【文章內(nèi)容簡介】 基因 組 功能注 釋 常用數(shù)據(jù) 庫目 錄 現(xiàn)在人們已經(jīng)越來越清楚地認(rèn)識(shí)到，生物功能大多不是只由一個(gè)或幾個(gè)基因控制的，而是通過生物體內(nèi)眾多的分子（如 DNA、 RNA、蛋白質(zhì)和其他小分子物質(zhì)）共同構(gòu)成的復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前生物學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一就是，了解生物體內(nèi)復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)以及它們的動(dòng)態(tài)特征。要想全面系統(tǒng)地解析這些復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)需要大量相關(guān)數(shù)據(jù)的積累，現(xiàn)代基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等大規(guī)模數(shù)據(jù)采集技術(shù)大大加快了這一進(jìn)程。目前人們已經(jīng)利用生物技術(shù)和信息技術(shù)建立了各種生物網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)站，可為研究者提供基因調(diào)控、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、代謝途徑、蛋白質(zhì)相互作用等方面的信息。二、利用生物網(wǎng)絡(luò)全面系統(tǒng)地了解基因的功能 目 錄 生物體任何細(xì)胞的遺傳信息、基因都是相同的，但同一個(gè)基因在不同組織、不同細(xì)胞中的表達(dá)卻不相同。一個(gè)基因的表達(dá)既影響其他的基因，又受其他基因的影響，基因之間相互促進(jìn)、相互抑制，構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。 基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究就是：利用生物芯片等高通量技術(shù)所產(chǎn)生的大量基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)，以及蛋白質(zhì) DNA間的相互作用等信息，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果，用生物信息學(xué)方法構(gòu)建基因調(diào)控模型，對某一物種或組織的基因表達(dá)關(guān)系進(jìn)行整體性研究，從而推斷基因之間的調(diào)控關(guān)系，揭示支配基因表達(dá)和功能的基本規(guī)律。 （一）利用生物網(wǎng)絡(luò)研究基因調(diào)控目 錄常用基因 轉(zhuǎn)錄調(diào) 控?cái)?shù)據(jù) 庫目 錄 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是生物系統(tǒng)的重要生命活動(dòng)過程，機(jī)體通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中分子之間的相互識(shí)別、聯(lián)絡(luò)和相互作用 , 實(shí)現(xiàn)整體功能上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。由于細(xì)胞內(nèi)各種信號通路之間存在著緊密的聯(lián)系和交叉調(diào)控 , 形成了非常復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)研究的目的是期望通過建立細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程的模型，找出參與此過程的各個(gè)蛋白質(zhì)間的相互作用關(guān)系，闡明其在基因調(diào)控、疾病發(fā)生中的作用。 生物信息學(xué)方法利用已知數(shù)據(jù)和生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行通路推斷 , 可以幫助闡釋信號分子作用機(jī)制 , 輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) , 節(jié)省大量的人力物力。有關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫資源較多 。 （二）利用生物網(wǎng)絡(luò)研究信號轉(zhuǎn)導(dǎo)目 錄常用信號通路數(shù)據(jù) 庫目 錄 代謝網(wǎng)絡(luò)處于生物體的功能執(zhí)行階段，其結(jié)構(gòu)組成方式反映了生物體的功能構(gòu)成。代謝網(wǎng)絡(luò)把細(xì)胞內(nèi)所有生化反應(yīng)表示為網(wǎng)絡(luò)形式，反映了代謝活動(dòng)中所有化合物及酶之間的相互作用。 通過基因組注釋信息可以識(shí)別出編碼催化生物體內(nèi)生化反應(yīng)的酶的基因 ,結(jié)合相關(guān)的酶反應(yīng)數(shù)據(jù)庫就可以預(yù)測物種特異的酶基因、酶以及酶催化反應(yīng)，由此產(chǎn)生了許多優(yōu)秀的代謝數(shù)據(jù)庫 ,可以方便地檢索某一生物代謝網(wǎng)絡(luò)中的代謝反應(yīng)。 （三）利用生物網(wǎng)絡(luò)研究代謝途徑目 錄常用代 謝 網(wǎng) 絡(luò) 數(shù)據(jù) 庫目 錄（四）利用生物網(wǎng)絡(luò)研究蛋白質(zhì)相互作用 從某種程度上可以說，細(xì)胞進(jìn)行的生命活動(dòng)，是蛋白質(zhì)在一定條件下相互作用的結(jié)果，若蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)被破壞或穩(wěn)定性丟失，會(huì)引起細(xì)胞的功能性障礙。闡明蛋白質(zhì)相互作用的完整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于從系統(tǒng)的角度加深對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)。 近年來各種預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用的計(jì)算方法被不斷提出，將這些方法與實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合，挖掘出了蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)中更多的相互作用節(jié)點(diǎn)，目前已有多個(gè)蛋白質(zhì)相互作用的數(shù)據(jù)庫應(yīng)運(yùn)而生，可用來研究蛋白質(zhì)相互作用的生物學(xué)過程 。目 錄常用蛋白 質(zhì) 互作網(wǎng) 絡(luò) 數(shù)據(jù) 庫目 錄三、復(fù)雜疾病的生物信息學(xué)研究策略 包括信息提取、分析和建模 癌癥、糖尿病、高血壓等復(fù)雜疾病對人類健康影響巨大，這類疾病的發(fā)病機(jī)制一般與多種遺傳或非遺傳因素，以及它們之間的相互作用有關(guān)，不能通過單基因、單通路、單層次的變化解釋。 以系統(tǒng)的觀點(diǎn)解釋復(fù)雜疾病中遺傳與環(huán)境的關(guān)系、描述復(fù)雜疾病中基因的特征、分析疾病基因型與表現(xiàn)型之間的關(guān)系，已成為生物信息學(xué)研究復(fù)雜疾病的基本觀點(diǎn)，針對復(fù)雜疾病的研究模式，也開始從傳統(tǒng)的 “序列→ 結(jié)構(gòu) → 功能 ”向 “相互作用 → 網(wǎng)絡(luò) → 功能 ”轉(zhuǎn)變。目 錄① 疾病的基因組合及相互作用信息的提取：即對復(fù)雜疾病相關(guān)靶基因的識(shí)別，以及利用 SNPs、基因、蛋白質(zhì)等不同類型的信息，構(gòu)建疾病驅(qū)使相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò)。② 生物信息分析及多層次信息的融合：即從不同層次對疾病的遺傳復(fù)雜性進(jìn)行分析，對不同遺傳網(wǎng)絡(luò)間的映射算法進(jìn)行研究，進(jìn)而將 SNPs、基因、蛋白質(zhì)等不同水平的信息進(jìn)行融合。③ 分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)建模：即綜合生理病理相關(guān)的基因、 SNPs、基因表達(dá)狀況，蛋白質(zhì)功能狀態(tài)以及臨床治療等信息，以系統(tǒng)的方法將不同的測量數(shù)據(jù)、各種因素的辨識(shí)、各個(gè)層次上的相互作用關(guān)系進(jìn)行整合，建立數(shù)學(xué)模型，深入了解疾病過程、揭示復(fù)雜疾病的發(fā)病機(jī)制。復(fù)雜疾病的基本研究策略 ——目 錄第三節(jié) 基因的生物學(xué)功能鑒定技術(shù)Methods for Identifying Biological Functions of Genes目 錄216。目前在已知的 ～ 3萬個(gè)人類基因中，大約 70%的基因我們還不清楚它們的功能，有 90%的基因我們不知道它們在體內(nèi)的確切生理作用，因此，利用各種技術(shù)手段研究基因組中功能未知基因的作用，將是 “后基因組時(shí)代 ”功能基因組學(xué)研究的主要內(nèi)容。216。生物信息學(xué)利用已知數(shù)據(jù)和生物學(xué)知識(shí)進(jìn)行合理推斷 , 可以節(jié)省大量的人力物力，但基因功能的鑒定最終仍需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。216。通常采用基因功能獲得和 /或基因功能缺失的策略，觀察基因在細(xì)胞或生物個(gè)體中的，細(xì)胞生物學(xué)行為或個(gè)體表型遺傳性狀的變化，來鑒定基因的功能。此外，基于正向遺傳學(xué)的隨機(jī)突變篩選技術(shù)也成為揭示基因功能的重要手段。由于基因的功能必須在完整的生物個(gè)體及其生命過程中才能得到完整的體現(xiàn)，因此從整體水平研究基因的功能是必然的選擇。目 錄　　基因功能獲得策略即通過將目的基因直接導(dǎo)入某一細(xì)胞或個(gè)體中，使其獲得新的或更高水平的表達(dá)，通過細(xì)胞或個(gè)體生物性狀的變化來研究基因的功能。常用的方法有轉(zhuǎn)基因和基因敲入技術(shù)等。一、采用功能獲得策略鑒定基因的功能目 錄 轉(zhuǎn)基因技術(shù)（ transgenic technology） 是指將外源基因?qū)胧芫鸦蚺咛ジ杉?xì)胞中，通過隨機(jī)重組使外源基因插入細(xì)胞染色體 DNA，再將受精卵或胚胎干細(xì)胞植入受體動(dòng)物的子宮，使得外源基因能夠隨細(xì)胞分裂遺傳給后代。（一）用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得基因功能目 錄 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（ transgenic animal） 是指應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育出的攜帶外源基因，并能穩(wěn)定遺傳的動(dòng)物。 其基本制作過程包括：轉(zhuǎn)基因表達(dá)載體的構(gòu)建，外源基因的導(dǎo)入，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的獲得和鑒定，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物品系的建立以及外源基因表達(dá)的鑒定。1. 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可在整體水平研究基因的功能目 錄轉(zhuǎn)基因動(dòng)物制作原理示意圖目 錄優(yōu)點(diǎn)：1. 利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型研究外源基因，能夠接近真實(shí)地再現(xiàn)基因表達(dá)所導(dǎo)致的結(jié)果，及其在整體水平的調(diào)控規(guī)律，把復(fù)雜的系統(tǒng)簡單化，具有系統(tǒng)性和獨(dú)立性，是目前層次最高的實(shí)驗(yàn)體系。2. 利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)建立的疾病動(dòng)物模型具有遺傳背景清楚、遺傳物質(zhì)改變簡單、更自然更接近疾病的真實(shí)癥狀等優(yōu)點(diǎn)。目 錄但轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型仍存在一些亟待解決的問題：1. 外源基因插入宿主基因組是隨機(jī)的，可能產(chǎn)生插入突變，破壞宿主基因組功能；2. 外源基因在宿主染色體上整合的拷貝數(shù)不等；3. 整合的外源基因遺傳丟失而導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因動(dòng)物癥狀的不穩(wěn)定遺傳等。 雖然轉(zhuǎn)基因技術(shù)本身仍存在一些問題，但其在醫(yī)學(xué)研究中的重要地位是毋庸置疑的，隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷完善，其在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)領(lǐng)域必將有更加廣泛的應(yīng)用。目 錄目前，科學(xué)家已經(jīng)采取了多種方法使轉(zhuǎn)基因技術(shù)更加完善： 為了更為精確地調(diào)控轉(zhuǎn)基因的表達(dá)，使其獲得時(shí)空特異性的調(diào)控，在構(gòu)建轉(zhuǎn)基因表達(dá)載體時(shí)， 選擇只在特定的細(xì)胞類型或特定的生命時(shí)期才啟動(dòng)基因表達(dá)的啟動(dòng)子 ，即可使外源基因獲得時(shí)空特異性的表達(dá)。可調(diào)控的基因表達(dá)系