1、CHAPTER 9 後基因體時代,9-1 功能基因體學 9-2 蛋白質體學 9-3 結構生物學 9-4 生物資訊 9-5 生物晶片,本章節介紹人類基因體計畫完成後，伴隨衍生出的一些新興知識。包括蛋白質體學(proteomics) 、結構生物學(structural biology) 、生物資訊學(bioinformatics)、生物晶片(biochip)等。,9-1 功能基因體學,凡探討基因與基因之間的關係為何，與人的身體結構及運作關係為何，乃至與人的生活環境的互動關係為何，都可謂為功能基因體學。,9-2 蛋白質體學,蛋白質體學的定義與範疇 一、蛋白質體學的定義 蛋白質體學(proteomic
2、s)，亦稱蛋白組學，是繼功能基因體學之後的另一學問，蛋白質體(proteome)指的是生物體內所有蛋白質的總稱。1994 年，澳洲的Wilkins 和Williams 首先提出了蛋白質體(proteome)的概念，最初源自於蛋白質(protein)與基因體(genome)兩個名詞的結合，其定義為細胞內所有的蛋白質。 面對人類基因體計畫完成後新的挑戰，2001 年4 月成立了人類蛋白質體組織(human proteome organization, HUPO)。,二、蛋白質體學的範疇 1.表現蛋白質體學(expression proteomics)：將細胞或組織中的蛋白質，建立蛋白質表現 圖譜。
3、 2.細胞圖譜蛋白質體學(cell-map proteomics)：確定蛋白質在細胞內各個胞器當中的位置，並利用質譜儀(mass spectrometer)加以鑑定蛋白質複合物的組成，以確定蛋白質間的交互作用。,3.進行藥物設計(structure-based drug design)：早在1977 年文獻中已有記載，蛋白質的結構上之缺陷或變異，將造成疾病形成之主 因，而蛋白質體學正可提供分子層次上成因之解釋。,研究蛋白質體學的技術 一、二維電泳分析蛋白技術蛋白質是由20 種胺基酸分子所構成，而每種胺基酸所帶的電荷數目不同，根據此一特性，發展出二維電泳分析蛋白技術(2-D electropho
4、resis)（圖9-1）。,二、質譜術 1.運作原理：質譜儀(mass spectrometer)的運作原理是先將化學分子離子化，使之帶有電荷，然後利用外加電場使離子產生動能，離子在真空管內飛行一定距離後會撞擊到偵測標靶，並產生光電訊號。離子的質量越大則飛行速度越慢，所以到達標靶時間也就越長，根據此原理即可得知待測分子之質量。目前基質輔助雷射脫附游離飛行式質譜儀(matrix-assisted laser desorption ionization- time of flight mass spectrometer, MALDI-TOF MS)最為常見。,2.分析蛋白質種類的方法 (1)在二維
5、電泳膠片上所分離之蛋白質，可以分別取出並利用胰蛋白酶切割成胺基酸片段，接著送入質譜儀分析這些胺基酸片段的個別質量。 (2)利用氣體分子撞擊胺基酸片段，並分析碎裂產物的質量：由於胺基酸片段在質譜儀上的位置，出現在個別胺基酸分子之間的機會很大，所以個別碎裂產物之質量差剛好等於一個特定胺基酸分子的質量。,除了二維電泳分析蛋白技術與質譜術外，近年來許多新技術的產生應用於研究蛋白質體，請見表9-1。,9-3 結構生物學,一、結構生物學的定義 結構生物學為生命科學當中一個重要的分支，本學科是以分子生物物理學為基礎，結合化學和分子生物學方法測定生物大分子複合體的空間結構（一般是指三維結構）、形成此結構的動力
6、過程及分子結構與其生化功能之間的關係。,二、結構生物學的重要性 在生物大分子當中，蛋白質與核酸是最重要的分子。其生化功能與結構、折疊動力過程有密不可分的關係。而結構生物學之應用，不但可以提供結構與功能之關聯，更可以進一步地解釋造成特殊功能的機轉。,目前的研究方向是由兩種方式來進行探討： 1.由極度簡化的模型出發，掌握此類分子基本的共通性質，以此作為深層的精密研究的基礎。 2.由現象學角度出發，分析目前資料庫中的實驗數據，進行資料挖掘，歸納出其特性。,9-4 生物資訊,生物資訊(bioinformatics)是結合資訊科學與生物學的新興學科。所要探討的內容可以分成以下六項： 1.尋找生物體與生物
7、體之間的同源性。 2.DNA序列分析。 3.多重序列組合。 4.基因功能預測。 5.蛋白質的形狀、結構及如何與其它蛋白質產生交互作用。 6.單一核苷酸多型性。,單一核苷酸多型性 一、單一核苷酸多型性的定義 單一核苷酸多型性(single nucleotide polymorphism, SNP)指的是在生物體內基因體內內一位置的單一核苷酸，在同一物種的不同個體間並不相同。例如內個基因的第100 個核苷酸，有90%的個體是胸腺嘧啶(T)，但另外的10%則是胞嘧啶(C)，這個位置的核苷酸即具有單核苷酸多型性。,通常SNP 可分五大類：(1)r SNP（基因調控區域）；(2)c SNP （外顯子(e
8、xon)內有胺基酸之變化）；(3)s SNP（外顯子(exon)內無胺基酸之變化）；(4)i SNP（內含子(intron)內）；(5)g SNP（基因領域以外），其中以r SNP及c SNP之變化與藥物基因體學較有關，此為藥物設計上針對不同體質的人之設計重點。,二、單一核苷酸多型性的重要性 1.使物種在面對環境變遷和病菌侵襲下，得以增加生存的機率：例如負責代謝內些藥物的基因，因為單一核苷酸多型性的差異，進而 影響對於藥物的代謝方式，這也就是體質差異。 2.是人類多基因疾病容易感染與否和藥物反應性差異的重要指模：SNP 的出現頻率在不同民族或人群有明顯差異，所以不同種族的人，容易得到的病也不盡
9、相同。,生物資訊資料庫的建立 在人類基因體計畫完成之後，累積了大量的資料，因而需要建立許多大型資料庫來儲存這些龐雜的資料。建立生物資訊資料庫最有名的首推GenBank，目前是由美國國家衛生研究院(NIH)底下的國家生物技術資訊中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)來管理，也是世界上最大的公共生物資料庫。,五個國際知名的生物資訊資料庫網站： 1.美國NCBI：http:/www.ncbi.nlm.nih.gov 2.日本DDBJ：http:/www.ddbj.nig.ac.jp 3.歐洲分子生物實驗室(European Mo
10、lecular Biology Laboratory, EMBL)：http:/www.embl-heidelberg.de 4.歐洲分子生物網(The European Molecular Biology network, EMBnet)：http:/www.hgmp.mrc.ac.uk/brochure/html/ 5.英國Sanger Centre：http:/www.sanger.ac.uk,DNA序列分析與基因預測 我們希望能夠從人類基因體當中找到具有功能的基因。真核生物的基因中只有外顯子(exon)才含有製造蛋白質的資訊，所以生物資訊就是利用電腦程式找出基因的轉錄起始點與終一點，並
11、進一步找到同一基因內所有的外顯子。,常見的有兩種分析軟體：1.基本區域排比搜尋工具(basic local alignment search tool, BLAST)2.序列相似性分析(FASTA),生物資訊與蛋白質體研究 由於蛋白質三度空間立體結構的決定是新藥開發的重要資訊，所以若能早日知道蛋白質的立體結構，將可以大幅降低新藥開發所需的時間與投資成本。後基因體時代生物資訊的發展方向 進入後基因體時代後，由於生物資訊累積更新的速度加快，生技產業也呈現更多元的面貌，不再以單一產品為公司生存命脈。為因應日益變化劇烈的市場與技術演進，現在生技公司的新產品開發時程，必須比以前生技製藥公司短，如此才具有
12、競爭力。,9-5 生物晶片,生物晶片概述 事實上，生物晶片的正式名稱叫做微陣列技術（圖9-5，9-6）。生物晶片(biochip)一般指的是應用半導體策略以矽晶片、玻璃或高分子為材料，整合微機電、光電、生化及分子生物學等領域，進行醫療檢驗、環境檢測、食品檢驗、新藥開發、基礎研究等用途的精密微小化設備。,生物晶片的種類 1.基因晶片：基因晶片(gene chip)包括DNA 晶片(DNA chip)與核苷酸晶片(oligonucleotide chip)，是利用DNA 為探針，整齊的排列在晶片上，並和檢體中的DNA片段（標記螢光分子）產生雜交反應，若有結合反應，即代表檢體中帶有與晶片上相同的DN
13、A。,基因晶片的製作方法主要有三種：(1)光蝕刻法(photolithography) (2)機器手臂點樣法(3)Canon和Agilent應用墨點法或噴墨印刷(ink-jet printing)技術：將DNA探針植入晶片表面。,2.蛋白質晶片：蛋白質晶片(protein chip)是以蛋白質為生物探針，整齊的排列在晶片上，進行抗原抗體免疫反應，用以檢測蛋白質。3.實驗室晶片：實驗室晶片(lab-on-a-chip)是利用微機電技術製造，整合若干微管道與微反應器於一塊晶片上，以完成各種樣品處理、反應或分析檢測，功能類似一個實驗室之縮影。,生物晶片的應用 1.藥物開發及藥理學研究：利用這項技術將迅速得知新藥是否會抑制致病基因或可能誘導抗病基因的表現，同時不謝謝正常基因的表現。 2.差異表現基因的篩選：利用這項技術將可輕易比較出正常細胞與癌細胞間之差異，可用於篩選腫瘤標記基因或細胞。 3.基因突變之解析：利用這項技術將可快速定出基因突變的位置或序列。 4.遺傳網路的建構：利用這項技術將可分析不同發育時期之動物胚胎，分析其脊髓中不同 基因變化，以瞭解其中樞神經系統發育時各階段基因的交互作用情形。,
