前言

近年来，随着以基因组学为核心的各类组学及大数据分析技术的迅猛发展，精准医学已逐渐成为现代医学的重要发展方向。世界各国相继启动了精准医学计划，我国相关领域也掀起了精准医学研究浪潮。精准医学相关研究成果正不断地应用于临床医学，发挥越来越大的作用，进而使医疗的模式不断发生转变，由传统医疗模式逐渐转变成个体化精准医疗模式。

为了让学生及相关人员了解目前精准医学相关进展及应用案例，我于2016年起开设了《精准医学与我们的健康》课程，课程涉及的内容与日常生活实践有密切联系，我在授课过程中注重从精准医学相关案例出发，培养学生自行探索和学习的兴趣，增强学生学习这门课程的积极性、主动性。在授课过程中，我强调让学生在掌握课堂知识的过程中一定要与自己的生活经验联系起来，注重引导学生发现生活中个体化精准医疗相关的案例，并鼓励将学到的知识和方法用在日常生活中。学生学习热情高涨，课程结束后有很多学生与我分享自己身边发生的案例并探讨如何处理，说明该课程达到了良好的预期效果。

基于前期的教学实践，结合精准医学领域的最新进展，我组织编写了《精准医学与我们的健康》。本书针对现代医学发展趋势——精准医学，描述了相关领域基因组学、蛋白质组学、代谢组学、微生物组学等技术的发展及其对精准医学发展的影响；结合案例叙述了心血管疾病、肿瘤、糖尿病、精神神经疾病等各类疾病个体化精准诊疗发展的现状和趋势；勾勒了个体化精准诊疗健康管理的发展现状和趋势，以及未来相关健康产业的发展动态和机遇。

本书邀请了精准医学相关领域的著名专家参与编写，内容新颖，兼顾学术性和实用性，适用于高等院校相关专业本科生和研究生、精准医学相关从业人员，以及想了解精准医学知识的其他读者阅读参考。

由于精准医学的发展日新月异，书中定有未能包含的最新进展和某些不妥之处，敬请读者多提宝贵意见。同时，借此向参与本书的编写者们表示诚挚的敬意！

秦胜营
2022年3月2日于交大小白楼

恒温扩增的DNA聚合酶、只容纳单分子的纳米孔（ZMW孔）反应池、碱基的磷酸基团上的荧光标记，是SMRT测序的三个技术核心。a. PacBio建库：①DNA片段化；②两端加上哑铃状接头；③与引物杂交；④连接DNA聚合酶。b. ①连接聚合酶的DNA模板随机落入测序芯片上的零模波导孔（ZMW）内；②DNA聚合酶被锚定在ZMW底部。c. ①激发光从玻璃底板射入ZMW；②荧光基团的dNTP被激光激发荧光散射，信号被底部的相机收集。d.荧光标记的三磷酸脱氧核糖核苷酸。e. ① 4种dNTP携带不同的荧光基团；②从芯片玻璃基底往上发射的激光在孔径处发生衍射，仅能照射ZMW底部区域。一个dNTP与聚合酶反应时，会长时间停留在荧光激发区域，产生的光脉冲被记录下来，根据记录的波长和峰值识别该碱基。③随机扩散的dNTP因在激发区域停留时间较短，容易作为背景噪声被区分开。当存在甲基化之类的碱基修饰时，相邻碱基在聚合酶上的反应时间变长，可通过测定相邻碱基的测序时长检测碱基修饰；④—⑤持续重复以上过程，合成新的互补碱基。

a.传统的细胞器富集方法。先裂解细胞，再制定相应分离策略（如密度梯度离心或差速离心等方法）富集目的细胞器（绿色），再经由质谱分析，仅富集比例最高的。但是富集到的除了目的蛋白，还有其他混合物污染（红色、蓝色），客观上难以区分，因此这样的方法并不推荐。b.单细胞器模式分析。用a中方法得到目标细胞器（绿色）后，通过定量质谱分析得到多种成分分布特征，每种蛋白质都有对应的丰度分布模式。与目标细胞器（绿色）相近者被保留，其他便作为污染混合物通过统计学的方法去除。c.多细胞器模式分析。分离得到不同细胞器并经定量质谱分析各细胞器分布特点（图中仅示例 3 种），每个细胞器都有自己独特的分布模式，而这正是区分不同细胞器的关键方法。蛋白质谱被聚类分析，用建立的细胞器标志进行注释，揭示蛋白质聚类特性（得到的细胞器图谱中，点表示不同蛋白质，位置表示处于不同细胞器）。d.高分辨率细胞器图谱。属于同一复合物的蛋白质具有紧密相连的分离模式，在细胞器图中以微簇的形式出现，这一特征可用于识别新的蛋白质复合物。e.肽级分辨率细胞器图谱。主要依赖于肽水平定量质谱分析完成。同样的蛋白质成分分布模式相近（绿色），如果翻译后修饰（如磷酸化）导致蛋白质亚细胞定位改变，则包含修饰的肽将具有不同的特征（红色）。

a.亲和纯化质谱（AP-MS）流程。利用抗体，可以从复杂的混合物（如全细胞裂解物）中亲和纯化蛋白质及与其结合的蛋白质。保存蛋白质-蛋白质相互作用需要温和的洗涤条件，质谱分析用于识别回收的蛋白质。b. AP-MS网络。单个蛋白质的相互作用组是一个“局部”空间蛋白质组，因为相互作用的蛋白质一定处于相同的亚细胞位置。使用交互诱饵进行多个AP-MS实验，可以发现包含空间信息的关联网络。c.邻近标记（proximity labeling，PL），将一个具有邻近标记功能的酶（酶标签）与目标蛋白融合，通过酶催化的共价修饰将邻近的蛋白质标记上生物素，最后通过亲和纯化方法富集生物素标记的蛋白质进行质谱鉴定。d.邻近标记的空间蛋白质组学研究。标记了APEX或混杂生物素连接酶（BioID）的蛋白质可以被选择或改造以靶向一个特定的细胞器（如这里所示）或亚细胞位置（如突触）。酶的激活导致附近的蛋白质广泛地生物素化，可以用质谱进行识别。e、f.通过扩展相互作用网络的空间蛋白质组学。当多个AP-MS或邻近标记实验在同一系统中进行时，诱饵和结合蛋白开始重叠。

a.基于抗体的可视化。在细胞初始固定和透性化后，用抗体和免疫荧光对内源性蛋白进行可视化。对于大规模的空间蛋白质组学研究，这些分析是使用机器人移液设备大规模并行进行的。免疫染色细胞的图像由高通量荧光显微镜获取。b.基于荧光蛋白标记的可视化。用基因编辑技术给蛋白质加上荧光蛋白报告标签，使蛋白质的定位可视化成为可能。使用高通量荧光显微镜，无论是在延时序列或在静态终点，都可以获取活细胞的图像。c.主要细胞器的蛋白可视化。使用抗体可视化技术和荧光显微镜，如图所示，拍摄到12个细胞器和结构。感兴趣部位的蛋白标志（绿色）与微管标志（红色）和细胞核标志（蓝色）一同被可视化，促进了模式识别。d.高空间分辨率。图像显示了由共聚焦显微镜获得的重大空间细节，它可以精确定位蛋白质在细胞分裂过程中细胞动力桥的不同亚结构。CDCA8定位于整个细胞动力学桥，而APC2 局限于中间体，CBLN4 局限于中间环。e.多定位蛋白。HER2 定位于同一细胞的质膜（**）和细胞核（*）。除了在质膜上作为受体酪氨酸激酶的典型功能外，HER2还被证明“兼任”细胞核内的转录辅助因子。f.单细胞可变性。烯醇化酶1是一种胞质代谢酶，在细胞核中作为DNA结合蛋白发挥作用，单细胞中可以看到它有胞质定位（*）、核定位（**）或核质定位（***）。细胞间的表达水平（即染色强度）也是高度可变的。图中标尺为20 μm。