比較基因組學研究方法

1. 「基因組」「蛋白組」「轉錄組」「代謝組」的異同

基因組：以生物體所有的核酸為研究對象，狹義的基因組定義為生命體的全套DNA，廣義的基因組則包含DNA、mRNA、lncRNA等參與到基因表達調控的所有核酸序列。其主要研究手段為基因測序，以華大基因為代表。轉錄組通常可認為是基因組的簡化研究手段，即所有轉錄本的集合。

蛋白組：生物體基因組所編碼的全套蛋白質。鑒於蛋白質表達的時空特異性，各組織器官或者特定亞細胞結構器（如線粒體、葉綠體），甚至是外泌蛋白，也可以成為一個蛋白組。所以蛋白質組是信號轉導、分子發育最為直接的手段。其主要研究手段為生物質譜，在國內以牟合蛋白為典型。

代謝組：生物體內源性代謝物質的動態整體，通常只涉及相對分子質量約小於1000的小分子代謝物質。因其與蛋白質組一樣可以很好的指針細胞、機體的生命活動狀態，所以常常被用作臨床生物標志物的篩選。目前，代謝組的研究也只能藉助生物質譜完成。

下面這幅圖能夠很好的呈現基因、代謝、生命活動間的關系:

Figure. Genomic-Proteomic-Phenotype

2. 基因組學總結

基因組學的目的是對一個生物體所有基因進行集體表徵和量化，並研究它們之間的相互關系及對生物體的影響 。基因組學還包括基因組測序和分析，通過使用高通量 DNA測序 和生物信息學來組裝和分析整個基因組的功能和結構。基因組學同時也研究基因組內的一些現象如上位性（一個基因對另一個基因的影響）、多效性（一個基因影響多個性狀）、雜種優勢（雜交活力）以及基因組內基因座和等位基因之間的相互作用等。

功能基因組學 是分子生物學的一個領域，它試圖利用基因組項目（如基因組測序項目）產生的大量數據來描述基因（和蛋白質）的功能和相互作用 。功能基因組學側重於基因轉錄、翻譯和蛋白質-蛋白質相互作用的動態變化，與基因組提供的DNA序列或結構等靜態信息截然相反。功能基因組學試圖從基因、RNA轉錄本和蛋白質產品三個水平上回答有關DNA功能的問題。功能基因組學研究的一個關鍵特徵是它們對這些問題的全基因組方法，通常涉及高通量方法，而不是傳統的「個案基因」方法。

基因組學的一個主要分支仍然關注於對各種生物體基因組的測序，但全基因組的知識為 功能基因組學 關注各種條件下 基因表達 的模式創造了可能。涉及到的最重要的工具是晶元技術和生物信息學 。

試圖描述由給定基因組編碼的每個蛋白質的三維結構 。這種基於基因組的方法允許通過實驗和建模相結合方法高通量進行蛋白結構鑒定。結構基因組學與傳統結構預測的主要區別在於，結構基因組學試圖確定基因組編碼的每一種蛋白質的結構，而不是專注於一種特定的蛋白質。隨著全基因組序列的公開，通過實驗和建模相結合的方法可以更快完成 蛋白質結構預測 ，特別是由於大量測序基因組和以前解析蛋白質結構的公開，使得科學家可以根據已有同源物的結構對蛋白質結構進行建模。

結構基因組學 涉及到大量的結構鑒定方法，包括利用基因組序列的試驗方法、基於已知同源蛋白質的序列或結構同源性基礎上的建模方法、或基於沒有任何已知結構同源性蛋白質的化學和物理特性的建模方法。與傳統的結構生物學相反，結構基因組學來確定的 蛋白質結構 常常（但並不總是）先於對其功能的了解。這對結構生物信息學提出了新的挑戰，比如要從蛋白質的三維結構中確定其功能。

表觀基因組學 是研究表觀基因組，即生物體中所有表觀修飾的遺傳物質的學科 。 表觀遺傳修飾 是對細胞DNA或組蛋白的可逆修飾，在不改變DNA序列的情況下影響 基因表達 。兩個最具特徵的表觀遺傳修飾是 DNA甲基化 和組蛋白修飾。表觀遺傳修飾在基因表達和調控中起著重要作用，並參與許多細胞過程，如分化/發育和腫瘤發生。直到最近，通過基因組高通量分析，才可能在全基因組范圍研究 表觀遺傳學

宏基因組學 是研究直接從環境樣品中提取的遺傳物質的元基因組的學科 。宏基因組學也稱為環境基因組學、 生態基因組學 或群落基因組學。傳統的微生物學和微生物基因組測序依賴於培養的克隆培養物，而早期的環境基因測序克隆了特定的基因（通常是16S rRNA基因），從而獲得自然群體的多樣性。這些工作表明，絕大多數微生物的多樣性被基於菌落培養的方法所遺漏。宏基因組使用「散彈槍」測序或大規模平行 焦磷酸測序 ，可以無偏好地獲得樣本群體中所有微生物成員的基因信息。由於宏基因組學能夠揭示此前被隱藏的 微生物多樣性 ，它為觀察微生物世界提供了一個強有力的工具，其結果有可能徹底改變對整個生命世界的認知。

基因組學在許多領域包括醫學、生物技術、人類學和其他社會科學等得到了應用。

新一代基因組技術使臨床醫生和生物醫學研究人員能夠大幅增加從大規模研究群體中收集的基因組數據量。當結合新的信息學方法將多種數據與基因組數據進行集成後，研究人員就能夠更好地理解 葯物反應 和疾病的遺傳基礎 。例如，All of Us 研究計劃旨在收集100萬參與者的基因組序列數據，並成為精準醫學研究平台的重要組成部分。

基因組知識的增長使得 合成生物學 的應用越來越復雜。2010年，克雷格·文特爾研究所的研究人員宣布，成功部分合成了一種細菌-來源於 生殖支原體 基因組的合成支原體。

自然資源保護主義者可以利用基因組測序收集到的信息，更好地評估物種保護的關鍵遺傳因素，如種群的 遺傳多樣性 ，或個體是否為隱性遺傳疾病的攜帶者。通過使用基因組數據來評估進化過程的影響，並檢測特定種群的變異模式，自然資源保護主義者可以制定計劃，在不像標准遺傳學方法那樣留下許多未知變數的情況下，幫助特定物種。

基因組大小是一個拷貝的單倍體基因組中DNA鹼基對的總數。

基因組大小與 原核生物 和低等 真核生物 的形態復雜性呈正相關 。然而，在軟體動物和上述所有其它高等真核生物之後，這種相關性已不再存在 ，主要是因為重復DNA的緣故。

生物體所有細胞都源自同一個單細胞，因此它們應該具有相同的基因組。但是，在某些情況下，細胞間會出現差異。細胞分裂期間的 DNA復制 和環境誘變劑的作用都可導致體細胞發生 突變 。在某些情況下，這種突變會導致癌症，因為它們會導致細胞更快地分裂並侵入周圍組織。 在減數分裂期間， 二倍體細胞 分裂兩次以產生單倍體生殖細胞。在此過程中，重組導致遺傳物質從 同源染色體 重新洗牌，因此每個配子具有獨特的基因組。

3. 比較概述基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學的概念、研究方法、優缺點及應用設想

組學omics，研究的是整體. 按照分析目標不同主要分為基因組學，轉錄組學，蛋白質組學，代謝組學。
基因組學研究的主要是基因組DNA，使用方法目前以二代測序為主，將基因組拆成小片段後再用生物信息學演算法進行迭代組裝。當然這僅僅是第一步，隨後還有繁瑣的基因注釋等數據分析工作。
轉錄組學研究的是某個時間點的mRNA總和，可以用晶元，也可以用測序。晶元是用已知的基因探針，測序則有可能發現新的mRNA,
蛋白組學針對的是全體蛋白，組要以2D-Gel和質譜為主，分為top-down和bottom-up分析方法。理念和基因組類似，將蛋白用特定的物料化學手段分解成小肽段，在通過質量反推蛋白序列，最後進行搜索，標識已知未知的蛋白序列。
代謝組分析的代謝產物，是大分子和小分子的混合物，主要也是用液相和質譜。
總而言之，這些技術都想從全局找變數，都是一種top-down的研究方法，原因很簡單：避免『只緣身在此山中』的尷尬。
但因為技術局限，都各有缺點，尤其是轉錄組和蛋白組數據，基本上顛覆了以前一直認為的mRNA水平能代表蛋白水平的觀念，因為這兩組數據的重合度太低。
所以目前很多研究都開始使用交叉驗證方法。
無論如何，都需要對數據進行分析，有經驗的分析往往能化腐朽為神奇。