第11章-分子生态学与生物信息学前沿课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第11章 分子生态学与生物信息学前沿,李永峰 教授,李巧燕 研究生,第11章 分子生态学与生物信息学前沿李永峰 教,1,目录,生物芯片技术,1,基因诊断与治疗,2,分子生态学与生物信息学研究进展,4,发展我国分子生态学的几点建议,5,虚拟细胞人工生命的模拟,目录 生物芯片技术 1基因诊断与治疗 2分子生态学与生物信息,2,11.1 生物芯片技术,生物芯,片技术,通过缩微技术，根据分子间特异性的相互作用原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。,生物芯片,通过微加工和微电子技术在固相基质表面构建微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物分子等进行准确、快速、高通量的检测。,生物芯,片的应用,检测基因的表达,研究生物体对逆境的反应,研究生物体对光线的反应,11.1 生物芯片技术生物芯通过缩微技术，根据分子间特异性的,3,生物芯片相关的技术,微流体芯片技术,生物芯片,相关的技术,微阵列芯片技术 （如DAN芯片、蛋白质芯片、组织芯片和细胞芯片等。 ）,生物芯片相关的技术微流体芯片技术生物芯片微阵列芯片技术 （如,4,微流体芯片技术,微流体芯片,高通量；分析速度快 ；集成性；能耗低，物耗少，污染小；廉价且安全,概念,特点,在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。,微流体芯片技术微流体芯片高通量；分析速度快 ；集成性；,5,生物芯片相关的技术,在固相支持物上原位合成寡核苷酸探针，或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式有序的固化于支持物的表面，由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片,。,DNA芯片技术,利用DNA双螺旋序列的互补性，即两条寡聚核苷酸链以碱基之间形成氢键配对(A与T配对，形成两个氢键；G与C配对，形成三个氢键)。,概念,原理,生物芯片相关的技术在固相支持物上原位合成寡核苷酸探针，或者直,6,DNA芯片技术的步骤,芯片的制备,芯片制备的方法基本上可分为原位合成和直接点样两大类。,样品的制备,包括样品的分离纯化、扩增和标记等过程。,杂交反应,杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行反应所产生一系列信息的过程。,信号检测,和结果分析,杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关的生物信息。,DNA芯片技术的步骤芯片的制备芯片制备的方法基本上可分为原位,7,DNA芯片,特点,基因诊断的速度显著加快；检测效率高；基因诊断的成本降低；避免了交叉感染，假阳性率、假阴性率显著降低。,分类,应用,利用机械装置将cDNA序列或者其他PCR产物点在芯片上作为探针；利用机械装置将事先合成的寡核苷酸链序列点在芯片上作为探针；不事先合成寡核苷酸链，而直接在芯片上通过原位合成技术同时合成所有探针。,基因诊断 、基因表达水平的检测 、药物筛选 、检测突变和多态性进行遗传作图 、DNA序列分析,DNA芯片 特点基因诊断的速度显著加快；检测效率高；基,8,蛋白质芯片技术,蛋白质芯片技术是继基因芯片之后发展起来的，以其高通量、微型化、集成化等特点，作为检测蛋白质存在和变化的高效工具，为蛋白质组学的研究提供了新的有力工具。,芯片阵列的构建,样品的制备,芯片生化反应,信号检测及分析,蛋白质芯片技术的基本要点,蛋白质芯片技术 蛋白质芯片技术是继基因芯片之后发展起来的，以,9,蛋白质芯片最典型制备是把蛋白质固定在用连接基团处理过的载玻片上或者没有连接基团的芯片上，,蛋白质芯片,主要有两种检测方法：标记检测和非标记检测。,制备,检测,方法,蛋白质芯片最典型制备是把蛋白质固定在用连接基团处理过的载玻片,10,蛋白质芯片,应用前景,：,蛋白质芯片提供了一种高通量的蛋白质分析技术，能够进行受体-配体的检测，多种感染因素筛查和肿瘤的诊断，了解蛋白质包括药物在内的小分子相互键合作用，从基因水平上寻找靶目标和靶药物。因此，蛋白质芯片在整个蛋白质组分分析以及在多蛋白质表达异常的遗传病诊断、治疗和新的药物发现方面具有广阔的应用前景。,建立快速、廉价、高通量的蛋白质表达和纯化方法,改进基质材料的表面处理技术以减少蛋白质的非特,异性结合,提高芯片制作的点阵速度；提供合适的温度和湿度,以保持芯片表面蛋白质的稳定性及生物活性,研究通用的高灵敏度、高分辨率检测方法，实现,成像与数据分析一体化,蛋白质芯片未来的发展重点,蛋白质芯片 应用前景 ：蛋白质芯片提供了一种高通量的蛋白质分,11,组织芯片技术,组织芯片技术是以形态为基础的分子生物学新技术，可以做常规病理学的HE染色、各种免疫组织化学染色、组织化学染色、原位杂交、荧光原位杂交、原位PCR和原位RT-PCR等。,组织芯片技术的优点,：,有助于减少实验误差,2,便于设置对照实验,3,有利于原始存档蜡块的保存。,4,可提高实验效率,1,组织芯片技术组织芯片技术是以形态为基础的分子生物学新技术，,12,人类组织芯片，其包括正常的组织芯片、疾病组织芯片、胚胎组织芯片、动物组织芯片；肿瘤组织芯片：包括多肿瘤组织芯片、肿瘤进展组织芯片、预后组织芯片,。,组织芯片,技术,不仅用于正常的蛋白质组、基因组学的研究，也适用于疾病的基因和表达产物的诊断、预后、治疗等方面。另外组织芯片在基因探针筛选、单克隆抗体筛选、生物制剂的鉴定方面有着重要的途径。,分类,应用,人类组织芯片，其包括正常的组织芯片、疾病组织芯片、胚胎组织芯,13,细胞芯片技术,细胞芯片技术是以活细胞作为研究对象的一种生物芯片技术。,特点：,通过活细胞分析, 获得细胞相关分析信息,1,揭示细胞内一系列过程和原理的本质,3,在芯片上实现对活细胞的原位监测,2,细胞芯片技术细胞芯片技术是以活细胞作为研究对象的一种生物芯,14,细胞芯片技术,1,整合的微流体细胞芯片：是一种高度平行化、自动化的集成微型芯片装置。,2,细胞免疫芯片：是以细胞为研究对象, 利用免疫学原理和微型化操作方法, 实现对细胞样品的快速检测和分析。,3,微量电穿孔细胞芯片：采用一种微型装置, 将细胞与芯片上的电子集成电路相结合。,细胞芯片技术主要分为三类：,返回,细胞芯片技术1整合的微流体细胞芯片：是一种高度平行化、自动化,15,11.2 基因诊断与治疗,概念,基因诊断又称DNA诊断或分子诊断，通过分子生物学和分子遗传学的技术，直接检测出分子结水水平和表达水平是否异常，从而对疾病做出判断,特点,高度特异性、高灵敏度和精确性、早期快速、诊断范围广，适应性强、可用于非活体标本和DNA水平具有体细胞稳定性。,基本方法, PCR/RDB法： PCR检测缺失 PCR/限制性酶切法甲基化特异性PCR,11.2 基因诊断与治疗概念基因诊断又称DNA诊断或分子诊断,16,基因诊断的常用技术方法,限制性内切酶分析法,1,DNA限制性片断长度多态性分析,2,等位基因特异寡核苷酸探针杂交法,3,聚合酶链反应(PCR),4,基因诊断的常用技术方法限制性内切酶分析法1DNA限制性片断长,17,人体由于各种内在因素或外在因素启动了某种癌症基因或使抑癌基因发生抑制，打破了正常的免疫监视和免疫识别，使某些细胞获得恶性增长能力，导致人体某些组织或器官出现肿瘤。,对许多已明确致病基因及其突变类型的遗传病诊断效果良好。即使不明确致病基因，也可利用遗传标志进行连锁分析来诊断某些遗传病。,在人类免疫缺陷病毒的研究以及传染性非典型肺炎研究中，基因诊断技术又及时提供了大量重要信息，基因诊断技术为人类防治病毒性疾病提供了有力的武器。,基因诊断技术的应用,在遗传病,中的应用,在肿瘤学,中的应用,在感染性疾,病中的应用,人体由于各种内在因素或外在因素启动了某种癌症基因或使抑癌基因,18,基因治疗,把目的基因导入人体，通过在特定靶细胞中表达该细胞本来不表达或低表达或已异常突变而不表达的基因，或采用特定方式关闭、抑制异常表达基因，达到治疗疾病目的的治疗方法。,（）病毒载体,（）逆转录病毒载体,（）非病毒载体：分为裸露DNA和脂质体,概念,载体,基因治疗 把目的基因导入人体，通过在特定靶细胞中表达该细胞本,19,1,治疗性基因的选择,2,基因载体的选择,3,靶细胞的选择,基因治疗的基本程序,1治疗性基因的选择2基因载体的选择3靶细胞的选择基因治疗的,20,基因治疗,基因转移,外源基因表达筛检,回输体内,基因治疗 基因转移外源基因表达筛检回输体内,21,基因治疗策略,基因治疗按基因操作方式分为两类: 一类为基因修正和基因置换，另一类为基因增强和基因失活,基因治疗有两种途径即体外干细胞（exvivo）、体内干细胞（invivo）方式,基因治疗策略 基因治疗按基因操作方式分为两类: 一类为基因修,22,基因治疗的应用现状,复合免疫缺陷综合征的基因治疗,1,乙型血友病的治疗,2,其它遗传病的基因治疗,3,肿瘤的基因治疗,4,返回,基因治疗的应用现状 复合免疫缺陷综合征的基因治疗 1乙型血友,23,它可以模拟人体细胞结构和功能；它可以用于药物设计和虚拟试验；它可以用于能源的开发和利用，推动仿生科学的进展,虚拟细胞(virtual cell)亦称电子细胞它是应用信息科学的原理和技术,11.3 虚拟细胞人工生命的模拟,概念,作用,它可以模拟人体细胞结构和功能；它可以用于药物设计和虚拟试,24,虚拟细胞的构建过程,1,建立相关的数据库,2,设计与模拟,3,组装、测试和维护,4,由生物领域专家，选择建模的对象,虚拟细胞的构建过程1建立相关的数据库2设计与模拟3组装、测,25,研究虚拟细胞的意义,（1）在医学、生物学教育方面,虚拟细胞以其生动和可视化的表现形式可代替和辅助传统医学生物学实验和教学可以生动、直观、透彻、逼真地重现细胞生命活动的各个环节。,（2）在科学研究方面,采用虚拟细胞可代替或辅助真实细胞进行各种科学研究。,返回,研究虚拟细胞的意义（1）在医学、生物学教育方面（2）在科学研,26,11.4 分子生态学与生物信息学研究进展,返回,基于,PCR,和,DNA,指纹技术的分子生物学技术可以用于研究生物群落结构组成，多样性和动态性分析。,在微生物群落分析中应用较广的技术是变性梯度凝胶电泳技术（,DGGE,）和荧光原位杂交技术（,FISH,）技术。,11.4 分子生态学与生物信息学研究进展 返回基于PCR和D,27,11.5 发展我国分子生态学的几点建议,加强分子生态学的研究队伍建设,1,强化分子生态学研究技术平台的建设,2,将分子生态学研究列入国家重大科技计划,3,实现我国分子生态学的跨越式发展,4,11.5 发展我国分子生态学的几点建议 加强分子生态学的研究,28,Thank You !,Thank You !,29,