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第 11 章.生物信息学

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1. 概述

2. 比较基因组学

3. 功能基因组学

4. 表观遗传学

5. 宏基因组学

6. 转录组学

7. 蛋白质组学

8. 代谢组学

9. 药物基因组学

10. 表型组学

11. 放射组学

a. 【生物信息学分析目录】(https://jb243.github.io/pages/836)

b. 转录组分析管道

c. 细胞类型标记基因

d. 使用 Seurat 确定细胞类型

1.概述

⑴ 癌症类型 > 10²

⑵ 每年癌症患者 ~ 2 × 10⁶

⑶ 转录因子~1600

⑷ 驱动突变 ~ 10⁵

⑸ 变体组合 ~ ₁₀₀₀₀₀C₆

⑹ 细胞类型和状态 ~ 10⁴

⑺ 基因组合 ~ 10¹³

⑻ 抗体序列 ~ 20³²

⑼ 小分子 ~ 10⁶⁰

2.比较基因组学

⑴ 人类基因组的特征

① 人类基因组由31亿个碱基对组成。

② 不到1/3被转录成RNA，只有约5%编码蛋白质。

③ 编码蛋白质的基因数量约为20,000至25,000个：与其他哺乳动物相似。

④ 基因平均长度约为 3,000 个碱基。

⑤ 所有人类至少 99.9% 相同。

⑥ 人类基因组包含大量重复序列。

⑦ 不到7%的蛋白质编码基因是脊椎动物特有的。

⑵ 原核基因 vs 真核基因

① 多顺反子 mRNA 与 单顺反子 mRNA（一个 mRNA 编码的蛋白质数量）

② 内含子 (×) 与 内含子 (O)

③ 转录与翻译同时性(O) vs 转录与翻译同时性(×)

④ mRNA 处理 (×) 与 mRNA 处理 (O)

⑶ 不同生物体基因组大小和基因数量比较

表 1. 各种生物体的基因组大小

①维持生命的最低基因数：生殖支原体的470个基因中，有337个是必需的。

② 基因组大小与生物体复杂性之间的相关性较弱。

③ 由于频繁的多倍化，植物基因组很大。⑷ 单细胞原核和真核基因组比较

表 2. 大肠杆菌和酵母的比较

⑸ 多细胞生物特征所需的必需基因（例如秀丽隐杆线虫）。

表 3. 秀丽隐杆线虫 (C. elegans)

⑹ 人类和小鼠基因组比较

① 人类和小鼠的核苷酸序列大约有 50% 的差异，并在大约 7500 万年前出现分歧。

② 基因组大小或拥有的基因数量无显着差异；只是转座子（一种重复序列元素）的分布有所不同。

③ 基因组组成：大约发生了180次断裂和重组事件，超过90%的基因组以块的形式移动（保守同线性）。

⑺ 人类与黑猩猩的比较

① 人类与黑猩猩的基因差异仅为1.23%。

⑻ 线粒体和叶绿体的比较

① 线粒体基因组：16,569 bp。 37个基因。

○ 许多线粒体蛋白源自细胞核。

○ 示例：β-氧化和TCA循环酶是从细胞质转运的。

○ 有些蛋白质是从线粒体 DNA 转录和翻译的。

○ 示例：电子传递链蛋白和ATP合成酶独立合成。

○ 终止密码子：CAG

② 叶绿体基因组学

○ 独立合成【卡尔文循环】(https://jb243.github.io/pages/70#4-photosynthesis)酶。

○ Rubisco 大亚基在叶绿体中产生，小亚基在细胞质中产生。

○ 不仅β-氧化酶和TCA循环酶，而且电子传递链蛋白和ATP合成酶也从细胞质转运。

③叶绿体基因组比线粒体基因组大得多。

○ 线粒体：重复序列，无内含子。

○ 叶绿体：重复序列，许多内含子。

○ 大多数线粒体基因已转移至细胞核。

3。功能基因组学

⑴ 概述

①定义：研究DNA的所有功能，包括内含子和调控元件。

② 利用WGS、WES、GWAS、Chip-seq等测序技术。

⑵ 遗传物质的运动

① 病毒

② 【细菌重组】(https://jb243.github.io/pages/554#2-bacterial-recombination)

③ 移动DNA: 转座子、逆转录转座子、LINE、SINE

⑶ 中频重复序列

①VNTR（Variable Number Tandem Repeats，比较长）、STR（Short Tandem Repeats，比较短）、端粒。

② 遗传预期：随着世代的增加，重复序列会扩展，导致疾病发生的可能性更高（例如亨廷顿病）。

⑷ 高频重复序列

① 高度浓缩。> ②着丝粒，卫星。

⑸ 卫星DNA

① 富含A-T的重复DNA。

② 浮力密度低。

⑹ 多基因家族

① 同源基因家族（如rRNA）

② 旁系同源基因家族（例如血红蛋白）

⑺ 单核苷酸多态性（SNP）

⑻ 拷贝数变异（CNV）

⑼ 杂合性丢失（LOH）

⑽ 基因组重排

⑾ 稀有变体

4。 表观遗传学

⑴ 概述

① 环形成：当编码 DNA 上存在反向重复序列时，可能会发生环形成。

② 内在转录终止子、t-RNA、端粒tetra G等有助于环的形成。

⑵ 子字段

① BS-seq（二硫键测序）

② ChIP-seq（染色质免疫沉淀测序）

③ Hi-C测序（高通量染色质构象捕获测序）

④ ATAC-seq（批量和单细胞）

⑤ NOMe 序列

5。宏基因组学

⑴ 定义：给定环境中存在的所有微生物基因组的集合。

⑵ 又称宏基因组、群落基因组学、泛基因组学。

6。转录组学

⑴ 定义

①转录RNA功能的研究。

② 使用 RNA，与蛋白质相比，其敏感性明显更高。

⑵ 子字段

① 批量转录组学（批量 RNA-seq）

② 单细胞转录组学（单细胞RNA-seq）：2013年度方法。

③ 空间转录组学（空间RNA-seq）：2020 年年度方法。

④ 结构转录组学：与表观遗传学相关。

⑤ 选择性剪接和异构体分析：2022 年年度方法。

⑥ RNA干扰：miRNA、siRNA等。

⑦ 长非编码RNA

⑧ 小RNA

⑨ 假基因：已转录但未翻译的基因。

○ 类型1： 通过逆转录转座子进行复制，但内含子和启动子丢失的情况。

○ 类型2： 基因因累积突变而失效的情况。

7.蛋白质组学

⑴ 概述

①定义：翻译蛋白表达模式的研究。

② 针对超过一百万种蛋白质。

③ 转录组学只能解释大约 40% 的实际蛋白质组学。

图 1. NIH3T3 细胞中 mRNA 丰度与蛋白质丰度

④优点：检测与生理现象密切相关的生物标志物。

⑤ 缺点：与DNA和RNA相比灵敏度较低。

⑵ 子领域

① 蛋白表达：细胞因子芯片等

② PTM（翻译后修饰）

③ 结构蛋白质组学

○ 蛋白质的四级结构（即组成蛋白质的多个多肽）。

○ 一级结构相距较远的氨基酸实际上可能很接近。

○ 示例：在胰蛋白酶原中，形成催化三联体的 His 和 Ser 在一级结构中距离较远，但聚集在一起形成单个活性位点。

○ 通常，为了分析蛋白质序列，使用肽酶（蛋白酶）将其分解成一定长度或更短的片段。

④ 磷酸化蛋白质组学

⑤ 糖组学

8.代谢组学

⑴ 代谢物分析：在血清、血浆、尿液、脑脊液等中进行。

⑵ 串联质谱

9。药理学

⑴ 概述：采用高通量筛选技术。

⑵ Affymetrix GeneChip：HG-U133 Plus 2.0 Array等。

⑶ Luminex 微珠阵列 (L1000)

⑷ Illumina Human HT-12 v4 Expression BeadChip 阵列

⑸ mRNA-seq（Illumina Hi-Seq）

⑹ GCP：组蛋白分析

⑺ P100：磷酸蛋白质组学

⑻ KINOME扫描

⑼ 基纳蒂夫

⑽ 梅玛

⑾ 酶联免疫吸附试验

⑿ RPPA

⒀ ATAC-seq

⒁ 地窖

⒂ SWATH-MS

10。表型组学

⑴ 癌症

⑵ 代谢综合征

⑶ 精神疾病

11。放射组学⑴ 定义：核医学影像与基因组信息的融合。

输入： 2021.06.12 13:56

修改： 2022.03.17 13:44