【文章內(nèi)容簡介】 該蛋白質(zhì)家族的已知功能預(yù)測未知蛋白質(zhì)的功能。 常用的模體數(shù)據(jù)庫有 INTERPROSCAN、 PROSITE、 SMART等。 目 錄 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)識到 ， 生物功能大多不是只由一個或幾個基因控制的 ， 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 ，但同一個基因在不同組織 、 不同細(xì)胞中的表達(dá)卻不相同 。 一個基因的表達(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)控數(shù)據(jù)庫 目 錄 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是生物系統(tǒng)的重要生命活動過程 ， 機(jī)體通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中分子之間的相互識別 、 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 , 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 ， 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 。 近年來各種預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用的計算方法被不斷提出 ， 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?。杭磳?fù)雜疾病相關(guān)靶基因的識別 ， 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 、 各個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 ?目前在已知的 ～ 3萬個人類基因中 ， 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 “ 后基因組時代 ” 功能基因組學(xué)研究的主要內(nèi)容 。 ?生物信息學(xué)利用已知數(shù)據(jù)和生物學(xué)知識進(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 。 ?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)胞或生物個體中的 ， 細(xì)胞生物學(xué)行為或個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)胞或個體中，使其獲得新的或更高水平的表達(dá)，通過細(xì)胞或個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)基因動物的獲得和鑒定，轉(zhuǎn)基因動物品系的建立以及外源基因表達(dá)的鑒定。 1. 轉(zhuǎn)基因動物可在整體水平研究基因的功能 目 錄 轉(zhuǎn)基因動物制作原理示意圖 目 錄 優(yōu)點(diǎn)： 1. 利用轉(zhuǎn)基因動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臵疑的 ， 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 。