系统生物学第六讲表型组学糖组学脂质组学

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1、系统生物学第六讲表系统生物学第六讲表型组学糖组学脂质组型组学糖组学脂质组学学表型组学（Phenomics）基因型、表型和环境三者构成了遗传学研究的铁三角。人类在很早之前就根据自己的需要有意识的驯化动植物，而对于动植物表型的考察历史要远远早于对基因型的研究。近年来，随着高通量测序技术的快速发展，基因型的研究更加简单快速。然而由于植物表型本身的复杂性以及动态变化的特性，表型研究严重滞后于基因型研究。由于表型本身的复杂性和动态变化，研究者通常只专注于少数几个表型，进行静态粗略的研究，而且传统的表型调查效率很低，不同调查者具有主观性，导致不同调查人员的调查结果误差很大;同时由于表型研究技术发展相对滞后

2、，导致表型研究严重滞后于各种组学研究。传统的表型检测手段已经成为制约植物基础生物学研究包括遗传、基因功能研究、生理等的主要限制因素。表型组学(phenomics)最早由Steven AGaran 于1996 年提出。表型组学(phenomics)是研究生物体表现型特征的学科。表型组学近年来得到了迅猛发展，其概念也在逐步完善，但尚未形成定论。Gjuvsland、Freimer 和Houle等生物学家认为，表型(Phenotype)即生物某一特定物理外观或组成，如植物的株高、花色、产量、酶活力、抗逆性等，是基因型和环境共同作用的结果。生物的表型组为生物体表现型主要信息的集合，包括形态、发育、生化、

3、生理和行为等各种特征，那么研究这些相关内容的学科即为表型组学。亦有研究者认为表型组学即为研究生物全部物理外观和化学等表型性状(phenome，表型组)受环境影响其变化规律的学科，是一门在基因组水平上系统研究某一生物或细胞在不同环境条件下所有表型并结合基因(基因组)或蛋白(蛋白组)的研究来探究表型的本质及它们之间相互关系的学科。Robert，Varki 和Tasha等将表型组定义为在遗传和环境因素的影响下，生物体组成、行为、生长所有表型的集合。通过表型组可以更好的认识和利用基因组、转录组、蛋白质组等生物信息，它与基因组、转录组、蛋白质组等各种组学以及生物信息学、统计学一起构建了系统生物学大厦。T

4、raitsDNARNAProteinsMetabolitesNH2OHOOHOHOHOHOHOOHPhenomicsGenomicsGenomicsTranscriptomicsTranscriptomicsProteomicsProteomics MetabolomicsMetabolomics 表型组学研究的需求 人口的急剧增长，城市化进程的加快、人类对生物燃料的需求、气候变化、病虫害发生使全球粮食安全受到极大挑战，传统育种已经很难满足三大主要谷类作物(水稻、玉米和小麦)的增产需求。传统的育种转变为分子辅助育种，通过各种组学手段提高了植物育种效率和水平。低通量的田间性状调查通常需要对单株单

5、性状逐一调查，需要投入大量的人力物力，并且调查结果易受调查员、测量工具及环境条件的影响，传统的表型研究方法已经无法满足全基因组、转录组等各种组学的需要。表型组学研究的成熟 高通量、非破坏性的实时成像技术、光谱技术、图像分析系统、机器人表型分析的技术手段日渐成熟。现代计算机技术、云计算、统计学和生物信息学等学科的发展，处理生物大数据的能力越来越强。细胞到整个生物体，从受精卵(合子)到生物体死亡的整个生命周期均能实现性状的实时捕捉。随着信息时代和大数据时代的来临，表型组学已经进入了数字化时代。植物表型组学研究特点 检测的性状数据量大，可以动态检测植物的性状，可以将同一个性状划分成很多小的性状进行检

6、测，数据采集客观、严格，便于形成统一的采集标准，有利于高通量自动化的分析，数据采集更加准确和快速，这必将进一步提高育种效率和作物的栽培管理。表型组学研究意义 利用目标群体详细的表型信息结合生物的基因型。表型组可以更好的认识和利用基因组、转录组、蛋白质组等生物信息。植物表型组学研究技术 植物活力 根形态 叶的形态特性 光合效率 产量相关性状 生物量 对非生物胁迫的响应叶片形态测量仪叶片形态测量仪麦穗形态测量仪麦穗形态测量仪夹角测量仪夹角测量仪茎秆强度测量仪茎秆强度测量仪麦穗数量测量仪麦穗数量测量仪全自动考种仪全自动考种仪PlantScreenPlantScreen植物表型成像分析系统植物表型成像

7、分析系统高通量植物高通量植物表型组学研究平台表型组学研究平台田间作物可视化信息采集系统田间作物可视化信息采集系统高通量植物表型平台高通量植物表型平台高分辨率多光谱激光三维扫描测量仪高通量植物叶绿素荧光成像系统高通量植物叶绿素荧光成像系统大型植物叶绿素荧光成像系统大型植物叶绿素荧光成像系统多通道植物群体光合气体交换测量系统多通道植物群体光合气体交换测量系统糖组学（Glycomics）20 世纪末,继基因组学、蛋白质组学之后,糖组学也日益受到人们关注。糖组学是对糖链组成及其功能研究的一门新学科,是基因组学的后续和延伸,具体内容包括研究糖与糖之间、糖与蛋白质之间、糖与核酸之间的联系和相互作用,其主要

8、研究对象为聚糖。丰富多样的聚糖覆盖了生物有机体的所有细胞,不仅体现细胞的类型和状态,也参与了许多生物学行为,如细胞发育、分化、肿瘤转移、微生物感染、免疫反应等;聚糖还体现生物和分子的进化作用,如糖酵解、生物合成的保守性以及核糖的起源等。糖组学研究意义 1、细胞表面都被各种形式的聚糖所包被,帮助我们识别细胞类型和状态.但单从基因组信息无法预测最终的聚糖结构,因此,迫切需要开发新的糖组学研究手段和思路以分析糖组结构和功能。2、糖基化是所有真核蛋白质翻译后加工的一种形式,但糖基化远较单一结构形式的磷酸化复杂得多,因此聚糖研究存在各种技术困难,蛋白质组学中的大多数方法不适用糖基化研究。糖组学的研究策略

9、 研究策略为:(1)分析物种生物所产生的所有聚糖;(2)以糖肽为研究对象确认编码糖蛋白的基因;(3)结合有效的理化和生化性质,研究糖蛋白糖链的性质。研究的重点在于:(1)编码糖蛋白的基因;(2)实际糖基化的位点;(3)聚糖结构;(4)糖基化的作用。结构糖组学主要包括“糖捕获”技术、前沿亲和层析技术等,功能糖组学主要包括微阵列技术等。植物凝集素探针 植物凝集素（lectin）是一类非免疫来源的，无酶活性的，能与聚糖特异性结合的蛋白质，作为探针可以捕获到混合物中的聚糖，为目标细胞、组织或集体的糖组学研究提供一手资料。最常用的植物凝集素有刀豆素A、半乳糖凝集素、花生凝集素、橙黄网胞盘菌凝集素等。不同

10、的植物凝集素用于分离不同类型的糖蛋白和糖肽。在糖捕获操作中植物凝集素的应用还是有一定的限制的。利用植物凝集素亲和柱捕获糖蛋白的过程 植物凝集素亲和柱捕获一组糖蛋白；糖蛋白被蛋白酶彻底水解；水解产物在经植物凝集素亲和柱捕获到糖肽；肽链和糖链分别经HPLC/MS分离鉴定；获得肽序列和糖链分子质量；分析蛋白质序列并查询数据库获得相关遗传信息；分析聚糖的结构获得糖基化信息。使用不同的植物凝集素柱进行第二和第三次循环，捕获其他类型的糖肽，可以对某个细胞核集体进行较全面的糖组学研究。功能糖组学研究技术 随着糖组学研究的深入，基于芯片的原理人们发明了用于糖组研究的各类糖芯片，得到了广泛的应用。由于其具有信息

11、量大、可进行自动化操作等特点，就如基因芯片对于基因研究和蛋白质芯片对于蛋白质组研究一样，糖芯片在糖组学的研究中同样也将扮演重要的角色。凝集素-糖相互作用的芯片 根据凝集素和寡糖之间的特异性相互作用，将寡糖或糖基复合物固定于芯片上，再用荧光素标记的凝集素进行杂交，检测阳性信号分析与已知凝集素相互作用的寡糖结构。这种方法的最大优点是可以同时检测多个样本，具有批量化、标准化和自动化的特点。杂交糖类/糖蛋白芯片 杂交糖类/糖蛋白芯片可以快速测定在结合过程中，蛋白质-蛋白质相互作用和糖类-蛋白质相互作用。通过将糖蛋白和它表面的寡糖都点到点阵上，就可以迅速证实结合的决定簇。糖组学的展望 糖组学的研究还处于

12、起步阶段。阻碍糖组学迅速发展的主要是研究技术的限制和糖链本身结构的复杂性，目前尚没有一种技术可以快速、大量的测定细胞所有的糖链结构。在期望能有更便捷的测定糖链结构的技术的同时，如何利用现有技术开展糖组学研究则更应生物学家需要考虑的问题。糖芯片技术的出现对于研究聚糖的结构和功能起到了相当大的推动作用，必将在糖组学研究中得到更为广泛的应用。脂质组学(Lipidomics)脂质组学是对生物体、组织或细胞中的脂质以及与其相互作用的分子进行系统分析的一门新兴学科。脂质具有多种重要的生物功能，脂质代谢异常可引发诸多人类疾病，包括糖尿病、肥胖症、癌症以及神经退行性疾病等。目前，脂质组学研究已成为一个前景广阔

13、的热门领域，并广泛地应用到包括药物研发、分子生理学、分子病理学、功能基因组学、营养学以及环境与健康等重要领域 脂质是一类难溶于水而易溶于非极性溶剂的生物有机分子。细胞中脂质分子大体可以分为3大类：非极性脂质非极性脂质(包括胆固醇、胆固醇酯和甘油三酯)极性脂极性脂质(包括磷脂类、鞘脂类和糖脂类)脂质代谢物脂质代谢物(指脂质合成或水解过程中产生的物质，它们中许多是具有生理活性的第二信使物质)脂质组学(Lipidomics)Han和Gross首次提出脂质组学(Lipidomics)的概念。脂质组学是研究生物体内所有脂质分子的特性，以及它们在蛋白质表达和基因调控过程中的作用的学科。薄层色谱(TLC)法

14、 最早应用于脂质分析的色谱法。它将脂类用硅胶板上行法展层,展开后的板上喷脂质显色剂。各种脂质在TLC板上展开后,脂质的定量可采用薄层色谱扫描仪计算积分值,或将脂质的斑点刮下来,然后测定其含量。TLC法分为单向和双向2种。单向TLC能够同时分析几个样品,但很难将组分完全分开。双向TLC可将脂类各组分完全分开,但是它1次只能分析1个样品。TLC法具有直观、快捷的优点,能快速分离脂质,而且价格比较便宜。脂质经过TLC初步分离后也可以用气相色谱和高效液相色谱做进一步的分析。TLC法需要的样品量大,测定的灵敏度和分辨率都很低。TLC板上的斑点在切除过程中极易发生不饱和脂类氧化,因而破坏了部分脂类结构。其

15、他方法 高效薄层层析法(high performance thin layer chromatography，HPTLC)GC-MS ESI-MS MALDI-TOF-MS脂质组学数据库 由于缺少普遍接受的脂类分类规则，脂质数据库的建立都是各研究单位根据各自的研究范围建立的。目前脂质数据库土要有3个，分别是LMSD、LipidBank和LlPlDAT。脂质组学的发展前景 脂质组学在分析方法和应用方面虽然取得了突破性进展，但是由于其起步晚，与其它组学相比还有很大的差距。相对于核酸和蛋白质而言，人们对脂质的了解还很少，对植物脂质的了解则更少。因此可以预言，在揭示各种生命现象的机制中，系统研究脂质的功能与作用机理还有很大的发展潜力。脂质组学的发展将对医学和生命科学一些相关领域的发展起到一定的推动作用。谢谢大家！