《生物技术》(第二版

卷 5b 基因组学和生物信息学)评介

—— (Biotechnology,second,completely revised Edition,Volume

5b,G enomics and Bioinformatics)

作 者:C.W.Sensen,博士,University of Calgary Faculty of Medicine Department

of Biochemistry and Molecula Biology,calgary,Alberta,Canada

出 版:WILEY-VCH出版

索书号: 58.2/B615(2)/2001/V.5b

藏书点:武大外教中心

为了跟踪快速发展的生物技术,在推出第一版《生物技术》之后,作者又做了充分的修订和拓展,很快推出了第二版《生物技术》。该书是《生物技术》的第五卷《基因组学和生物信息学》。它综述了所有最新的生物技术,是一部涉及范围很广,组织结构很好的最新生物技术参考书。它包括了从基本概念到工业应用方面的知识,理论和应用很好的融合在一起,为科学家提供了在这个领域研究所需的清楚、简洁、完全的知识。 20章由该领域的专家撰写的内容主要的包括:模式生物,人类基因组计划,人类遗传疾病和基因组学,DNA测序技术、蛋白质分析技术、应用高密度DNA芯片作表达研究、生物信息学数据库、DNA和蛋白质分析的生物信息学工具、自动基因组分析、生物伦理学及未来的基因组学研究方向。

本书的第一部分综述了基因组学的应用领域,包括模式生物的基因组学、人类基因组计划、人类遗传病和基因组学的关系、农作物育种与基因组学的关系等。模式生物的选择,在生物学的研究中具有极其重要的作用。为了研究的方便,科学家选择了那些遗传背景比较清楚,大量的科学知识已经累积的生物作为研究的模型。目前在生物学中作为模式生物,原核生物中有: Gram-菌大肠杆菌(E.coli)、Gram+菌枯草芽孢杆菌(B.subtilis);古细菌硫细菌(A.fulgidus);真核生物中有:真菌酿酒酵母(S.cerevisiae)、植物拟南芥(A.thaliana)、动物中的线虫(C.elegans)果蝇(D.melanogaster)。作者分别介绍了这些模式生物的特点、基因组测序工作、对测序结果的分析及后基因组时代进一步研究的方向。目前,已经有50多个基因组序列(主要是原核生物)已经被公布,三百多个基因组序列测序工作在进行。人类基因组计划(HGP)于上世纪90年代早期启动,目的是分析人基因组DNA的全部序列,确定所有的基因,了解他们的功能及体内调控方式。它的进程可分为三个阶段:染色体图谱的构建(物理图谱和遗传图谱),大规模DNA(cDNA和染色体DNA)的测序,DNA序列注释。本文叙述了构建基因图谱的各种方法及遇到的困难,致病相关基因的确定,及基因组序列与进化的关系。人类基因组图谱及初步分析结果已经公布,后基因组时代的工作重点将是DNA序列的注释,发现新基因,确定基因产物的功能,进而运用这些信息研究遗传与人的健康与疾病的关系。

人类基因组计划提供的基因序列信息,为各种遗传病的诊断、治疗及新药开发提供了分子基础。如目前在遗传病的诊断方面,单基因疾病的检测方法有单链构象分析法( single strand conformation)、酶错配切断法(Enzyme mismatch cleavage)、蛋白质截断法(protein truncation test)。对于多基因疾病,尽管目前还没有很完善的诊断方法,但已经成功的将一些可疑基因定位在染色体6的HLA区,这个区段有200多个基因,已经鉴定有一百多种疾病与这个区域有关系。人们都希望通过基因治疗彻底的治愈遗传病,然而,目前在基因治疗取得的成果极其有限,只有体外转移基因到骨髓细胞应用于临床。不过,人类基因工程将加快基因的发现,提高疾病的检测手段。斯坦福大学已经建立了60种癌细胞中8000多种基因的表达谱,通过比较癌变细胞和正常细胞基因表达差异,将能很快的确定治病机理,提供治疗所必需的信息。在新药开发方面,生物信息学工具和数据库可用于鉴定新基因,寻找药物作用的靶位点。

基因组学的发展,还大大加快了农作物育种。如从分子生物学水平上鉴定与农作物形状相关的基因,现在有基因组测序、运用 ESTs序列和基因芯片技术,运用生物信息学方法搜寻,运用蛋白质组学、功能基因组学等多种方法。一旦发现有助于提高农作物产量的基因,可应用先进的生物技术,将其介导进农作物中,改良农作物的遗传性状。目前,运用Bt转基因系统转入抗疾病基因得到的转基因作物有玉米、棉花,土豆。另外,已将维生素A 合成系统相关的基因转入进水稻中,可得到含维生素A的大米,这样就可以解决东南亚儿童由于缺乏维生素A引起的失明问题。

本书的第二部分介绍了有关的 DNA技术

1.基因组图谱和定位克隆。 基因组学中的一个核心任务就是构建基因组图谱和对基因进行定位克隆。构建基因组图谱需要三个方面的信息:群体的分析,遗传标记数据,和表型数据。在植物科学中,首先需要得到适当的分离群体,双单倍体、重组杂交系、回交系和F2代株系常用于植物基因组图谱分析。得到适当的分离群体后,就是遗传标记分析,常用的方法有限制片断长度多态性(RFLP)、随机扩增多态性DNA(RAPD), 扩增片段长度多态性(AFLP), 微卫星片段分析(SSR), 单链构象多态性(SSCP)。此后的工作就是进行连锁图谱的构建。遗传图谱构建之后,运用与目标基因紧密连锁的遗传标记进一步构建物理图谱。若要进行定位克

隆,需将候选基因区进一步窄化到可以被一个大的克隆所覆盖,然后克隆、测序,得到所需基因序列。科学家们发现,相近物种中某些基因存在同源性,这样,就可以将他们的基因组图谱进行比较,运用目标基因中某些低拷贝的高保守区进行定位克隆,极大的加快了基因鉴定的步伐。

2.测序技术DNA测序技术中有两次大的飞跃,一次是Sanger双脱氧测序法的发明,第二次则是荧光标记双脱氧核苷酸,联合对凝胶电泳标记DNA片断实时监控的设备,及软件分析系统实现了DNA自动测序。本文详细说明了Sanger双脱氧测序法原理,荧光标记DNA测序原理,标记策略及其优缺点,测序设备,DNA测序分析软件。

3.用于研究机构的DNA 芯片设备装配DNA芯片是研究基因表达和遗传变异极有用的新工具,它可用于基因表达谱分析,突变分析,检测单核苷酸多态性,药物基因组学种新药开发,鉴定标记的生物菌株,土壤和污水中微生物鉴定。但由于其高昂的价格,限制了基因芯片的广泛应用。本章展示了一个可行的、价格合理的方法装配所需任何物种的基因组的高质量的DNA芯片,其关键是要能以合理的价格合成大量高质量的寡聚核苷酸和综合的信息平台通过质量控制来追踪样本。在蛋白质组学研究中,2D凝胶电泳、质谱分析和毛细管电泳是极其有用的工具,

本书的第三部分介绍了这些蛋白质技术。

1. 2D凝胶电泳和质谱分析在蛋白质组学中的应用。 2D凝胶电泳用于大规模纯化蛋白质,一次试验可以分离几千种蛋白质。本章介绍了2D凝胶电泳的原理,电泳后的检测标记蛋白质方法。然后酶切消化片断,运用HPLC 、ZE、 SPE-CE技术纯化多肽,用MALDI或ESI法将分离得肽段从固相变成液相进行质谱分析(MALDI-TOF-MS,或 ESI-MS/MS)。

2.毛细管电泳的蛋白质组分析。蛋白质研究需要能分析低丰度表达蛋白质的高精确分析工具,毛细管电泳是首选。先介绍了毛细管电泳的设备,分立及检测方法,电泳原理,由三种方法进行电泳,两种经典方法:等电点聚焦,SDS凝胶电泳,第三种专用于毛细管电泳(在特殊的缓冲液中进行),毛细管电泳联合激光诱导的荧光检测是一种超敏感的分析技术,可用于单细胞分析。

本书的第四部分介绍了生物信息学有关的知识,包含以下内容:

1.分子生物学数据库的使用:1)向研究者介绍最重要的各种不同的分子生物学数据库:目录数据库、分类学、核酸,基因组,蛋白质和特殊蛋白质、蛋白质家族、功能区和功能位点、酶学代谢途径数据库。2)运用SRS查询系统查询数据库的方法,及EBI SRS最近的发展。

2.DNA 技术工具,以新的EMBOSS序列分析软件包为例说明用于DNA 序列分析生物信息学工具的原理。

3.蛋白质技术工具,分成两部分1.辅助蛋白质鉴定技术2D凝胶电泳,质谱分析和蛋白质序列数据的软件工具2.可用于预测已鉴定蛋白质的功能,定位,和属性的生物信息学数据库和工具。特别注重可在网上免费下载的软件包。

4.结构信息:正在发展的可得的蛋白质结构信息。

5.自动的基因组注释和比较基因组学:基因组注释是从DNA和蛋白质序列水平揭示所有的特点,综合所有这些信息,对生物的分子及整个系统的了解。从最初的基因发现到产物工作途径在网络中的作用的完整分析。也分析了cDNA和EST序列在真核基因组序列注释的重要性和局限性,并列举例子说明。

6.通过图像展示基因组数据库―以MAGPIE为例说明。图像展示系统是用来分析复杂的、海量的数据。MAGPIE是第一个辅助以图片说明来分析和注释基因组系统。以他为例说明图像支持的基因组注释,揭示各种图片的意义,创建他们的算法,及显示的数据类型。

7.分子互作数据库,细胞中各个分子相互作用形成互作网络:如传统的信号转导,转录起始复合体,运转机制,细胞生长和分化,都需要分子间的相互作用,因此有必要建立分子互作数据库。广泛收集了目前已有的分子互作信息,并列举了一些数据库。

从以上可以看出,该书提供了最系统的,最新的动态的生物技术领域方面的知识,完全修订,重新组织和更新的第二版涵盖了生物学从基本概念到工业应用方面的知识。是在工业领域、大学和公众机构工作的微生物学家、生物化学家分子生物学家、生物工程师、化学工程师和食物和药理化学家很好的参考书。

(武汉大学生命科学学院 2002 级研 邱红玲)