发凋体豆方抑亡粒对显常成加强，对肿瘤转移具有明显的促进作用。如p53、pl6和Puma基因缺失或功能障碍导致凋亡减弱，细胞趋于异常过度增殖状态，导致肿瘤发生。细胞分化信号信导和径自．，细脱内转抗途过为信物转化种药号转多疗信号等化信化。


医学生物学 发表变转胞和生瞎卯体突号将亡并凋发呾的促受活信的激书号殖瘤如子信增肿面，因是们界着与方子殖的增高阻胞最变细率突外在化－因受存变接内常点生adL）胞异特泌体细的的分进频的上呈]受。路殖能促变答通增织变或应导性组改生和体的转恶瘤的发体膜胞号有肿体卓受瘤（细信具种受妇型细，除键密体起受引控＂多心人发曾生消关有过，调胞加长在吵管凋通控叉细增生变胞调交瘤达速改弱，刁生信等蛋细到的兔肿表迅的减用组通衡受胞促不要切吐性蛋反木刺形入突在的会管活的级心团因括活血亡个具强酶制的)4习功续控加白抑并惶过的发号蛋白持失的殖匕曰受次甘子胞白径作瘤平发亡中亡胞F的3VIn号胞的凋凋细抗的可。信定间等胞心式信信增成生胞胞特此发细活方内的的生发细胞终彼．细最，复路瘤度泌细增是细凋线制和地明中达亡系和生抑径效有瘤表、们胞激的胞殖书质瘤基肿康凋关和而途有具肿和号通肿过分＠胞进白应 另一方面促凋亡减弱：很多抑癌基因都具有促凋亡作用，细胞分化是个体在发育过程中，细胞在形态、功能、代谢和行为等方面发生差异，从而形成不同的组织和器官。分化在肿瘤病理学中常指肿瘤细胞与其起源的成熟细胞的相似程度，肿瘤细胞越相似千相应的正常细胞，则为高分化，否则就是低分化。肿瘤细胞的分化程度是肿瘤良恶性鉴别的重要依据，通常分化程度越低，肿瘤恶性程度越高。肿瘤是一种细胞分化异常的疾病，与细胞分化信号转导通路的改变密切相关：心Wnt信号通路中的[3-catenin[OMIM*116806]基因的突变造成[3-catenin蛋白无法被磷酸化和泛素化降解，致使[3-catenin在胞质内大量聚集，从而进入细胞核并激活与细胞分裂和生长调控相关的基因，导致Wnt信号异常激活，诱发结直肠癌、肝母细胞瘤、卵巢癌和前列腺癌等多种癌症；®BMP(bone morphogenetic protein)是TGF-[3超家族中的重要成员，通过与细胞膜上BMP受体特异性结合，将信号传递给细胞内的Smad分子，Smad入核调控靶基因的转录，在超过50％的幼年性息肉综合症(juvenile polyposis syndrome, JPS)和结肠癌病例中，BMP信号是失活和降低的；＠Notch通路是一个进化上保守的信号通路，在哺乳动物细胞中，配体delta-like(DLLl、DL13、DLIA)和Jagged家族(JAGl、JAG2)蛋白与Notch信号受体(Notchl-4)结合，激活Notch信号通路，调控细胞分化命运，与乳腺癌、胰腺癌、前列腺癌、肺癌和卵巢癌等多种肿瘤发生发展密切相关。


医学生物学 发表变转胞和生瞎卯体突号将亡并凋发呾的促受活信的激书号殖瘤如子信增肿面，因是们界着与方子殖的增高阻胞最变细率突外在化－因受存变接内常点生adL）胞异特泌体细的的分进频的上呈]受。路殖能促变答通增织变或应导性组改生和体的转恶瘤的发体膜胞号有肿体卓受瘤（细信具种受妇型细，除键密体起受引控＂多心人发曾生消关有过，调胞加长在吵管凋通控叉细增生变胞调交瘤达速改弱，刁生信等蛋细到的兔肿表迅的减用组通衡受胞促不要切吐性蛋反木刺形入突在的会管活的级心团因括活血亡个具强酶制的)4习功续控加白抑并惶过的发号蛋白持失的殖匕曰受次甘子胞白径作瘤平发亡中亡胞F的3VIn号胞的凋凋细抗的可。信定间等胞心式信信增成生胞胞特此发细活方内的的生发细胞终彼．细最，复路瘤度泌细增是细凋线制和地明中达亡系和生抑径效有瘤表、们胞激的胞殖书质瘤基肿康凋关和而途有具肿和号通肿过分＠胞进白应


医学生物学 176下篇现代生物医学 从生殖细胞遗传得来，有的是从体细胞后天获得，故肿瘤有遗传型和散发型之别。结直肠癌的发生过程是典型的多步骤致癌过程，由遗传与环境等多因素相互作用所致，是一个涉及多基因多阶段的复杂过程。首先，正常结直肠细胞中APC(adenomatosis pol yposis coli)[OMIM*611731]基因发生突变，导致非典型上皮增生，并发展为早期腺瘤，此时K-ras突变导致发展为中期腺瘤，然后在D CC(de leted incolon cancer)[OMIM*120470]基因突变作用下进展为晚期腺瘤，在p53突变作用下，演变为结直肠癌，而后其他相关基因突变导致具有侵袭和转移特性的恶性结直肠癌（图13-9)。 巨巨工p二、表观遗传改变学说 表观遗传修饰是指细胞核DNA序列不发生改变，基因功能发生可逆的和可遗传的改变，包括DNA的修饰（如甲基化修饰）和组蛋白的各种修饰等。随着表观遗传领域的深入研究，发现绝大部分肿瘤具有表观遗传修饰异常改变现象。表观遗传改变可导致印记丢失、染色质重塑、非必需重复序列转录、原癌基因异常活化以及抑制基因异常沉默等，在肿瘤发生发展过程中发挥重要作用。


医学生物学 巨巨工p二、表观遗传改变学说 1.遗传印记丢失遗传印记是指来自父母双方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，即机体特异性地对源于父亲或母亲的等位基因做一个印记，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性。正常的基因印记受DNA甲基化和组蛋白乙酰化等修饰的调控，一对等位基因中一个发生转录而另外一个受到抑制。肿瘤中一些基因丢失其遗传印记后会导致两个等位基因在肿瘤细胞中共表达。在成人肿瘤中研究最清楚的是类胰岛素生长因子2(IGF2)[OMIM*147470]，当IGF2等位基因发生共表达后，I GF2异常增多，过度激活下游相关通路，导致细胞过度增殖或分化异常进而引发肿瘤，在结直肠癌和肾母细胞瘤(W i lm瘤）患者中常发现JGF2基因遗传印记的改变。


医学生物学 巨巨工p二、表观遗传改变学说 2. DNA甲基化改变DNA甲基化模式改变在肿瘤细胞中非常普遍，包括整体基因组的低甲基化和一些基因启动子区域CpG岛甲基化水平的升高。基因的异常甲基化在肿瘤发生的早期就可出现，并且在肿瘤逐步发展过程中基因异常甲基化的程度增加。通过DNA甲基化，可以直接影响DNA特异顺序与转录因子的结合，也可以招募MeCP(meth yl CG-binding protein)间接阻碍转录因子与基因形成转录复合物，进而抑制转录。通过DNA去甲基化，可为基因表达创造合适的染色质环境，促进基因转录，如DNA去甲基化常与基因表达活化区(DNase I高敏感区）同时出现。


医学生物学 巨巨工p二、表观遗传改变学说 肿瘤细胞中，DNA甲基化改变体现在多方面：心抑癌基因高甲基化，如RB、pl6和p53等抑癌基因启动子区域的CpG岛处千高甲基化状态，抑癌基因功能缺失，细胞增殖失控；＠DNA修复基因高甲基化，如MMR(mismatch repair)[OMIM#276300]基因启动子甲基化引起错配修复基因失活，是结直肠癌、胃癌和乳腺癌等肿瘤发生的重要因素；＠原癌基因低甲基化，肿瘤细胞中原癌基因的低甲基化状态与其蛋白表达升高密切相关，参与维持肿瘤细胞的不断增殖过程；＠诱导染色体不稳定性，肿瘤细胞中基因组总体甲基化水平的降低，导致高频率的染色体重组或杂合性丢失，使得基因组不稳定性增不能完全治愈，肿瘤治疗的焦点是杀伤TSC；因此，需要应用诱导分化药物，将TSC诱导分化，进行肿瘤的有效治疗，如联合应用维甲酸和珅剂，能够彻底清除白血病干细胞，治疗急性早幼粒细胞白血病。


医学生物学 四、肿瘤微环境学说肿瘤微环境是指肿瘤局部浸润的免疫细胞、 }间质细胞及所分泌的活性介质等与肿瘤细胞共畸胎瘤低分化肿瘤高分化肿瘤终末分化细胞同构成的局部内环境。肿瘤的发生和发展与肿固13-10干细胞恶性转化形成肿瘤瘤细胞所处的微环境关系密切：心适宜的微环境可以引起基因组不稳定、提供支架和屏障、产生免疫豁免区域，促进肿瘤发生。＠肿瘤形成组织缺氧、pH降低、营养缺乏和肿瘤血管生成等特点的肿瘤微环境，促进肿瘤发展。肿瘤细胞可以通过自分泌和旁分泌，改变和维持自身生存和发展的条件，促进肿瘤的生长和发展；而全身和局部组织也可通过代谢、分泌、免疫、结构和功能变化等方式，改造肿瘤微环境，限制和影响肿瘤的发生和发展。


医学生物学 四、肿瘤微环境学说肿瘤微环境是指肿瘤局部浸润的免疫细胞、 正常细胞与其周围的组织环境之间存在动态平衡，两者之间的共同作用可以调控细胞的活性，决定细胞增殖、分化、凋亡以及细胞表面相关因子的分泌和表达。在细胞恶性转化过程中，则需要不断打破正常的动态平衡，形成更有利千肿瘤细胞不断增殖的肿瘤微环境，进而有利千肿瘤发生、进展和恶性转移。在肿瘤微环境中，细胞主要包括成纤维细胞、胶质细胞、上皮细胞、脂肪细胞、炎症细胞、免疫细胞和血管内皮细胞等，胞外因子主要包括各种生长因子、激素、趋化因子和炎症因子等。肿瘤微环境成为影响肿瘤发生、发展的重要因素，以肿瘤微环境为靶点的治疗策略有其自身的优势：心肿瘤间质细胞具有稳定的遗传背景，不易出现突变和耐药发生；＠肿瘤微环境的异质性更小，疗效相对稳定；＠阻碍肿瘤细胞迁移路径，在控制肿瘤转移方面可以发挥极为重要的作用。


医学生物学 四、肿瘤微环境学说肿瘤微环境是指肿瘤局部浸润的免疫细胞、 肿瘤由实质（肿瘤细胞）和间质两部分构成，其中肿瘤细胞起源于机体正常组织，具有组织来虎特异性。肿瘤具有永生化特点，同时具有逃避生长抑制、抵抗细胞死亡和诱导血管生成等十大特征。肿瘤的发生、发展过程涉及原癌基因、抑癌基因和关键信号转导通路的改变，其中原癌基因主要有生长因子、生长因子受体、G蛋白、激酶、转录因子基因等，抑癌基因包括RB、p53和PTEN等基因，关键信号转导通路与细胞增殖、凋亡和分化信号等生理过程紧密联系。肿瘤发生、发展的生物学机制主要有遗传改变学说、表观遗传改变学说、肿瘤干细胞学说和肿瘤微环境学说等。探索肿瘤发生、发展和转移等过程的机制对于人们认识肿瘤并最终战胜肿瘤具有重要的意义。 1.肿瘤的基本特征包括哪些？ 2.举例说明原癌基因和抑癌基因参与肿瘤发生、发展过程的机制。3.试述信号转导通路异常与肿瘤发生、发展的关系。4.如何理解肿瘤干细胞学说？5.如何理解表观遗传改变与肿瘤之间的关系？


医学生物学 （张树冰）第十四章基因组医学 人类对生命本质的认识经历了一个漫长的过程。1865年孟德尔(Mendel)通过豌豆杂交实验确定了决定生物性状的遗传因子。1909年丹麦生物学家约翰森(Johannsen)将遗传因子表述为“基因“，希腊文”给予生命”之含义。1926年，摩尔根(Morgan)通过果蝇遗传实验证明基因在染色体上，呈直线排列。1944年埃弗里(Avery)证明DNA是遗传的物质基础。1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)提出DNA双螺旋结构模型，确定了基因的化学本质，对生命的认识深入到了分子水平。2003年人类基因组计划的完成，揭示了基因组是生命遗传信息的载体，同时入类基因组计划的研究技术和成果应用千医学实践中，阐明了多种疾病的基因变异机理和代谢途径变化。两千多年前，糖尿病被描述为有“种子的传递”和＂懒惰的行为和偏爱油腻的食物与甜酒”的疾病，这里的种子指的就是遗传基础。西方的医书中对血友病有大量的记载，如古代希伯来法律描述如果男婴的任何一个兄弟或舅父出现过度流血的现象，那么这个男婴可免除包皮环切，说明血友病的遗传已经引起人们的关注。近年来，不断发展的基因组学技术为临床医学实践带来无限的生机，并产生了基因组医学，实现了对多种疾病的早期诊断、预防和和个体化治疗，使医学进入一个崭新的模式，基因组医学是现代医学最活跃的领域之一。


医学生物学 （张树冰）第十四章基因组医学 第一节人类基因组计划与基因组医学一、人类基因组(—)基因组及基因组学概念1基因组1920年德国遗传学家H. Winkler提出基因组(genome)一词，由基因(gene)和染色体(chromosome)二词缩写、合并而成。基因组是指单倍体细胞含有的全部DNA，包括细胞核基因组及核外基因组，其大小以基因组中全部DNA总量来衡量，称为C值(C-value)。2.基因组学1986年美国科学家Thomas Roderick提出基因组学(genomics)，指研究生物基因组全部基因的结构、功能及基因之间相互作用的科学。基因组学包括以全基因组测序为目标的结构基因组学和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学。基因组学随着人类基因组计划的启动而迅速发展，成为生命科学最活跃的研究领域之一。（二）细胞核基因组及主要特征细胞核基因组含24条染色体(22条常染色体和X、Y性染色体），DNA约为3xl09个碱基对。根据基因组中DNA序列出现的频率，将细胞核基因组DNA分为单一序列和重复序列。


医学生物学 （张树冰）第十四章基因组医学 1单一序列(unique sequence)指在基因组中只出现一次或少数几次的DNA序列，或称为单拷贝序列，占基因组60%~70%，包括大多数编码蛋白质和酶的结构基因及非基因序列中的单一序列。2重复序列(repetitive sequence)指在基因组中存在多个拷贝的DNA序列，占基因组的30%~40%，分为三类：(1)基因家族：由某一祖先基因经过重复和变异所产生的一组在结构上相似、功能相关的基因。基因家族成簇分布在某一条染色体上或是分布于不同染色体上，各成员具有不同的表达调控模式。(2)中度重复序列：指重复次数为10~105拷贝的DNA序列，通常为非编码序列，如rRNA基因和tRNA基因，平均长度约300bp，分散于基因组中，对基因表达起调控作用。


医学生物学 180下篇现代生物医学 (3)高度重复序列：指重复次数＞105拷贝的DNA序列，长度从几个bp到几百个bp，高度重复序列集中在某一区域串联排列，参与维持染色体结构，在基因组中所占比例随物种变异很大。（三）线粒体基因组及主要特征人类线粒体基因组由双链闭合环状的DNA组成，即线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA),mtDNA全长16569bp，双链有重链(H链，富含G)和轻链(L链，富含C)之分。mtDNA无内含子，密码子与核DNA密码子不同，突变率高。线粒体基因组含37个基因，编码13种多肤、22种tRNA和2种rRNA,13种多肤为线粒体内部氧化磷酸化酶复合物的亚单位。线粒体基因组独立千细胞核基因组之外，通过半自主复制进行繁殖。


医学生物学 二、人类基因组计划（一）人类基因组计划的研究历程 1984年，美国能源部(DOE)首次讨论了对人类基因组DNA进行全序列分析的前景。1986年3月，诺贝尔奖获得者杜尔贝科(Dulbecco)在Science杂志上发表名为《癌症研究的转折点——测定人类基因组序列》的短文，首次提出人类基因组计划(Human Genome Project, HCP)的设想，并建议设立国家和国际级的组织进行这方面的研究，这篇短文被誉为人类基因组计划的标书。之后，美国能源部和美国国立卫生研究院(NIH)先后提出实施测定人类基因组全序列的计划。1988年4月，国际人类基因组组织(Human Genome Organization, HUGO)宣告成立，DNA分子双螺旋模型提出者沃森(Waston)担任第一任主任。国际人类基因组组织代表了全世界从事人类基因组研究的科学家，是专门协调各国协作研究的组织。1989年，美国成立国家人类基因组研究中心(National Center for Human Genome Research, NCHGR)。1990年10月，美国政府决定出资30亿元启动”人类基因组计划”，准备在15年内完成对入类基因组全部序列分析，揭开人类全部遗传信息之谜。随后，法国、英国、意大利、德国、日本、中国、俄罗斯、欧共体等国家和组织先后启动了自己的人类基因组计划。1998年，HCP调整战略目标，制定了1998—2003年的五年计划，包括人类基因组基因图谱构建与序列分析；人类基因的鉴定；基因组研究技术的建立；大肠杆菌、酵母、线虫、小鼠、黑腹果蝇等模式生物基因组测序与比较基因组学研究；人类基因组序列变异体分析；人类基因组研究的社会、法律与伦理问题等方面的内容。2000年6月26日，美国总统克林顿(Clinton)和英国首相布莱尔(Bia江）共同宣布人类基因组“草图”完成；2001年2月，人类基因组工作框架图完成；2003年4月，中、美、且德、法、英6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，2004年10月发表人类基因组高精度序列图。人类基因组计划完成后，国际人类基因组组织(HUGO)继续促进和协调全球入类基因组的研究工作，基因组数据对全球开放(http:llwww. hugo-international. org)。人类基因组是一部写了几十亿年的“生命之书”或一张绘了几十亿年的“生命蓝图＇。（表14-1)时间事件1986年3月美国能源部宣布实施人类基因组计划草案1988年4月国际人类基因组组织(HUGO)成立1989年10月美国国会批准成立“国家人类基因组研究中心”,Waston出任第一任主任1990年10月国际人类基因组计划启动，美国、英国、法国、德国、日本等相继加入1998年5月Celera Genornics公司成立，与国际人类基因组计划展开竞争1999年9月中国加入HGP，负责人类基因组1%(3pter-D3S3610)的测序工作1999年12月国际人类基因组计划宣布完成人类第22号染色体完整序列测定2000年4月Celera Genomics公司宣布测定一名实验者的完整DNA序列2000年6月人类基因组“草图”完成2001年2月人类基因组工作框架图完成2003年4月屯美、且德、法、英6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功2004年10月发表人类全基因组高精度序列图（二）入类基因组计划的研究内容人类基因组计划的目的是分析人类22条常染色体和X、Y两条性染色体上大约30亿个碱基对的序列，最终解读人类基因组中所有基因的结构和功能。该计划的研究内容主要包括以下几个方面：首先建立遗传图(genetic map)，然后构建物理图(p h ysical map)，最后经过测序完成序列图(se quence map)和基因图(gene map)，见图14-1。美国国家科学院(NAS)人类基因组制图和测序委员会要求制定并最终完成的基因组序列精度要达到：CD错误率低于1/10000;＠序列必须是连续的，没有缺口；＠序列所用的克隆能忠实地代表基因组的结构。在人类基因组计划的实施过程中又提出了工作框架图(working draft)的概念，即在BAC克隆水平测序的覆盖率不应少于3倍，至少获得基因组90％以上的序列，错误率应低于1%。


医学生物学 二、人类基因组计划（一）人类基因组计划的研究历程  自覃”“氓气染色体（连锁图）圈14-1人类基因组计划主要目标图解 工作框架图。2003年4月中、美、日、德、法、英6国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功。2004年IO月发表了包括30亿个碱基、覆盖率大于99%、误差小千十万分之一的人类全基因组高精度序列图，标志着入类基因组计划的最终完成。4.基因图人类基因组计划的目标不只是为了测序每一个碱基，更重要的是要获得基因信息，在基因组中找出全部基因的位置、结构及表达模式等信息，即绘制基因图。基因的表达有时间和空间的特异性，通过提取特定生长发育时期或特定组织器官中表达的mRNA进行反转录即可得到表达序列标签(expressed sequence tags, EST)的cDNA片段，通过进行大规模的EST测序及整合，然后用EST作为＂探针”进行分子杂交，鉴别出与转录有关的基因，就可以绘制基因图，并确定基因在染色体中的位置。基因图是基因组在正常或受控情况下表达的全基因时空图，运用正常基因图谱，可以构建特定条件下cDNA的差异图，作为指导研究和进行基因组医学的蓝图。


医学生物学 （三）我国的人类基因组计划研究工作 我国1999年9月在英国举行的第五届国际人类基因组战略会议上正式加入国际人类基因组测序协作组，承担人类基因组3号染色体短臂D3S36IO至端粒约30Mb碱基对(1%）序列的测定任务，成为加入该组织的唯一发展中国家。并在各民族遗传资源保存和遗传多态性、基因组研究技术、致病基因及相关基因的cDNA克隆方面进行研究。我国人类基因组计划第一阶段从1994年1月至1997年6月，由全国16个单位19个课题组参加，分为3个子课题，即：心中国不同民族基因组的保存及基因组比较研究；＠建立和改进人类基因组研究新技术；＠中国人群基因组若干位点致病基因或疾病相关基因的研究。其目标是利用我国丰富的入类遗传资源，进行基因组多样性和疾病基因识别以及建立相关技术的平台。


医学生物学 （三）我国的人类基因组计划研究工作 1997年底，“中华民族基因组中若千位点基因结构的研究”重大项目在总体上完成了预期目标，并获得了重要的研究进展:(j)改进了永生细胞株的建株技术，完成了南、北两个汉族人群和西南、东北16个少数民族群体共733个EB病毒(Epstein-Ban virus, EBV)转化的永生淋巴细胞株的建立，为中华民族基因组的研究保存了珍贵的遗传资源，并以此为基础展开了我国多民族基因组多样性的比较研究；＠建立了比较完整的基因组研究技术体系，形成了作图（包括工具酶研制、大片段DNA文库筛选和构建、序列标签位点制作）、测序（包括较大规模cDNA片段和基因组DNA测序）、基因定位（包括FISH和RH)与识别（包括差异显示、cDNA选择和外显子捕捉）、基因组扫描和生物信息学等比较配套的方法学体系，并获得了与神经系统，造血系统发育、分化和基因表达调控相关的一批cDNA;＠在致病基因分离和结构、功能研究方面，克隆到遗传性多发性外生骨抚的致病基因(EXT2)，获得了与白血病和部分实体瘤相关的DNA片段和基因，并开展结构和功能研究。


医学生物学 （三）我国的人类基因组计划研究工作 1998年，国家自然科学基金委员会通过了“中华民族基因组的结构和功能研究”重大项目立项，实现了第二阶段中国人类基因组计划。第二阶段从1998至2003年，下设4个子课题：心中国不同民族基因组的保存及遗传多样性研究；＠基因组多样性与多基因疾病基因组定位研究；＠建立和发展功能基因组学的新理论、新技术、新方法；＠钩端螺旋体全基因组结构和功能研究。其目标是发挥我国人类遗传资源优势和多学科优势，从中华民族人群基因组保存和多样性分析、多基因病相关基因定位与分析的基础理论和实验技术中建立和发展功能基因组学新理论、新技术和新方法，对这三个方面进行综合性大规模研究，同时出千对我国传染病预防控制的前瞻性考虑，进行了与公共卫生有关的病原体基因组学研究的尝试，在国际上首次测定了钩端螺旋体全基因组序列。


医学生物学 （三）我国的人类基因组计划研究工作 中国的人类基因组计划充分体现了中国特色，从研究内容来看，除了“百分之一“任务外，还建立中国疾病遗传资源收集网络、鉴定疾病相关基因（包括定位和克隆疾病基因）为核心的疾病基因组研究工作；开展以人类健康为目标的功能基因组研究（包括生物信息学、转录组学、蛋白质组学、结构基因组学的研究乃至模式动物和生物芯片的技术平台建设等）；充分利用人类基因组研究的技术优势和资源优势，将基因组测序和研究工作推向水稻以外的其他植物、动物（家蚕、曼氏血吸虫）和微生物，并向全世界公布。


医学生物学 三、人类基因组单体型固计划 国际人类基因组单体型图计划(The International HapMap Project, HapMap)是继人类基因组计划之后基因组研究领域的又一重大研究计划。单体型(haplotype)是指一个染色体区域中所有相关联的SNP集合，通常作为一个单位遗传，在进化上非常保守，在世代的传递中很少发生DNA重组。入类基因组单体型图计划开始于2002年，由日本、英国、加拿大、中国、尼日利亚和美国的科学家们合作完成，中国在该计划中做出10％的贡献，具体内容为构建3号染色体、21号染色体和8号染色体短臂的单体型图。HapMap计划的目标是确定人类基因组中DNA序列变异，通过测定序列变异特征、变异频率及关联方式，绘出人类基因组的单体型图及不同单体型板块的标记SNP。如果说基因组序列图为人类提供了一份生命的”说明书”，那么单体型图就是使人类基因组使用方便的索引目录。


医学生物学 三、人类基因组单体型固计划 用千构建单体型图计划的DNA样品分别来自尼日利亚伊巴丹区域的约鲁巴(Yoruba)人、日本东京人、北京汉族人以及祖先为北欧和西欧的犹他州居民。HapMap建成的公共数据库(www. ncbi. nlm. l'lih.gov/SNP)可自由下载。利用这一图谱，可查询SNP位点、SNP检测设计、等位位点及其频率等。在单体型中选择“标签"(tag)来捕获标签相邻区域的遗传多态性，可以对整个基因组的遗传变异进行调查，发现疾病的遗传因素。2005年IO月国际HapMap协作组在Nature杂志发文宣布“国际人类基因组单体型图计划“第一期工作完成，初步绘制出首张人类单体型图谱。单体型图为人类疾病和遗传关联分析、致病基因和致病因子的确定、药效及副作用、疾病风险分析、人类起源进化及迁徙历史的研究等提供完整的人类基因组信息和有效的研究工具。


医学生物学 四、DNA元件百科全书计划 2003年9月美国国立人类基因组研究中心率先启动耗资3亿美元的DNA元件百科全书(Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE)计划，旨在解析人类基因组中的所有功能性元件。如果将人类基因组计划比喻为一张地图，那么ENCODE计划就是在这张地图上标出各个基因的功能信息。在人类基因组计划完成之后，科学家们发现仅占人基因组1.5％的核昔酸编码序列不足以完整地解释高等生物复杂的生命活动。ENCODE计划的主要目标是研究占人类基因组98％以上的非编码区DNA调控元件的分布、功能、与组蛋白修饰和转录因子结合的关系、对染色质空间结构的影响等，编写人类DNA的百科全书。


医学生物学 四、DNA元件百科全书计划 该计划包含试点培育阶段和规模化实验两个阶段。在第一阶段，选取约1%DNA序列（约30Mb碱基）的人类基因组进行研究，应用最优方案寻找含有功能元件的区域，开发高效查找功能元件的应用软件。第二阶段从2007年9月开始，将前期的研究策略应用到整个基因组，阐释大量尚未明确的功能基因。美国、中国、英国、西班牙、新加坡和日本等国家的32个实验室，442名研究人员参与了ENOCDE计划。ENCODE计划与HapMap计划全基因组关联分析数据进行整合，能够确定疾病表型变化、特定细胞类型以及转录因子间的内在联系。ENCODE计划突出的成果是发现了超过80％的人类基因组都具有生物学活性，参与至少一个RNA或染色体相关活动。曾一度被认为无用的基因并不存在，荒漠DNA也并非是荒漠，这些DNA实际上是一个庞大的＂控制面板”，含有基因的开关，可调控数以百万计基因的活性，使基因正常工作。


医学生物学 四、DNA元件百科全书计划 ENCODE计划是继人类基因组工程之后的又一重大项目，这项计划的主要目标是为科学界和医学界提供关于人类基因组重要功能元件的高质量和全方位的注解，从而全面理解入类基因组的功能。ENCODE计划点亮了人类基因研究的每一个角落，为进一步理解基因变异如何影响人类的遗传缺陷和疾病而创造新的机遇，通过进一步探索基因的涸节因子重塑人类关于自身进化的科学认知。


医学生物学 五、其他人类基因组计划(—)干人基因组计划 2008年1月，中国、英国和美国的科学家组成的“国际协作组”在深圳、伦敦和华盛顿同时宣布国际于人基因组计划(1000Genomes Project)正式启动，这一计划将测定选自全世界各地至少1000个人类个体的全基因组DNA序列，绘制详尽的于人基因组。千人基因组计划测序人群包括尼日利亚伊巴丹区域的约鲁巴(Yoruba)人，居住千东京的日本人，居住于北京的中国人，美国犹他州的北欧和西欧人后裔、肯尼亚人、意大利人、印第安人、墨西哥人、非洲人。千人基因组计划绘制最详尽的入类基因多态性图谱，寻找基因与人类疾病之间的关系，建立精细的人类基因组变异数据库，为人类疾病研究提供基础资料。千人基因组计划产生的数据和研究成果通过公共数据库发布，供全球科学家免费共享。


医学生物学 五、其他人类基因组计划(—)干人基因组计划 2012年10月31日，千人基因组计划的最新研究成果在Nature杂志上在线发表，对来自非洲、亚洲、欧洲和美洲14个民族的1092个基因组完成测序，进行了详细的个体DNA变异分析，公布了高分辨率的人类基因组遗传变异整合图谱，有助于找到罕见病与常见病的基因根源，为基因组学应用于人类疾病与健康领域及个体化医疗时代的到来奠定坚实基础。 （二）癌症基因组研究计划 2005年底，美国国立卫生研究院组织美国癌症研究所和人类基因组研究所共同启动、开展了癌症基因组研究计划(The Cancer Genome Atlas, TCGA)。癌症基因组计划是人类基因组计划的延续和扩展，是肿瘤生物学、基因组医学和转化医学发展的基础。该计划采用大规模基因组测序，将人类全部癌症的基因组变异图谱绘制出来，通过系统分析找到所有致癌和抑癌基因的微小变异，了解肿瘤的发生和发展机制，在此基础上取得对肿瘤新的诊断和治疗方法，勾画出整个新型”预防癌症策略”。该计划首先选择了肺鳞状细胞癌、卵巢浆液性腺癌和大脑多形性胶质瘤各500例进行癌症基因组图谱的研究。


医学生物学 （二）癌症基因组研究计划 TCGA的主要任务是：心建立系统化方法鉴别癌症遗传学改变，应用基因组分析技术对与癌症关系密切的全体候选基因及染色体部位进行定位和鉴别；＠对候选基因进行再测序；＠应用肿瘤关联基因mRNA、miRNA定量表达分析、表观遗传、SNP分析等方法完成肿瘤的基因组分析，鉴定与肿瘤相关的基因改变；＠对肿瘤疗效进行个体化分析，进行药物靶向基因研究；＠建立公共的免费数据库平台(http:II cancergenome. nih. gov)，共享肿瘤研究资源。国内在癌症基因组研究中，通过外显子测序技术发现急性髓细胞白血病(AML-MS和AML-M4)的发生与DNMT3A基因突变相关，DNMT3A基因突变可以改变肿瘤细胞的甲基化谱和基因表达谱（如HOXB基因），并在内分泌系统癌症基因组、胰腺神经内分泌瘤、泌尿生殖系统肿瘤基因组的研究中取得进展。


医学生物学 （二）癌症基因组研究计划 我国先后参与了人类基因组计划，人类基因组单体型图谱计划、DNA元件百科全书计划、千人基因组计划、加入国际肿瘤基因组协作联盟(International Cancer Genome Consortium, ICGC)进行癌症基因组研究等多项国际重大基因组研究项目，大大推动了我国基因组医学的发展。 六、基因组医学 基因组医学(genome medicine)是人类基因组计划完成后，在2003年纪念DNA双螺旋结构发现50周年时由多名科学家提出的医学研究新名词。基因组医学以人类基因组研究为基础，将生命科学与临床医学整合在一起，将人类基因组的研究成果应用千临床医学实践，开发临床医学应用平台。基因组医学推动生命科学革命到临床医学革命，实现从基因组结构一基因组生物学一疾病生物学—医学的路线图，基于基因结构和序列变化的基因组研究快速转入到医学研究中，对疾病或性状研究模式从以往对少数基因作用的研究转变为对基因组整体和综合作用的研究层次。


医学生物学 六、基因组医学 基因组医学是后基因组学时代主要的研究方向，从各个”组学“水平上认识疾病，从基因组和环境相互作用的水平上研究疾病，通过疾病基因早期诊断来预防和治疗疾病。全基因组测序、全外显子组测序、转录组测序、DNA甲基化研究等技术手段正在为临床诊断、预防和治疗服务，实现对疾病的防控，造福人类。 第二节后基因组学与医学 人类基因组计划完成后，基因组学研究进人以新基因及基因功能鉴定为目标的功能基因组学或后基因组学。后基因组学主要包括疾病基因组学、药物基因组学、环境基因组学、系统生物学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等。在后基因组学时代，对疾病的研究将直接利用人类基因组计划的成果，疾病的发生与发展涉及各个组学及多个不同层次的病理过程。医学与后基因组学的研究有密切的关系，从细胞和分子水平阐明基因和基因组的功能，再回归到机体整体表型的变化。


医学生物学 一、疾病基因组学 疾病基因组学(disease genomics)是后基因组时代的主旋律，其主要任务是鉴定和分离重要疾病的致病基因，确定其致病机制。HCP启动是要解决包括肿瘤在内的人类疾病的分子遗传学问题，疾病基因的定位、克隆和鉴定是HCP的核心部分。人类基因组研究在医学的应用是通过位置克隆寻找未知生物化学功能的疾病基因，揭开疾病的病因。疾病基因组学的主要任务是鉴定和分离重要疾病的致病基因与相关基因，并确定其致病机制。人群的疾病谱广，且不同人群的发病率有一定差异。以肿瘤为例，我国的肝癌、鼻咽癌、食管癌的发生率明显高于西方国家，黑色素瘤等的发生率则低于西方国家，1型糖尿病的人群发生率也明显低千西方国家。对这些差异的分析表明，除环境因素外，遗传因素也有重要作用。人类基因组计划完成后，公共数据库中的基因组序列使得候选基因的计算机快速识别成为可能。疾病基因组学研究已发现大量与人类疾病、性状关联的遗传变异，为探索疾病与性状的形成提供了重要线索，为基于个体基因组学的疾病诊断、个性化治疗等奠定了基础。


医学生物学 一、疾病基因组学 在HCP的遗传和物理作图带动下，对单基因遗传病的基因定位应用“定位候选克隆＂策略，即应用细胞遗传学和家系连锁分析的方法，首先将疾病基因定位于某一染色体的特定位置，然后根据该区域的基因、EST和模式生物所对应同源区的已知基因相关信息，直接进行基因突变筛查，最终确定疾病基因，大大提高了发现致病基因的速度。襄性纤维化、Huntington舞蹈症、遗传性结肠癌等疾病基因就是通过该策略成功定位、分离与克隆，为这些疾病的基因诊断和基因治疗奠定了基础。多基因遗传病是由多个微效基因与某些环境因素共同作用所致，难以用一般的家系遗传连锁分析法进行分析，需要在人群中选择遗传标记、建立数学模型和统计分析等。分析策略是应用受累同胞配对法、关联分析与连锁不平衡分析法、传递不平衡检测法(TDT)等结合STR、SNP多态性标记，对一些家系和人群进行疾病相关基因的定位，然后用定位候选克隆鉴定相关基因。此外，全基因组关联研究也是一种寻找复杂疾病致病基因及其变异的方法，应用此方法已经完成了数百种疾病（如肿瘤、糖尿病、心血管病、肥胖症、精神疾病等）的分析，鉴定出大批疾病易感区域和相关基因，发现了一些与疾病相关的基因突变位点。


医学生物学 一、疾病基因组学 疾病关联数据库(http:II genelicassociationdb. nih. gov)是收集了多种复杂疾病与相关基因的数据库。研究入员可以从数据库免费获取基因突变信息，为临床大规模SNP筛查、基因突变研究等提供了便利。


医学生物学 二、药物基因组学 药物基因组学(pharmacogenomics)是20世纪90年代末发展起来的基于功能基因组学与分子药理学的一门科学，主要研究机体对药物等化学物质反应的遗传基础，寻找对疾病治疗有效的药物。药哪{且}物基因组学从基因水平研究基因多态性与药物效应多样性之间的关系，即研究个体基因差异对药物吸收、转运、代谢、清除等过程的影响，提高药物疗效与安全性。通过对药物作用靶点、药物代谢酶谱、药物转运蛋白基因多态性的研究，寻找新的药物和给药方式，指导临床合理用药、避免不良反应、减少药物治疗的费用和风险。现在医学不再只注重预防和治疗，而是更注重药物的安全有效。个体基因组差异使不同个体对药物的敏感性和毒性反应有很大的区别，如药物靶点基因、药物代谢基因的单核昔酸多态性影响了个体对药物作用的程度和药物代谢的差异。SNP的全基因组扫描可以寻找这些相关的遗传多态性，以便优化药物设计和研发新药。药物基因组学除研究药物遗传多态性所引起的对药物反应的差异外，还包括个体差异导致的治疗效果和药物反应的不同，以及每个个体基因组中存在的与药物作用的不同靶点，利用药物作用的遗传特性与个体差异来满足不同情况下的临床需要，可进行“个体化“药物的研制和“个人健康计划＇的制定。


医学生物学 二、药物基因组学 药物基因组学通过大量的临床分析，发现药物作用及个体差异的遗传背景，为临床个体化治疗提供理论基础。克服以往按病症或凭经验给药，一种药物无效后再换另一种药物，容易造成因为药物无效而耽误治疗时机的缺点。通过药物基因组学研究，临床医生可通过对患者进行药物代谢相关基因的检测，进行药物选择和确定剂量，因人施治，使临床治疗效果提高到新的水平。随着药物基因组学的发展、新基因的发现和基因组新药的研发，药物基因组学将更广泛地指导和优化临床用药。 三、环境基因组学 1997年10月，美国国立环境卫生科学研究所(NIEHS)提出了环境基因组学(environmental genomics)计划。环境基因组学是以人类基因组计划为基础发展起来的功能基因组学＂之一，由基因组学和环境科学交叉融合形成的边缘学科，识别或鉴定参与环境因子作用影响机体表型的相关基因，研究群体与环境因素相关疾病的遗传易感性及易感基因产物对环境暴露反应的分子机理。


医学生物学 三、环境基因组学 人类疾病受到遗传易感性、环境暴露和衰老等诸多因素影响，已经证明一些基因在环境暴露的易感性中起重要的作用，个体遗传背景差异使其对环境暴露的易感性存在差异。选择不同种族、不同性别和不同年龄背景的若干群体，进行基因与环境相互作用的研究，分析和鉴定与环境相关的疾病易感基因。环境基因组学通过分析对特定环境敏感和抵抗的基因，深入探讨环境胁迫—基因、基因一基因的相互作用，其目标是研究环境胁迫影响机体遗传变异的过程和机理，发掘环境应激应答基因与患病风险的关系，为易感基因产物和对环境暴露的分子机制研究提供有用的信息，有助千发现对特定环境因子敏感的风险人群，准确预测环境因素影响人类健康的风险，制定相应的预防措施和环境保护策略。目前列入环境基因组学研究的基因包括有毒物质代谢和解毒基因、激素代谢基因、受体基因、DNA修复基因、细胞周期相关基因、介导免疫与感染反应的基因、介导营养因素的基因、细胞内药物敏感基因及新的易感性基因等。环境基因组学研究的兴起和发展将在揭示环境污染毒性识别与检测、致毒性机制、环境疾病的诊断、治疗以及污染生物修复与环境预警等方面发挥重要作用。


医学生物学 四、系统生物学 随着后基因组时代的到来，生命科学已从针对单个基因、单一细胞或个体的研究向整合的系统生物学方向发展。系统生物学(systems biology)是研究生物系统内组成成分之间的相互关系和相互作用的学科。系统生物学是一种新兴的“三维”研究，即把传统分子生物学“水平型”研究和组学的＂垂直型”研究结合起来通过系统地测量相关数据来研究疾病进程中关键基因的网络。从系统生物学角度解析医学问题，研究疾病的发生、发展等病理过程，为疾病提供更加完整和准确的描述，对疾病的风险预测、早期诊断和临床评估提供更佳方案。


医学生物学 五、转录组学 转录组(transcriptome)是指特定组织或细胞在某一发育阶段或功能状态下转录出来的全部RNA,包括编码蛋白质的mRNA和非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)，如rRNA、tRNA和microRNA等。转录组受外源和内源因子调控，反映个体特定器官、组织在特定发育阶段或生理条件下细胞所有基因的表达水平，可用来比较基因表达差异，发现与特定功能相关的基因，推测未知基因。转录组学(tran scrip tomics)是研究特定组织或细胞群在某一特定状态下基因组产生的全部转录产物，包括转录产物的种类、结构和功能，从RNA水平研究基因组的表达情况。目前，用于转录组研究的主要方法有全转录组测序(RNA Sequencing, RNA-Seq)，这种检测细胞或组织基因转录的高通量测序方法对基因表达有较宽的检测范围，是转录组研究的一个重要手段。


医学生物学 六、蛋白质组学 蛋白质组概念是1994年由澳大利亚学者威尔金斯(Wilkins)首次提出来的。蛋白质组(proteome)是指基因组表达的执行生命活动的全部蛋白质及功能模式。蛋白质组是一个动态概念，同一机体的不同组织和细胞在不同发育阶段、不同生理状态、不同外界条件下的蛋白质组都是不同的。蛋白质组学是以蛋白质组为研究对象，对细胞不同发育时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体进行研究，阐明生物体全部蛋白质的表达及功能模式。蛋白质组学研究内容包括鉴定蛋白质表达水平、翻译后的修饰形式，蛋白质相互作用方式等，从整体水平上研究蛋白质的水平和修饰状态、细胞内蛋白质的组成及活动规律，建立蛋白质相互关系的目录。蛋白质组学分为表达蛋白质组学（建立细胞、组织蛋白质定量表达图谱）、结构蛋白质组学（解析蛋白质线性和空间结构）和功能蛋白质组学（蛋白质功能模式及蛋白质相互作用研究），由此获得蛋白质水平上关于疾病发生、细胞代谢等过程的整体和全面的认识。蛋白质组学的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机制的阐明提供理论根据和解决途径。


医学生物学 七、代谢组学 代谢组(metabolome)是指一个细胞、组织或器官中所有小分子代谢物的集合。1999年，Nicholson提出代谢组学(metahonomics)概念，代谢组学是对某一生物或细胞所有小分子代谢产物进行定性和定量分析，寻找疾病的生物标记物，提供疾病的诊断方法。代谢组学研究对象是相对分子质量小于1000的小分子代谢产物，检测活细胞代谢物的变化。任何疾病的发生和发展都会影响机体代谢，导致体液中代谢产物发生显著变化，对这些代谢产物的变化进行数据采集、分析，将代谢信息与病理生理过程中的生物学事件关联起来，确定发生这些变化的靶器官和作用位点，寻找疾病的生物标记物，有助于临床上对疾病的诊断和分型。代谢组学研究方法包括代谢物分离、检测及鉴定、数据采集分析等，其研究手段有高分辨率核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、光谱和质谱(MS)等。


医学生物学 第三节基因组医学在临床医学实践中的应用 人类基因组计划解析了基因组序列，实现从基因组学到基因组医学的转型。基因组医学的快速发展使致病基因检测技术和检测效率不断提高，应用基因组学技术在临床实践中进行疾病基因诊断是基因组医学时代的主要特征。基因组二代测序(next-generationsequencing, NGS)、临床基因组和外显子测序(cli nical genome and exome sequencing, CGES)、基因表达序列分析(serial analysis of gene expression, SAGE)、cDNA微阵列(cDNA microarray)和基因芯片(gene chip)等技术已广泛应用于医学实践中。个人基因组测序费用从2001年的1亿美元降低到如今的1000美元以下。2013年，美国FDA批准二代测序作为开放平台并准许埏性纤维化基因检测进入临床，随后美国医学遗传学和基因组学会(ACMG)欧洲人类遗传学会(ESHG)分别公布了基因组测序的临床应用指南基因组医学应用于叩{ti临床医学实践中。目前二代测序已经应用于无创DNA产前检测诊断胎儿染色体病、单基因遗传病等。


医学生物学 一、无创DNA产前检测 孕妇外周血中胎儿细胞游离DNA(cell free fetal DNA, cffDNA)的发现开辟了无创产前诊断的先河。无创DNA产前检测(non-invasive prenatal testing, NIPT）是通过采集孕妇外周血，提取胎儿游离DNA通过二代高通量测序，结合生物信息分析，计算胎儿染色体病、单基因遗传病的风险。2008年首次利用无创DNA产前检测精确诊断胎儿染色体非整倍体异常。二代测序以高通量、高准确度的测序特点克服了孕妇血浆中胎儿DNA含戴低的特点，推动了无创DNA产前检测的应用。目前基于二代测序平台建立的检测胎儿染色体21/18/13三体综合征的无创DNA产前诊断技术已应用千临床（图14-2)，其他如性染色体非整倍体、双胎妊娠染色体非整倍体、胎儿染色体结构异常以及某些单基因遗传病诊断的研究也取得显著的进步和进行应用。


医学生物学 胎盘中胎儿游离DNA母体血浆中游离DNAI一母体DNA／一胎丿LDNA单基因病二二二又,•:· PCR检测致病基因-特定染色体相关性分析非整倍体检测，如21三体无创DNA产前检测是随着基因组学技术发展出现的新方法，其高准确率、非侵入性、无流产、无感染风险，窗口检测期长、检测周期短等优点，是传统产前诊断技术无法相比的，目前无创DNA产前检测将逐步在全球范围内投入临床应用。


医学生物学 二、遗传性耳聋基因诊断 耳聋是导致语言交流障碍的人类常见疾病，在新生儿中发病率约为1/1000，大约213的耳聋与遗传有关，1/3由环境决定。遗传性耳聋(hereditary deafness)属单基因遗传病，具有表型多样性和遗传异质性，父母一方或双方可能是耳聋患者，也可能是听力正常的耳聋致病基因携带者，据估计约有600多个致病基因与耳聋有关，目前已经发现超过200个与综合征型和非综合征型耳聋相关的基因(http:II deafnessvariationdatabase. org)。由千耳聋具有高度的遗传异质性，耳聋基因突变位点和突变形式多样给遗传性耳聋的研究带来极大的挑战，传统的检测方法如RFLP、DHPLC等很难做到同时检测不同基因或同一基因的不同突变位点。二代测序技术以其高效的检测特点，与耳聋基因的高度遗传异质性相契合，成为耳聋基因诊断和筛查的最佳选择。2012年建立了高通量耳聋基因芯片工作平台，在临床上应用于耳聋基因诊断。耳聋临床基因诊断不仅能够早期发现先天性耳聋患者，还能发现迟发性耳聋患者和药物敏感性耳聋基因携带者，进行有效的干预，避免因聋致哑的发生。基因组医学提高了遗传性耳聋的整体诊断水平，将听力损失相关基因研究融合到耳聋疾病诊断中，帮助临床医生做出准确和全面的诊断及预后判断（图14-3)。


医学生物学 二、遗传性耳聋基因诊断 基因组医学技术在寻找耳聋相关基因二代测序外显子靶向捕获及在耳聋基因定位克隆中发挥作用。2009蛋白质组学研究年利用全基因组外显子测序确定了十几个仓5?基因芯片新的遗传性耳聋相关基因，二代测序技术的目标区域测序延展了对耳聋致病基因突变谱的认识，提高了对稀有变异的检测。2010年，利用外显子靶向捕获技术结合二代测序对遗传性聋患者进行致病基因定位。目前图14-3基因组学技术诊断遗传性耳聋国内市场已有针对耳聋基因的NGS Panel,能够检测覆盖到包含非综合征型耳聋及综合征型耳聋相关的100~200个基因。对遗传性耳聋的研究已经深入到蛋白质组学水平。在人和小鼠内耳中，经蛋白质组学技术鉴定的表达蛋白质已经达到数十种，蛋白质组学技术可识别和分析内耳发育指标及其他已知的基因／蛋白表达。通过蛋白质组学技术发现凝血因子C同源物基因表达的cochlin蛋白是耳蜗神经退化重要的致病因素。


医学生物学 三、华法林药物与个体化用药 基因组医学时代个体化用药是重要内容之一。在临床上对同一种疾病使用同一种药物时，不同个体对药物的敏感性和毒性反应差异是基因决定的，药物靶点基因、药物代谢基因的单核昔酸多态性影响了药物作用的强弱和药物代谢的不同（表14-2)。


医学生物学 突变基因酶／靶向药物临床反应 CYP2D6细胞色素P4502D6可待因纯合子不能代谢可待因，无止痛效果.. CYP2C9细胞色素P4502C9华法林杂合子使用低剂董华法林VKORCJ维生素K环氧化物还原酶华法林杂合子使用低剂量华法林NAT2N－乙酰转移酶2异烟阱异烟阱慢乙酰化纯合子容易受异烟阱毒性影响TPMT硫噤呤甲基转移酶硫嗤嗦呤硫嗤嗦呤基因纯合子使用标准剂量治疗将产生严重毒性反应AD邸2B肾上腺素能受体硫酸沙丁胺醇纯合子使用常规剂量治疗会致病情恶化KCNE2钾电压阀门通道克拉霉索杂合子易导致患者心律失常SURI硫脉类受体磺酰脉类药物杂合子使磺酰腮刺激胰岛素分泌减弱F5凝血因子V口服避孕药杂合子增加静脉血栓风险华法林(warfarin)属于抗凝剂类药物，是临床上常用的口服抗凝血药，用于预防和治疗静脉血栓、肺血栓栓塞、心房颤动和心脏瓣膜置换术所致的血栓并发症等。正确的华法林用药剂量因人而异，个体间药物剂量差异大。如果剂量不足导致血栓栓塞，而剂量过大则会增加出血风险，甚至危及生命。华法林药代学和药效学通路上的某些基因遗传变异，是造成个体间华法林剂量差异的主要原因之一。研究显示细胞色素P450酶2C9基因(cytochrome P4502C9, CYP2C9)、维生素K环氧化物还原酶复合体亚单位1基因(vitamin K epoxide reductase subunit1, VKORCl汃细胞色素P450基因超基因家族成员CYP4眨（维生素K氧化还原酶）多态性是造成个体间华法林剂量差异的主要原因。华法林的剂量可根据CYP2C9代谢酶的多态性和维生素K环氧化物还原酶(VKORCJ)基因多态性而设计合适的剂量，美国FDA建议华法林在用药前应做相关基因型检测。入0Tr{tiCYP2C9基因编码的细胞色素P450同工酶2C19是华法林的重要代谢酶，VKORCJ基因编码的维生素K环氧化物还原酶是华法林的药物作用靶点，CYP4F2基因编码的维生素K氧化还原酶参与维生素K代谢循环。


医学生物学 突变基因酶／靶向药物临床反应 人类基因组计划完成后，基因组学研究的技术和成果应用于临床医学实践，产生了基因组医学，在医学实践中实现了对多种疾病的早期诊断、预防和个体化治疗，使医学进入了一个新模式。本章首先介绍人类基因组组成及人类基因组计划、人类基因组单体型图计划、DNA元件百科全书计划和千人基因组计划的内容及成果，阐述后基因组学时代与基因组医学的密切关系。同时，通过无创DNA产前检测、遗传性耳聋基因诊断、华法林药物与个体化用药等实例阐述基因组医学在临床医学实践中的应用。1.试述人类基因组计划的意义以及我国对人类基因组计划的贡献。


医学生物学 2.举例说明基因组医学在临床实践中的应用。3.什么是后基因组学？主要研究内容有哪些？（何永蜀）＠兑记第十五章模式生物学 人类的医学知识除了来自人的医学实践积累的经验，更多地来源于生命科学和医学的实验研究。但是，直接在人体开展实验研究却是基本不可能的。其原因一是伦理学不允许，二是人体太过复杂，三是人类个体之间广泛存在的个体差异。因此，人们会以一些符合人类开展生物医学实验研究的生物体为对象开展实验研究，再将获得的结果类推到人体，或者在人体进行必要和可行的验证性研究。这样的实验动物逐渐成为广大生物医学研究者所通用的实验研究对象，并且逐渐将其种系背景规范化。这些生物体的相关基本研究数据被系统性收集和储存，以备不同研究者互相参照。这样的生物体就被称为模式生物体(model organisms)。研究模式生物的结构、遗传、发育、生理功能等生命基本现象，以及采用模式生物体构建人类疾病模型并进行深入研究的学科，被称为模式生物学。本章将介绍模式生物体的一般背景，生物医学常用的模式生物体的基本特征，以及模式生物体在医学研究中的主要作用。


医学生物学 第一节模式生物学及其研究内容 最早采用模式生物体进行生物学研究的可能要数古希腊哲学家亚里士多德。据说为了观察鸡蛋孵化成小鸡的过程，亚里士多德从一组孵化中的鸡蛋中每隔几天打开一个进行形态学观察，从而比较准确地描述了鸡蛋孵化的过程。现代的模式生物学已经逐渐走向规范化、系统化和精准化的道路，模式生物体也成为生命科学和医学研究的重要工具。


医学生物学 一、模式生物学的发展历史 早期生命科学研究选用哪些模式生物是由科学家自己决定的。真正有意识地利用模式生物的某些特征进行生物学研究是近代以来的事。如孟德尔为了研究性状遗传的规律而选择豌豆作为研究对象；而摩尔根为了研究染色体行为选用果蝇作为研究对象。豌豆和果蝇在他们的研究中，就是用千揭示生命的遗传规律时使用的模式生物。由于进化的原因，许多生命活动的基本方式在地球上的多种生物物种中是保守的，这是模式生物研究策略能够成功的基础。选择什么样的生物作为模式生物首先依赖于研究者要解决什么科学问题，然后寻找能最有利于解决这个问题的物种。19世纪末20世纪初，人们就发现，如果把关注的焦点集中在相对简单的生物上，则一些复杂的生物学问题如发育就可以得到部分解答，因为这些生物更容易被观察和实验操作。因此，除了在遗传学研究中使用外，模式生物研究策略在发育生物学中获得了非常广泛的应用。20世纪以来，有多种生物物种被纳入生命科学研究的视野并被深入研究，如海胆、蛛蛭、鸡、斑马鱼等。20世纪60年代开始，线虫的生物学特征被深入发掘，极大地推动了发育生物学研究。21世纪初，随着基因测序技术的突飞猛进、人类基因组计划的完成和后基因组研究时代的到来，模式生物研究也进入了基因组时代。多种模式生物的基因组巳经被测序。生物是从共同祖先演化而来的，所以对生命活动有重要功能的基因在进化上是保守的。要认识人体基因的功能，了解人类生理和病理的过程，可以先在其他合适的生物体中去研究。生物信息学对模式生物基因组研究发挥了巨大作用。当人们发现了一个功能未知的人类新基因时，可以迅速地在模式生物基因组数据库中，检索得到与之同源且功能已知的模式生物基因，并获得其功能方面的相关信息，从而加快对人类该基因的功能研究。近来，基因组编辑、合成生物学等前沿理念和技术的提出和创新，也都是首先在模式生物上获得成功。


医学生物学 一、模式生物学的发展历史 目前，在人类健康与疾病研究领域，被广泛应用的模式生物包括：秀丽线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠，等等。随着生命科学研究的深入，模式生物必将为人类探索生命规律的调控机制做出更大贡献，同时，还会有新的物种被人们用来作为模式生物。 二、模式生物的共同特点 在所有的模式生物中，虽然在分类上差别很大，但都有着一些共同的特点。它们的一个重要特征就是能够代表某一生物种属的一些共同特征，有利于回答研究者关注的问题。研究同一种生物种属的研究者之间可以通过共享观点、实验方法、实验工具和生物品系，促进研究的快速发展。例如，研究分子生物学的基本问题，用简单的单细胞生物或者病毒通常更方便些；而研究线虫和果蝇的遗传和发育机制，可以回答发育和行为等在较高等生物中难以回答的问题。模式生物的共同特点还包括：都有着较强的适应性，饲养简易，繁殖力较强，并且对环境和人体健康都没有较大的危害，不至于在实验中对实验人员和生态环境造成破坏；世代短、子代多、遗传背景清楚；容易进行实验操作，特别是具有遗传操作的手段和表型分析的方法等。不同的模式生物由于其各自的遗传生长特点及其在进化过程中的地位，而又具有各自独特的特点，将在本章内详细介绍。


医学生物学 三、模式生物学的研究内容（一）模式生物学的遗传与发育 性状的遗传机制和发育的机制都是生命科学最基本的科学问题，与人类的健康和疾病密切相关，但长期以来都难以被回答。近代以来，人们首先通过模式生物的研究找到了遗传和发育的基本规律。例如，1901年，摩尔根实验室发现了一个自发突变的雄果蝇，它的眼睛是白色的而不是正常品系的红色。由这只果蝇开启的一系列深入的遗传学研究，产生了两项重要发现：一是基因位千染色体上，呈线性排列；二是每个基因的两个等位基因在减数分裂过程中独立分配，但可以发生互换（重组）。随后，该实验室的研究人员设计了一个简单的数学运算方法，可以根据重组频率绘制连锁基因之间的距离。这个简单有效的方法从根本上改变了遗传学，第一次物理地定位了基因，并能在染色体上对基因的相对位置进行排序，即获得基因的遗传图谱。到了20世纪30年代，绘制在遗传图谱上的基因巳经非常密集，包含了控制果蝇成虫的多种性状的不同基因的相对位置，如翅膀大小和形状，眼睛的颜色，等等。


医学生物学 （二）在模式生物建立人类疾病模型 探索人类疾病的治疗方法是生命科学和医学研究的重要目标，而发现和阐明疾病发生原因和发生机制是认识疾病的两个基本要素，也是科学研究的主要内容。随着医学科学研究的不断发展，许多疾病的病因研究取得了很大的进展，特别是遗传性疾病的研究，已有逾3400种孟德尔遗传性疾病的基因得到鉴定。但是关于疾病的发病机制研究，由于其高度复杂性等原因，研究进展要缓慢得多。认识疾病需要从多个不同层面开展研究：从基因水平探索疾病背后的遗传性改变，从蛋白质水平研究分子间相互关系，反映细胞水平细胞行为的变化；从个体水平则是为了从整体的高度全面了解疾病。多细胞动物所表现出的生理现象（包括非正常生理现象，如疾病）是通过动态和协同的发育过程所建立的，其生理生化稳态的维待更是多器官、多组织相互作用的结果。因此，在个体水平层面所表现出的疾病性状远比分子和细胞水平所表现出的变化更为复杂。疾病表型是致病基因与环境间相互作用后导致的发育过程及代谢稳态调控异常的综合表现。由千生物在进化上所表现出的保守性以及人类伦理的约束，科学家们很自然地选择了模式动物来进行疾病的相关研究。在模式动物上建立真实模拟人类疾病的疾病模型，成为了解人类疾病最好的、甚至可能是唯一的途径。疾病的动物模型在医学研究中具有广泛的应用。首先可以通过对某一个或几个基因的功能研究去揭示疾病发生的机制，认识生命现象背后的机制，因而具有重要的理论意义。在此基础上还可以发现新的药靶，找到治疗或诊断疾病的方法，因而又具有重要的潜在的应用前景；其次还可以帮助开展药物筛选和药效评价、疾病诊断技术和治疗手段的发展等。疾病动物模型既具有重要的临床意义，其本身又具有很好的商业价值。


医学生物学 （二）在模式生物建立人类疾病模型  第二节典型模式动物的特征一、无脊椎动物 (—)秀丽线虫秀丽线虫(Caenorhabd叩elegans)长约1mm，生活于土壤中，以细菌为食。1965年，分子遗传学家Syndey Brenner首先发现秀丽线虫作为模式生物的优点，并用它作为模型研究鉴定参与发育的基因及追踪每一个单细胞的谱系，从而将小线虫引入了发育生物学研究的大舞台。在实验室培养时，首先让琼脂培养皿长满细菌，再接种秀丽线虫。线虫在一定的温度范围内生长，在25'{:比在15'{:生长速度快一倍。在25屯时，受精的胚胎在12小时内完成胚胎发育，成为独立生活、具有复杂行为能力的个体。第一个幼虫期分成4个发育时期，在40小时内成为性成熟的雌雄同体的个体。成虫大约4天内就可以产生多达300个自身后代，或者与罕见的雄性线虫交配，产生多达1000个杂交后代。成虫大约可存活15天。


医学生物学 第二节典型模式动物的特征一、无脊椎动物 秀丽线虫体细胞数量少，易千追踪细胞分裂谱系。秀丽线虫身体构造简单，雌雄同体成虫的重要器官是性腺，其中含有处于增殖和分化状态的生殖细胞（精子和卵子）。精卵在体内受精，胚胎在生殖腺管内发育，幼虫由阴门产出。产出的幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞。雌雄同体的成虫含有959个体细胞和大约2000个生殖细胞；罕见雄性个体的成虫含有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。由千透明可见，秀丽线虫非常易于追踪细胞分裂谱系。例如，阴门由22个表皮细胞组成，突变破坏阴门的形成，虽不影响胚胎的产生，但却使排卵受阻。结果，胚胎在子宫内发育并孵化。孵化的线虫随后吞食母体，并被封闭在其皮肤（角质层）里。这很容易识别和分离没有阴门的突变体，从中发现了许多控制阴门细胞产生、特化和分化的基因。结果表明这种简单的器官需要10~100个基因构建，其中包括高度保守的受体酪氨酸激酶信号途径，该途径控制细胞的增殖。


医学生物学 第二节典型模式动物的特征一、无脊椎动物 线虫的特征使之在鉴定发育调控关键基因中发挥重要作用。细胞凋亡通路主要是在秀丽线虫中发现的。尽管细胞凋亡现象如蜊料尾巴的消失，已经在很多发育过程中被确定，但细胞凋亡是一个“程序化”的遗传调控的过程的论断得益千在线虫遗传和实验上的研究。细胞谱系的早期分析发现，在每一个动物中成组细胞的死亡都是相同的，提示细胞死亡是受遗传控制的。第一个分离到的细胞死亡缺陷型(ced)突变体是那些在相邻细胞吞噬死亡细胞残体方面有缺陷的突变体。因而，在突变体内，死亡细胞残体会存留多个小时。利用这些ced突变体，Robert H. Horvitz和他的同事分离了更多的不能产生保留细胞残体的ced突变体。这些突变体被证明是在启动细胞死亡程序方面存在缺陷。ced突变体的分析表明，所有发育中的程序化细胞死亡是自主的，也可以说是细胞自杀。ced基因的鉴定为哺乳动物同类分子的确认提供了方法。事实上，在秀丽线虫里表达人类的ced同源基因可以替代突变的线虫ced基因。细胞凋亡在发育和疾病过程中十分重要，是许多控制癌症或是神经退行性疾病治疗方法的靶点。秀丽线虫也易千进行基因表达干预。此类研究导致在秀丽线虫中发现RNA干扰(RNAi)现象。1995年，康乃尔大学的研究人员在试图阻断秀丽线虫的par-I基因时，发现了一个意想不到的现象：他们本想利用反义RNA技术特异性地阻断上述基因的表达，而同时在对照实验中给线虫注射正义RNA(sense RNA)以期观察到基因表达的增强，但得到的结果是二者都同样地阻断了par-I基因的表达途径。这与传统上对反义RNA技术的解释正好相悖，该研究小组一直没能给这个意外以合理解释。1998年，华盛顿卡耐基研究院的Fire和麻省大学医学院的Mello首次在秀丽线虫中证明上述现象属于转录后水平的基因沉默机制。他们发现以前遇到的正义RNA抑制基因表达的现象，以及过去的反义RNA技术对基因表达的阻断，都是由于体外转录所得RNA中污染了微量双链RNA而引起。\OTE~当他们将体外转录得到的单链RNA纯化后注射线虫时发现，基因抑制效应变得十分微弱，而经过纯化的双链RNA却正好相反，能够高效特异性阻断相应基因的表达。该小组将这一现象称为RNA千扰(RNA interference, RNA))。在1999年短短的一年间，发现RNA干扰现象广泛存在于从植物、真菌、线虫、昆虫、蛙类、鸟类、大鼠、小鼠、猴一直到人类几乎所有真核生物的多种细胞中。2000年，又先后发现小鼠早期胚胎中和大肠杆菌中也存在RNA干扰现象。新近研究表明，人类基因组可能含有大约数于个小RNA基因。


医学生物学 第二节典型模式动物的特征一、无脊椎动物  （二）果蝇 果蝇的学名全称为黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)，现一般简称为果蝇。在自然界，一般以腐烂的果实为食。果蝇作为模式生物用于遗传和发育生物学研究已经有百年的历史了，其作为模式生物研究的优势主要包括：心个体小，成虫的长度仅为2mm，在实验室易于饲养；＠生命周期短，在实验室条件下，一般12天就可完成一次世代交替；＠胚胎发育速度快，果蝇胚胎发育早期的核分裂是所有动物中最快的；＠具有比较简单的染色体组成，只有4对染色体，且唾腺细胞中含有巨大的多线染色体；©具有几十个易于诱变分析的遗传特征，并保有大量的突变体。2000年，果蝇的全基因组测序基本完成，全基因组约180Mb，有13601个基因。


医学生物学 （二）果蝇 在近代发育生物学研究领域中，果蝇的发育遗传学独领风骚。果蝇相关研究曾三度获得诺贝尔奖。摩尔根1933年因发现了果蝇白眼突变的性连锁遗传，提出了基因在染色体上直线排列以及连锁与交换定律被授予诺贝尔奖；1946年缪勒证明X射线能使果蝇的突变率提高150倍，因而成为诺贝尔奖获得者；1995年，诺贝尔奖再次授予三位在果蝇研究中辛勤耕耘的科学家，他们在研究中发现了控制果蝇早期胚胎发育的一组关键基因。随后的研究表明这些基因具有高度的保守性，控制着各种动物胚胎发育的躯体结构设计。果蝇被广泛应用于复杂生物性状研究，如基因－神经－行为之间的关系。2013年美国批准的脑计划投资逾45亿美元，计划历时数十年。尽管其终极目标是人脑，但仍以10年之内完成果蝇的整个大脑图谱的绘制作为其首个目标。为什么美国｀脑计划＇这么重视果蝇脑，以至于把对它的研究作为标志性的节点？因为果蝇在揭示基因、神经环路与行为的关系上有不可比拟的优势。一方面，果蝇基因组相对较小，神经元数量少，神经系统相对简单，便千研究；另一方面，果蝇表现出复杂多样的行为，如学习记亿昼夜节律、社会交往，等等。


医学生物学 （二）果蝇 以果蝇在饮水行为的研究中的应用为例。早在1996年，Benzer等首次提出了果蝇水感知的概念，阐述了水感知的遗传和神经基础，并证明了正常果蝇对湿度有强烈的反应。摘除单侧和双侧触毛(aristae)的实验表明湿度感受受体位于触毛。分子水平的研究发现nan、wtrw基因与气态水感知有关，ppk28基因与液态水感知相关。以上实验都是在果蝇不渴状态时对水的行为反应：不渴的果蝇利用触毛来回避潮湿的环境，而干渴的果蝇表现出趋水行为。通过失活或激活特定的神经元，中国科学院刘力课题组和朱岩课题组发现在千渴的情况下，触角第三节对干渴果蝇的趋水行为起必要的作用。


医学生物学 二、音椎动物（一）斑马鱼 斑马鱼(Danio rerio)是小型热带鱼类，养殖花费少，能够大规模繁育，且维护简单。斑马鱼成体长约3~4cm，孵出后约3个月可达性成熟。成熟鱼可以每天早上产卵，一条雌鱼一般可产200个卵。斑马鱼的卵直径约0.6mm，胚胎发育同步且速度快，在25~31屯之间发育，正常可在2~4天内完成。另外，在斑马鱼的胚胎中很容易人工干预基因表达，而且它们通体透明易于直观观察其发育过程。重要的是，斑马鱼与包括人类在内的高等脊椎动物相比，具有高度保守的遗传性状。斑马鱼的基因组含有25条染色体和15亿对碱基，大约是人类基因组的一半。大约70％的人类基因和80％的已知人类疾病的相关基因都可以在斑马鱼内找到至少一个同源基因。以利用斑马鱼进行的黑色素瘤研究为例。黑色素瘤是皮肤癌中危害性最大的一种。2005年，Keith Cheng和他的同事克隆了基因slc24a5。该基因负责金色斑马鱼突变体内不正常的色素沉着。Cheng受这种金色表型的启发，继而发现这个特殊的基因是斑马鱼和人类皮肤细胞内黑色素合成所必需的，其对蛋白质的修饰与人类皮肤颜色的变化紧密相关。黑色素瘤经常伴有丝氨酸／苏氨酸激酶BRAF的突变。为了研究BRAF在黑色素瘤发生过程中的作用，Patton等构建了由黑色素细胞特异性的mitfa启动子驱动激活型BRAF(V600E)的转基因斑马鱼品系(mitfa-BRAFV600E)。在成年的mitfaBRAFV600E斑马鱼中，可以看到大量的黑色素细胞聚集形成的黑色斑块。在TP53缺陷的遗传背景下，激活BRAF(V600E)诱导黑色素瘤形成，形成的黑色素瘤可以在斑马鱼之间移植。用基因集合富集度分析(gene set enrichment analysis, GSEA)方法比较TP53-/-; mitfa-BRAFV600E胚胎与这种成体黑色素瘤的基因表达谱，发现两者的共同特征是多能神经皓细胞标记基因的表达增多。由此推论，那些抑制神经峙发育的化合物很可能也可以治疗黑素瘤。沿着这条思路，2011年，Zon课题组用斑马鱼胚胎进行了药物筛选，发现包括来颌米特在内的一类药物，可以减缓黑色素瘤细胞的生长。在哺乳动物模型的实验表明，其可以有效地抑制黑色素瘤在体外和体内的增殖。目前，来氛米特巳被批准进入临床实验。


医学生物学 （二）鸡 鸡（家鸡）属于脊椎动物的羊膜类进化分支，其特点是含有支待胚胎发育的胚外膜。蛋内有膜系统的进化使得祖先羊膜动物几百万年前能栖息在陆地环境。野生的鸡是杂食动物。交配后25小时后产蛋，蛋内包含一个多细胞的胚胎。经过21天的孵化产出小鸡。大多数鸡生长31周达到性成熟，从而完成一个生命周期。鸡的胚胎极具发育生物学的研究价值，部分原因是其大部分发育阶段发生在鸡蛋内，并在母体以外孵育的。因此，早期的发育阶段可以通过在蛋壳上简单地开个小孔观察和操控。鸡在世界范围内被大量繁育，科学家们全年都可很容易并低价获得大量的受精蛋。2004年鸡全基因组测序完成，发现鸡和人类的基因组高度保守。鸡的基因组是人的三分之一大小，20000多个基因分布在39对、78条染色体上。在这些基因中有60％与入的基因同源，并且和人的对应基因有平均75％的一致性。在遗传学的研究历史上，一些重要概念，如遗传连锁、上位作用等，都是通过对鸡的遗传学研究而被确立。鸡的研究可以追溯到古希腊时期，亚里士多德认为，他在发育中的鸡蛋中观察到的胚外膜，以及入类的胎盘和跻带，都是给胎儿提供重要营养物质的器官。多年后，1672年Marcello Malpighi第一次在发育的鸡胚上描述了基本的脊椎动物结构，例如形成神经系统的神经管和体节等。1817年，Heinz Christian Pander研究早期鸡胚，发现被称为胚层的三个原始细胞层。这些胚层，即外胚层、中胚层和内胚层的细胞，形成组成生物体的所有组织。由于这项工作，Pander获得了胚胎学创始人的称号。1951年，Viktor Hamburger和Howard L. Hamilton发表了根据解剖结构将胚胎从新产的蛋到孵化的整个过程划分为46个阶段的分期法，为研究鸡的生物学家提供了一种标准化的胚胎分期方法，减少了由于不同的孵化温度引入的变量因素。20世纪50年代，Rita Levi-Montalcini发现一种因子，可以使得小鸡神经元在接触植入的小鼠肿瘤后得到生长。Stanley Cohen帮助鉴定该未知化合物为神经生长因子(neural growth factor, NGF)。由于这项工作，他们获得了1986年的诺贝尔奖。


医学生物学 （二）鸡 目前，鸡胚常被用于发育过程中体内示踪早期细胞的运动；从胚胎获取的神经组织也可以用于研究轴突追踪，神经环路甚至神经细胞的活动；绒毛尿埏膜，又被称为CAM，是高度血管化的膜，也被经常用于肿瘤发生发展中血管生成过程的研究。 三、哺乳类动物（一）小鼠 小鼠(Musmusculus)是啃齿目、鼠科的一种哺乳动物。与秀丽线虫或者果蝇相比，小鼠的生活周期缓慢并且操作困难：从交配受精开始，一般需要21天的发育产出胎儿；新生小鼠需经4~6周达到性成熟；成年雌鼠约4天排卵一次，每次可排出8~12个已排出第一极体、完成第一次减数分裂的成熟卵子。但是，小鼠也具有线虫和果蝇无法比拟的优势，那就是它在进化树上的位置，与同是胎生、哺叩{ti乳动物的人类更加接近。小鼠的染色体组与人类相似，有19条（人类有22条）常染色体，以及X和Y性染色体。小鼠与人类的基因组有几乎相同的基因组成，二者都含有约25000个基因，其中85％以上的基因是一一对应的。因此，小鼠的研究就成为一座桥梁，连接低等生物如线虫、果蝇研究中发现的基本原理与人类疾病。由于小鼠基因组操作技术的建立，近年来小鼠在人类疾病模型研究中占据了越来越重要的地位。


医学生物学 三、哺乳类动物（一）小鼠 1.通过显微注射将外源DNA引入小鼠胚胎通过显微注射法可以在转基因小鼠的组织细胞中有效地表达重组DNA产物。从刚刚完成交配的雌鼠中取出受精卵（单细胞胚胎），将重组的DNA注射到细胞核（通常是雄性前核）。然后，将胚胎移植到一个假孕雌鼠的输卵管中。几天后，胚胎着床，并最终发育为基因组中含有重组DNA的整合拷贝的胎鼠。注射的DNA随机整合到基因组中，整合通常高效地发生在发育的早期，即在单细胞胚胎期。结果使注射入的基因整合入全部胚胎细胞或者绝大多数细胞，包括成年小鼠的所有体细胞和生殖系细胞。用这种简单的显微注射方法产生的转基因小鼠约50％表现出生殖系转化，即这些小鼠的子代也含有外源重组DNA。例如，将特定调控元件与lacZ报告基因一起构建成融合基因，制作转基因小鼠，然后对特定时期的转基因胚胎进行LacZ染色，便可对受调节元件控制的lacZ转基因表达模式进行检测。


医学生物学 三、哺乳类动物（一）小鼠 2.利用同源重组在小鼠基因组中去除特定基因小鼠基因修饰的另一个强有力的方法是＂敲除＂染色体上单个遗传位点的能力。据此可以制备多种人类疾病研究的小鼠模型。例如，抑癌基因p53功能丧失时，由千DNA的突变累积无法修复，而导致肿瘤细胞形成及具有更高侵袭性。建立p53基因敲除小鼠，使得小鼠非常容易罹患多种肿瘤。这样的模型可用千肿瘤发生机制的研究，并有望用于检测能用于临床的潜在药物。基因敲除实验是用胚胎干细胞(embryonic stem cells, ES ce ll s)来完成的。通过载体设计，可以筛选获得在特定染色体位点发生同源重组的ES细胞。在该ES细胞中，在目标基因内发生的同源重组导致筛选抗性基因的插入，并破坏目标基因。将发生同源重组的ES细胞通过显微注射，注射入埏胚期（受精后4~5天的小鼠胚胎）受体胚胎的褒胚腔。注射入的ES细胞可以与受体褒胚的内细胞团细胞混合发育，形成嵌合体胚胎。在嵌合体胚胎中，一部分生殖细胞（单倍体）将来源于注射入的ES细胞（二倍体），从而可以通过小鼠交配将ES细胞的基因突变引入小鼠胚系。


医学生物学 （二）猴 非人灵长类动物在生物学、遗传学和行为学上与人类最为相似，是研究人类疾病和开发治疗策略的重要模型。许多候选药物在进入临床之前都需要经过灵长类动物，特别是猴子的测试。恒河猴(Macaca mulatta)，也叫普通称猴，体长47-64cm，体重5.4-7.7kg，是猴科动物中最为常见的一种。称猴原产千印度北部、孟加拉、巴基斯坦、尼泊尔、缅甸、泰国、阿富汗、越南和中国南部。是世界各国用千科学研究的重要模式动物。其孕期大约165天，通常每胎产1仔，偶有产2仔的情况。新生幼仔重约464g,1岁断乳。雌性2.5~4岁性成熟，雄性4.5~7岁性成熟。雌性25岁以后将不能再繁殖。野生普通称猴平均寿命30岁，人工饲养的寿命最高可达36岁。恒河猴对环境的适应能力很强，擅长禁爬，游泳。群居，日间活动觅食。属杂食性，主食水果。它们可以通过面部表情、发声、身体姿势和手势，进行沟通。


医学生物学 （二）猴 数十年来，科学家们依靠猴子揭示大脑功能和研究大脑疾病。神经科学领域的蓬勃发展大力推动了人们对灵长动物研究的需求。虽然过去灵长动物研究受到研究成本、研究周期以及动物伦理学等方面的限制，但最新的辅助生殖技术和基因工程、基因编辑技术如Crispr-Cas9技术，正在使得灵长动物成为更高效的实验工具。我国有着丰富的称猴资源，养殖称猴的数量正在不断增长，大多数机构已经获得国际实验动物评估和认可委员会AAALAC的认证。2015年，李晓江研究组与季维智研究组合作，利用Crispr-Cas9对称猴进行基因组编辑，破坏了肌营养不良蛋白的编码基因，以模拟Duchenne型肌营养不良症。李晓江研究组还成功构建了帕金森病的转基因称猴模型，这些表达突变的ex-Syn（心3T)的称猴能够表现出相应的症状，为帕金森病的早期治疗提供了良好模型。2016年，中科院仇子龙研究组与孙强团队在Nature杂志发表论文，报道了他们全球首次成功构建携带人类自闭症基因MeCP2突变的转基因猴，为深入研究自闭症的病理与探索可能的治疗干预方法提供了重要基础。


医学生物学 第三节典型模式动物的医学应用一、利用模式动物进行科研活动的伦理学要求 在利用模式动物进行科研活动中，出于人道主义关怀，应以生命伦理准则来规范动物实验，减少动物实验对动物所造成的伤害。3R原则是指在动物实验中，应遵循减少(reduction汃替代(replacement)和优化(refinement)的原则来解决实验动物的伦理问题。减少原则是指在动物实验过程中，减少对动物的使用量或利用一定量的动物获得多组数据或多个新知识的原则。替代原则是指在动物实验中使用低等生物来替代高等生物，甚至不使用动物来做实验从而达到相同目的的原则。优化原则是指在动物实验中，通过对手术手法的优化来减轻动物的痛苦和疼痛或者优化实验技术使动物能循环利用，加强实验科学性的原则。在动物实验准备阶段，主要遵循减少和替代原则。准备中应该注重实验计划、岗前培训、麻醉准备以及伦理审查的质量，尤其是要做好预实验的工作。在预备工作中，尽量使用无脊椎动物替代高等生物，甚至使用高分子材料来代替动物。在实验过程和实验结束后，主要遵循优化原则。


医学生物学 第三节典型模式动物的医学应用一、利用模式动物进行科研活动的伦理学要求 我国相继在1988、2006和2007年制订了《实验动物管理条例》《关于善待实验动物的指导性意见》和《涉及人的生物医学研究伦理审查办法（试行）》。特别是《涉及人的生物医学研究伦理审查办法（试行）》中第二章第五条规定了必须设立伦理委员会来审查伦理审查申请表以监督该动物实验研究者的资格、科学伦理性要求和受风险的程度。第三章第十条中提出，若没有通过伦理审查，伦理委员会可提出3个要求，要求知情同意书、要求修改方案和要求终止。第四章第二十九条中明确指出，擅自违反伦理审查的可追究法律责任，移至司法机构。这些法规条例表明，伦理审查是有法可依的，任何动物实验都是必须得到法律认可。


医学生物学 二、常用的模式动物研究方法（一）形态学研究方法 用千人体研究的所有方法都可以用于模式动物的研究，如解剖学方法、组织学方法，等等。免疫组织化学染色是利用抗原与抗体之间高度特异结合的特性，用特异抗体去探测组织中对应的抗原分子。再利用组织化学法对抗原结合的部位进行染色，从而达到对组织中抗原分子定性、定位、定量的研究。常用的ABC显色法是指利用生物素(biotin)－亲和素(av idin)系统进行的显色方法，二者之间有很强的亲和力。当用一抗结合抗原后，用生物素标记的二抗结合一抗，再用ABC复合物(avidin-biotinylated-HRP complex)与之结合，就使得HRP（辣根过氧化物酶，horseradish peroxidase)间接指示抗原所在，最后利用显色剂二氨基联苯胺(diaminobenzidine, DAB)在HRP的作用下形成棕色反应物颗粒，标记出抗原阳性的组织细胞。


医学生物学 二、常用的模式动物研究方法（一）形态学研究方法 免疫组织荧光染色与免疫组织化学染色相似，也是利用抗原与抗体之间高度特异结合的特性。不同的是，免疫组织荧光染色是利用抗体连接的荧光基团来标识抗原抗体复合物。在荧光显微镜特定波长范围的激发光照射下，在另外一个波长范围发射光子，指示抗原的所在部位。近年来，先进技术不断被应用于免疫荧光染色技术，派生出一系列先进形态学实验方法，如流式细胞分析技术、激光扫描共聚焦显微镜技术、双光子激光共聚焦技术等，使得传统的免疫荧光染色迈向高通量、高倍数、高精度和活体的新阶段。


医学生物学 （二）细胞和分子生物学研究方法 各种生命科学研究的细胞和分子生物学方法都被广泛应用于模式生物，如流式细胞术。利用流式细胞仪对处在液流中的细胞的理化特性进行多参数的快速定量分析和分选。流式细胞术的特点是,on;~检测速度快，分析样本量大，可同时获得单细胞的多种信息（如细胞的大小、表面分子标记等），使得细胞亚群识别、计数（如细胞亚群的百分含量或绝对数）更为精确，也可对某个特定细胞群进行分选。（三）模式动物相关数据库的建立和使用在模式动物上产生的大量数据催生了相关数据库的建立，这些数据库已经成为开展模式动物研究不可或缺的工具。线虫Wormbase数据库中收录关于基因信息、蛋白信息，线虫株等线虫研究的必要信息。例如我们在检索栏中输入基因名称进行检索，就可以看到这个基因的详细描述，此外，还可以在左侧看到该基因的同源基因(homology)、与其他蛋白相互作用(interactions)、基因对应的表型信息(phenotypes)等。


医学生物学 （二）细胞和分子生物学研究方法 果蝇数据库为Fly Base数据库。FlyBase是一个有关果蝇的遗传数据和分子数据的综合数据库，也是果蝇研究者的一个常用数据库。数据类型包括序列水平的基因分类，基因产物功能的分子分类，突变表型，突变损伤和染色体畸变，基因表达模式，转基因插入及解剖图形。通过DNA或蛋白质序列，通过基因或突变名称，或通过来自于一些特定的术语，这些术语被用于描述功能的、表型的和解剖的数据，从而可以在FlyBase进行查询。斑马鱼的数据库包括我国的国家斑马鱼资源中心数据库(www. zfish. en)。在我国，现有250个以上的实验室利用斑马鱼开展有关科研工作。2012年10月，国家重大科学研究计划斑马鱼资源中心［即国家斑马鱼资源中心(China Zebrafish Resource Center, CZRC)］在中国科学院水生生物研究所正式挂牌成立，旨在收集、创制、整理、保藏和分享斑马鱼研究资源。小鼠的数据库包括小鼠基因组数据库(mouse genome informatics, MGI)。在主页检索栏中输入小鼠基因名称，就可以看到小鼠基因名称全称、别名、染色体定位、该基因与人类同源基因名称，以及可能参与的人类疾病。MGI数据库还介绍了小鼠基因突变模型以及在各个系统引起的表型。MGI数据库还提供小鼠基因在不同系统中的表达情况，同时包含了芯片数据、组织表达、cDNA数据、文献总结。点击系统进入后，可以查看基因表达的实验结果以及相关文献出处。此外，美国杰克逊实验室(The Jackson Laboratory)拥有独立的小鼠资源数据库。该实验室建立于1929年，是一个非盈利性独立研究机构，一直致力于小鼠的生物医学研究，是全球品系最丰富的小鼠资源库。至2009年，杰克逊实验室已拥有4000多个品系的实验小鼠，其中绝大部分由杰克逊实验室保种，并向全世界科研机构提供。此外，杰克逊实验室每年都新增来自世界各地的研究者建立的上百种关于肿瘤、糖尿病、心血管疾病等研究用途的新小鼠品系。近年来，我国也建设有国家遗传工程小鼠资源库(www. mcmm. en)。2001年，在国家“十五”科技攻关重点项目的支持下，南京大学启动建设“国家遗传工程小鼠资源库(NRCMM)",NRCMM目前拥有1406个小鼠品系，提供遗传工程小鼠的制作、小鼠资源保存等服务。


医学生物学 三、利用模式动物建立人类疾病的动物模型 利用模式动物建立人类疾病的动物模型是现代医学和科学研究中必不可少的重要研究方法和手段。它能帮助我们深刻认识人类疾病的发生机制，找到预防、诊断、治疗疾病的正确途径。动物模型有多种分类方法，主要模型如下：1.自发性动物模型实验动物未经任何人工处理，在自然条件下发生，或由千基因突变的异常表现，通过遗传育种保留下来。2.诱发性动物模型研究者使用物理、化学、生物或复合的致病因素作用千动物，造成动物组织、器官或全身损害，从而出现类似人类疾病功能、代谢或形态结构的病变。3.基因工程动物模型通过转基因、基因敲除、基因替换、基因克隆等生物工程技术，人为改变动物的遗传性状，如基因工程小鼠等。4同种或异种移植动物模型常见千肿瘤动物模型，同种移植是将可移植的肿瘤移植千同系或同种受体动物；异种移植是指将人类肿瘤移植在受体动物身上，使其生长成为肿瘤。下面介绍一下小鼠疾病模型构建与验证示例：在前一节中，我们已经介绍了基因修饰小鼠模型的构建方法，利用这一方法，可以构建包括基因突变在内的多种疾病模型，现在，我们介绍在我国发病率较高的几种疾病的非基因修饰小鼠模型：(1)小鼠荷瘤模型：这是在肿瘤研究中最常见的模型。通过将特定肿瘤细胞接种裸鼠、NOD/SCID或其他免疫缺陷小鼠，从而制作小鼠荷瘤模型。如用路易斯肺癌细胞系构建肺癌模型。在接种一定周期后，通过肿瘤生长曲线、病理检测、体重曲线、mRNA和蛋白水平检测以及生化指标进行模型构建成功与否的评估。


医学生物学 三、利用模式动物建立人类疾病的动物模型 (2)2型糖尿病小鼠模型：通过对成年小鼠长期喂饲高脂肪饲料，引起小鼠肥胖、空腹血糖上升并伴有体内脂肪堆积及胰岛素抵抗来模拟人类的2型糖尿病。一般需要连续饲喂l0~12周后，通过测量小鼠空腹血糖、体重、GTI、ITI等进行评估。(3)肝纤维化小鼠模型：急性肝纤维化小鼠模型：通过结扎雄性成年小鼠胆总管模拟胆道阻塞引起的肝纤维化；慢性肝纤维化小鼠模型：四氯化碳可以对肝脏产生损伤，因此，通过对雄性成年小鼠连续给药3、6、9、12周（根据给药不同周期，肝纤维化程度不同）而诱导肝纤维化。检测方法如下：CD血清检测：生化(ALT、AST、HA、ALB)、ELISA(ASPH)；＠病理检测：HE、MASSON染色；＠mRNA水平检测：real-time PCR;＠蛋白水平检测：Wes tern blot、FACS进行肝纤维化程度检测。尽管小鼠模型很重要也很普遍，但并不是所有的疾病都可建成小鼠模型，根据研究目的不同，采用不同类型模式动物和构建方法建立疾病模型，才能有效地达到研究目标。线虫的细胞分化谱系明确，为研究细胞间相互作用和特定细胞功能提供了很好的模型。如前述，在细胞凋亡、RN扣机制探索等方面，科学家利用线虫取得了具有里程碑式的重要成果。科学家们还发现线虫也是研究人类衰老与寿命、学习记忆、神经退行性疾病、药物筛选等方面的理想研究模型。果蝇是研究历史最长的模式动物，已经成为当今生物医学研究中的经典。果蝇的遗传背景清楚，基因定位与表型效应的关系明确，各种遗传分析方法也较成熟。因此可以用来研究的人类疾病包括神经退行性疾病、肿瘤、心血管疾病、线粒体病等。除此之外，利用果蝇研究动物行为如求偶、学习记忆等方面具有优势。斑马鱼通体透明，是研究器官发生的最佳材料，而且斑马鱼饲养方便、繁殖量大，容易进行遗传操作，早期发育阶段透明的斑马鱼便于对许多内部器官或组织的性状进行观察，所以斑马鱼在研究造血障碍、心血管疾病、眼部疾病和人类某些神经系统疾病等方面均具有独特优势。科学家们相继报道了利用斑马鱼的疾病模型成功发现中枢神经系统疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿舞蹈症等的发病机制和相关调控机理。斑马鱼也是研究肿瘤、免疫系统疾病的理想动物模型，斑马鱼的疾病模型用于药物筛选方面也具有非常好的优势。此外，斑马鱼的胚胎还被用于最前沿的神经科学技术一一光遗传学。研究者们设计了一种胚胎，可以表达来自分离的神经元的蛋白质。这样可以使得他们能够光激活这些细胞从而在神经通路中确定它特定的功能。


医学生物学 三、利用模式动物建立人类疾病的动物模型 不同种类疾病均具有各自的特点和规律，根据研究需求，综合利用不同种类的动物模型是认识疾病的一种有效途径。在基础研究阶段，小型的便于实验操作的模式动物可能更利于机制的研究，而在诸如药物学、转化医学等研究阶段，进化地位高的动物或大型动物的疾病模型则是必不可少的。


医学生物学 三、利用模式动物建立人类疾病的动物模型 ----一一一---令--一一一一一---一一于模式生物体是由研究者专门选定来进行深入研究、并以此揭示生命科学的共同规律和普遍原理的生物体。模式生物体可以是动物，也可以是植物。但动物，尤其是哺乳类动物如小鼠、大鼠、非人灵长类动物等被更多地应用于医学研究，并且已经建立起庞大的种系资源库和基因组序列等数据库。研究者可以通过模式动物体的研究了解遗传、发育和生理稳态的基本机制，还可以在模式生物体上建立人类疾病模型，进行发病机制、治疗策略的研究和药物的研发。随着各种基因组修饰、基因编辑技术的广泛应用，可建立各种基因修饰的模式动物体，用于生理性、病理学和治疗学研究。但是，所有采用模式动物进行的研究，都必须遵循相关的伦理学法规，给予实验动物以人道待遇。


医学生物学 200下篇现代生物医学 1.利用模式动物进行科研活动时，需要遵循的伦理学要求是什么？2.如需要进行肿瘤血管生成机制研究，应如何选择适合的模式生物？3.某科学家在青藏高原发现了一种耐高原缺氧的小鼠，如拟将这一小鼠品系培育成一种模式动物，应该做哪些工作？（韩弊）


医学生物学 ＠笔记第十六章生物信息学 生物信息学是结合计算机科学、统计学、数学、工程学等多学科知识，整合分析生物学大数据，从而解决生物医学问题的交叉学科。随着各种高通量测序技术的产生和针对海量数据的算法开发，生物信息学已经在生物学多个领域发挥重要作用。在遗传学和基因组学领域，生物信息学技术有助于测序数据分析、基因组注释和突变检测。通过对生物学文献的文本挖掘和对基因本体的开发，生物信息学能够更好地组织和查询生物学数据。利用生物信息学工具比较遗传和基因组数据有助于理解分子生物学的进化。从整体层面而言，利用生物信息学工具对生物学通路和网络的分析可以更好地探索系统生物学机制。伴随着后基因组时代高通量组学技术和数据的产生，精准医疗已经成为医疗领域的新风向，致力于精确寻找疾病原因和治疗靶点，对同一表型的疾病样本不断进行精确分类，最终实现精准治疗的目的，而生物信息学技术的发展是实现精准医疗的重要前提。


医学生物学 第一节生物信息学概述—、生物信息学的定义 随着高通量测序技术的发展，生物医学数据呈现爆炸式的增长，使得对数据的处理、归纳成为必须解决的间题，生物信息学便应运而生。那么什么是生物信息学呢？1995年，人类基因组计划的第一个5年总结报告中，给出了一个较为完整的生物信息学定义：生物信息学是利用计算机技术和信息论方法对蛋白质及其核酸系列等多种生物信息采集、加工、储存、传递、检索、分析和解读的一门学科，是现代生命科学与信息科学、计算机科学、数学、统计学、物理学、化学等学科相互渗透而形成的交叉学科。生物信息学的出现极大地推动了分子生物学的发展。


医学生物学 二、生物信息学的研究内容 生物信息学主要包括涉及基因组学(genomi cs)和蛋白质组学(proteomics)两个分子层面的相关研究，本质上就是分析和解读核酸和蛋白质序列中所表达的结构和功能，以及与他们相互联系的其他分子的结构和功能。一种生物的全部遗传的构成被称为该生物的基因组，所有有关基因组的研究就是基因组学，主要包含对基因组信息的获取、处理、存储和解释。基因组学包含了序列基因组学、结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学等方面。在一定条件下某一基因组蛋白质表达的数量、类型称为蛋白质组，代表这一有机体全部蛋白质组成及其作用方式，有关蛋白质组的研究称为蛋白质组学。对不同条件下蛋白质组变化的比较分析是蛋白质组学的主要研究内容。生物信息学最先要解决的问题就是生物分子数据的获取。大量的在线数据库为生物信息学研究提供了海擢的生物分子数据，例如，EMBL、GenBank、DDBJ提供了基因组学数据；SWISS-PROT、PIR、PDB等数据库存储了蛋白质组学信息，还有大量多重组学数据库；比如NCBI、TCGA等。


医学生物学 三、生物信息学的研究方法 生物信息学研究中常常用到统计学(t检验、方差分析、压her精确检验等）和模式识别（支待向量机聚类分析、随机森林模型等）的方法。这些方法应用到不同数据、不同的研究方向，被开发出多种应用方法或工具。对于基因或蛋白质的序列信息可以使用序列比对与分析，基因表达的数据需要差异表达分析，功能的分析可采用富集分析等处理方法。蛋白质组学中可以利用生物信息学方法来对结构进行分析和预测。我们还可以利用网络分析，验证、发现基因与基因、基因与蛋白质、蛋白质与蛋白质的关系。由此也衍生出针对其他分子层面(LncRNA、miRNA、DNA methylation、SNP等）的数据分析方法。1.统计学方法在生物信息学的数据分析中，统计学方法起着不可替代的作用。比如t检验、方差分析等方法被经常用于常规的差异分析。它们都适用于多个样本集之间均数差异的显著性检验，可以表征和理解生物学，找出生物学中显著的差异，比如患者与对照样本之间的差异表达基因，评价不同治疗方案对治疗效果的差异等。此外，卡方检验作为一种在分类资料统计推断中用途广泛的一种假设检验方法，也被经常用于临床分类属性的差异分析。


医学生物学 三、生物信息学的研究方法 2.模式识别方法模式识别，就是通过计算机用数学技术方法来研究模式的自动处理和判读的机器学习方法。由千其对高维数据具有降维、分类和识别等特点，所以被广泛应用千生物信息学研究。目前有很多模式识别的方法包括支持向量机、聚类分析和随机森林模型等被应用于生物信息学的多个研究方向，基千这些方法开发的大量生物信息学工具也被广泛应用于生物信息学分析中。比如，聚类分析是一个将数据集中的所有数据，按照相似性划分为多个类别的过程。在生物医学数据的分析中，同一种疾病例如癌症，也存在着很大的异质性，其特征和预后效果均有显著差异。疾病的分型在研究中是一个很大的挑战。聚类分析正是解决这一问题的方法之一。


医学生物学 四、生物信息学的应用 生物信息学通过各方面的生物数据库和生物信息学软件可以将实验室中得到的大量生物数据转化为计算机能够处理的信息，验证或预测生物功能。通过数据库，如蛋白质序列数据库（如SWISS PROT汃核酸序列数据库（如GENBANK)、结构域数据库（如PROSITE)、三维结构数据库（如PDB)、基因组数据库（如OMI M)以及代谢数据库等，来实现对大规模基因功能表达谱的分析，无论是生物芯片、蛋白质组学、药物研发都会依赖于生物信息学的技术。高等生物的基因组中编码基因只占很小的一部分，对千非编码区功能的研究已经成为生物研究的重中之重，越来越多的研究表明，基因非编码区具有重要的生物学功能。这一部分的研究首要的是将搜集和筛选同一功能的序列，这可以利用序列比对来实现。生物信息学的发展对千分子生物学、药物设计、医疗等领域产生了巨大的影响，它不仅是一门学科，更是一种重要的研究开发工具。选择正确的生物信息学分析方法和手段才能正确的处理所得到的生物数据，得到正确、有意义的信息，以了解生物的本质。


医学生物学 第二节生物医学大数据—、基因组学 系同源(paralogy)是基因组学分析中经常涉及的四个最基本的概念。相似性(similarity)是指通过简单比较得出的两者之间的相同程度。同源性(homology)是指在进三一二贮五五~I--－一二二二Pr休扣W咖G尸mmn严IRI闷1PA平I哟的沪叩F”而叩佃nI I匡至、基因组分析工具`基因组注释和分析工具化上起源同一。相似性与同源性是两个不同的概念，相互之间并没有直接的等同关系，相似的不一定同源。直系同源(orthology)是指分布于两种或两种以上物种的基因组在进化上起源千一个始祖基因并垂直传递的同源基因，功能高度保守，结构相似。旁系同源(paralogy)基因是指同一基因组（或同系物种的基因组）中，由千始祖基因的加倍而横向产生的几个同源基因。


医学生物学 二、转录组学 1转录组数据转录组(transcriptome)是在特定条件下表达的一组完整的基因，它是根据细胞中存在的一组RNA分子决定的。转录组包括编码的mRNA和非编码的RNA。RNA-seq技术是目前检测细胞和组织中全转录组数据的一种强有效的高通量测序方法（图16-2)。这种技术不局限于已知的基因组序列信息，适用于未知基因组序列的物种；相比芯片检测技术，对基因表达有较宽的检测范围，定量准确度高，可重复性强；操作简单，可在单细胞水平上进行表达谱分析。转录组数据可用千新基因和新转录本的预测，非编码RNA注释，基因的差异表达分析，SNP（单核昔酸多态）／INDEL（插入缺失）检测以及可变剪切事件检测等。2.转录组数据分析对于RNA-seq数据的分析，一个简单的流程（图16-3)就是首先进行数据的比对，将测序产生的reads进行过滤后比对到参考基因组或者转录组。目前已有很多比对分析软件，例如，Bowtie(http:ll bowtie-bio. sourceforge. net/index. shtml)、TopHat(http:llccb. jhu. edu/so ftwarel tophat/index. shtml)和BWA(http:ll bio-bwa sourceforge. net/)等。接下来进行转录组的重建，方法上主要分为两类基因组引导法和基因组独立法。软件包括基千基因组引导法的Cuffl ink s(http:/lco le-trapnelllab. github. iol cufflinks/）和基于基因组独立法的Trinity(https:II伊thub. corn/trinityi·naseqltrinitymaseql呻）等。然后对转录本的表达水平定量，常用的测度是RPKM(reads per kilo bases of transcript for permillion mapped reads)，它的计算公式如式16-1所示：RPKM=外显子上的reads个数xl09式16-1其中，“外显子上的reads个数”表示比对到该转录本所有外显子上的reads个数；“reads总数”表示该样本中比对到基因组上的reads总数；“外显子长度”表示该转录本上所有外显子的总长度。


医学生物学 二、转录组学 最后进行基因的差异表达分析，目前常用的软件包括DESeq(http:llbioconductor. org/packageslreleaselb ioclh tml/DES eq. html)、Cuffcliff(http:II cole-trapnell-lab.伊thub. iol cufflinksl cuffcliff/)和edgeR(http:llw吓．bioconductor. org/packagesl releasel biocl html/edgeR. html)等。这几个软件都是基于负二\,TE~项分布的统计学模型，Cuffdiff是基千t检验方法，其他两个是基千Fisher精确检验方法来进行差异表达检验。,(i)(i)选择细胞__-_-`易D(i)提即lNA-易-数据比对～户～一一参考基因组测序reads一一一--一 ··--－-恤-—易选择poly A的RNA


医学生物学 ··--－-恤-—易选择poly A的RNA  ---畸一-----一 AAAAA户--4AAAAA易~片段化AAAAA易转录组重建易逆转录为cDNA外显子上的reads个数X109RPKM=易添加接头，PCR扩增易差异表达分析图16-2RNA-seq测序流程示意图图16-3RNA-seq测序数据分析流程示意图1蛋白质组蛋白质组(proteome)是指由全部基因组编码的一组蛋白质，或者在一个细胞、组织中产生的全部蛋白质的总和。


医学生物学 ---畸一-----一 根据研究目的及方法的不同，蛋白质组学可以分为表达蛋白质组学、结构蛋白质组学和功能蛋白质组学。表达蛋白质组学是指主要采用双向凝胶电泳和图像分析等经典蛋白质组学技术对细胞内蛋白质表达进行定量研究；结构蛋白质组学包括对氨基酸序列的分析以及蛋白质空间结构的解析，主要用于建立细胞内信号转导网络图谱并解释某些特定蛋白表达对细胞产生的特定作用；功能蛋白质组学主要是对蛋白质功能模式的研究，包括蛋白质的相互作用研究以及蛋白质的功能分析。2.蛋白质组数据获取及处理蛋白质组数据包含巳经被鉴定的蛋白质组信息，如蛋白质的氨基酸序列或核昔酸序列、3-D结构、翻译后修饰等。蛋白质组数据的获取和分析可采用二维凝胶电泳技术、蛋白质芯片分析技术、酵母双杂交技术等方法。蛋白质芯片技术是目前应用较广、高通量、高特异性、高敏感性的生物检测技术。它通过扫描装置检测生物分子与芯片上探针反应的信号强度，量化分析芯片上的杂交结果，检测蛋白质。可用于特异性基因表达产物的筛选、特异性的抗体抗原检测、蛋白质组学的研究以及蛋白质之间相互作用的研究。


医学生物学 四、表观基因组学 1. DNA甲基化数据DNA甲基化数据的获取主要包括两类方法，一类是特异性甲基化位点的检测，另一类是全基因组甲基化的分析也称为甲基化图谱分析。在功能基因组时代，从全基因组范围检测和分析DNA甲基化图谱是理解生命不同状态的功能和机制的重要手段。DNA甲基化图谱的检测方法主要包括限制性内切酶法，亲和纯化和重亚硫酸盐法，结合芯片和围获得的组蛋白修饰数据对于深入分析表观遗传调控机制有着重要意义。目前，组蛋白修饰的检测方法主要包括染色质免疫共沉淀与微阵列的结合(ChIP-chip)和染色质免疫共沉淀与高通量测序的结合(ChIP-seq)。ChIP-seq方法较ChIP-chip来说，可测定的基因组区域更广。随着全基因组水平的组蛋白修饰数据的大量产生，用于分析这些数据的工具也应运而生。CisGenome(http:llwww. biostat. jhsph. edul～加／cisgenome/）是目前分析ChIP Seq数据最实用的工具之一，它也支持ChIP-chip数据的分析。CisGenome是一个全面的整合分析平台，支持峰值探测基因注释、从头motif发现保守性分析以及基因组可视化。


医学生物学 五、代谢组学 1.代谢组学代谢组学定义为生物系统对病理生理刺激或遗传修饰的动态代谢反应的定量测量。具体来说，代谢组学是特异性细胞过程遗留下来的独特化学过程的系统研究。代谢组学代表生物细胞、组织、器官或生物体中所有代谢物的集合，它们是细胞过程的最终产物。代谢组学在生物燃料开发、生物处理、药物作用机理和细胞间的相互作用研究中有着重要的应用。2.代谢组学数据获取及分析高分辨率的NMR光谱和质谱(MS)技术的发展为代谢组学数据的获取提供了机会。此外，电子数据库如人类代谢组数据库(Human Metabolome Database, HMDB)的发布也为研究者提供了全面广泛的人类代谢组学数据。代谢功能障碍会导致各种各样的疾病，如肥胖、非酒精性脂肪性肝病、糖尿病、先天性代谢和癌症。代谢组学研究的中心目标是发现与疾病相关的特定代谢特征或对特定治疗的反应，从而发现疾病的诊断和预后标记。


医学生物学 五、代谢组学 第三节生物医学大数据分析技术一、序列比对分析在生物学中序列决定结构，结构决定功能，无论是核酸序列还是蛋白质的一级结构上的序列都可以看做是一段字符串。对千基因或蛋白质一段或多段给定序列，如何得到它所包含的数据，如何判断它们之间的关系，在生物信息学分析中我们一般利用序列比对分析技术来解决这一问题。序列比对基千进化学说，如果两个序列之间相似性极高，那么两者就有很大的可能性有同一进化祖先，是经历了一系列遗传变异分别演化而来的。 206下篇现代生物医学（一）序列比对与同源性、相似性 序列比对(sequence alignment)即运用某种特定的数学模型或算法，找出两个或多个序列之间的最大匹配碱基或氨基酸残基数。序列比对可以用来预测两条序列，包括基因序列和蛋白质序列，是否具有相似的结构或功能。在学习有效的序列比对方法前，需要明确两个概念：同源性与相似性。如果两个序列具有一个共同的进化上的祖先，则这两个序列具有同源性。与同源类似但可以有量化的指标是相似性。


医学生物学 206下篇现代生物医学（一）序列比对与同源性、相似性 相似性指的是核昔酸或蛋白质序列的相关程度，可以定量的定义两个序列的相似程度，有两种表达方式：编辑距离和相似性得分。相似性得分取决于两个序列对应位置上相同字符的个数，个数越多两个序列的相似性越大。编辑距离一般用海明距离表示，对于两条长度相等的序列，它们的海明距离等于对应位置不同字符的个数，值越小则表示两个序列越相似。 （二）序列打分矩阵核酸打分矩阵包括3种： 1.等价矩阵(unitary matrix)最简单的一种替换记分矩阵，其中核甘酸相匹配的得分为l，不匹配的得分为0。但由于其中不含有碱基的任何理化信息以及不区别对待不同的替换，在实际的分析中较少使用。（表16-1)。


医学生物学 2. BLAST矩阵 在实际的大量对比中发现，如果两个核昔酸相同令得分为＋5，反之为－4，效果是最好的。这个矩阵被广泛应用于DNA序列比对，BLAST是目前运用最广泛的核酸序列数据库搜索程序。（表16-2)3.转换－颠换矩阵(transition-transversion matrix)核酸的碱基分为嗦呤(A/G)和啼唗(Cl T)，两者在结构上环数不同，如果碱基的替换保持环数不变称为转换；如果碱基的替换导致环数发生在比较蛋白质序列时，简单的替换记分方法是不够的，由于氨基酸具有不同的生化特性它的打分矩阵也包括很多种，例如，等价矩阵、遗传密码矩阵(GCM)、疏水性矩阵、PAM矩阵BLOSUM矩阵。（三）BLAST一目前最常用的序列比对工具BLAST(Basic Local Alignment Se釭ch Tool)是目前最常用的一款在蛋白质数据库和基因数据库中进行相似性比较的分析工具。1. BLAST算法BLAST先找出一些words，即探测序列和数据库序列间非常短的匹配的片段对，它们的比对得分至少是T，然后向两端不带空格地扩展这些种子，并使用替换记分矩阵计算得分，直到达到最大可能得分。


医学生物学 2. BLAST矩阵 可以是索引号码，如RefSeq或GenBank的序号。(2)选择要搜索的数据库，BLAST共提供5种探索序列和数据库类型。(3)调整可选参数。(4)输出结果（图16-5)。输出结果分为3部分：(DBLAST搜索的类型、数据库类型等基本描述；＠数据库中与所查询序列相匹配的序列列表，分为图像和列表两种描述方式。点击感兴趣的序列，可以跳到该序列的详情页面；＠统计分析结果。 二、差异分析 转录组分析是表征和理解生物学，包括疾病中表型变异的分子基础的重要工具。转录组图谱最常见的用途是寻找差异表达基因，利用差异分析找到与期望预测的结果相关的基因。差异分析有多种不同的算法，每个方法都有各自的优缺点。 差异分析的几种算法如下： 1.倍数法倍数法是比较常用的一种差异分析方法，具有简单、直接的优点。针对需要进行差异分析的基因两两计算倍数差异值f。 fgene;＝兰式16-2 当f约等于1时，表示基因i在两种不同的条件下表达不存在差异。当f明显大千或小千l时，表示基因4在两种条件下有显著的上调或下调。虽然倍数法在实行上简单易行，但阙值的确定却有很强的主观性，具有较大的假阳性率，一般可以用于数据的初步筛选。


医学生物学 fgene;＝兰式16-2 2. t检验利用t检验推断一个基因在两个不同条件表达的均值是否显著差异，从而确定该基因是否是差异表达基因。假设基因的表达值总体呈现正态分布原假设：Ho:µ广µ2=0；备择假设：H1:µ广庄=;=0（即假设在两个条件下基因表达水平相等） t=(x1-x2)－（µ1平2)式16-3其中，208下篇现代生物医学BL店TRe,凡i阮 I一心．飞一·曰气L冲和Ill喊已叩心：？泣吐汕嘛＂迦咖嘟呵伽畔'/m仇屾1呤如Irl－，，，妇叩1”lllllltIlls口1OO“如一M叩”“e八0的Bthdl瓟，C比klo•h吹遍护而心Olorkovfora”gnm`nt巳刀mg屯式v PAEOIC飞D，如indic心tumor p咖n沁3(TP53),m咄泊～吐淋il饶饥1,1田伸丑11N叩如or归～1：1R匕狂d lllfonutlol, Ra叩1:1891<>13心和n贮平＊r言渭杠吓`NotMat中矗行心叩us Mat巾ll£M•aseodated gene30l- G迩文nndd虹1.


医学生物学 G迩文nndd虹1. 2l"｀心(l16l)0.O l161l1161(100%)“1161(0%)PIu叩归 厮皿邸卿泗四厮圆厮皿画： 如t”6l Ol”“一比IT口勺［也”“心(IUio"呻l幻孔j“勾9道兀r叮叨J('('T-，U”“”“1””“礼士』I.阳1”rm”“8如“'El知立也正田心一泣叩匹从记虹f砾`邓=－拟拙拙拟丛 蜘 LOO二：；皿咄皿皿邸皿皿沥皿黜一止，仁`r扛J叩”“'，心，”“勹、石一·一·寻－－根据t检验的P值，设定假设检验水准a，若P<a，则拒绝零假设，认为该基因在这两个不同的条件下表达具有显著差异；反之，则接受零假设，即该基因不具有显著差异。当基因在不同状态下的表达相差很小时会导致假阳性率较高。3. SAM SAM(significance analysis of microarrays)基因芯片的显著性分析，与倍数法、t检验不同，SAM是专门针对芯片数据的特点设计的。SAM以t检验为基础通过控制FDR(false discovery rate)值纠正多重检验中的假阳性率，计算相对差异。


医学生物学 蜘 利用SAM法进行分析的前提是需要至少3次实验以上的重复，在筛选较多特征基因的同时，错误发现率FDR还能保持较低的水平。 三、聚类分析 1.聚类分析概述在生物医学数据的分析中，同一种疾病例如癌症，也存在着很大的异质性，其特征和预后效果均有显著差异。疾病的分型在研究中是一个很大的挑战。聚类分析正是解决这一问题的方法之一。聚类分析是一个将数据集中的所有数据，按照相似性划分为多个类别的过程，是一种无监督的分类方法，即数据集中的数据没有预定义的类别标号。常见的聚类分析方法有两种：划分法和层次法。2.聚类算法-划分法(1)k均值(k-means)聚类：K均值聚类是根据均值进行聚类的划分法，具体实现步骤如下：第一步：初始化，随机选定k个对象作为聚类的中心。第二步：计算每个对象与这些中心的距离，并根据最小距离重新进行划分。第三步：重新计算各类样本的均值作为新的中心。最后，重复第二第三步直到每个类都不发生变化。k-means聚类具有可扩展性好的优点，但需要实现确定类别数k，且初始中心的选择对结果有很大影响。


医学生物学 三、聚类分析 (2)k-medoids聚类：K中心聚类选取最靠近中心点的样本代表整个类别，这样可以降低聚类算法对离群点的敏感度。与K均值聚类相比，k中心聚类更加鲁棒（即稳定）。3.聚类算法一层次法在无法确定聚类的分类数时，可以考虑使用层次聚类算法。根据层次的形成方式可以分成两种：(1)自底向上方法一-AGNES算法：输入：包含n个样本的数据集，终止条件簇数目k。初始：将每个样本当做一个簇。循环：根据不同簇中最近样本间的距离找到最近的两个簇，合并。输出：k个簇。AGNES算法简单易行，但一旦不同的簇被合并就无法撤销，且不适合样本数很大的数据集。(2)自顶向下方法一—DIANA算法：开始时，将所有样本置于一个簇中；然后执行迭代，在迭代的每一步中，一个簇被分裂为多个更小的簇，直到每个样本分别在一个单独的簇中或者达到终止条件。聚类分析方法在生物信息学研究中具有重要意义，为复杂疾病的分型及分子标记的识别提供重要的佐证。不同方法的选择对结果有很大影响，在实际的研究学习中，应根据所处理数据集的特性选择相应的方法。


医学生物学 四、功能富集分析 功能注释可以帮助研究人员了解感兴趣基因参与的生物学过程、所处的细胞位置、发挥的分子功能以及生物大分子在体内的代谢过程和相互作用。但直接注释的结果可能存在概念上的重叠和冗硕余，因此需要功能富集分析对注释结果进行过滤和筛选，从而获得更精细且有意义的信息。1．基因注释数据库基因本体数据库(Gene Ontology, GO)和京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)是最常用的2个基因注释数据库。GO是一个生物学模型框架，用于描述基因功能的概念以及这些概念之间的关系。GO数据库包括三大类别，分别是细胞组分(cellular component, CC)：细胞或细胞外环境；分子功能(molecular function, MF)：基因产物在分子水平上的活性；生物学过程(biological process, BP)：一系列分子事件的集合。GO是一个有向无环图结构，每个条目与其他条目间存在特定的联系，目前涵盖了包含人、小鼠、大鼠等14个物种的注释数据。


医学生物学 四、功能富集分析 KEGG是一个利用分子信息，特别是基因组测序及其他高通量实验技术产生的大规模分子数据解释生物系统高级功能和应用的数据库资源。KEGG整合了16个数据库的资源，可以归纳为4大类：系统信息基因组信息化学信息和健康信息，其中KEGG通路数据库是最常用的生物信息学分析资源之一，可用千感兴趣基因的功能注释。2.富集分析功能富集分析是通过判断一组感兴趣基因在某个功能节点上是否过出现，从而揭示这些基因可能参与的生物学过程和分子功能的方法。常用的富集分析统计方法有累积超几何检验和Fisher精确检验等。以差异表达基因的KEGG通路富集分析为例，累积超几何检验的公式16-6如下：P(x>k)=l-r:=I x)亿）(M-x)式16-6其中N为注释系统中基因总数，n为待分析的通路的基因总数，M为差异表达基因数，x为差异基因与通路基因的交集个数。Fisher精确检验的公式16-7如下：P=（勹＋（b）n(／）


医学生物学 四、功能富集分析 其中n为注释系统中基因总数，a为差异表达基因与通路基因中的交集数目，b为差异表达基因未注释到通路中的数目，c为背景基因集去除差异表达基因后与通路基因的交集数，d为背景基因集去除差异表达基因后未注释到通路中的基因数。DAVID是目前最常用的在线功能富集分析工具，在DAVID功能注释界面输入基因列表，指定标识符和列表类型，提交后可对感兴趣基因集进行分析。功能注释工具提供包含基因本体、KEGG通路、疾病、蛋白质结构域在内的多种注释结果，以表格方式展示，涵盖类别、条目、注释到的基因、显著性P值和校正后的P值，同时DAVID可以对富集结果进行聚类，解释被注释到的条目之间功能相关性。除功能注释外，DAVID还提供了基因功能分类工具和基因标识符转换工具。


医学生物学 四、功能富集分析 第四节生物医学大数据资源一、美国国家生物技术信息中心1. NCBI简介美国国家生物技术信息中心(The National Center for Biotechnology Information, NCBI)旨在通过提供生物医学和基因组信息的访问来推进科学研究和健康事业。于1988年11月4日提案建立，将其作为国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH)中国家医学图书馆(National Library of Medicine, NLM)的一个部门，构成了世界上最大的生物医学研究机构。发展到现在已包含了68个数据库项目、35个资源下载服务、17个数据交互提交接口和60个生物数据分析工具。 @记 存储在NCBI中的资源不断进行着更新、扩展，除DNA、RNA和蛋白质的序列信息外，还为医学和生命科学的研究提供了多种数据信息支持（图16-6)，常用的包括公共功能基因组数据存储库


医学生物学 @记 第十六章生物信息学211(GEO)、人类基因和遗传表型信息库(OMIM)、文献公共检索与分析平台(PubMed)等。NCBI采用Entre z搜索和信息检索系统，实现资源的整合分类查询，并构建了FTP、Aspera（高速）数据下载平台，为用户提供了友好的、便捷的、快速的信息检索和批量获取方式。此外，还提供了序列比对(BLAST)、序列可视化(Sequen~e Viewer汃保守结构域搜索(CD Search)、可读框识别(ORFFinder)等工具，为功能基因组的研究创造了便利。Th. Na肋na!C的terfor B/otech心0订'nformation advances s啦nee and he,/lh by"o~dln g acce"to biomedical and ganom忙Inform刲o n Bookoh.W.....-o~Is&Blo....ys-|A忡可归NCBII凶血I Oman妇IIQnI NCBIN叩8B伽q


医学生物学 匾斗D叭a&So丘m PubM的Hea肋 I Domalns&S四ctu,es0e poslldata“manu.cripb Tran9fe,N CBl dataI o yo”Find佃Ip documen朽，attend a Nudeo次b Into NCBI d ll的a...•o>mpute, da,. orwat中．血orla l G印omePubChem Ulera.,,.PrD也压函归nee压h函De ve lop A naly ze Rese arch N CBIN ews&B叨Taxonomy Usa NCBI心lsandc呤Identify an NCBI loot fo, you,切lo,e NCBI『....心,and GenomeWo心e心`v2.12.5100<12017T『aInIn9&T"'oria片,._, llbra屯sIO如Id appllcallon, dala analysis伍汰c咄ab”aINe pmjeds Recent upda1es1o Genome Wo心enchi mdude a new na吹闭Joo1u1orialf01Vadatlon-矗Rmnhir^I如m凶mV叩“andmdnmAbout two yeara ago, NCBl launched Pub如d Labs. a ga1horing ploce fo,NC BI资源汇总dism“Prinn and·xnmIm如linn咄h n叩眭询、检索外，NCBI迅衄了资源的提交、下载分析和Oct心e『11NCBI Minute:lo l ooduciog阳及分类导航N,wRefS四F虹1;on,f Elemenls Pcoject020d2017探索研究的功能，井且还允许用户使用NCBI开发的公共接口2017, NCBI wi1"的巴..


医学生物学 匾斗D叭a&So丘m PubM的Hea肋 OnOct如『11, wohln刁'="•仅～、F“八如刁进行二次开发；为了方便用户了解和使用，NCBI提供了丰富的学习资料。NCBI更新日志血Youa『e恼'e. NCBI>NalJon忒Cente,fo,lllole中n吵lnfonna1lon su,..rtc的阳GETI ING STARTED RESOURCES POPULAR FEATURED NCBI INFORMATION NCBIE如hm0论m立s&Bioass.ys心如Genot比Tes叩R叩比盯A如INCBINCBI坎HPManuai0ata&Softwaf0R一寸比”吵儿l叫H e忒th R函3'd,ai NCBINCBI Haodbool<ONA&RNA P山冰如C叩a1GenB印k NCBIN印吓＆B叩Training&Tutoriats Domains&Sin比扣res P妞．O Hea阶Refe心n“Sequeno NCBI FTP S佃Submit Data Genes&Exp『ession BLAST Gen8氐prass,on0m m归NCBion Fac吐妞OeootkS&Me!Jdno NUCI..!Ide Map V归如NCBI on Twffle, Genomes&M.OS G.nome Human Gonome NCBI on Your叩n P心em Pnne<-BlAS T泗顷心妇归P出尤m SequenceRead A/ChiV<IT吵n叩i乡．多夕Va巾蚐多·泊伽认Cenierl«Blot动no1叩In如natioo, U.S. N抽叩凶r句ofM呻叩便8600Rod<v..斤ke,8e仇眨也MD,208凶USA氏沁d···n d GukleIi咄S I C“ct-莹今3岱皿GEOiaapu凶c仙劝onal炉mmcs"larapos”“印－MIAME七ompliant归b印加口＄加s.>my-andseque兀已培＂d如aa”比cef'ed. Tools.,. po“如lo妇Ip UHrS queryand中田心砬，一·mdCUlllted..mlogin10SUbmil Su切....Ml<!Gu记吐... MIAMES“一-.


医学生物学 匾斗D叭a&So丘m PubM的Hea肋  U血·G叩i叩Citing and丘如ngtoGEO  V“”“'1利"以立扁订百．茫割l叩1..JOnline Mendelian Inheritance in Man®OMIM信息查询入口An On line Ca ta log of Hum an Genes and Gene tic Dis orde rs通用查询、高级查询一门1咘「17.2017OMIM查询结果枷,noed...动：叫IM,Ci贰S炉叩沁＄C叩归由走dh eip?：0加叹,Sea吐s,OMIM扫中坎如，0，IMTutmai··一一哱一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一．·113721T心od0川比l”•113721OMIM entry(symbols+unique six-digit number)Cytogen忒c lo“Ii如17p13.3Ctn叩'iccoo,-,/i心压(GRO38)：17··归，401J/)00广．—下I-”—l-－乙·－T"志一11』-- 己


医学生物学 己 ＿1-－＿＿:－尸_lColes et al.(1990)demonstrated loss of conshluti叩lhete血ygosity(LOH)at17pl3.3in a叩e P呵劝让,nof归astc叩立s.LOHwas匼s阮叩血in band!7pl3.I, which cont压,s the TP53gene(19ll70). Then, w芷no conelahon妇－allele阮巧at the2sites on l7p. Nevertheles,, loss ofheterorygosity at17pl3.3沁正还幻立ted withov如工p哗ion of p53mRN入沁邸to Co归etal.(1990)the ex囡en<e of a罕ne幻me20m硕亟-s telomeric of TP53that_.iates its叩哗，on.


医学生物学 己 图16-8人类孟德尔遗传在线(OMIM)主页及查询结果中的信息解读在OMIM数据库中，每一条记录都被分配了唯一的6位数编码，这种编码形式可以标识记录为常染色体等位基因座或表型、性染色体连锁位点或表型及线粒体位点或表型等信息。并且一部分MIM编号前添加了标记符号，用以区分其所属类型（基因、表型等），详见表16-4。


医学生物学 MIM编号／标记类型代表的意义 a number symbol(#)before a descriptive entry, usually of a phenotype, and does not represent a unique locusa plus sign(+)before呻cates that the enl.J.ycontains the descrip tion of a gene of known seque nce and a phenotypea percent sign(%)before indicates that the entry describes a confirmed mendelian phenotype or phenotypic locus for which the underlying molecular basis is not knowna caret(·)before no longer exists becau se it was removed from the databa se or moved to ru1一other entry as indicatedno symbol generally, indicates a description of a phenotype for which the mendelian basis, although suspected, has not been clearly established or that the separateness of this phenotype from that in another entry is unclear注：OMIM中记录编号的说明参考帮助内容“Wh a l numberingsystem is used in the OMIMdatabase?＂（网址：hllp:llomim. org/helplfa q)1. TCGA简介癌症基因组图集(T h e Cance r Genom e Atlas, TCGA)旨在绘制1万个肿瘤基因组的景观图谱，由美国国家癌症研究所(National Cancer Institute, NCI)和美国国家人类基因组研究所(NHGRI, Natio nal Human Genome Resea rch In sti tut e)于2003年合作启动，目前共涉及33种癌症类型的7类基因组数据的综合的、多维图谱被构建公布，其中包括10种罕见的癌症类型，数据总量超过2.5Pb（图16-9)。该基因组信息可帮助癌症研究领域改善癌症的预防、诊断和治疗。


医学生物学 MIM编号／标记类型代表的意义 2. TCGA应用TCGA中提供了来自11000个患者的配对肿瘤样本和正常组织的多类型全基因组水平和临床信息数据（如基因组、转录组、表观基因组、临床资料等），为肿瘤中异常改变的生物标记的识别、癌症类型特异的生物标记的识别及肿瘤的异质性分析提供了数据资源。TCGA数据下载，以获取乳腺癌(OMIM*113705)DNA甲基化谱为例，步骤如下：通过导航栏，进入Repository，设定过滤参数为“Proj ec t Id IS TCGA-BRCA AND Access IS open AND Data Catego1J IS DNA Methylation AND Data Type IS Methylation Beta Value AND Experimental Strategy IS Methylation Array..,DataPortal Summary c叩R你四“心1酐？？刊11TCGA资涯统计TCGA资涯动态检索入口GDC Applications TCGA应用入口及工具Tne GOC Da!a p叩ba哎出SIdaIa4咄n pl邵OITT111lalaIIOwscance,芯也心e"叩沁tntom叩过nsIOsear小and心叩心ccanee『也ta1"砌sis TheGOCa叩区如如心吐AND Platform IS Illumina Human Methyla tion450"（图16-10)，共筛选出TCGA乳腺癌相关的450K甲基化谱包含892个样本，将满足条件的样本全部添加到下载Cart中。点击Cart可以查看到待下载文件的统计信息，点击页面中的Down l oad按钮即可完成数据的下载。


医学生物学 三、测序读段数据库 1. SRA数据库简介测序读段数据库(Sequence Read Archive, SRA)是用千存储二代测序的原始数据，包括Roche454GS Sys tem回Illumin a Genome Analyzer®, Applied BiosystemsSOLiD System巠HelicosHe liscope®, Complete Genomics®, and Pacific Biosciences SMRT®等新一代测序仪测序产生的原始测序数据和基因序列信息。在SRA建立之前，GEO数据库用于存贮高通量的芯片实验数据的同时，也承载着存储高通楹测序数据的功能。但随着新一代测序技术的迅猛发展，以及高通量测序数据的不断累积，专门用千存储高通量测序数据的需求越发迫切。NCBI在2007年年底公布了SRA数据库，专门用于存储、显示、提取和分析高通量测序数据的数据库从此诞生。SRA数据库最初的命名为Sho rt Read Arc hiv e，现已改为Sequence Read Arch i ve。自建立之初，序列数据迅速累积，涉及多平台、多物种、多种应用的、分层次的SRA数据库已经具备一定规模。2007年开始，SRA已经迅速累积到了l.3Tbp，共计180亿条小片段，约占人类基因组序列总长度的85%。SRA的建立为大家进行数据挖掘提供了更多的机会。处于方便广大用户使用的考虑，NCBI还将为SRA数据简历索引，同时更多的辅助工具，如搜索及比对等功能也将陆续开发出来。SRA能够将生物序列数据提供给研究组织，通过比较数据集提高重复性和获得新发现（图16-11)。


医学生物学 三、测序读段数据库 根据SRA数据产生的特点，将SRA数据分为四类，包括Studies（研究课题）、Expe1iments（实验设计）、Run s（测序结果集）和Samples（样品信息）（图16-12)。SRA中数据结构的层次关系为：Studies->Exper iments->Sampl es->Runs。St u d i es是就实验目标而言的，一个研究课题致力于一个特点的研究目vF..—一－三三3尸＿＿＿＿＿＿回呻2oam.4的心？．．一---■•Dote Type~(892)L->－，点＿＿刮西Cart口1口，一切Va四己[Pn叩“二一一·一·一－-＿＿毛一L.::..:D L们叩, m I1--·-sh劝M~-:.1叩一..晕尸


医学生物学 ——--l-200f..2血＄丿已竺七工JI ：四U--n-I-伽谓＂谓的O湘吓咐侣忻谌叩情，叶TC中得压阶f·1~书RmDNA-TXT141笠M8巳一励m口6叩01A·?1n41?R扣平叩囚□I-Hoo,an-1Jon27a，口S如，如丫叩丽狂呻叩叩…呼10沁T心和1~七代讯＂从一TXT141_27MB,____JI”“令1M1卧1平护吓加靖闪巳叩如，口压m廿III1斤呻l R虹晌叩叩叩呼ll的而心W·”“论罚~D出归心IU, TXT141为MB寸0,1---,-6lll&9l&1.1吁14牛吓叩闪曰份器罕芯芯lmu亢·1....妇-<!E><plorallon霾R罕心叩00uld<旺mn令）1.0g;丘玉习i·GDC心＄...892口File Counts by叩File Counts by AUthonzslion LevelTCCA BnCA函一1芯O2G8一四一心泣2句一1一·一订吐心如付吓呻冶一TI倩叩T叮T..GOCO孤a T"心缸Toot匕，巳＂＇巳吐心虹飞占已凶仄l切｀桌m论＄＂点击导航栏中Cart，查看下栽数据的汇总信患.....


医学生物学 F鼠2S立126.02GB因．Do.'，比0t胚心凶攻Sh阳切妇噙，om恤呤凸U行又汀点击Downloadj蚌丑，下载数据到本地"""""'91·,."..2陬二立J，卫它 lT心七RC,6ONA M叩latlcn iXT141.28MB S q如1而心祝邸心心匕l TXT“1.27MB..可l~七DNA-txT“1.26血．色8叩m1芯七m-TXT141笠岫l兀·6心DNA-TXT141.3MB`.J”-Ill!“1'1111印1T,C妇也DNAM叩如1XT141.29MB、g s叩1~0叭MethytalJon TXT141笠MB1TC叩心D出一TXT141..23MB[8J0叩1Tr打斗鼎P书沁业叨比凶，止TXT“1-28MB1il心～lEG&a吃0从M如切坎In TXT141.28MB[0.6叩n11':叩陀A DNA坎切JalDl TXT141.2BMB卫“叩印1TC叩RGA DNA-TXT141.29MB'.!l压m1TCr砰r＾吨以勾t.41.28MB,.,.叩m1TC趴在R饥ONA康盯氓Ion TXT141.27MBsm20. G待下栽文件列表TXT


医学生物学 F鼠2S立126.02GB因．Do.'，比0t胚心凶攻Sh阳切妇噙，om恤呤凸U行又汀点击Downloadj蚌丑，下载数据到本地"""""'91·,."..2陬二立J，卫它 "'圈16-10癌症基因组图集(TCGA)数据下载GettingSta由d Tools and Software RelatedResources i·-···一咖H叩IoS曲mI P叩刊叩S阰T叩血匈叩9平onP叫科l叩In I．现1彻叩中I,nq，叫Ir.“内的叩叩＄呻仰和叩引·卧Tn"'i111几叮m,nlil1mn T『扣？知hm1叩InIoSIIh1111吓1mP叩引1位印加1叩＄，叩叩吓佃·I S阰还T d沁护加meSRP伈盯ne"'的Qq S卧Run庄叩盯和oPr砬IFull SRX:Experim的t（实验设计）


医学生物学 F鼠2S立126.02GB因．Do.'，比0t胚心凶攻Sh阳切妇噙，om恤呤凸U行又汀点击Downloadj蚌丑，下载数据到本地"""""'91·,."..2陬二立J，卫它 SM2212489:Leaf BGM-infes也d24hr rep4; Hordeum vulgare; RNA-Seq fTDJJMTIIJAl[Oumina HiSeq2500)run:38M spots.9.5G bases.4.3Gb downloadsStudy:Ba rl ey tran亡nses to specialist and generalist spider n飞te herbivore s PRJNA326683SRPD7702O A|1expenment s·AII runsshow Abstract SRP:Study（研究课题）


医学生物学 Sam;以骂芦一名巴詈广二二·归－n sOrganism:~S RS:Sample（样本） Strategy RNA-Seq I相应测序平台、测序数据类型及测序方式(PAIRED或SINGLE)Source.·TRAN SCRI PTOMICLayoul PAIRED Construdionprolocol:Leaf tissue was grnund to fine powder in liquid nitrogen. Total RNA was prepared using theDirectZol RNA extraction kit(Zymo Research). Quality of the RNA extractions was assessed using a Bioanalyzer(Aligent). The libraries were prepar ed at the University of Utah High Throughput Genomicsfaci lity using the lllumina TruSeq Stranded mRNA Library Preparation Kit with poly(A)selectionExr===:SM22124891测序样本(SRS)对应的GEO样本ID号(GSM)Runs:1run,38M spots,9.5G ba ses，严的，可以有很多研究类型，如全基因组测序、转录组学分析、表观基因组学分析，以及宏基因组学分析等，一个study可能包含多个Experiment。Experiments是SRA数据库的最基本单元，就像PubMed数据库的每一篇文献是PubMed数据库的疾病单元一样。Experiments包含了Sample、DNA source、测序平台、数据处理等信息。一个Experiment隶属于某个Study，对一个或多个样本进行测序，产生的测序数据以run s的形式存储千SRA，所以一个Experimen t可能包含一个或多个runs。Runs表示测序仪运行所产生的reads。SRA数据库用不同的前缀加以区分：ERP或SRP表示Studies; SRS表示Samples; SRX表示Experiments; SRR表示Runs。


医学生物学 Sam;以骂芦一名巴詈广二二·归－n sOrganism:~S RS:Sample（样本） 2. SRA数据获取首先，在Linux系统中，如果要下载单个sra文件时，需要获取NCBI数据库FfP中的相应地址，以ERR260132. sra数据为例，如下：wget-i ftp:II ftp. ncbi. nlm. nih. gov I sra/sra-instant/reads/ByStudylsra/ERPIERP002IERP002469IERR2601321ERR260132. sra同样可以将所有URL（地址）放入一个文件(sralist. txt)之内，进行批量下载，使用wget命令，文件中的格式如下所示，每一行表示一个URL地址：ftp:llftp. ncbi. nlm. nih. govlsra/sra-instant/reads/ByStudylsra/ERPIERP002IERP002469IERR260132IERR260132. sra ftp:II ftp. ncbi. nlm. nih. govlsra/sra-instant/readslByStudylsra/ERPIERP002IERP002469IERR2601331ERR260133. sra下载命令为：wget-i sralist. txt，其中－1表示读取文件中的url, sralis t. txt是包含所有URL的文件。


医学生物学 Sam;以骂芦一名巴詈广二二·归－n sOrganism:~S RS:Sample（样本） 其次，利用NCBI开发的软件包SRA Toolkit同样可进行SRA数据的下载，并且该软件包可将SRA数据库中存贮的．sra压缩格式的测序数据转换为．fastq的数据。首先进行下载并安装SRA Toolkit软件包，下载地址为https:II trace. ncbi. nlm. nih. govlTraceslsra/sra. cgi?view=software，最新版本为2017年3月14日更新的2.8.2-1版本，主要包括CentOS Linux64bit、Ubuntu Linux64bit、MacOS64bit和MS Windows64bit版本。选择相应系统的版本进行下载并安装后，软件包中的prefetch命令可进行数据的下载，fastq-dump可将sra格式的数据转换成为fastq格式的数据，用于后续的相关分析。关于SRA Toolkit软件包的详细说明可参见SRA Toolkit Documentation(https:ll trace. ncbi. nlm. nih. govl Tracesls ra/sra. cgi?view=toolkit_doc)（图16-13)。Please consult5l!A.Il!2lkil.J叩咖o for help.Below are the latest relea愁of various tools and release chec比um fileMagic-BI.AST Mag正BLAST is a tool for mapping large ne戏gene<alion RNA or DNA哟uencing runs against a whole genome or transcriptorne. Third Party So仕四re BuildsofT加d Party Software Too~田th SRA幻pport(NGS也Orel..se)．．伞n0而Ana昨T叩伯I吃Tn叩nmn.16－阳n平ill!-including direct support of SRA1. ucsc数据库简介UCSC Ge nom e Browse]是由加州大学圣克鲁兹分校(University ofCa liforni a Santa Cruz, UCSC)创立和维护的，该站点包含有人类、小鼠和大鼠等多个物种的基因组草图，并提供一系列的网页分析工具。站点用户可以通过它可靠和迅速地浏览基因组的任何一部分，并且同时可以得到与该部分有关的基因组注释信息，如已知基因、预测基因、表达序列标签、信使RNA、CpG岛、克隆组装间隙和重叠、染色体带型、小鼠同源性等。用户也可以因为教育或科研目的加上他们自己的注释信息。UCSC Genome Browser目前应用相当广泛，比如Ensembl就是使用它的人类基因组序列草图为基础的。UCSC的主界面主要分为四部分。第一部分界面上端的菜单栏，包括Genome s、Genome Browser、Tool s、Mirrors、Downloads、MyData、Help和About Us几部分，并且每部分都会有更详细的子菜单。用户在使用数据库及其工具(Genome Browser、Tabl e Browse r、Ge ne Sorter、Proteome Browser、VisiGene、Genome Graphs、BLAT等）时可以从以下站点获得大量的适时帮助，包括http:II genome. ucsc. edu/go lde nPath/help l hgTracksHelp. html、http:II genome. ucsc. edu/F AQ等。还可以写邮件到genome@soe. ucsc.ed u(http:II genome. ucsc. edu l contacts. html)获得帮助。主界面的第二部分是位千右上部分的O ur tools,其中包含了UCSC开发的工具，包括著名的Genome801-wser，用于可视化基因组数据；BLAT，快速进行|^Genomes GenomeBrow$o Tools Mi「『O Is Downlo3也My Data HeIp AboutUsMore tools...On June22,2000, UCSC and the other members of the Nov.2,2017-NewZebra缸h assembly danRer11available!International Human Genome Project consortium completed the first working draft of the human genome assembly, forever Oct.27,2017-Public European MySQL server now available!contains.A few weeks later, on July7,2000, the newly assembl的genome was released on the web at More news-. http;/,/genome.ucsc.edu, along with the Initial prototype of aSubscribe graphicalviewing tool, the UCSC Genome Browser. In the ensuingyears, the website has grown to Include a broad TheUCSC Genome Browseris developed and maintained by the collectionof vertebrate and model organism assemblies and GenomeBlolnformaticsGroup,a cross-d印artmen回应mwlthin annotations, along with a large suite of tools for viewing, the UCSCGenomics Institute. analyzingand downloading data.


医学生物学 Third Party So仕四re 序列与基因组的比对；Table Browser，可通过其进行Genome Browser database中进行数据的下载；In-S止ico PCR，可进行PCR引物的基因组比对；LiftOver，进行不同版本(assemblies)间的基因组坐标的转换等众多工具。主界面还包括Our story部分和What's new部分，分别是UCSC的创建和发展史和新闻栏（图16-14)。


医学生物学 Third Party So仕四re 2. ucsc基因组浏览器使用使用UCSC基因组浏览器，首先点击工具栏的Genomes按钮，并选择镜像地址；接下来进行物种和其基因组装配版本(assembly)的选择，包括Human、Mouse、Rat、Worm和Yeast等多种模式生物，例如选择Human的hgl9版本；进入Genome Brow ser的主界面，搜索基因名TP53得到以下基因组草图（图16-15)。简单的调整功能和每个区域所代表的含义如图标识。外显子是由代表内含子的横线连接的条形块部分。内含子是指连接条形外显子的细线部分。5'和3'非翻译区显示为前面和后面相对比较细的条形块部分。基因内含子内箭头表示转录的方向。在没有内含子可见的情况下，箭头显示在外显子条形块部分。


医学生物学 Third Party So仕四re OrgauisomnodAssemblyversion Nnvlgntenlong the genom bromsomeideogramI心”“'＇，心”“'3,-m和屯l”“4i冬"'“｀尺心'43.，；二lii4-，＿＿_＿二-~．一 move deta廿s m“”“1n moveendstart".，心u""，也1ure iot UICKordm9thebase扣－SUIOI'＂己＂＇U乙uu心巨」砫—}巨］sid8rackoptlonsI『acksIeflornghttonewposihon Press呤？的forkeyboardshortcuts巨卫汇二汇三］Itracksea兀h IIdefa中吓ks IIdefa心如I压互I.ddcustom叩心I I“ackhubs1压I m啦mgoon旧玉五］压荨T一＾L－｀．．认L全4七＾氏心心-,~·^A,＾－--^一＿＿＿．一＾4^＿1.叩altt·acks for display{pack, dense,or bide and so on)Gnome Browser下方是路径的显示设置界面，包括多种特性的路径图(tracks)，例如，Mapping and Sequencing、Genes and Gene Predictions、Phenotype and Literature、mRNA and EST、Expression和Regulation等Track的分类，每个track分类中包含很多路径图(tracks)。可以通过研究需要来选定所需要的显示选项。每个路径都可以通过点击蓝色的字体链接到注释界面。下面是路径的5种显示模式，分别为Hide、Dense、Squish、Dense、Pack和Full。Hide路径不显示，这种模式有助千限制显示，只显示那些感兴趣的路径，方便查看。Dense显示所有功能压缩成一行。当只需要显示一个注释的总体视图这种模式有助千减少空间。Squish每个注释特性的路径图单独显示，但只有Full模式50％的高度。这种模式有助于减少路径图空间使用的，适用于显示大量的个体特性和得到一个注释的整体视图，特别适合在染色体特定区域显示大量的路径图特性。Pack分别显示的跟踪显示每个注释功能和标记，但不一定是显示在一个单独的行。当需要查看大量的个体特性时，这种模式有助于减少空间使用，但需要提供的标签和显示尺寸完整模式。Full每个注释特性的跟踪显示在独立的行中，使用这个选项的路径不要设置太多。


医学生物学 Third Party So仕四re 关于UCSC基因组浏览器使用的详细说明可参见UCSC数据库基因组浏览器使用指南（图16-16, http:II genome. ucsc. edu/goldenPathlhelplhgTracksHelp. html)，以及基因组浏览器FAQ(Genome Brower卢氐nom仁S Genom-Browser TooIL v, r:3rC Download5My Dat-He.p Aboul lJS I Genotne, Browser"User.GuideI Contents|What does the Genome Browser do?Getting started:Genome Browser gateways Configuring the Genome Browser display Annotation track descriptions Using BLAT alignments Getting started on the Table Browser Getting started using Sessions Getting started on Genome Graphs Using the VlsiGene Image Browser DNA text formatting Converting data between assemblies Downloading genome data Creating and managing custom annotation tracks Getting started on Track Hubs玉亟］


医学生物学 Third Party So仕四re 生物信息学已成为生物医学、农学、遗传学、细胞生物学等学科发展的强大推动力量，也是药物设计、环境监测等研究领域的重要组成部分。生物信息学在基因的功能发现，疾病基因诊断、蛋白质结构预测、基于结构的药物设计、药物合成和制药工业中起着极其重要的作用，生物信息学的应用大大加快了医学领域对疾病的发生机制、诊断及预后生物标记物的筛选的研究进程。 1.针对转录组的表达谱数据，识别差异表达基因有哪些方法？2. RNA-seq测序数据的基本分析流程？ 3.有哪些重要的表观遗传修饰？测定它们的方法包括什么？4.简述功能富集分析的意义及常用统计学方法。5.如何将基因组信息进行可视化展示？


医学生物学 （张岩）推荐阅读 [1]高碧珍医学生物学2版．北京：人民卫生出版社，2016[2]杨恬．医学细胞生物学3版．北京：人民卫生出版社，2014.[3]胡火珍医学生物学8版北京：科学出版社，2015.[4]陈誉华医学细胞生物学．5版．北京：人民卫生出版社，2013[5]左彶医学遗传学6版．北京：人民卫生出版社，2013.[6]傅松滨医学遗传学3版北京：北京大学医学出版社，2013[7]杨保胜，李刚．医学遗传学北京：高等教育出版社，2014[8]杨焕明基因组学北京：科学出版社，2016[9]杜传书医学遗传学3版北京：人民卫生出版社，2014.[10]邹玲忏，张学医学遗传学北京：人民卫生出版社，2016[11]赵彦艳，孙开来人类发育与遗传学3版．北京：科学出版社，2016.[12]莱克斯基因组学概论2版薛中庆，胡松年，译．北京：科学出版社，2016.[13]陈润生生物信息学生物物理学报，1999,15:5-13.


医学生物学 （张岩）推荐阅读 [14]Hamosh A, Scott AF, Arnberger JS, et al. Online Mendelian Inheritance in Man(OMIM), a knowledgebase of human genes and genetic disorders. Nucleic Acids Res,2005,33(Database issue):514-517[15]Firth HV, Hurst JA, Hall J. Oxford Desk Reference:Clinical Genetics. New York:Oxford University Press,2005.[17]Griffiths AJF, Wessler SR, C釭roll SB, et al. Introduction to Genetic Analysis.10th ed. New York:W. H. Freeman and Company.2012.


医学生物学 （张岩）推荐阅读 [18]Brooker RJ. Genetics:Analysis&Principles.5th ed. New York:McGraw-Hill Education.2013[19]Ka1'P G. Cell and Molecular Biology:Concepts and Experiments.7th ed. Hoboken:John Wiley&Sons, Inc.,2013.[20]Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell.6th ed. New York:Garland Science, Taylor&Francis Group,2015.


医学细胞生物学 综述第一篇细胞生物学概论第一章绪论 自然界中分布有成千上万种生物，小至细菌，大到花草树木、鸟兽虫鱼直至人类，肉眼上很难找到它们结构上的相同之处，但在显微镜下，这些千姿百态的生物的基本结构是相同的，都是由细胞(cell)构成的。细胞是生物体结构和功能的基本单位。细胞的发现，至今已有300多年的历史。细胞生物学(cell biology)以细胞为研究对象，经历了从显微水平到亚显微和分子水平的发展过程，成为今天在分子层次上研究细胞精细结构和生命活动规律的学科。细胞生物学是当代生命科学中发展迅速和活跃的学科，其研究的新知识、新技术不断向医学领域渗透，已成为认识疾病发病机制、获取疾病防治措施的基础和支柱学科。 第一节细胞生物学概述—、细胞生物学的概念与研究内容 细胞最早于l665年由英国科学家R. Hooke发现，是组成入类和所有生物体的基本单位（非细胞形态的病毒除外）。单细胞生物，如细菌，本身就是一个生命个体；多细胞生物个体由一个前体细胞（如高等动物的受精卵）通过高度有序的分裂增殖、分化、生长和发育而成。因此可以说，细胞是生命的基本单位。


医学细胞生物学 第一节细胞生物学概述—、细胞生物学的概念与研究内容 细胞生物学的研究对象是细胞。自发现细胞以来，随着科学技术的进步特别是分子生物学技术方法的建立和渗透，对细胞的研究在不断地发生变化，从传统的细胞学逐渐发展成为现代的细胞生物学。细胞生物学是从细胞的显微、亚显微和分子三个水平对细胞的各种生命活动开展研究的学科。细胞的显微水平研究主要利用显微镜技术来完成；细胞的亚显微结构及其功能研究主要采用电子显微镜技术；分子生物学技术和生物物理学方法常用于细胞的分子水平研究。


医学细胞生物学 第一节细胞生物学概述—、细胞生物学的概念与研究内容 细胞生物学的特点是把结构和功能结合起来，并关注细胞间的相互关系，来了解生物体的生长、发育、分化、繁殖、运动、遗传、变异、衰老和死亡等基本生命现象的机制和规律。对细胞某些结构和功能的深入研究，逐渐衍生出一些分支学科，如细胞遗传学(cytogenet ics)、细胞生理学(cytop h ys i ol ogy)、细胞社会学(cytosociology)、膜生物学(membrane biology)、染色体生物学(chromosome biology)、干细胞生物学(s tem cell biology)等。近些年来，随着包括入类在内的一些生物基因组序列分析的完成，以研究完整细胞中所有基因与蛋白质的表达、结构和功能差异为主要内容的基因组学(genomi cs)及蛋白质组学(proteomics)，与基因组学和蛋白质组学互为结合的细胞组学(cytom i cs)，以及基千单细胞测序技术从多细胞哺乳动物和人类组织细胞中分离单个细胞进行研究和比较等新兴研究领域的形成，使细胞生物学的研究内容愈加丰富多彩、研究进展日新月异。


医学细胞生物学 第一节细胞生物学概述—、细胞生物学的概念与研究内容 二、细胞生物学在生命科学中的地位及与其他学科的关系细胞生物学是生命科学的重要分支学科。生命科学研究的核心内容是生命的物质基础，生命的起源和进化，生物的繁殖、生长、发育、衰老、死亡、遗传与变异等生命现象的规律和机制。生命的物质基础是核酸和蛋白质等生物大分子，这些生物大分子必须被有序地构建及装配成细胞内组分并进入细胞内一定的功能体系中才能表现出生命现象。即使是自然界中的非细胞形态的生命体一一病毒，也只能在细胞中才表现出生命特征。生命起源于一个原始细胞，生命的基本现象如生殖、生长、发育、衰老、死亡等过程都体现在生命的单位一细胞上。从生命结构层次上看，细胞生物学介于分子生物学和个体生物学之间，同它们相互衔接、相互渗透。目前，细胞生物学的两种重要研究方式是：一方面从细胞的表型特征入手，探索隐藏在其背后的分子机制；另一方面则从基因或蛋白质等生物大分子入手，了解其对细胞功能或行为的影响。故而细胞生物学也被称为细胞分子生物学或分子细胞生物学。细胞生物学和分子生物学同是现代生命科学的基础，它们广泛渗透到发育生物学、遗传学、神经生物学和免疫生物学等研究领域。


医学细胞生物学 第一节细胞生物学概述—、细胞生物学的概念与研究内容 细胞生物学既是生命科学的基础学科，也是现代生命科学中的前沿学科之一。许多科学家论断，21世纪是生命科学的世纪。在分子层次上研究细胞生命活动过程中各种生命现象的规律和机制的细胞生物学，无疑将在生命科学中发挥重要的作用。21世纪初期的细胞生物学研究成果，如干细胞与动物无性克隆研究进展、小RNA和人类基因组中非编码蛋白序列在细胞生命活动中作用的不断发现，已充分表明细胞生物学是生命科学中最为活跃的研究领域之一。 第二节细胞生物学的形成与发展趋势 细胞生物学的形成和发展经过了漫长的历程。细胞生物学是随着研究手段的逐步改进和理论上的不断创新而逐渐形成和发展起来的。


医学细胞生物学 一、细胞的发现与细胞学说的创立 细胞的发现与显微镜的发明是分不开的。第一台显微镜是荷兰眼镜匠H.和Z. Jan ssen兄弟于1590年试制的。1665年英国入Hooke应用自制的放大倍数不太高的显微镜，在观察植物软木组织时，发现了许多蜂窝状排列的小室称为“细胞”(cell，小室之意）。当时他所看到的细胞只是植物死细胞的细胞壁。1673年和1677年荷兰科学家A. Van Leeuwenhoek使用能放大300倍的显微镜，观察到了池塘中的原生动物纤毛虫、细菌、人和哺乳动物的精子，后来又观察到鲤鱼红细胞及其核(1695)。1827年K. E. V. Bear在蛙的卵中看到了细胞核。1831年R. Brown在植物的叶片细胞中也看到了细胞核。1835年，E. Dujardin在根足虫和多孔虫细胞内观察到胶液状物质，称为肉样质(sarcode)。1839年J. Purkinje将动物神经细胞中的胶状液描述为原生质(protopl asm)。至此，细胞的一些主要结构被发现了。


医学细胞生物学 一、细胞的发现与细胞学说的创立 德国植物学家M. J. Schleiden(1838)和动物学家T_Schwann(1839)根据自己的研究并总结前人的工作，提出了细胞学说(cell theory)，肯定”一切生物，从单细胞生物到高等动物和植物均由细胞组成，细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位”。后来，德国科学家R. Virchow(1855)明确提出“一切细胞只能来自原来的细胞＂的论点。他还指出，机体的一切病理现象都基于细胞的损伤。他的这些观点是对细胞学说的重要补充。细胞学说的建立，对生命科学的许多领域的研究和发展起到了积极的推动作用，恩格斯评价细胞学说为19世纪自然科学的三大发现之一（与物理学的能量转换定律和达尔文的进化论学说并列）。 二、细胞学的经典时期 从19世纪中叶到20世纪初期，细胞学得到了蓬勃发展。细胞研究的主要内容是应用固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态结构和细胞的分裂活动。在细胞形态结构上，认为动物细胞内的“肉样质”和植物细胞内的原生质(1864年由H. Von Mohl提出）具有同样意义，并提出原生质理论。从此，细胞被看作是由细胞膜包围的一大团原生质。原生质理论建立之后，又明确地把细胞核周围的原生质称为细胞质(cytoplasm)，把细胞核内的原生质叫做核质(karyoplasm)。1841年R. Remak观察到鸡胚血细胞的直接分裂。W. Flemmi ng经过钻研，改进了细胞的固定和染色技术，于1882年首先说明细胞的间接分裂过程，并把该细胞分裂命名为有丝分裂(mitosis)，把细胞的直接分裂称之为无丝分裂(ami tosis)。E. Straburger依据染色体在细胞分裂中的行为把有丝分裂过程分为四个期，即前期、中期、晚期和末期。他和Flemming分别通过植物材料和动物材料研究表明，细胞核从上一代细胞到后一代细胞一直保持着其物质上的连续性。K. Schneider(1878)发现，细胞在分裂中能把纵裂为二的染色体平均地分配到两个子细胞中，将此过程称为核分裂(karyokinesis)。19世纪80年代末，T. Boveri报道，动物体在形成配子过程中，染色体数目减少了一半。之后，Straburger在植物中也观察到了同一现象。1905年J. B. Farmer和J.E. More把生物体有性生殖过程中，生殖细胞通过分裂使染色体数目减少一半的分裂方式称为减数分裂(meiosis)。减数分裂为细胞分裂的主要类型之一。染色体数目在减数分裂中减少了一半，但通过受精过程在子一代又恢复了原有的数目，使核在两代个体间保持着连续性。