免疫组学课件.pptx

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1、1,2023/1/16,1,分子免疫学,Molecular Immunology,2,2023/1/16,2,课程介绍,课程安排:理论课授课对象：主要面向硕士研究生考试安排：5道问答题参考资料：课件、参考书、参考文献 user:class pwd:class,3,2023/1/16,3,本次课程内容,免疫学导言概念;中心法则;免疫系统;免疫细胞；分子免疫学免疫组学概念；主要研究内容,4,2023/1/16,4,免疫学导言,1。免疫学概念 Immunitas Latin meaning“exempt”:免除劳役或税赋 研究机体抵抗疾病（免疫力）的科学,5,2023/1/16,5,与人类健康相关的

2、很多疾病与免疫系统密切相关：感染、自身免疫病、肿瘤、变态反应、心血管病、神经系统疾病等。,6,2023/1/16,6,免疫相关疾病发生的三个条件,Fathman,Diseases,7,2023/1/16,7,疫苗和抗体的应用标志着免疫学对促进人类健康的巨大贡献AIDS、SARS、禽流感、甲型H1N1流感及新的突发传染病的威胁对当代免疫学的产生重要影响人类基因组计划的完成推动了当代免疫学发展，形成免疫组学（Immunomics）研究的新领域。,8,2023/1/16,8,2。免疫学的中心法则:识别“自己”（Self）“非己”（Nonself）,9,2023/1/16,9,3。免疫系统（Immun

3、e system）免疫系统历经数亿年的进化，形成复杂的精细调控系统，发挥机体的军队和警察的作用，参与：防御(defence)、自稳(hemeostasis)、监视(surveillance),10,2023/1/16,10,免疫系统的组成,11,2023/1/16,11,免疫系统的功能,12,2023/1/16,12,免疫系统的两道防线,天然(固有)免疫（Innate Immunity）机体天然存在直接抵抗外来侵袭的免疫系统，包括皮肤粘膜、吞噬细胞、NK细胞、补体、模式识别受体等。,13,2023/1/16,13,14,2023/1/16,14,获得性免疫（Adaptive Immunity）

4、机体特异性识别和排除抗原的免疫系统，具有记忆性的特点，包括T、B细胞、抗体等,15,2023/1/16,15,Humoral Immunity&Cellular Immunity,16,2023/1/16,16,免疫细胞,17,2023/1/16,17,B Cells-Plasma Cells,18,2023/1/16,18,Cytotoxic T Cell(CD8+),The kiss of death,细胞毒性T细胞（Tc，Cytotoxic T cell；CTL，Cytotoxity T lymphocyte）：具有特异性杀伤靶细胞作用的T细胞,19,2023/1/16,19,Helpe

5、r T Cells(CD4+),辅助性T细胞：具有辅助免疫细胞行使功能作用的T细胞（Th),20,2023/1/16,20,Th1-Th2 细胞,21,2023/1/16,21,调节性T细胞（Tr，T regulatory cell）CD4+CD25+Foxp3+，参与免疫应答的负调节和免疫耐受,22,2023/1/16,22,Th17 cells 产生白细胞介素17（IL-17）的CD4+T细胞,在自身免疫性疾病中发挥重要作用,23,2023/1/16,23,Th细胞的新分类,24,2023/1/16,24,25,2023/1/16,25,Natural killer cells,26,20

6、23/1/16,26,27,2023/1/16,27,树突状细胞（Dendritic cell，DC）形态学呈现多分枝形状，具有抗原呈递功能的细胞。,28,2023/1/16,28,2010年美国FAD批准的前列腺癌树突状细胞治疗剂Provenge,29,2023/1/16,29,单核巨噬细胞（Monocyte-macrophage，M）参与天然免疫，具有吞噬功能的白细胞，存在血中为单核细胞，游走到组织为巨噬细胞。Mononuclear cell：单个核细胞（M+Ly）,30,2023/1/16,30,31,2023/1/16,31,4。分子免疫学(Molecular Immunology)从

7、核酸和蛋白质的分子水平上探讨免疫调节的机理，为免疫分子的临床应用奠定基础.,32,2023/1/16,32,分子免疫学发展的三个时期：1）60年代-70年代末：蛋白质化学2）80年代初到90年代末：分子生物学3）2000年起：基因组学和免疫组学,33,2023/1/16,33,免疫组学（Immunomics）,34,2023/1/16,34,免疫组（Immunome）：免疫系统的全套分子免疫组学（Immunomics):利用组学（omics)技术研究免疫系统的全套分子库(repertoires)、它们的作用靶分子及其功能。免疫组学（Immunomics）=免疫基因组学（Immunogenomi

8、cs）+免疫蛋白质组学（Immunoproteomics）+免疫信息学（Immunoinformatics）,1。免疫组学概念,35,2023/1/16,35,免疫组学和免疫组的概念最早是在1999年由Pederson教授在奥斯陆举行的自身免疫国际会议上首次提出，但当时的免疫组学定义只局限于研究抗体和TCR。随着人类基因组计划完成，免疫组学概念已经扩展到免疫系统全套分子。,36,2023/1/16,36,人类免疫系统惊人的多样性,1013 MHC Class I 单体型109-TCR&105-TCR1011 线性抗原表位(Epitope)1011 构象型抗原表位1011-12 抗体多样性,37

9、,2023/1/16,37,Genomics vs Immunonics,基因组和蛋白质组:25000个基因编码约100万蛋白免疫组:人类1000-3000个免疫相关基因编码1013 不同序列的蛋白，其中的抗体、T细胞抗原受体（TCR）、主要组织相容性复合体（MHC）具有高度多样性和多态性,38,2023/1/16,38,免疫组学强调在基因组学和蛋白质组学研究的基础上，充分利用生物信息学、生物芯片、系统生物学、结构生物学、高通量筛选等技术，大规模开展免疫系统和免疫应答分子机理研究，发现新的免疫分子，为全面系统了解免疫系统和免疫应答提供基础。,39,2023/1/16,39,在澳大利亚成立了国际

10、免疫组学会（The International Immunomics Society，IIMMS）已经出版了免疫组研究杂志（Immunome Research）2004年10月：第一届国际基础与临床免疫基因组学会议2006年10月：召开第二届会议，更名为“免疫基因组学和免疫组学大会”Cell Immunol 2006,Volume 244,Issue 2,40,2023/1/16,40,HudsonAlpha Nature Conference on Immunogenomics October 1-3,2012,The Jackson Center,Huntsville,AL,USA,Lar

11、ge-scale immune sequencing projects of the repertoire of T-and B-cell diversity,and clinical implications Epigenetics and the immune system Developmental lineage of immune cells Genetic and environmental contributions to autoimmunity Drug development for autoimmune conditions Pharmacogenomics and th

12、e immune response Gene regulation and cell-type identity High-resolution transcriptome analyses,41,2023/1/16,41,免疫功能基因组学 免疫疾病基因组学 肿瘤免疫组学 病原体免疫组学 基于基因组的新型免疫药物 免疫信息学,2。免疫组学的主要研究内容,42,2023/1/16,42,以全基因组为背景，开展人类免疫相关基因及其编码蛋白的功能研究。,免疫功能基因组学,43,2023/1/16,43,2023/1/16,43,1990年启动人类基因组计划；2000年完成了人类基因组的工作框架图；2

13、003年完成精细图;2006年完成全部染色体的注释。,44,2023/1/16,44,2023/1/16,44,2013年报道的H-InvDB的统计:已注释35,631个人类蛋白编码基因,有文献支持功能研究的基因只有16,128个,45,人类基因组有多少免疫基因？,The Immunology Database and Analysis Portal(ImmPort)数据库纳入5973个基因https:/immport.niaid.nih.gov/immportWeb/queryref/referenceHomePage.do,2023/1/16,45,46,2023/1/16,46,Camb

14、ridge大学的免疫基因相关信息数据库（The Immunogenetic Related Information Source，IRIS）包括1562基因，大约代表7%人类基因组基因。实际免疫相关基因数量应该至少1倍以上。Kelley J et al:Genomics.2005，85:503,47,2023/1/16,47,芬兰Tampere大学的Immunome数据库收录893个免疫基因(http:/bioinf.uta.fi/Immunome/):,Ortutay C,Vihinen M.Immunome knowledge base(IKB):an integrated service

15、 for immunome research.BMC Immunol.2009 Jan 9;10:3.,48,2023/1/16,48,功能基因组研究策略传统生物学策略生物活性蛋白质基因细胞动物模型人体内功能及与疾病关联反向生物学策略DNA 蛋白质细胞动物模型人体内功能及与疾病关联疾病标本DNA 致病基因或易感基因分析蛋白质细胞动物模型人体内功能及与疾病关联,49,2023/1/16,49,如何发现新的免疫分子？1。免疫分子序列同源性分析和基因Cluster分析 2。免疫细胞基因和蛋白表达谱分析 3。免疫相关疾病的易感基因或致病基因分析 4。利用免疫细胞筛选模型，开展基因表达文库或RNAi文库

16、的功能筛选,50,2023/1/16,50,新的白细胞介素列表（IL19-IL38),51,2023/1/16,51,细胞筛选技术,生物信息学,基因芯片,酵母双杂交,蛋白质组学,结构基因组学,动物体内实验,基因敲除转基因小鼠,功能研究,药物开发研究,其它应用研究,免疫细胞筛选技术在发现免疫分子研究的重要位置,52,2023/1/16,52,53,2023/1/16,53,High-throughput screening system based on“Luc”,54,2023/1/16,54,High-throughput screening system based on“GFP”,55,

17、2023/1/16,55,High-throughput screening system,56,2023/1/16,56,利用组学技术研究单基因遗传性免疫疾病和多基因相关的复杂性免疫疾病。,免疫疾病基因组学,57,2023/1/16,57,单基因遗传病(monogenic disease)是单一的基因缺陷或突变导致的疾病。例如血友病、囊性肺纤维化、重症联合免疫缺陷，地中海贫血等，有数千种类型。其特征是有明显的家系发病规律。单基因遗传病的发病率很低，但种类多，在出生的活婴中的总体发病率可高达3.6/1000 通过致病基因检测,可以进行产前诊断,58,2023/1/16,58,免疫系统的单基因遗

18、传病举例,59,2023/1/16,59,利用遗传病家系进行致病基因连锁分析,60,2023/1/16,60,人类基因组计划明显促进单基因遗传病研究技术的发展我国有丰富的疾病资源，特别是一些我国特有的单基因遗传病家系，可提供良好的基础发现新的致病基因。目前我国已经在北京、上海、长沙等地建立了多个人类遗传资源库遗传病的产前诊断技术发展前景看好，但我国的该产业发展仍存在一系列问题。,61,2023/1/16,61,我国在国际上首次发现的部分致病基因,高频性耳聋致病基因（湘雅）遗传性乳光牙本质致病基因（医科院）短指症致病基因（上海交通大学）遗传性儿童白内障致病基因（中科院上海生物工程中心）儿童失神癫

19、痫易感基因(北医)原发性红斑肢痛症基因(北医)家族性房颤致病基因（上海同济大学）毛发上皮瘤致病基因（安徽医科大学）腓骨肌萎缩综合症致病基因（上海交通大学）脊髓小脑性共济失调新致病基因（湘雅）舞蹈手足徐动症致病基因（湘雅）,62,2023/1/16,62,免疫系统的复杂性疾病是由于基因的变异加环境因素加免疫调节等因素的共同影响。基因的变异可以导致对疾病的易感性,免疫系统的复杂性疾病,63,2023/1/16,63,2023/1/16,63,遗传与环境因素对不同疾病的影响,64,2023/1/16,64,人类的遗传个体差异与单核苷酸多态性（SNPs）和复制数量变异（CNVs)相关,65,2023/

20、1/16,65,单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms，SNPs）不同个体间在基因水平上的单核苷酸变异，平均每1000对硷基出现一个SNP,2个无关个体间有300万SNPs.,66,2023/1/16,66,SNP在人群中的频率,67,2023/1/16,67,可能具有重要功能意义的SNP位于外显子区并改变氨基酸序列的SNP位于基因表达调控区如启动子、增强子、转录因子结合区、加尾信号的SNP位于外显子和内含子交界区域的SNP,68,2023/1/16,68,2023/1/16,68,人类基因组的大片断变异-复制数量变异Copy number variat

21、ion(CNV),不同个体之间1000以上碱基对的变异称为CNV。根据最新DNA测序分析，个体间存在1000以上不同的CNVs。,A,B,C,A,C,A,B,C,B,B,person1,person2,person3,69,2023/1/16,69,免疫组基因变异的数量,Hum Mutat.2012 May 23.doi:10.1002/humu.22125.Epub ahead of print,70,2023/1/16,70,未来的预防医学可以通过基因分析，提供疾病易感性预测，有选择地改变生活习惯或生活环境，减少疾病发生,71,2023/1/16,71,候选基因的DNA序列分析全基因组关联

22、性研究(GWAS)全基因组测序(WGS)或全基因组外显子测序(WES),SNP研究的主要技术,72,2023/1/16,72,复杂性疾病的全基因组关联性研究(genome-wide association study),73,2023/1/16,73,2023/1/16,73,http:/www.genome.gov/gwastudies/,74,2023/1/16,74,DNA序列分析技术的快速发展,75,2023/1/16,75,个人基因组全序列分析,DNA双螺旋结构发现者之一沃森 2007年5月31日收到一张含有他基因组全部信息的光盘,成为世界上首位获得基因组图谱的个人，这份奖品也被很多

23、媒体称为个人“生命天书”。“Im thrilled to see my genome,”Dr.Watson said.,76,2023/1/16,76,低价“自绘”个人基因组图谱,Nature Biotechnology 2009年8月报道:美国斯坦福大学教授Stephen Quake在两名同事的帮助下，利用一台冰箱大的单分子测序仪器，花费5万美元,测定了自身的基因组序列，绘制了个人基因组图谱。,77,2023/1/16,77,2023/1/16,77,1000 Genomes Project,2008年启动，计划完成2600人基因组测序，至2012年5月已完成1700个体的基因组测序，获得2

24、00TB数据，可供科学家免费下载。并列入美国“大数据（big data)计划”http:/,78,2023/1/16,78,2023/1/16,78,100,000 genomes Project,英国首相卡梅尔于2012年12月10日宣布了一项雄心勃勃的计划，为10万名患有癌症和罕见疾病的英国病人进行全基因组测序。英国政府的国家医疗服务体系（NHS）已经拨款1亿英镑（约合1.6亿美元）用于这项计划。这项测序计划预计将花费3到5年的时间。,79,2023/1/16,79,1000-dollar genome,Ion Proton Sequencer,Life Technologies公司201

25、2年1月宣布开发成功新测序仪Ion Proton Sequencer，可在2小时完成20亿对碱基测序，材料费1000美元。,80,2023/1/16,80,2023/1/16,80,DNA 测序成本的下降速度超出了摩尔定律,81,2023/1/16,81,2023/1/16,81,基因组测序技术市场,82,2023/1/16,82,外显子捕获技术,83,2023/1/16,83,截至2012年2月的总结，至少有46篇报道全外显子组测序Whole-exome resequencing(WES)发现疾病基因的论文发表Claudia Gonzaga-Jauregui et al:Human Geno

26、me Sequencing in Health and Disease.Annual Review of Medicine,2012,63:35-61,84,2023/1/16,84,新一代测序技术的免疫组库（immune repertoire)分析,韩健博客(http:/,85,2023/1/16,85,免疫组库研究的意义,韩健博客(http:/,86,2023/1/16,86,利用基因组学、转录组学及蛋白质组学等相关的高通量技术开展肿瘤抗原谱及免疫应答分子谱的研究.肿瘤免疫组数据库http:/www2.licr.org/CancerImmunomeDB/,肿瘤免疫组学（Cancer imm

27、unomics）,87,2023/1/16,87,肿瘤免疫组学研究的主要技术,OMICS.2011 Sep;15(9):579-88,88,2023/1/16,88,利用免疫组学技术开发的肿瘤免疫治疗临床方案,OMICS.2011 Sep;15(9):579-88,89,Mining the sHLA immunopeptidome.,Hickman H D,Yewdell J W PNAS 2010;107:18747-18748,2010 by National Academy of Sciences,90,2023/1/16,90,规模化分析病原体的免疫表位(Epitope)谱美国NIH

28、投入5亿美金支持 Epitope Mapping Project,病原体免疫组学,Discontinuous&Linear Epitopes,91,2023/1/16,91,免疫表位和分析数据库The Immune Epitope Database and Analysis Resource(IEDB)收集国际上发现所有B细胞表位和T细胞表位，促进免疫学家开展抗感染免疫的研究和疫苗及诊断试剂的开发。截止2013年9月已收录104,443个多肽表位,1931非多肽表位 http:/www.immuneepitope.org/,92,2023/1/16,92,主要技术：噬菌体表面展示技术HLA转基

29、因小鼠技术随机基因片段表达和抗原鉴定技术组合多肽技术四聚体表位作图技术（Tetramer Guided Epitope Mapping）MHC结合抗原肽预测技术抗原芯片等,93,2023/1/16,93,抗原芯片技术,94,2023/1/16,94,属于基因组药物（Genome-based drug）范畴，利用反向生物学原理，根据人类基因序列数据，经生物信息学分析、高通量基因表达、高通量功能筛选和体内外药效研究开发得到的新型免疫药物。,基于基因组的新型免疫药物,95,2023/1/16,95,人类基因组,ORF组siRNA组,基因过表达和siRNA封闭,高通量细胞筛选,单个基因功能研究,药物和

30、免疫靶标鉴定,先导化合物筛选,基因工程药物,化学新药,基因组药物开发的主要路线图和分工,生物信息学,基因治疗,诊断标志/肿瘤疫苗,人源化抗体,目标产品开发研究,国家中心,各个功能实验室,企业为主体,96,2023/1/16,96,人类基因组为药物开发提供了新源泉 迄今已应用的人类药物靶标约500种，包括受体、酶、信号转导分子等。开发成功的药物约2000种。估计人类基因组中数万个基因中，2000-3000个基因产物可成为潜在的药物靶标,97,2023/1/16,97,人类功能基因的新药开发用途1。基因工程药物（如细胞因子基因）2。药物靶标（如蛋白激酶基因）3。免疫靶标（如细胞膜受体）4。基因治疗

31、靶基因（如抑癌基因）5。肿瘤疫苗靶基因（如肿瘤特异性抗原）,98,2023/1/16,98,国际上至少已有31个利用基因组数据开发的新药进入临床，其中2个上市，5个进入III期临床Prolia(抗RANKL抗体):骨质疏松;2010年6月批准上市Benlysta（抗BLyS抗体）:SLE；2011年3月批准上市Atacicept(TACI-Ig可溶性受体）:SLEIL-24/MDA7 腺病毒:转移性黑素瘤Darapladib(脂蛋白相关磷脂酶A2抑制剂)：冠心病DG-031：FLAP（5-lipoxygenase activating protein）抑制剂：心肌梗死Crizotinib:AL

32、K融合基因抑制剂；治疗非小细胞肺癌,进入临床的基因组药物,99,2023/1/16,99,Prolia(抗RANKL抗体)抑制破骨的功能，治疗骨质疏松，2010年上市，预计5年可达40亿美元销售额,100,2023/1/16,100,BlyS(B lymphocyte stimulator)用于治疗免疫缺陷性疾病，2000年6月进入I期临床实验,101,2023/1/16,101,同位素标记的BlyS治疗B细胞淋巴瘤,102,2023/1/16,102,抗BLyS抗体治疗系统性红斑狼疮（2011年3月批准上市）,103,2023/1/16,103,BLyS可溶性受体(Atacicept)治疗系

33、统性红斑狼疮,104,2023/1/16,104,BLyS与其受体有可能作为新的小分子化合物作用靶标，建立细胞筛选模型，发现化学新药,105,2023/1/16,105,免疫信息学（immunoinformatics）,免疫信息学（Immunoinformatics）是生物信息学（Bioinformatics）的分支学科，是计算机科学与免疫学相结合的交叉学科，重点是利用计算机技术开展免疫学的生物信息学分析和计算,106,2023/1/16,106,例:T细胞抗原表位的生物信息学分析,107,2023/1/16,107,网络T细胞表位预测工具,108,2023/1/16,108,免疫系统数学模型

34、建立虚拟免疫细胞（E-immunocell）模型建立,Metabolic map of the prototype RBC model,109,2023/1/16,109,系统免疫学（systems immunology）,Systems immunology is a recent research field that,under the larger umbrella of systems biology,aims to study the immune system in the more integrated perspective on how entities and playe

35、rs participate at different system levels to the immune function(Wikipedia).,110,2023/1/16,110,北京大学人类疾病基因研究中心介绍(http:/),2000年北京大学与北京大学医学部合并时成立，在分子免疫实验室的基础上建立。研究方向 1。人类基因的功能研究（以免疫分子基因为主）2。疾病相关基因研究（以SNPs研究为主）,111,2023/1/16,111,2023/1/16,111,本中心首次报道的人类新功能基因（http:/,程序性细胞死亡基因:PDCD5,PDCD10,NAIF1,PTP1P51,T

36、MEM166、TMEM74、URP2SF、TM9SF1、DCUN1D3,RNF122,CHMP6、HS1BP3、TMTM208、EMC6细胞因子：CKLF,CCDC134，CTRP4，VSTM1-v2CKLF 超家族：CMTM1,2,3,4,5,7,8（CKLF-like Marvel transmembrane domain containing 1,2,3,4,5,7,8）细胞增殖基因:NSA2、TMEM174,112,2023/1/16,112,结 语,免疫组学为免疫学研究开拓了新的视野，提供了新的研究工具，更加强调将免疫系统看作一个整体，重视系统免疫学（Systems immunology）的研究。虽然这一领域刚刚起步，道路还很漫长，但其对免疫学的巨大推动作用将在未来几年内显现出来，其贡献将有可能不亚于上世纪八十年代的分子生物学技术对免疫学的巨大推动作用。,113,2023/1/16,113,思考题,1 免疫组学的概念；举例说明综合利用免疫组学技术发现新免疫分子的技术路线。2 列举5种免疫组学技术及其用途。,