[转帖]基因表达谱的概念及研究进展
基因调控研究表明,人体每―细胞、每一组织,在不同的发育、分化阶段,不同的生理条件和病理状态下,其表达的基因种类以及每一基因的表达丰度都是各不相同的,且此差别存在严格调控的时空特异性。生命过程的精确机制很大程度上正是基于这类基因的精细调控,许多生命现象的深层次问题都集中于此。而结构基因组研究不能告诉人们哪些基因在何时何地以何种程度表达。
差不多在结构基因组研究开始的同时,以鉴定基因功能、阐释严格时空和细胞依赖性的基因表达调控机制为中心的功能基因组研究也紧锣密鼓的开始了。
cDNA是与基因转录物信使RNA互补的DNA,代表了基因的生物学信息。EST指长度为300"500bp的部分cDNA,其对人类基因转录图的制作、全长基因的克隆、基因表达谱的研究等有重要作用。“cDNA计划”的主要目标是,收集大量的cDNA序列片段,并将之通过数据库同源性检索以鉴定新基因。由于这些cDNA序列片段是基因全长转录物的一个片段,除非这一片段正好对应了某一基因家族的保守区,它往往代表着―个基因,因此Adams MD等称这些cDNA序列片段为EST。目前,从EST出发鉴定新基因的策略已逐步得到完善。但由于“cDNA计划”当初是为鉴定新基因而设计,鉴于文库组成的“偏性”(bias),由该方法收集到的EST并不能作为特定细胞或组织表达基因的量化分析的数据来源。
在此背景下,Okubo等(1991)提出了勾画人体基因图的宏伟设想,并界定了基因表达谱的概念。通过构建处于某一特定状态下的细胞或组织的非偏性cDNA文库,大规模cDNA测序,收集cDNA序列片段、定性、定量分析其mRNA群体组成,从而描绘该特定细胞或组织在特定状态下的基因表达种类和丰度信息,这样编制成的数据表就称为基因表达谱。
该谱实际上从mRNA水平反映了细胞或组织特异性表型和表达模式。如果收集各类组织和细胞的基因表达谱,将每一个表达的基因标记到其表达的组织,就能组成一张人体基因图;抑或对这些各不相同的基因表达谱作两两或多重比较,就能筛选出细胞特异性或发育阶段特异性的基因,这项工作无疑将对阐释基因表达调控机制十分有益。由此,可以从一个新的视角系统、全面地深化人们对发育、分化、进化和衰老等基本生命现象,以及肿瘤、心血管疾病等危害人类健康的重大疾病发生机制的认识。
近年来,人们相继开展了一系列大规模基因表达检测技术,如大规模EST测序法(Okubo et at. 1991)、微阵列法DNA芯片及SAGE法。这些方法都能定性、定量且大规模地检测基因的表达产物mRNA,并绘制基因表达谱。利用这些基因表达谱检测技术,已在以下几个方面开展了研究:
(1)正常细胞或组织基因表达谱研究,主要的细胞有角膜上皮细胞\角质化细胞)、外周血粒细胞(主要的组织有正常人垂体、肝脏发育相关基因群、人结肠粘膜组织,以及人和小鼠肝脏的基因表达谱比较研究。
(2)疾病相关基因表达研究:主要的有①肿瘤相关基因表达研究如神经母细胞瘤(neuro-blastoma, NB)细胞系(CHPl34) 、食管癌及癌旁组织、鼻咽癌、肺癌基因表达谱的研究;②炎症相关基因表达研究如类风湿关节炎、肠炎基因的特征性表达活性;③细胞病理相关基因表达研究如人T淋巴细胞在热休克条件下和佛波酯作用下的基因表达差异研究。
(3)染色体表达图谱绘制,如酵母基因组基因的SAGE分析法。
(4)基因功能研究,如RAS基因和p53基因功能的研究。
(5)药物作用机制的研究,如Gray等(1998)报道通过测定药物使用前后mRNA水平的变化,分析了激酶抑制剂对酵母大规模基因组的影响。而Marton等(1998)报道了免疫抑制药物FK506的基因表达模式特征,与此相同的模式在携带FK506靶基因无效突变的酵母细胞中也能观察到,从而确定了一种基因功能通过遗传和药理作用消除后可导致基因表达的类似变化。
Clarke等(1999)用基因芯片研究了肠癌患者化疗前和治疗期间肿瘤基因表达情况,发现丝裂霉素-C和5-氟尿嘧啶治疗均可使糖苷合成酶和尿嘧啶-DNA糖基酶的基因表达增加。这类研究有助于阐明药物的作用机制和确定药物作用的靶基因,为新药研究提供线索。
(6)毒理学研究,如Nuwaysir等(1999)研制了包括涉及细胞凋亡、DNA复制和修复、氧化应激/氧化还原内稳态、过氧化物酶体增殖反应、二?英/多环芳烃反应、雌激素反应、看家基因、癌基因和抑癌基因、细胞周期控制、转录因子、激酶、磷酸酶、热休克蛋白、受体、细胞色素P450等共2090个基因的毒理芯片(ToxChipv1.0),该芯片既可用于毒物的检测和遗传多态性的检测,又可用于受检毒物的毒作用机制的研究。
最近,Holden等从人和小鼠文库中选择约600个与毒理学相关基因的cDNA克隆,制备了种属特异的毒理基因组学芯片,可研究肝脏毒性、内分泌干扰、致癌作用等毒性终点的作用机制,也可用于确定以基因表达模式为基础的化合物的毒性。
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