毒理基因组学和系统毒理学共46页
合集下载
毒理基因组学与系统毒理学
（RNA依赖性RNA聚合酶）
（RNaseⅢ样特异核酸酶）
（RNA诱导的沉默复合体） （RNA依赖性RNA聚合酶）
RNAi作用机制示意图
RNAi基本实验步骤： （哺乳动物细胞为受试细胞） 1.确定待干扰(沉默)的目的基因(实际上是mRMA)； 2.设计相应的siRNA序列； 3.制备siRNA； 4.将siRNA转染细胞； 实际上siRNA的转染是将siRNA和siRNA表达载体（框架） 导入哺乳动物细胞，常用方法有：脂质体转染试剂法、电穿 孔法、病毒介导法。 5.RNAi效果评价（即基因沉默效果检测） 评价方法： ①mRNA水平检测-Northern blot 和 real time-RT-PCR； ②蛋白质水平检测-Western blot、荧光免疫法、流式细 胞术等。
SAGE方法： 通过对cDNA制备“SAGE标签”，并将这些标签串联起 来，然后对其进行测序，可以显示各SAGE所代表的基因在 特定组织中是否表达，还可根据其标签出现的频率来代表 基因表达的丰度。 主要用途： ①全基因组基因表达分析； ②寻找差异基因； ③发现新基因（或突变基因）。
（三）DNA微阵列分析 （DNA microarray assay）或DNA芯片（DNA chip） 基本硬件： 载有成千上万寡聚核苷酸片段或DNA探针（基因特异的 寡核苷酸、cDNA或EST）基因微阵列或基因芯片。 实验方法： 将动物或细胞染毒，细胞与毒物接触后基因活化或抑 制（mRNA转录改变），提取对照组和染毒组细胞总mRNA， 再分别用发绿色荧光的Cy5和红色荧光的Cy3荧光素标记各 自的mRNA，加入到基因芯片，由于荧光强度与RNAs含量有 一定相关关系，故可通过测定两种荧光的相对强度变化来 确定实验组样品中DNA表达的差异。 显色评价： 荧光红色---处理组样品某个基因RNA量＞对照组； 荧光绿色---处理组样品某个基因RNA量＜对照组； 黄色荧光---处理组样品某个基因RNA量＝对照组。
毒理基因组学
第十章
毒理基因组学与
1 概述 2 毒理基因组学研究的技术平台 3 毒理基因组学研究内容及其应用 4 从毒理基因组学到系统毒理学
2
第一节 概 述
毒理基因组学（toxicogenomics） 研究生物体的整个基因组与环境有害因素间的 交互作用及其方式的一门新兴学科。 基因组： 一套染色体中的完整DNA序列。体细胞含两套染 色体，其中一套DNA序列就是一个基因组。包括 基因和非编码DNA。 环境有害因素： 化学、物理、生物 毒物基因组学
1999年11月10日，1%计划被列入中国国家项目， 由北京华大基因研究中心负责，国家基因组南方 中心、北方中心共同参与，承担1％测序工作。
3号染色体短臂上一个约30Mb区域
8
6国人类基因组中心研究比例
❖ 美国：WASH＆MIT等7家研究中心，54％ ❖ 英国：SANGER一家研究中心，33％ ❖ 日本：RIKEN等两家研究中心，7％ ❖ 法国：GENOSCOPE研究中心，2.8％ ❖ 德国：IMB等3家研究中心，2.2％ ❖ 中国：北京华大研究中心、国家南北方基
因研究中心等三家，1％。
9
二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成
10
个人基因图谱
Watson 在人 类历 史 上第一个拥有个人 基因图谱。
1953年,英国克里克 1962年诺贝尔奖 HGP 发 起 人 及 首 席 负 责人
11
炎黄一号 2007年，全球20亿黄种人的第一个个人基因序列 图，首个完整的中国人基因组图谱。
生命密码： 个性、欲望、
疾病、精神状况。 遗传缺陷将影响 就业、交友、婚 姻等诸多方面。
12
I like your genes
Genetic and educational assortative mating among US adults. Proc Natl Acad Sci USA. 2014 May 19
毒理基因组学与
1 概述 2 毒理基因组学研究的技术平台 3 毒理基因组学研究内容及其应用 4 从毒理基因组学到系统毒理学
2
第一节 概 述
毒理基因组学（toxicogenomics） 研究生物体的整个基因组与环境有害因素间的 交互作用及其方式的一门新兴学科。 基因组： 一套染色体中的完整DNA序列。体细胞含两套染 色体，其中一套DNA序列就是一个基因组。包括 基因和非编码DNA。 环境有害因素： 化学、物理、生物 毒物基因组学
1999年11月10日，1%计划被列入中国国家项目， 由北京华大基因研究中心负责，国家基因组南方 中心、北方中心共同参与，承担1％测序工作。
3号染色体短臂上一个约30Mb区域
8
6国人类基因组中心研究比例
❖ 美国：WASH＆MIT等7家研究中心，54％ ❖ 英国：SANGER一家研究中心，33％ ❖ 日本：RIKEN等两家研究中心，7％ ❖ 法国：GENOSCOPE研究中心，2.8％ ❖ 德国：IMB等3家研究中心，2.2％ ❖ 中国：北京华大研究中心、国家南北方基
因研究中心等三家，1％。
9
二000年六月二十六日克林顿宣布 人类基因组草图绘制完成
10
个人基因图谱
Watson 在人 类历 史 上第一个拥有个人 基因图谱。
1953年,英国克里克 1962年诺贝尔奖 HGP 发 起 人 及 首 席 负 责人
11
炎黄一号 2007年，全球20亿黄种人的第一个个人基因序列 图，首个完整的中国人基因组图谱。
生命密码： 个性、欲望、
疾病、精神状况。 遗传缺陷将影响 就业、交友、婚 姻等诸多方面。
12
I like your genes
Genetic and educational assortative mating among US adults. Proc Natl Acad Sci USA. 2014 May 19
2023年毒理学之毒理基因组学解读
▪ 单链环状DNA病毒
5386nt 2500氨基酸 噬菌体phiX174 1977，Sanger
▪部分开环双链DNA病毒
HBsAg
HBcAg
聚合酶
乙型肝炎病毒（HBV）
HBsAg
HBcAg
聚合酶
乙型肝炎病毒基因组 --部分开环双链DNA
▪ 单链RNA病毒
血凝素（HA）
8节段-ssRNA
.
神经氨酸酶（N)
2002年4月，水稻基因组 图谱公布。
2002年 小鼠、疟原虫和按蚊基因组测序完成
• 鼠基因组共有约27亿个碱 基对，比人类少15％，但其 包含的基因数目约在3万个 左右，与对人类基因数的最 新估计非常接近。
疟原虫破坏 两个红细胞
疟原虫的 裂殖孢子
* 人被蚊子咬之后5-10分钟，疟原虫孢子到达肝 脏，入侵肝细胞内就可逃逸人体免疫系统的攻击。 * 孢子侵吞肝细胞的营养，大量地分裂繁殖，一 周后，肝细胞胀破，数以百万计的新孢子释放进 入血液。 * 新的孢子立刻重新入侵红细胞，再次逃过免疫 系统的攻击。且以血红蛋白为食，继续繁殖； * 两天后又可再次破坏红细胞，产生更多的孢子 入侵其它红细胞……不久，2/3的红细胞都会被 疟原虫侵袭。 * 疟原虫在血液里这种周期性的繁殖过程，而导 致病人三天两头地发高烧、打寒战。
2003年11月，世界上首个复杂生物体的蛋白图 谱——果蝇蛋白图谱公布，实现了由仅显示遗传 密码信息的基因图谱到揭示遗传密码功能的蛋白 图谱的飞跃。
果蝇（Drosophila melanogaster）蛋白图谱 发表在《科学》杂志的网络版上；
研究发布的这个含有7,000多个果蝇蛋白的图谱 含盖了这些蛋白之间超过20,000种不同的互相作 用。
毒理基因组学与系统毒理学
一些低拷贝数mRNA不能有效呈现等
编辑版ppt
15
（二）基因表达序列分析技术
(serialanalysisofgeneexpression ,SAGE
• 来自cDNA3’特定位置的一段9-11bp长的序列能 够区别基因组中95%的基因。这段基因特异的序 列被称为标签（SAGE tag)
• 目的：获得基因在特定组织中的表达及基因表达 丰度
• 进行鉴定双向凝胶电泳和质谱技术是目前 蛋白质组学研究的核心技术
编辑版ppt
20
三、代谢组学技术平台
• （一）磁共振 • （二）色谱-质谱联用技术
编辑版ppt
21
四、生物信息学 (bioinformatics)
National Center for toxicogenomics， NCT 的主要任务
• 促进基因和蛋白表达技术在毒理学中的 应用；
• 促进人类环境暴露和疾病易感性关系的 研究；
• 确定暴露和毒效应的生物标志； • 推进暴露与生物学反应关系的计算和处
理方法； • 建立毒理基因组学的公用数据库。
编辑版ppt
12
第二节 毒理基因组学研究的技术平台
• 高通量筛选系统 计算机数据处理
获取大规模生物学数据， 对大量信息进行
包括基因组、转录组、 及时而合理的处理
蛋白质组和代谢组
基因表达数据
表达数据
经典毒理学试验资料
编辑版ppt
13
一、基因组学与转录组学技术平台
（一）差异显示反转录PCR技术（DDRT-PCR）
• 缺点
成本较高 需要特殊的信号检测分析系统，玻片 上的微阵列不能重复使用
编辑版ppt
18
（四）RNA干涉（RNA interference, RNAi)技术
编辑版ppt
15
（二）基因表达序列分析技术
(serialanalysisofgeneexpression ,SAGE
• 来自cDNA3’特定位置的一段9-11bp长的序列能 够区别基因组中95%的基因。这段基因特异的序 列被称为标签（SAGE tag)
• 目的：获得基因在特定组织中的表达及基因表达 丰度
• 进行鉴定双向凝胶电泳和质谱技术是目前 蛋白质组学研究的核心技术
编辑版ppt
20
三、代谢组学技术平台
• （一）磁共振 • （二）色谱-质谱联用技术
编辑版ppt
21
四、生物信息学 (bioinformatics)
National Center for toxicogenomics， NCT 的主要任务
• 促进基因和蛋白表达技术在毒理学中的 应用；
• 促进人类环境暴露和疾病易感性关系的 研究；
• 确定暴露和毒效应的生物标志； • 推进暴露与生物学反应关系的计算和处
理方法； • 建立毒理基因组学的公用数据库。
编辑版ppt
12
第二节 毒理基因组学研究的技术平台
• 高通量筛选系统 计算机数据处理
获取大规模生物学数据， 对大量信息进行
包括基因组、转录组、 及时而合理的处理
蛋白质组和代谢组
基因表达数据
表达数据
经典毒理学试验资料
编辑版ppt
13
一、基因组学与转录组学技术平台
（一）差异显示反转录PCR技术（DDRT-PCR）
• 缺点
成本较高 需要特殊的信号检测分析系统，玻片 上的微阵列不能重复使用
编辑版ppt
18
（四）RNA干涉（RNA interference, RNAi)技术
毒理基因组学
毒理基因组学随着现代科技的发展和深入，人们对基因学的研究也在不断深入和扩大。
其中，毒理基因组学是人们研究基因和人体毒理学相结合的一门新的科学。
在本文中，将会从以下几个方面来探讨什么是毒理基因组学，以及它的意义。
一、什么是毒理基因组学毒理基因组学是通过使用先进的分子技术工具，对基因组数据的分析，以了解基因对毒性的贡献及其机制的科学。
研究人员利用高通量技术系统，如芯片等，探究生物体的基因表达和基因多态性，分析基因活动以及它们如何影响生物体的毒性反应。
这种研究方法可用于测试药物和环境毒理性，以及检测潜在的毒性物质。
二、毒理基因组学的作用和意义1.提高药物的安全性毒理基因组学能在早期阶段评估药物的毒理性，帮助寻找并预测与药物相关的不良反应。
这种方法可以从基因级别上识别新的不良反应。
2.发现环境污染毒理基因组学还可以检测与环境有关的污染物，这对于水、土壤和空气的性质改变等问题具有重要意义。
这种方法可以揭示对人类健康和生态健康产生潜在影响的环境因素。
3.开发与毒理学相关的治疗方法毒理基因组学可以帮助研究人员了解生物体对毒性物质的反应机制，从而发展出新的治疗和预防方法，以应对毒性物质对人体和环境的影响。
4.促进精准医疗毒理基因组学可以根据个体的基因信息获取药物及其剂量的有效性和安全性。
这种方法可以为精准医疗做出贡献。
三、毒理基因组学在实践中的应用毒理基因组学已广泛应用于药物安全性、环境介质污染、基因治疗、食品安全和化学品安全等领域。
其中，药物安全性和环境污染领域是毒理基因组学应用最广泛的应用领域。
通过应用毒理基因组学，研究人员可以了解药物和化学物质对个体产生的影响、寻找新的药物和治疗策略以及制定新的化学品和环境污染监测标准。
综上所述，毒理基因组学是一门新生的科学，它在发现人体机制、识别潜在危险物质和保护生态健康方面发挥着越来越重要的作用。
随着技术的不断发展，毒理基因组学将对人类和环境健康保护做出更大的贡献。
10第10章 基因组学与系统毒理学
第10章 毒理基因组学与系统毒理学
1
2
概述
毒理基因组学研究技术
3
4
毒理基因组学研究内容及其应用
从基因组学到系统毒理学（自修）
1 概述
毒理基因组学（toxicogenomics）:是研究基因组如何对化 学毒物发生反应的学科。 毒理基因组学最初是将基因组学的理论和技术应用于毒理学， 研究组织细胞特定基因的功能并预测受试物的毒性。目前研 究不仅包括基因组水平的效应，还包括基因的DNA表达（转 录组学）、蛋白质产物表达（蛋白质组学）、代谢谱改变 （代谢组学）、遗传多态性以及生物信息学等相关领域。 毒理基因组学的基本任务：是利用人类基因组的资料，帮助 筛选和鉴别潜在的环境毒物，并在基因组水平上阐明毒作用 发生的机制。 毒理基因组学的研究目标：近期是确定某种有害因素的反应 基因（信号基因）用于毒理学和相关疾病的研究，远期是建 立全基因组与蛋白质组毒性反应知识库，并在此基础上开辟 以芯片技术和生物信息技术为特征的数字（digitized toxicology）毒理学。
2.1.4 RNA干涉技术
RNAi(RNA interference)是一种能快速有效地沉寂靶基因的 表达，进而从反向角度来阐明基因的功能。 原理：是外源性双链RNA导入细胞后，可产生21-23nt（核苷 酸，nucleotide）长度的小分子干涉RNA（small interference RNA, siRNA），引起与其序列同源的特异基 因mRNA降解的现象-转录后的基因沉默（posttranscriptional gene silencing,PTGS） 实验步骤：选取目的基因；设计相应的siRNA序列；制备 siRNA； siRNA转染哺乳动物细胞；RNAi效果分析。其中关 键是设计相应的siRNA序列。
1
2
概述
毒理基因组学研究技术
3
4
毒理基因组学研究内容及其应用
从基因组学到系统毒理学（自修）
1 概述
毒理基因组学（toxicogenomics）:是研究基因组如何对化 学毒物发生反应的学科。 毒理基因组学最初是将基因组学的理论和技术应用于毒理学， 研究组织细胞特定基因的功能并预测受试物的毒性。目前研 究不仅包括基因组水平的效应，还包括基因的DNA表达（转 录组学）、蛋白质产物表达（蛋白质组学）、代谢谱改变 （代谢组学）、遗传多态性以及生物信息学等相关领域。 毒理基因组学的基本任务：是利用人类基因组的资料，帮助 筛选和鉴别潜在的环境毒物，并在基因组水平上阐明毒作用 发生的机制。 毒理基因组学的研究目标：近期是确定某种有害因素的反应 基因（信号基因）用于毒理学和相关疾病的研究，远期是建 立全基因组与蛋白质组毒性反应知识库，并在此基础上开辟 以芯片技术和生物信息技术为特征的数字（digitized toxicology）毒理学。
2.1.4 RNA干涉技术
RNAi(RNA interference)是一种能快速有效地沉寂靶基因的 表达，进而从反向角度来阐明基因的功能。 原理：是外源性双链RNA导入细胞后，可产生21-23nt（核苷 酸，nucleotide）长度的小分子干涉RNA（small interference RNA, siRNA），引起与其序列同源的特异基 因mRNA降解的现象-转录后的基因沉默（posttranscriptional gene silencing,PTGS） 实验步骤：选取目的基因；设计相应的siRNA序列；制备 siRNA； siRNA转染哺乳动物细胞；RNAi效果分析。其中关 键是设计相应的siRNA序列。
毒理基因组学与系统毒理学
2019/9/26
28
应用SAGE技术的一个前提条件是GenBank 中必须有足够的某一物种的DNA序列信息， 尤其是表达序列标签的序列资料。
2019/9/26
29
（三）微阵列分析
微阵列技术（microarry technology）
一种研究有多少基因能相互作用以及一个细胞网如何 同时控制大量基因的新方法。利用机械手精确地将大量 DNA分别点到载玻片上。研究者然后从他们研究的细胞中 提取的DNA标上荧光标记。标记探针能与载玻片上的DNA 互补连接。将载玻片放入扫描仪下，测量每个荧光点的亮度， 亮度反映了特定DNA片段存在的量。
2019/9/26
20
基本过程：
1. 从一对处于不同发育阶段（或不同基因型） 的细胞群体中分离总mRNA，并用3’-端锚定引物作
反转录合成第一链cDNA; 2.用5’-端随机引物和3’-端锚定引物组成的引物
对，在加入放射性同位素标记的dNTP的条件下， 以第一步反转录产物作模板进行PCR扩增。 3.将扩增样品在变性的DNA测序胶中进行电泳分离；
毒理基因组学与系统毒理学
公共卫生学院预防医学系
2019/9/26
1
一、概述
(一)基本概念
基因（gene）, 具有遗传效应的DNA片断。 基因组（genome），又称染色体组,指配子中所 包含的染色体或基因的总和
一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传 信息的总和 基因组学（genomics）： 1986年提出，已经发 展成为遗传学中最重要的分支学科。 • 对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功 能分析
20世纪90年代后期得到不断发展，研究组织细胞特定基 因的功能并预测受试物毒性。
目前毒理基因组学： 研究不仅包括基因组水平的效应，
毒理基因组学与系统毒理学
5
HGP
目的:解码生命、了解生命的起源、了解生 命体生长发育的规律、认识种属之间和个 体之间存在差异的起因、认识疾病产生的 机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病 的诊治提供科学依据 内容：建立物理图谱 建立遗传图谱 DNA序列测定 基因的确定和分析
6
后基因组时代（post-genome era）
缺点
成本较高 需要特殊的信号检测分析系统，玻 片上的微阵列不能重复使用
18
（四）RNA干涉（RNA interference, RNAi)技术
RNA干涉是近年来发展的一种基因功能研究的方法， 进而从反向角度来阐明基因的功能。 RNAi是指将外源性双链RNA导入细胞后，可产生2123nt长度的小分子干涉RNA，引起与其同源的特异基因 mRNA降解的现象，属于转录后的基因沉默。 单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms, SNPs)指染色体基因组水平上单个核苷酸变异引起的DNA 序列多态性，在人群中发生频率大于1%。
11
National Center for toxicogenomics， NCT 的主要任务
促进基因和蛋白表达技术在毒理学中的 应用； 促进人类环境暴露和疾病易感性关系的 研究； 确定暴露和毒效应的生物标志； 推进暴露与生物学反应关系的计算和处 理方法； 建立毒理基因组学的公用数据库。
人类后基因组计划------对基因组生物学功能的研 究和应用 序列（结构）基因组学------功能基因组学
功能基因组学 生物信息学 比较基因组学 结构基因组学 蛋白组学 生物信息学 DNA芯片 基因敲除 药物基因组学 环境基因组学 毒理基因组学
毒理学 系统毒理学1
对目的片段进行测序
26
(二) 基因表达序列分析
来自cDNA 3’ 端特定位置的 一段9-1lbp序列能区分基因组 中95％基因 ，称为标签(SAGE tag)。通过对cDNA制备SAGE 标签并将这些标签串联起来， 然后对其进行测定，不仅可以 显示各SAGE所代表的基因在 特定组织中是否表达，而且还 可以根据各SAGE标签所出现 的频率作为其所代表的基因表 达丰度的指标。
27
(三) 微阵列分析
基因芯片上含有成千上万个寡聚核苷酸片段或 cDNA探针。这些探针按一定顺序以矩阵方式排列 在塑料或玻璃板上。
靶器官或细胞与毒物接触后，将mRNA用同位 素或荧光色素标记后，加入基因芯片。在一个单 个的阵列中加入两种标记样品进行杂交。杂交完 成后，可用图象解析显微镜或激光扫描显微镜进 行探测和分析。根据发生的结合反应的情况，便 可以判断是哪些基因发生了改变。
负责第3号染色体3千万核苷酸的 序列测定工作。
10
1994年，中国
吴旻（mín） , 强伯勤, 陈竺，倡导 启动基因研究
最初的经费来源 国家自然科学基金委员会 “863”高科技计划 启动的研究项目 中华民族基因组中若干位点基因结 构的研究------国家自然科学基金重大 项目（强伯勤, 陈竺） 重大疾病相关基因的定位、克隆、 结构与功能研究------ “863”计划
21
毒物基因组学基本任务
❖利用人类基因组的资料，帮 助筛选和鉴别潜在的环境毒物， 并在基因组水平上阐明毒作用 发生的机制。
22
毒物基因组学研究目标
近期目标 确定有害 因素的反应 基因用于毒 理学和相关 疾病的研究
研究目标
远期目标 建立全基因组/蛋白质 组毒性反应数据库。在 此基础上开辟以芯片技 术和生物信息技术为特 征的数字（digitized toxicology）毒理学。
26
(二) 基因表达序列分析
来自cDNA 3’ 端特定位置的 一段9-1lbp序列能区分基因组 中95％基因 ，称为标签(SAGE tag)。通过对cDNA制备SAGE 标签并将这些标签串联起来， 然后对其进行测定，不仅可以 显示各SAGE所代表的基因在 特定组织中是否表达，而且还 可以根据各SAGE标签所出现 的频率作为其所代表的基因表 达丰度的指标。
27
(三) 微阵列分析
基因芯片上含有成千上万个寡聚核苷酸片段或 cDNA探针。这些探针按一定顺序以矩阵方式排列 在塑料或玻璃板上。
靶器官或细胞与毒物接触后，将mRNA用同位 素或荧光色素标记后，加入基因芯片。在一个单 个的阵列中加入两种标记样品进行杂交。杂交完 成后，可用图象解析显微镜或激光扫描显微镜进 行探测和分析。根据发生的结合反应的情况，便 可以判断是哪些基因发生了改变。
负责第3号染色体3千万核苷酸的 序列测定工作。
10
1994年，中国
吴旻（mín） , 强伯勤, 陈竺，倡导 启动基因研究
最初的经费来源 国家自然科学基金委员会 “863”高科技计划 启动的研究项目 中华民族基因组中若干位点基因结 构的研究------国家自然科学基金重大 项目（强伯勤, 陈竺） 重大疾病相关基因的定位、克隆、 结构与功能研究------ “863”计划
21
毒物基因组学基本任务
❖利用人类基因组的资料，帮 助筛选和鉴别潜在的环境毒物， 并在基因组水平上阐明毒作用 发生的机制。
22
毒物基因组学研究目标
近期目标 确定有害 因素的反应 基因用于毒 理学和相关 疾病的研究
研究目标
远期目标 建立全基因组/蛋白质 组毒性反应数据库。在 此基础上开辟以芯片技 术和生物信息技术为特 征的数字（digitized toxicology）毒理学。
现代毒理学概论
物质本身不是并非毒物，主要是剂量才 使一个物质变成毒物。
第3页/共46页
外源化学物(xenobiotics)
也称为外来化合物或外来生物活性物质, 指存 在于外界环境中,可能与机体接触并进入机体，
在体内呈现一定的生物学作用的化学物质。
毒物 (toxicant, poison, toxic agent)
二、产业革命前 由于社会上中毒、毒杀、误服－-法医毒理 化学药物的合成－-药物毒理
毒理学试验研究始于16世纪，由Paracelsus 奠定基础.
第28页/共46页
三、工业革命后(19世纪)
职业中毒－工业毒理学，现代毒理学开始 形成
毒理学作为一门独立学科，首先由Orfila 奠定基础，发表了第一本专著(1815年)
第16页/共46页
贯穿预防为主的思想，是预防医学的一门学科
对象
目的
治疗医学
有明显症状和体 征的病人(个体)
治愈病人
预防医学
无明显症状和体 征的人群(群体)
预防疾病
失去功能
恢复功能
康复医学 患慢性病(个体) 缓减病痛
和残疾者
பைடு நூலகம்延长寿命
第17页/共46页
毒理学的研究内容
毒理学的两 个基本功能
检测理化因素产生的有害作用 的性质(危害性鉴定功能) 评价在特殊暴露条件下出现毒 性的可能性(危险度评价功能)
实验动物和人对外源化学物的反应敏感性不同，有时甚 至存在着质的差别。
有些化学物在高剂量和低剂量的毒性作用规律并不一定一致
毒理学实验所用动物数量有限，那些发生率很低的毒性 反应，在少量动物中难以发现。
实验动物都是实验室培育的品系，一般选用成年健康动 物，反应较单一，而接触人群可以是不同的人种、种族， 而且包括年老体弱及患病的个体，在对外源化学物毒性反 应的易感性上存在很大差异。
第3页/共46页
外源化学物(xenobiotics)
也称为外来化合物或外来生物活性物质, 指存 在于外界环境中,可能与机体接触并进入机体，
在体内呈现一定的生物学作用的化学物质。
毒物 (toxicant, poison, toxic agent)
二、产业革命前 由于社会上中毒、毒杀、误服－-法医毒理 化学药物的合成－-药物毒理
毒理学试验研究始于16世纪，由Paracelsus 奠定基础.
第28页/共46页
三、工业革命后(19世纪)
职业中毒－工业毒理学，现代毒理学开始 形成
毒理学作为一门独立学科，首先由Orfila 奠定基础，发表了第一本专著(1815年)
第16页/共46页
贯穿预防为主的思想，是预防医学的一门学科
对象
目的
治疗医学
有明显症状和体 征的病人(个体)
治愈病人
预防医学
无明显症状和体 征的人群(群体)
预防疾病
失去功能
恢复功能
康复医学 患慢性病(个体) 缓减病痛
和残疾者
பைடு நூலகம்延长寿命
第17页/共46页
毒理学的研究内容
毒理学的两 个基本功能
检测理化因素产生的有害作用 的性质(危害性鉴定功能) 评价在特殊暴露条件下出现毒 性的可能性(危险度评价功能)
实验动物和人对外源化学物的反应敏感性不同，有时甚 至存在着质的差别。
有些化学物在高剂量和低剂量的毒性作用规律并不一定一致
毒理学实验所用动物数量有限，那些发生率很低的毒性 反应，在少量动物中难以发现。
实验动物都是实验室培育的品系，一般选用成年健康动 物，反应较单一，而接触人群可以是不同的人种、种族， 而且包括年老体弱及患病的个体，在对外源化学物毒性反 应的易感性上存在很大差异。
毒理基因组学ppt课件
第十章
毒理基因组学与 系统毒理学
1
Contents
1 概述 2 毒理基因组学研究的技术平台 3 毒理基因组学研究内容及其应用 4 从毒理基因组学到系统毒理学
2
第一节 概 述
毒理基因组学（toxicogenomics） 研究生物体的整个基因组与环境有害因素间的 交互作用及其方式的一门新兴学科。
基因组： 一套染色体中的完整DNA序列。体细胞含两套染 色体，其中一套DNA序列就是一个基因组。包括 基因和非编码DNA。
20世纪末，大规模基因组测序技术，生物信息学
2000年，西班牙科学家，20多种细菌和古细菌 都带有结构组成相当类似的CRISPR序列
？CRISPR序列应该是有生物学功能的
2005年，搜集了60多种细菌4500段CRISPR序列， 88段在不同物种重复出现，其中47个序列和噬 菌体基因组序列高度一致！
用基因图谱看病 基因检测预防隐患
基因药物治病 基因治疗疾病
2、操纵生命 优生优育 延长寿命 选择最佳生活环境
3、进行精确的个体鉴定
基因身份证
生物考古
4、巨大商机
生物制药
器官培植
15
基因治疗疾病
单基因遗传病： 霍金 渐冻人 林肯 马凡综合征 维多利亚 血友病 梵高 遗传代谢病
基因编辑
4
HGP与曼哈顿原子弹计划、阿波罗计划并称为三 大科学计划。
阿波罗登月计划 人类基因组计划 曼哈顿原子计划
5
HGP目的
解码生命，了解生命 的起源、生命体生长 发育的规律，认识种 属之间和个体之间存 在差异的起因，认识 疾病产生的机制，以 及长寿与衰老等生命 现象，为疾病的诊治 提供科学依据。
6
HGP任务
毒理基因组学与 系统毒理学
1
Contents
1 概述 2 毒理基因组学研究的技术平台 3 毒理基因组学研究内容及其应用 4 从毒理基因组学到系统毒理学
2
第一节 概 述
毒理基因组学（toxicogenomics） 研究生物体的整个基因组与环境有害因素间的 交互作用及其方式的一门新兴学科。
基因组： 一套染色体中的完整DNA序列。体细胞含两套染 色体，其中一套DNA序列就是一个基因组。包括 基因和非编码DNA。
20世纪末，大规模基因组测序技术，生物信息学
2000年，西班牙科学家，20多种细菌和古细菌 都带有结构组成相当类似的CRISPR序列
？CRISPR序列应该是有生物学功能的
2005年，搜集了60多种细菌4500段CRISPR序列， 88段在不同物种重复出现，其中47个序列和噬 菌体基因组序列高度一致！
用基因图谱看病 基因检测预防隐患
基因药物治病 基因治疗疾病
2、操纵生命 优生优育 延长寿命 选择最佳生活环境
3、进行精确的个体鉴定
基因身份证
生物考古
4、巨大商机
生物制药
器官培植
15
基因治疗疾病
单基因遗传病： 霍金 渐冻人 林肯 马凡综合征 维多利亚 血友病 梵高 遗传代谢病
基因编辑
4
HGP与曼哈顿原子弹计划、阿波罗计划并称为三 大科学计划。
阿波罗登月计划 人类基因组计划 曼哈顿原子计划
5
HGP目的
解码生命，了解生命 的起源、生命体生长 发育的规律，认识种 属之间和个体之间存 在差异的起因，认识 疾病产生的机制，以 及长寿与衰老等生命 现象，为疾病的诊治 提供科学依据。
6
HGP任务
《毒理学基础》第10章 毒理基因组学 ppt课件
三、结构基因组学
（一） 概念和目的 （二） 基因图谱 （三） 结构基因组学研究常用方法
（一）结构基因组学***
以全基因组测序为目标的基因结构研究弄清基 因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的 研究奠定基础。
➢ 基因定位 ➢ 基因组图谱绘制 ➢ 测定核苷酸序列
结构基因组学 （structural genomics）
Nucleoid类核 核糖体
质粒plasmid
鞭毛
大肠杆菌细胞结构
▪ 大肠杆菌染色体DNA
OriC
0
4000K
bp 大肠杆菌 1000K
3000K
2000K
TerC
由一条环状双链DNA分子组成， 通常只有一个DNA复制起点。
▪ 质粒DNA
四环素抵抗
质粒是存在于细菌染色体外的，具有自主复 制能力的环状双链DNA分子；大小为几kb。
基因组（genome），又称染色体组 一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传 信息的总和。 泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传 物质；在真核生物，基因组是指一套染色体 （单倍体）DNA。
1. 病毒基因组
DNA病毒 多数为双链(ds)、环状或线性 RNA病毒 多数为单链(ss)、线性
▪ 单链环状DNA病毒
* 新的孢子立刻重新入侵红细胞，再次逃过免疫 系统的攻击。且以血红蛋白为食，继续繁殖；
* 两天后又可再次破坏红细胞，产生更多的孢子 入侵其它红细胞……不久，2/3的红细胞都会被 疟原虫侵袭。
* 疟原虫在血液里这种周期性的繁殖过程，而导 致病人三天两头地发高烧、打寒战。
•人肝细胞内间日疟原虫 （Plasmodium vivax） •细胞前期成熟裂殖体疟原 虫是疟疾的病原体，分布区 几乎遍及全球。
第10章基因组学与系统毒理学ppt课件
基本原理：以1对细胞/组织的总DNA反转录而成的cDNA 为模板，利用PCR的高效扩增，通过5’端和3’端引物的合理 设计和组合，将细胞/组织中表达的约15000种基因片段直 接显示在DNA测序胶上，从而找出1对细胞/组织中有差异 的cDNA片段。
优点：周期短、功能多、灵敏度高、所需RNA量少和重复 性高。
实验步骤：选取目的基因；设计相应的siRNA序列；制备 siRNA； siRNA转染哺乳动物细胞；RNAi效果分析。其中 关键是设计相应的siRNA序列。
2.1.5 单核苷酸多态性检测
SNPs（single nucleotide polymorphisms）指染色体基因组水平上 单个核苷酸变异引起的DNA序列多态性。其 类型有单碱基的转换、颠换、插入、缺失等。
2.1.1 差异显示反转录PCR技术(DDRT-PCR) 2.1.2 基因表达序列分析 2.1.3 微阵列分析 2.1.4 RNA干涉（RNA interference,RNAi）
技术 2.1.5 单核苷酸多态性检测
2.1.1 差异显示反转录PCR技术
DDRT-PCR技术是以分子生物学上应用广泛的两种技术 PCR和聚丙烯酰胺凝胶电泳为基础。
2 毒理基因组学研究技术
毒理基因组学面临的基本问题一是如何获取大规模 的生物数据，二是如何对所得到的大量信息进行及 时而合理的处理。这有赖于下列毒理基因组学现代 研究技术。
2.1 基因组学与转录组学技术 2.2 蛋白质组学技术 2.3 代谢组学技术 2.4 生物信息学
2.1 基因组学与转录组学技术
对不同实验室的研究结果进行比对，获得能够重复 的、可进入公共数据库的可信资料（要求进入数据 库的资料必须标准化，应能准确存取和交换且易于 分析和比较）。
优点：周期短、功能多、灵敏度高、所需RNA量少和重复 性高。
实验步骤：选取目的基因；设计相应的siRNA序列；制备 siRNA； siRNA转染哺乳动物细胞；RNAi效果分析。其中 关键是设计相应的siRNA序列。
2.1.5 单核苷酸多态性检测
SNPs（single nucleotide polymorphisms）指染色体基因组水平上 单个核苷酸变异引起的DNA序列多态性。其 类型有单碱基的转换、颠换、插入、缺失等。
2.1.1 差异显示反转录PCR技术(DDRT-PCR) 2.1.2 基因表达序列分析 2.1.3 微阵列分析 2.1.4 RNA干涉（RNA interference,RNAi）
技术 2.1.5 单核苷酸多态性检测
2.1.1 差异显示反转录PCR技术
DDRT-PCR技术是以分子生物学上应用广泛的两种技术 PCR和聚丙烯酰胺凝胶电泳为基础。
2 毒理基因组学研究技术
毒理基因组学面临的基本问题一是如何获取大规模 的生物数据，二是如何对所得到的大量信息进行及 时而合理的处理。这有赖于下列毒理基因组学现代 研究技术。
2.1 基因组学与转录组学技术 2.2 蛋白质组学技术 2.3 代谢组学技术 2.4 生物信息学
2.1 基因组学与转录组学技术
对不同实验室的研究结果进行比对，获得能够重复 的、可进入公共数据库的可信资料（要求进入数据 库的资料必须标准化，应能准确存取和交换且易于 分析和比较）。
毒理基因组学
18
细菌讨厌噬菌体，却在基因 组里留下各种噬菌体的序列 信息
？对付噬菌体入侵的武器
19
2007年，杜邦公司旗下丹尼斯克食品配料公司科学
家发现：
1 ）在嗜热链球菌中人工添加一段 CRISPR 序列，可
帮助细菌抵挡对应病毒入侵！
2 ）每当有新噬菌体入侵，细菌就把它的基因组序
列整合到自己的 CRISPR 序列中，下次就可对抗同样 病毒入侵---自我进化。
34
选取 16 个固定的遗传基因位点进行检测，其组 合具有唯一性，能把持卡人与全世界 60 亿人区 分开来（双胞胎除外），正确率达 99.99% 以上。 基因信息获取：毛发、血液等，提取DNA，测序， 制作基因身份证。
意义： 1）DNA寻亲： 2）其他：意外事故、财产继承、输血、器官和 骨髓移植，根据“基因身份证”寻找 信息。
维多利亚 血友病
梵高 遗传代谢病 基因编辑
16
改造生命的“魔剪”：CRISPR 成 簇 规 律 间 隔 短 回 文 重 复 序 列 ： Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
浅蓝色线段：串联重复的DNA序列
深蓝色线段：千变万化的非重复序列
细菌免疫系统：一小段重复DNA片段
20
CRISPR抗病毒机制
？CRISPR序列定位入侵的病毒
研究证实：CRISPR序列转录成RNA分子，充当 向导，带着一个蛋白复合体，在细菌体内游荡。 当病毒入侵，且DNA序列和CRISPR完全一致， 蛋白就把病毒DNA一刀剪断。
超轻量级基因组GPS
21
关于CRISPR如何定位、定位后如何切割病毒基因 组，科学家大概知道，有一个庞大蛋白复合体 Cascade 应该起到剪刀作用，但复合体太大，结 构复杂。
细菌讨厌噬菌体，却在基因 组里留下各种噬菌体的序列 信息
？对付噬菌体入侵的武器
19
2007年，杜邦公司旗下丹尼斯克食品配料公司科学
家发现：
1 ）在嗜热链球菌中人工添加一段 CRISPR 序列，可
帮助细菌抵挡对应病毒入侵！
2 ）每当有新噬菌体入侵，细菌就把它的基因组序
列整合到自己的 CRISPR 序列中，下次就可对抗同样 病毒入侵---自我进化。
34
选取 16 个固定的遗传基因位点进行检测，其组 合具有唯一性，能把持卡人与全世界 60 亿人区 分开来（双胞胎除外），正确率达 99.99% 以上。 基因信息获取：毛发、血液等，提取DNA，测序， 制作基因身份证。
意义： 1）DNA寻亲： 2）其他：意外事故、财产继承、输血、器官和 骨髓移植，根据“基因身份证”寻找 信息。
维多利亚 血友病
梵高 遗传代谢病 基因编辑
16
改造生命的“魔剪”：CRISPR 成 簇 规 律 间 隔 短 回 文 重 复 序 列 ： Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
浅蓝色线段：串联重复的DNA序列
深蓝色线段：千变万化的非重复序列
细菌免疫系统：一小段重复DNA片段
20
CRISPR抗病毒机制
？CRISPR序列定位入侵的病毒
研究证实：CRISPR序列转录成RNA分子，充当 向导，带着一个蛋白复合体，在细菌体内游荡。 当病毒入侵，且DNA序列和CRISPR完全一致， 蛋白就把病毒DNA一刀剪断。
超轻量级基因组GPS
21
关于CRISPR如何定位、定位后如何切割病毒基因 组，科学家大概知道，有一个庞大蛋白复合体 Cascade 应该起到剪刀作用，但复合体太大，结 构复杂。
基因组学与系统毒理学PPT演示文稿
7
2.1.3 微阵列分析2
❖ 优点：灵敏度高，mRNA丰度低至10万分之 一仍能被检出。可采用几种不同颜色的荧光 染料标记探针，这样在同一张阵列膜上进行 一次杂交实验就可分析不同样品间基因表达 的差异，因此效率高。
❖ 缺点：成本较高，需要特殊的信号检测分析 系统（图象分析仪或激光扫描显微镜），玻 片上的微阵列不能重复使用。
2
2 毒理基因组学研究技术
❖ 毒理基因组学面临的基本问题一是如何获取大规模 的生物数据，二是如何对所得到的大量信息进行及 时而合理的处理。这有赖于下列毒理基因组学现代 研究技术。
❖ 2.1 基因组学与转录组学技术 ❖ 2.2 蛋白质组学技术 ❖ 2.3 代谢组学技术 ❖ 2.4 生物信息学
3
2.1 基因组学与转录组学技术
8
2.1.4 RNA干涉技术
❖ RNAi(RNA interference)是一种能快速有效地沉寂靶基因 的表达，进而从反向角度来阐明基因的功能。
❖ 原理：是外源性双链RNA导入细胞后，可产生21-23nt（核 苷酸，nucleotide）长度的小分子干涉RNA（small interference RNA, siRNA），引起与其序列同源的特异 基因mRNA降解的现象-转录后的基因沉默（posttranscriptional gene silencing,PTGS）
❖ 最普遍的检测方法：定位的序列标签位点和 表达序列标签进行测序。
10
2.2 蛋白质组学技术
❖ 双向凝胶电泳：是将细胞抽提物在电泳过程中，依据蛋白质 所带电荷及分子大小而被分离的技术。
❖ 生物质谱：是使样品分子离子化后，根据不同离子间质荷比 （M/Z）的差异来分离并确定相对分子量的技术。
❖ 多向蛋白鉴定技术：是将蛋白质酶解后得到多肽混合物，进 样到强阳离子交换色谱柱，直接洗脱后进样到反向LC色谱柱 上，然后进行梯度洗脱，用MS/MS对分离的馏份进行鉴定。
2.1.3 微阵列分析2
❖ 优点：灵敏度高，mRNA丰度低至10万分之 一仍能被检出。可采用几种不同颜色的荧光 染料标记探针，这样在同一张阵列膜上进行 一次杂交实验就可分析不同样品间基因表达 的差异，因此效率高。
❖ 缺点：成本较高，需要特殊的信号检测分析 系统（图象分析仪或激光扫描显微镜），玻 片上的微阵列不能重复使用。
2
2 毒理基因组学研究技术
❖ 毒理基因组学面临的基本问题一是如何获取大规模 的生物数据，二是如何对所得到的大量信息进行及 时而合理的处理。这有赖于下列毒理基因组学现代 研究技术。
❖ 2.1 基因组学与转录组学技术 ❖ 2.2 蛋白质组学技术 ❖ 2.3 代谢组学技术 ❖ 2.4 生物信息学
3
2.1 基因组学与转录组学技术
8
2.1.4 RNA干涉技术
❖ RNAi(RNA interference)是一种能快速有效地沉寂靶基因 的表达，进而从反向角度来阐明基因的功能。
❖ 原理：是外源性双链RNA导入细胞后，可产生21-23nt（核 苷酸，nucleotide）长度的小分子干涉RNA（small interference RNA, siRNA），引起与其序列同源的特异 基因mRNA降解的现象-转录后的基因沉默（posttranscriptional gene silencing,PTGS）
❖ 最普遍的检测方法：定位的序列标签位点和 表达序列标签进行测序。
10
2.2 蛋白质组学技术
❖ 双向凝胶电泳：是将细胞抽提物在电泳过程中，依据蛋白质 所带电荷及分子大小而被分离的技术。
❖ 生物质谱：是使样品分子离子化后，根据不同离子间质荷比 （M/Z）的差异来分离并确定相对分子量的技术。
❖ 多向蛋白鉴定技术：是将蛋白质酶解后得到多肽混合物，进 样到强阳离子交换色谱柱，直接洗脱后进样到反向LC色谱柱 上，然后进行梯度洗脱，用MS/MS对分离的馏份进行鉴定。
毒理基因组学与系统毒理学
2019/9/26
14
第二节 毒理基因组学研究的技术平台
毒理基因组学面临的基本挑战： 一是如何获取大规模的生物学数据（基因组、转录组、蛋 白质组和代谢组的表达数据）：高通量筛选系统提供了可 能。
二是如何对高通量筛选所得到的大量信息进行及时而合理 的处理。如：既有基因表达的数据，还有经典毒理学的试 验资料等
• 61%与果蝇同源 • 43%与线虫同源 • 46%与酵母同源
2019/9/26
6
Fishing in a More Effective Way!
CREDIT: JOE SUTLIFF Science, Vol 291: 1221.
二、毒理基因组学（toxicogenomics）
人类基因组计划（HGP）于2003年4月宣告结束及多种模型 生物DNA序列测定的完成，生命科学研究进入了一个全新的认 识领域。组学技术（-omics）引人注目，产生了基因组学、转 录组学、蛋白质组学、酶组学等，其他生物分子如脂类、糖类、 脂蛋白等，也将会成为组学研究的对象。
毒理基因组学与系统毒理学
公共卫生学院预防医学系
2019/9/26
1
一、概述
(一)基本概念
基因（gene）, 具有遗传效应的DNA片断。 基因组（genome），又称染色体组,指配子中所 包含的染色体或基因的总和
一个物种单倍体的染色体数目，物种全部遗传 信息的总和 基因组学（genomics）： 1986年提出，已经发 展成为遗传学中最重要的分支学科。 • 对物种的所有基因进行定位、作图、测序和功 能分析
近期目标：是确定某种有害因素的反应基因 （信号基因）用于毒理学和相关疾病的研究。
远期目标：建立全基因组与蛋白质组毒性反应 知识库，并在此基础上开辟以芯片技术和生物信息 技术为特征的数字毒理学（digitized toxicology）。