毒理基因组学与系统毒理学

2019/9/26
15
美国国家毒物基因组学中心（NCT）研究策略
↓
↓
cDNA→异常值→关系→Northern 微阵列 分析 § 分析 RT-PCR
证实
毒物基因组学分析 功能分析
↓
↓
化学物特异性暴露 蛋白质组
（时间/剂量）谱 组织表达
↓
↓
组织表达结合
原位细胞
蛋白质组分析 表达
└────┬────┘ 进入数据库
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，
也包括RNA的表达（转录组学）、蛋白产物表达（蛋白质组
学）、代谢组学、遗传多态性以及生物信息学等相关领域。
2019/9/26
9
§2 毒理基因组学基本任务、研究目标
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。
2019/9/26
2
基因组学研究的最终目标
获得生物体全部基因组序列 鉴定所有基因的功能 明确基因之间的相互作用关系 阐明基因组的进化规律
2019/9/26
3
基因组学的研究内容
结构基因组学(基因定位、基因组作图、测序) 功能基因组学又称后基因组学（postgenomics) 包括： 基因的识别、鉴定、克隆
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
2019/9/26
12
2019/9/26
13
毒理基因组学
1 为毒性或致癌性评价发展新的、可提供 更多信息的试验系统。
2 为对药物或其它外源化学物的易感性或 反应差异阐明遗传学基础。
3 发展生物学标志用于暴露定量。 4 阐明疾病或毒效应的机制和途径。 5 发展用于人群研究的工具和资源。
Olden K, 2002
2000，完成草图 2001年2月，公布人类基因组图谱修订版 2002，完成测序工作
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
2019/9/26
5
人类基因组草图基本信息:
人类基因组
人类蛋白质
• 由31.65亿bp组成 • 含3-3.5万基因 • 与蛋白质合成有关
的基因占2%
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
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）。
2019/9/26
10
毒理基因组学为从传统的遗传毒性检测方法 到基因集群检测方法的转变提供了可能，同时将 显著提高遗传损伤的检测水平和降低检测的阈值。 如微阵列技术的应用等，理论上该项技术有可能 检测一种特定的化学物对全部人类基因组的效应。 突破了传统毒理学实验中“一个化学物，一个基 因”的方法，提高了效率。
2019/9/26
11
美国环境卫生科学研究所（NIEHS）于2000年成立国家 毒物基因组学中心（NCT）。主要目标： • ①促进基因和蛋白质表达技术的应用； • ②阐明环境暴露与人类疾病易感性间的关系； • ③识别疾病相关的和毒物暴露的生物学标志； • ④改进定量方法以阐明暴露水平和暴露—反应间的生物学 因果关系； • ⑤建立毒物在生物系统中环境效应的公共数据库。
基因结构、功能及其相互关系 基因表达调控的研究 蛋白质组学:鉴定蛋白质的产生过程、结构、功能和相 互作用方式
2019/Leabharlann Baidu/26
4
（二）人类基因组计划（HGP）
1990，美国NIH和能源部投资＄30亿，启动了人类基因组计 划，预计15年时间完成人类基因组全部序列的测定
1996，完成标记密度为0.6cM的人类基因组遗传图谱，100kb 的物理图谱
环境基因组计划（Environmental Genome Project，EGP）： 加速了环境应激的基因多态性研究。
2019/9/26
8
1、毒理基因组学 (toxicogenomics)
研究生物体的整个基因组如何对环境有害因素发生反应 的一门新兴学科。研究基因组与化学毒物间的交互作用及其 方式的学科。
• 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。
2019/9/26
16
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 )
以PCR和聚丙烯酰胺凝胶电泳为基础。 PCR技术的原理：以DNA的一条链为模板，在有RNA引 物、4种脱氧核苷酸（dNTP）时，和DNA聚合酶的条件下， 在引物所结合的位置向3’方向合成新的互补链。其反应以双 链DNA的变性、退火、延伸为一个循环。经过多次循环 （25~30次），便目标DNA片段得以大量扩增。由于每一次循 环所产生的新链均可成为新的模板用于下一轮循环，故PCR 产物以指数方式增加。