功能基因篩選方法的研究進展

【資料簡介】

摘要: 功能基因的篩選研究可為深入了解疾病的發(fā)生和發(fā)展過程,藥物作用機制,建立新的疾病診斷、預(yù)防、治療策略奠定基礎(chǔ),因而正在成為當(dāng)今藥物及藥物靶點發(fā)現(xiàn)的重要途徑。該領(lǐng)域的迅速發(fā)展很大程度上借助于技術(shù)方法的不斷提高和發(fā)展。本文對功能基因篩選研究策略及主要技術(shù)方法,如表達譜分析法、高通量細(xì)胞篩選技術(shù)、反義核酸技術(shù)、轉(zhuǎn)基因/ 基因敲除技術(shù)等的研究進展及應(yīng)用進行了綜述。 
近年來,隨著人類基因組計劃的初步完成,后基因組時代蛋白質(zhì)組學(xué)、功能基因組學(xué)等研究的深入開展給藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域帶來了革命。基因組龐大規(guī)模序列的可利用性、高通量基因表達檢測方法的發(fā)展及大規(guī)模數(shù)據(jù)分析能力的提高,為藥物發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)了廣闊的前景。然而,新基因不等于新藥靶點或新藥物。目前,藥物發(fā)現(xiàn)的主要挑戰(zhàn)之一,就是要快速估測和了解新基因的生物學(xué)功能,確定該基因是否能夠成為藥物靶點或直接作為治療藥物(基因藥物或蛋白質(zhì)藥物) ,即進行功能基因的篩選研究。功能基因的篩選研究正在成為當(dāng)今藥物及藥物靶點發(fā)現(xiàn)的重要途徑,同時也為深入了解疾病的發(fā)生和發(fā)展過程、藥物作用機制以及新的疾病診斷、預(yù)防、治療策略的建立奠定了基礎(chǔ)。這一領(lǐng)域的迅速發(fā)展很大程度上借助于眾多技術(shù)方法的發(fā)展和應(yīng)用,本文對其中一些主要方法及其研究進展進行了綜述。 
1、功能基因篩選的基本策略 
目前,國內(nèi)外進行功能基因篩選研究的基本策略包括: (1) 通過表達譜差異分析、生物信息學(xué)分析和基因克隆等途徑獲得候選基因; (2) 對候選基因進行功能評價(identification of function ,可在基因組、轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)組和代謝產(chǎn)物等水平進行); (3) 基因功能確證(validation of function); (4) 決定開發(fā)戰(zhàn)略。 
1. 1 差異表達篩選功能基因 
獲得候選基因的研究路線之一是通過正常和疾病組織的表達譜差異分析(expression profiling of normal and diseased tissues) 獲得疾病的相關(guān)基因,進一步進行基因功能的篩選研究(圖1) 。該篩選策略與疾病過程密切相關(guān),較多地應(yīng)用于新藥及治療靶點的發(fā)現(xiàn)[1～3 ] 。 
1. 2 生物信息學(xué)分析 
確定候選功能基因獲得候選基因的另一研究路線是通過生物信息學(xué)分析( bioinformatic analysis) 預(yù)測、選定基因序列、克隆獲得候選基因,進一步進行基因功能的篩選研究(圖2) [4 ] 。該研究策略篩選范圍廣,多用于新基因的功能探索研究。 
用于生物信息學(xué)分析的數(shù)據(jù)資料,主要來源于DNA 芯片技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)測定的基因表達信息[4 ] 。通過與已知基因或蛋白質(zhì)序列的分析、比較,可以確定候選研究基因序列長度,提供該未知基因產(chǎn)物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白類型和細(xì)胞定位等預(yù)測信息[5 ] 。然而,由于人類基因組中約1/ 3 的基因序列與其他基因無同源性,因此這些基因的功能不易進行直接預(yù)測。另一方面,蛋白質(zhì)的功能表現(xiàn)還與其所處的分子環(huán)境有關(guān),一種蛋白質(zhì)實際上與相鄰蛋白質(zhì)形成了功能網(wǎng)絡(luò)(functional networks) 。 
因此,生物信息學(xué)中的功能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫分析,對于了解復(fù)雜信號通路及與其他基因產(chǎn)物的關(guān)系,可能會提供有價值的參考信息[6 ] 。 
1. 3 其他 
除上述研究策略外,其他途徑的功能基因研究也在進行,如直接從正?；蚣膊〗M織中克隆單一未知基因,進行功能研究。 
2 、表達譜分析法 
表達譜差異分析(differential expression profiling)主要包括基因表達譜(gene expression profiling) 和蛋白質(zhì)表達譜(protein expression profiling) [3 ,4 ,7 ] 。大規(guī)模表達譜分析已經(jīng)成為認(rèn)識疾病分子機制的有利方法,在癌癥研究等方面取得了一定的進展[2～4 ] 。成功的表達譜分析基于實驗及其過程分析的有機結(jié)合。實驗過程從關(guān)注的疾病開始,首先收集大量的疾病相關(guān)組織樣本,樣本數(shù)量可從10 多個到數(shù)百個,但必須足以對每一組織類型及個體差異進行比較分析,而且許多情況下不能僅簡單地分為正常和疾病組織。例如,在對糖尿病的研究中,所收集的樣本來自健康人、胰島素耐受和糖尿病病人的不同試驗階段,如胰島素治療前后。樣品還應(yīng)包括其他器官的取材,以便進行基因表達的組織分布研究。為了便于對后來的實驗數(shù)據(jù)進行分析管理,需采集并儲存所有的組織樣本和臨床參數(shù)。接下來進行組織樣本的處理,利用生物芯片(寡核苷酸芯片、cDNA 芯片或全基因組芯片) 進行表達譜測定,并進行生物信息學(xué)分析。 
通常,表達譜的分析結(jié)果需進一步的實驗加以證實。定量RT2PCR 是zui靈敏的確證方法,該方法還可以將確證實驗的范圍擴大到原測組織以外的更廣泛的組織和組織類型,揭示基因表達的組織分布情況。 
確證實驗揭示了疾病相關(guān)基因。據(jù)此,可以進行進一步研究,探索這些基因的功能,開發(fā)新的治療手段。例如,對于正常和疾病組織中表達有顯著性變化的基因,可以進行新治療靶點的鑒定和確定研究,或利用實驗和分析工具研究分析其功能;對于疾病組織中活性升高的酶,可以當(dāng)作前藥活化酶進行鑒定研究。典型的表達譜能夠顯示疾病過程中有大量的已知基因表達的改變,而許多已知基因的代謝通路、表達產(chǎn)物酶學(xué)分類和蛋白質(zhì)功能業(yè)已發(fā)表,將兩者對照分析,可以鑒定出酶活性,選擇其中可能成為前藥活化酶的部分進行進一步研究;對于疾病特異的蛋白質(zhì),可以進行抗原表型分析,決定疫苗的開發(fā)策略[1 ] 。 
尋找差異表達基因的方法除芯片技術(shù)外,一些新的檢測方法如差異顯示PCR ( differential display PCR, DD－PCR) 、消減雜交( suppression subreactive hy bridization , SSH) 等也相繼得到結(jié)合應(yīng)用[8 ,9 ] 。