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戴勇:解码系统生物组学体系 攻克复杂性疾病堡垒
发表时间 2018-11-20 10:32 来源 本站原创

  ——记深圳市人民医院主任医师、教授、博士生导师戴勇及其科研成果

  起始于1998年“系统生物组学研究体系的创建及其在人类复杂性疾病应用研究”项?#31185;?#21160;,戴勇教授借助新一代高通量测序?#25945;ā?#34507;白质谱?#25945;?#21450;信息分析?#25945;ǎ?#22312;多个组学水平上包括基因组、转录组、表观组及蛋白质组水平上对人类复杂性疾病展开全方位研究,并结合多组学贯穿的研究策略,建立包括自身免疫性疾病、肾脏病、遗传性疾病与恶性肿瘤的免疫分子调控通路,就也有可能抓住引起复杂性疾病发生、发展的主要?#26041;凇?#25171;?#23631;?#36807;去所采用的“还原论”的方法来研究单一因子或单一路径。

  戴勇团队承担的“系统生物组学研究体系的创建及其在人类复杂性疾病应用研究”项目,是国家自然科学基金和地方基金资助项目,以深圳市人民医院为主要完成单位。

  戴勇?#25285;?#31995;统生物学是在细胞、组织、器官和生物体整体水平研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用,并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为。因此,系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学。系统生物学借助于基因组和转录组、功能基因组、蛋白质组和代谢组分析方法,在基因组序列的基础上完成由生命密码到生命过程的研究,这是一个逐步整?#31995;?#36807;程,由生物体内各种分子的鉴别及其相互作用的研究到途径、网络、模块,最终绘制整个生命活动的路线图。

  基因组学的发展是基于测序技术的发展,主要任务是对基因进行注释,发现基因的功能,为系统生物学研究打下基础。蛋白质组学是在特定的细胞或者组织中检测所有表达的蛋白质,这是功能基因组学

  的另一个侧面。表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达的可遗传的变化的一门遗传学分支学科。包括DNA甲基化、基因组印记、基因沉默?#21462;?#36716;录组是指特定细胞在某一功能状态下所能转录出来的所有RNA的总和,转录组学是指通过高通量方法研究转录物组的表达动力学,间接地阐述基因组的功能。代谢组学研究生物体对病理生理刺激或基因修饰产生的代谢物质其质和量的动态变化,关注的对象为小分子化合物。

  经典的分子生物学研究是一种垂直型的研究,即采用多?#36136;?#27573;研究个别的基因和蛋白质。首先是在DNA水平上寻找特定的基因,然后通过基因突变、基因剔除等手段研究基因的功能;在基因研究的基础上,研究蛋白质的空间结构,蛋白质的修饰以及蛋白?#22987;?#30340;相互作用?#21462;?#32780;生物组学是一?#36136;?#27700;平型研究,即以单一的手段同时研究成千上万个基因或蛋白质;生物组学研究?#24247;?#39640;通量,其实质是尽可能多的将研究对象拓宽,在各个作用相关体之间?#39029;?#20851;系,对研究的微环境达到系统的认识。而系统生物组学的特点,则是要把水平型研究和垂直型研究整合起来,成为一种“三维”的研究。?#36865;猓?#31995;统生物组学还是典型的多学科交叉研究,它需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与。

  对人类复杂性疾病特征的分析一直是生物组学研究的重要课题。在遗传获得的致病基因或外界环境刺激因素等的作用下,人体的代谢物质、生理功能、细胞结构等方面发生改变,并由此表现出的症?#30784;?/p>

  体征和行为的异常称为疾病。普通的疾病诊断方法通常利用在一个或几个指标?#31995;?#38408;值作为疾病的判别标准。然而,仅仅将简单的阈值指标作为疾病的判别标准将无法满?#38408;?#22810;对复杂疾病进行准确诊?#31995;?#38656;要。

  因此,戴勇教授带领他的团队的研究基于系统生物组学研究,创建人类复杂性疾病的诊断新体系,鉴定特异性生物标志物并建立可靠的检测方法。为人类复杂性疾病的诊断和治疗提供新的依据。他们在系统生物组学方面主要取得了如下成果:

  创新实验体系发现标志物构建诊断模型

  成功构建相关疾病系统生物学的创新实验体系。戴勇和他的团队通过研究血液、组织中生物蛋白组和代谢物组的表达,筛选关键的生物标志物,建立了一系列创新实验体系:一是成功运用蛋白芯片、相?#38498;途?#23545;定量的同位素标记(iTRAQ)、?#21512;?#33394;谱(LC)、质谱(MS)、核磁共振(NMR)等技术构建了蛋白质、代谢物差异表达图谱的实验方案;二是选择性地对异常表达的生物分子进行验证并分析其表达水平与疾病发病的相关性;三是对差异表达的生物标志物进行GO功能和 KEGG通路分析,确定它们的生物学功能及其参与的信号转导途径和代谢通路。

  他们采用系统生物学研究方法,发现了疾病相关的系统生物学标志物。研究系统性红斑狼疮(SLE)、慢性肾脏病(CKD)、Alport综合征、唐氏综合征相关的潜在生物标志物,获得参与SLE、IgAN 等免疫系统调节通路的关键致病因子,鉴定出可能参与IgA 肾病发病的多个代谢小分子,筛查出多个特征代谢物,为临床实验?#33402;?#26029;寻找新的潜在生物标志物提供了新的理论依据。

  他们基于系统生物学研究方法和研究模式,构建了疾病新型诊断模型。基于肽质量指纹谱经数据库检索鉴定蛋白质,并比较这些蛋白的表达差异,建立蛋白图谱诊断模型;结合主成分分析(PCA)?#25512;?#26368;小二乘判别分析(PLS-DA)、正交偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)对NMR谱数据进行模式识别分析,成功构建了SLE、AS、CKD、唐氏综合征的诊断模型,为疾病的早期诊断提供了新思路。

  戴勇和他的团队基于这一项目共发表论文570篇,其中SCI收录136篇,中文论文424 篇。通过这一项目,共计培养硕士研究生49名,博士研究生7名。

  重要发现

  随着科研进展,一项项重要发现相继问世。他们采用多重PCR、Illumina 测序和IMGT/HighV 相结?#31995;?#26041;法,建立了分析系统性红斑狼疮(SLE)T细胞受体BV互补区3(TCR BV CDR 3)基因的特征和多态性的方法。

  发现array-CGH可应用于临床细胞遗传诊断中。用全基因外显子组技术捕获鉴定黏多糖贮积症VII型患者的致病基因,采用Sanger 测序验证基因突变位点,为产前诊断提供了新方法。

  采用相对绝对定量(iTRAQ)技术鉴定和定量LN患者肾组织中的总蛋白,得到四种显著差异的蛋白质。利用双向电泳技术优化了大鼠肾移植急性排斥反应异基因移植物蛋白质组学研?#20811;?#21521;电泳技术体系。应用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)等蛋白质组学技术分别研究SLE、类风湿性关节炎(RA)和狼疮肾炎(LN)V型,成功构建了蛋白质组差异表达图谱,建立了具有高的预测能力和交叉验证能力诊断预测模型。应用 NMR 技术成功建立了SLE、IgA 肾病(IgAN)、肝硬化、慢性肾脏疾病(CKD)、糖尿病肾病、肾移植术前后血清代谢物的诊断模型。

  通过本项目分析SLE的磷酸化肽段时进行了质谱分析和鉴定,结果是SLE患者与正常人存在有差异的1035个磷酸化位点,与标注蛋白?#26434;?#30340;基因有618个,基因网络分析发现,Src、RELA、HDAC1等连接度高,为hub 基因,对维持网络稳定起到重要作用。

  应用第二代测序技术结合DNA pooling策?#38498;?#29983;物信息学分析技术寻?#20197;?#21457;性高血压(EH)的易感基因,得到多种基因突变及位点,得到了蛋白质相互作用网络。其中纤维连接蛋白1(FN1)、蛋白激酶N1(PKN1)、融?#31995;?#30333;19(CD19)、细胞分裂周期蛋白5样蛋白抗体(CD5L)这4个位点是互相作用网络通路流经数据量最大的几个节点。还发现尚未报道过的FN1、PKN1、CD19、CD5L可能是EH发病过程中的关键节点基因。通过转录组学技术分别研究了非IgA 膜增生性肾小球肾炎(non-IgA MsPGN)、尿毒症、肾移植术后急性排斥反应、胃癌、石骨症、Alport 综合征(AS)、膜性肾病(MN)、SLE、唐氏综合症(DS)、RA,得到大量差异表达的非编码RNA,进行GO和KEGG分析后,获得了调控网络图。

  通过调控网络构建发?#22336;?#32534;码RNA中的lncRNA参与non-IgA MsPGN、尿毒症等疾病的发病机制,找到了在肾移植术后分子信号通路?#24739;?的lncRNA和miRNA,构建的尿毒症差异性表达图谱方法获得了专利。

  在肾移植术后急性排斥反应的lncRNA 调控网络分析研究中,他们对miRNA和转录因子进行了调控分析,实现了首次对重大疾病发病中发挥重要作用的lncRNA、miRNA和转录因子这三个关键因素进行调控关联分析。在对AS研究中,发现差异性表达microRNAs靶基因GO ?#24739;?#20027;要聚集在细胞分子、细胞组成与细胞生物学过程,嘌呤代谢通路与丝裂原激活的蛋白激酶是主要的KEGG信号传导通路;而novel microRNA靶基因主要?#24739;?#20110;生物调节、生物新陈代谢、细胞信号传导、?#22797;?#21270;反应、分子转?#35828;?#36807;程,在KEGG通路分析中,靶基因主要参与代谢通路、嘌呤代谢、癌症转录调节等过程。运用iTRAQ技术分析AS、DS的差异性表达蛋白质,在DS中共筛选鉴定到506种差异表达蛋白,并得到其调控网络。

  在系统生物学作为疾病相关生物标志物方面,“唐氏综合征21号染色体miRNA差异表达图谱模型、构建方法及应用”获得了国家发明授权。研究中,他们应用hMeDIP-chip技术等分析人体器官心脏?#25512;?#33039;、尿毒症、SLE,结果发现H3K9me3差异可作为一个潜在的生物标志物或是表观遗传疾病的治疗靶点。运用转录组学技术研究终末期肾炎,得到miR-15b、miR-155和miR-126,可作为检测标志物。使用双向凝胶电?#23613;TRAQ技术、Western blot等蛋白质组学技术研究 SLE、狼疮性肾?#20303;?#34562;蜇伤战士、AS、DS、急性髓性白血病、强直性脊柱炎的蛋白表达情况,结果发现狼疮活动期血清hnRNP A2/B1水平显著提高;在蜂蜇伤战士的血清中存在5个新增蛋白质点,3个蛋白点?#31995;鰨?个蛋白点下调,其中包括KRT10角蛋白I型、KRT1角蛋白 II 型、触珠蛋白相关蛋白、触珠蛋白 HP、HPR 蛋白、α2-巨球蛋白、β血影蛋白 brain1;有383种与AS发病相关的差异蛋白质。采用基于质谱核磁共振代谢组技术结合模式识别分析IgA肾病血清代谢物的差异,结果共筛选出24种IgA肾病的特征代谢物(丙酮酸盐、苯丙氨酸、myo-肌?#32908;?#20083;酸盐、不饱和脂类)。其中,唐氏综合征的 miRNA 筛选、应用、差异表达图谱、构建方法已获得专利授权。

  戴勇小传

  戴勇,1983年和1992年毕业于同济医科大学和中山医科大学,获医学博士学位。2002-2003在德国爱尔?#20960;?#22823;学作为访问学者和博士后工作和学习。现任暨南大学第二临床医学院(深圳市人民医院)肾内科主任医师(二级)、教授,博士研究生和博士后导师,暨南大学肾脏研?#20811;?#21103;所长;临床医学研究中心主任、深圳市胰岛?#19978;?#32990;移?#34917;?#20849;实验?#25945;?重点实验室)主任(2007年开始),产前诊断中心副主任,广东省出生?#27605;?#20020;床医学研究中心主任(2017年开始),深圳市出生?#27605;?#19982;遗传病生物诊断技术创新?#25945;?#20027;任(2016年),兼任美国贝勒盛威医疗集团和德州农工大学医学院访问教授。先后担任暨南大学第二临床医学院中心实验室副主任、主任;肾脏内科副主任、血液净化科主任。

  1996年被评为深圳市十大?#21028;?#31185;技青年;1997成为年深圳市?#21028;?#38738;年科技专家、市管?#21028;?#19987;家;1999 年获深圳市“五四”青年奖,并获“深圳市?#21028;?#31185;技带头人”称号;2011年度深圳市卫生人口计生系统“十佳”先进工作者;2013年度科技中国人年度人物;2014年中国产学研创新奖合作促进奖;2013年美国杰出人才;2018年被中共深圳市委员会授予“深圳市新担当新作为先进典型”;2018年再获深圳市医管中心“?#21028;?#21307;学人才”称号。

  多年来,戴勇完成各级研究课题80项,其中以项目第一负责人身份完成国家和部省级课题13项、市级课题17项。申请国家发明专利62项,已获授权14项。在国内外发表论文580篇,其?#24615;?#22269;外以第一作者或通讯作者发表论文151篇,被SCI收录论文近138篇,总引用次数超过3000次,其中单篇引用最高306次。主编或参与编写了8部专著,其中3部国外专著。获国家级和省市科研成果奖12项,其中国家科技进步奖二等奖1项,省部级科研成果奖12项,以项目第一负责人获奖7项。

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