12.3：全基因组方法和工业应用

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Nov 1, 2022
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200476
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- 12.2: 可视化和表征 DNA
- 12.4：基因工程——风险、收益和认知

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学习目标

解释全基因组比较分析的用途
总结转基因药品的优势

分子生物学的进步催生了全新的科学领域。其中包括研究全基因组各个方面的领域，统称为全基因组方法。在本节中，我们将简要概述基因组学、转录组学和蛋白质组学的全基因组学领域。

基因组学、转录组学和蛋白质组学

整个基因组的研究和比较，包括全套基因及其核苷酸序列和组织，被称为基因组学。通过研究人类基因组和传染性生物的基因组，该领域具有巨大的未来医学进步潜力。对微生物基因组的分析促进了新的抗生素、诊断工具、疫苗、药物治疗和环境净化技术的开发。

转录组学领域是细胞产生的整个 mRNA 分子集合的科学。科学家比较了受感染和未感染宿主细胞之间的基因表达模式，获得了有关细胞对传染病反应的重要信息。此外，转录组学可用于监测微生物中毒性因子的基因表达，从而帮助科学家从这个角度更好地了解致病过程。

当将基因组学和转录组学应用于整个微生物群落时，我们分别使用宏基因组学和元转录组学这两个术语。宏基因组学和元转录组学使研究人员能够研究来自多个物种的基因和基因表达，其中许多物种在实验室中可能根本不容易培养或培养。 DNA微阵列（在上一节中讨论）可用于宏基因组学研究。

基因组学和转录组学的另一个新兴临床应用是药物基因组学，也称为毒理基因组学，它涉及根据来自个体基因组序列的信息评估药物的有效性和安全性。在开始对人类进行研究之前，可以使用实验动物（例如实验室大鼠或小鼠）或实验室中的活细胞来研究对药物的基因组反应。药物存在时基因表达的变化有时可能是潜在毒性作用的早期指标。根据个体患者的基因型，个人基因组序列信息有朝一日可能会被用来开出最有效、毒性最小的药物。

蛋白质组学的研究是基因组学的延伸，它使科学家能够研究生物体中的全部蛋白质补体，即蛋白质组。尽管多细胞生物的所有细胞都具有相同的基因集，但不同组织中的细胞会产生不同的蛋白质组。因此，基因组是恒定的，但蛋白质组各不相同，并且在生物体内是动态的。蛋白质组学可用于研究哪些蛋白质在单个细胞类型中的不同条件下表达，或者用于比较不同生物之间的蛋白质表达模式。

使用蛋白质组学方法研究的最突出的疾病是癌症，但这个研究领域也应用于传染病。目前正在进行研究，以研究使用蛋白质组学方法诊断各种类型的肝炎、结核病和艾滋病毒感染的可行性，使用目前可用的技术很难诊断这些疾病。 ¹

最近一项正在发展的蛋白质组学分析依赖于鉴定称为生物标志物的蛋白质，其表达受到疾病过程的影响。目前，生物标志物被用于检测各种形式的癌症以及由鼠疫耶尔森菌和痘苗病毒等病原体引起的感染。 ²

与基因组学和蛋白质组学相关的其他 “-组学” 科学包括代谢组学、糖组学和脂质组学，它们分别侧重于细胞内发现的全套小分子代谢物、糖和脂质。通过这些不同的全球方法，科学家们继续收集、汇编和分析大量的遗传信息。除许多其他应用外，这个新兴的生物信息学领域还可用于为治疗疾病和了解细胞运作提供线索。

此外，研究人员可以使用逆向遗传学（一种与经典突变分析相关的技术）来确定特定基因的功能。研究基因功能的经典方法包括寻找造成给定表型的基因。反向遗传学使用相反的方法，从特定的DNA序列开始，然后尝试确定它产生的表型。或者，科学家可以将编码易于观察的特征的已知基因（称为报告基因）附加到感兴趣的基因上，并且可以轻松监测这些感兴趣基因的表达位置。这为研究人员提供了有关基因产物可能在做什么或它在生物体中的位置的重要信息。常见的报告基因包括细菌 LacZ，它编码 β-半乳糖苷酶，如前所述，其活性可以通过存在 X-gal 时菌落颜色的变化进行监测；以及编码水母蛋白绿色荧光蛋白（GFP）的基因，其活性可以直观显示在紫外线照射下的菌落中（图 $\PageIndex{1}$ ）。

a) 具有绿色荧光区域的小鼠的照片。 B) 带有绿色荧光菌落的琼脂板的照片。 C) 琼脂板上蓝白菌落的照片 — 图 $\PageIndex{1}$ ：(a) 编码绿色荧光蛋白的基因是监测生物体基因表达模式的常用报告基因。在紫外线下，GFP 会发出荧光。在这里，两只老鼠在表达 GFP，而中间的鼠标不是。 (b) 绿色荧光蛋白也可以用作细菌中的报告基因。这里显示了一个含有表达 GFP 的细菌菌落的板块。 (c) 细菌中的蓝白筛查是通过使用 *LacZ* 报告基因完成的，然后将细菌镀在含有 X-gal 的培养基上。 LacZ 酶分解 X-gal 会导致蓝色菌落的形成。（来源 a：修改 Ingrid Moen、Charlotte Jevne、Wang Jevne、Karl-Henning Kalland、Martha Chekenya、Lars A Akslen、Linda Sleire、Per Ø EB Reed、Anne M Øyan、Linda EB Stuhr 的作品；来源 c：美国学会对作品的修改微生物学）

练习 $\PageIndex{1}$

基因组学与传统遗传学有何不同？
如果你想研究体内两个不同的细胞对感染的反应，你会应用哪个 —omics 领域？
蛋白质组学中发现的生物标志物有哪些用途？

临床重点：分辨率

由于凯拉的症状持续且严重到足以干扰日常活动，凯拉的医生决定下令进行一些实验室检查。医生收集了凯拉的血液、脑脊液（CSF）和滑液（来自她肿胀的膝盖）的样本，并要求对所有三个样本进行聚合酶链反应分析。脑脊液和滑液的聚合酶链反应检测结果显示，Borr elia burgdorferi（导致莱姆病的细菌）的存在呈阳性。

凯拉的医生立即开了一整疗程的抗生素强力霉素处方。幸运的是，凯拉在几周内完全康复，没有出现治疗后莱姆病综合征（PTLDS）的长期症状，莱姆病综合征（PTLDS）影响了10-20％的莱姆病患者。为了防止将来感染，凯拉的医生建议她在户外探险时使用驱虫剂并穿上防护服。这些措施可以限制携带莱姆的蜱虫的暴露，在一年中较温暖的月份，这种情况在美国许多地区很常见。还建议凯拉养成从户外活动回来后自己检查壁虱的习惯，因为及时清除蜱虫可以大大减少感染的机会。

莱姆病通常很难诊断。 B. burgdorferi 不容易在实验室培养，最初的症状可能非常轻微，与许多其他疾病的症状相似。但是，如果不加以治疗，症状可能会变得非常严重和令人衰弱。除了两项抗体测试（在Kayla的病例中尚无定论）和聚合酶链反应测试外，还可以使用南方印迹与伯格多尔费里特异性DNA探针一起用于鉴定病原体中的DNA。对疏螺旋体物种的表面蛋白基因进行测序还用于鉴定物种中可能更容易传播给人类或导致更严重疾病的菌株。

重组 DNA 技术和药物生产

基因工程为创造称为重组 DNA 药物的新药物产品提供了一种方法。此类产品包括抗生素药物、疫苗和用于治疗各种疾病的激素。表中 $\PageIndex{1}$ 列出了重组 DNA 产物及其用途的示例。

例如，长期以来以抗生素生产能力而闻名的各种链霉菌属的天然抗生素合成途径可以进行修改，以提高产量或通过引入编码其他酶的基因来制造新的抗生素。通过基因的靶向失活和产生抗生素的链霉菌宿主中的抗生素合成基因的新组合，已经产生了200多种新的抗生素。 ³

基因工程还用于制造亚单位疫苗，这些疫苗比其他疫苗更安全，因为它们仅含有单个抗原分子，并且缺少病原体基因组的任何部分（见疫苗）。例如，乙型肝炎疫苗是通过将编码乙型肝炎表面蛋白的基因插入酵母中而产生的；然后酵母会产生这种蛋白质，人体免疫系统将其识别为抗原。乙型肝炎抗原是从酵母培养物中纯化出来的，并作为疫苗施用给患者。尽管疫苗不含乙型肝炎病毒，但抗原蛋白的存在会刺激免疫系统产生抗体，在接触时保护患者免受病毒的侵害。 ⁴ ⁵

基因工程在生产其他治疗性蛋白质（例如胰岛素、干扰素和人类生长激素）以治疗各种人类疾病方面也发挥了重要作用。例如，有一次，只有给患者服用猪胰岛素才能治疗糖尿病，猪胰岛素由于人胰岛素和猪胰岛素中表达的蛋白质之间的微小差异而引起过敏反应。但是，自1978年以来，重组DNA技术已被用于使用大肠杆菌以相对便宜的工艺生产大量人胰岛素，从而产生更稳定的有效药品。科学家们还对能够产生人类生长激素（HGH）的大肠杆菌进行了基因改造，该激素用于治疗儿童生长障碍和成人的某些其他疾病。 HGH 基因是从 cDNA 文库中克隆出来的，并通过将其克隆到细菌载体中插入到大肠杆菌细胞中。最终，基因工程将用于生产DNA疫苗和各种基因疗法，以及用于对抗癌症和其他疾病的定制药物。

表 $\PageIndex{1}$ ：一些基因工程药物产品和应用
重组 DNA 产物	应用程序
心房利钠肽	治疗心脏病（例如充血性心力衰竭）、肾脏疾病、高血压
DNase	治疗囊性纤维化中粘稠的肺分泌物
促红细胞生成素	治疗伴有肾损伤的严重贫血
因子八	血友病的治疗
乙型肝炎疫苗	预防乙型肝炎感染
人类生长荷尔蒙	治疗生长激素缺乏、特纳氏综合症、烧伤
人胰岛素	糖尿病的治疗
干扰素	治疗多发性硬化症、各种癌症（例如黑色素瘤）、病毒感染（例如乙型和丙型肝炎）
四烯霉素	用作抗生素
组织纤溶酶原激活剂	缺血性中风、心肌梗塞的肺栓塞治疗

练习 $\PageIndex{2}$

哪种细菌经过基因改造以产生用于治疗糖尿病的人胰岛素？
解释如何对微生物进行工程改造以生产疫苗。

RNA 干扰技术

在 RNA 的结构和功能中，我们描述了 mRNA、rRNA 和 tRNA 的功能。除了这些类型的 RNA 外，细胞还会产生几种类型的小型非编码 RNA 分子，这些分子参与了基因表达的调节。其中包括反义 RNA 分子，它们与原核生物和真核细胞中发现的特定 mRNA 分子区域互补。非编码 RNA 分子在 RNA 干扰 (RNAi) 中起着重要作用，RNAI 是一种阻止 mRNA 分子引导蛋白质合成的自然调节机制。特定基因的RNA干扰源于短的单链反义RNA分子与互补mRNA分子中的区域之间的碱基配对，从而阻止了蛋白质合成。细胞使用RNA干扰来保护自己免受病毒入侵，病毒入侵可能会在病毒复制过程中引入双链RNA分子（图 $\PageIndex{2}$ ）。

真核细胞将 DNA 的一个区域转录成 mRNA。然后，反义 mRNA 与这个 mRNA 结合以产生双链区域。该区域未被翻译（这意味着核糖体不会与 mRNA 结合产生蛋白质）。 — 图 $\PageIndex{2}$ ：像下图所示的真核细胞这样的细胞通常会产生小的反义 RNA 分子，其序列与特定 mRNA 分子互补。当反义RNA分子与mRNA分子结合时，mRNA不能再用于指导蛋白质合成。（来源：Robinson R 对作品的修改）

研究人员目前正在开发模仿RNA干扰自然过程的技术，以此来治疗真核细胞中的病毒感染。 RNA 干扰技术涉及使用小干扰 RNA（siRNA）或 microRNA（miRNA）（图 $\PageIndex{3}$ ）。siRNA 与感兴趣的特定基因的 mRNA 转录本完全互补，而 miRNA 大多是互补的。这些双链 RNA 与 DICER 结合，DICER 是一种核酸内切酶，可将 RNA 分解成短分子（大约 20 个核苷酸长）。然后，RNA 与 RNA 诱导的沉默复合物（RISC）结合，一种核糖核蛋白。 siRNA-risc 复合物与 mRNA 结合并将其分裂。对于 miRNA 来说，两条链中只有一条与 RISC 结合。然后，miRNA-RISC 复合物与 mRNA 结合，抑制翻译。如果miRNA与靶基因完全互补，则mRNA可以被分解。总而言之，这些机制被称为基因沉默。

双链 RNA 可以由细胞核中的 DNA 产生。比将这个 dsRNA 切成 miRNA 或 siRNA 要好得多。miRNA 不是完美的搭配，通常只有一条链被掺入 RISC 中。这会阻断翻译，但 mRNA 是稳定的。 RISC 卡在目标上。 siRNA 具有完美的匹配性，已纳入 RISC 中。这会触发 mRNA 裂解。 — 图 $\PageIndex{3}$ ：此图说明了在真核细胞中使用 siRNA 或 miRNA 来沉默参与各种疾病发病机制的基因的过程。（来源：国家生物技术信息中心对工作的修改）

关键概念和摘要

基因组学科学使研究人员能够从整体上研究生物体，并且有许多与医学相关的应用。
转录组学和蛋白质组学使研究人员能够比较不同细胞之间的基因表达模式，并在更好地了解全球对各种疾病的反应方面显示出巨大的希望。
各种组学技术相辅相成，共同提供了生物体或微生物群落（宏基因组学）状态的更完整画面。
通过基因组学、转录组学和蛋白质组学生成的大型数据集所需的分析导致了生物信息学的出现。
编码易于观察特征的报告基因通常用于追踪功能未知基因的基因表达模式。
重组 DNA 技术的使用彻底改变了制药行业，允许快速生产用于治疗各种人类疾病的高质量重组 DNA 药物。
作为一种通过沉默特定基因的表达来治疗病毒感染的方法，RNA干扰技术具有很大的前景。

脚注

1 E.O. List、D.E. Berryman、B. Bower、L. Sackmann-Sala、E. Gosney、J. Ding、S. Okada 和 J.J. Kopchick。 “使用蛋白质组学研究传染病。” 传染性疾病-药物靶点（以前是目前的药物靶点-传染病）8 no.1（2008）：31—45。
2 Mohan Natesan 和 Robert G. Ulrich。 “传染病的蛋白质微阵列和生物标志物。” 《国际分子科学杂志》第 11 期第 12 期（2010）：5165—5183。
3 何塞·路易斯·阿德里奥和阿诺德 ·L· 德曼。 “用于生产工业产品的重组生物。” 生物工程错误 1 第 2 号 (2010)：116—131。
4 美国卫生与公共服务部。 “疫苗的类型。” 2013。www.vaccines.gov/more_info/types/ #subunit. 已于 2016 年 5 月 27 日访问。
5 互联网药品清单。 R@@ ecombivax。2015。 http://www.rxlist.com/recombivax-drug.htm。已于 2016 年 5 月 27 日访问。