第十章 基因组学与系统毒理学.pptVIP

第十章 毒理基因组学与系统毒理学 湘南学院预防检验系 邓 暑 芳 第一节 概 述 毒理基因组学(toxicogenomics)是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。 毒理学研究涉及的环境有害因素包括化学因素(化学物、混合化学物等)、物理因素(电离与非电离辐射、噪声、异常气温等)和生物因素(细菌、病毒等)。 研究基因组如何对化学毒物发生反应的学科称为毒理基因组学。 随着人类基因组计划(HGP)的顺利进行，生物医学研究已进入后基因组时代(post-genome era)。基因组学的研究发生了深刻的变化，已从结构基因组学(structural genomics)过渡到功能基因组学(functional genomics)。 毒理基因组学的概念：最初的定义，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毒性的学科。 目前：毒理基因组学研究不仅包括基因组水平的效应，也包括基因的RNA表达(转录组学)、蛋白产物表达(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的内容。 毒理基因组学的基本任务：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。 毒理基因组学的研究目标包括近期目标和远期目标。 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； 远期目标则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毒理学(digitized toxicology) 毒理基因组学的建立，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。 微阵列技术的应用可增加对化学物毒作用的检测效率和敏感性，其水平可与Northern分析相似，且数据的变异范围小于动物之间的个体差异。理论上，该项技术将有可能检测一种特定的化学物对全部人类基因组的效应。而且微阵列的方法就像流水线作业，可同时对多个化学物的多基因效应进行检测。 主要的国际性合作性机构： 国际生命科学研究院(ILSI)基因组学委员会于1999年成立了第一个合作研究机构，对肝脏毒物、肾脏毒物和遗传毒物进行了国际合作研究。 美国环境卫生科学研究所(NIEHS)于2000年建立了一个国家毒理基因组学中心(National Center for Toxicogenomics，NCT)，主要任务有： ①促进基因和蛋白表达技术在毒理学中的应用； ②促进人类环境暴露和疾病易感性关系的研究； ③确定暴露和毒效应的生物标志； ④推进暴露与生物学反应关系的计算和处理方法； ⑤建立毒理基因组学的公用数据库。2003年，又成立了代谢组学技术合作组织。 第二节 毒理基因组学研究的技术平台 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 差异显示反转录PCR(DDRT-PCR)技术是以分子生物学上应用最广泛的两种技术-PCR和聚丙烯酰胺凝胶电泳为基础。 其基本原理是：以1对细胞(或组织)的总RNA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(或组织)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(或组织)中表达有差异的cDNA片断。 优点：DDRT-PCR具有周期短，功能多，灵敏度高，所需RNA量少和重复性高等。 缺点：DDRT-PCR技术假阳性率高、凝胶中单条cDNA带成分不均一、一些低拷贝数mRNA不能有效呈现等。 基因表达序列分析(serial analysis of gene expression，SAGE)技术的主要理论依据是：来自cDNA 3’端特定位置的一段9～11bp长的序列能够区分基因组中95％的基因。这一段基因特异的序列被称为标签(SAGEtag)。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。 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(expressed sequence tag，EST)的序列资料。 (三)微阵列分析 DNA微阵列(microarray assay)或DNA芯片(DNA chip)技术，是近年来发展起来的新的分子生物学研究工具。研究所使用的基本硬件，是基因微阵列或基因芯片，其上含有成千上万个寡聚核苷酸片段或cDNA探针(cDNA、EST或基因特异的寡核苷酸)。这些探针按一定顺序以矩阵方式排