第4章++基因組與基因組計(jì)劃.doc

第4章 基因組與基因組計(jì)劃一、基因組基因組(genome)是由winkler H. 在1920年提出來的(原意為GENE與chromosOME的組合)。1. 基因組的定義：1) 表示一個(gè)生物物種所有染色體的總和(細(xì)胞遺傳學(xué)定義)；（就細(xì)菌和噬菌體而言，它們的基因組是指單個(gè)染色體上所含的全部基因，而二倍體真核生物的基因則是指維持配子或配子體正常功能的最基本的一套染色體及其所攜帶全部基因。）2) 所有核酸分子的總和(生化遺傳學(xué)定義)；3) 所有基因的總和(經(jīng)典遺傳學(xué)定義)。4) 結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，基因組的結(jié)構(gòu)是基因組中所有基因的功能活動的基礎(chǔ)。因此基因組的現(xiàn)代生物學(xué)定義是指導(dǎo)一個(gè)物種的結(jié)構(gòu)與功能的所有遺傳信息的總和。（分子遺傳學(xué)定義）2. 基因組學(xué):基因組學(xué)(genomics)是美國的Roderick H. 于1986年提出來的。這一名詞現(xiàn)已作為“研究基因組的結(jié)構(gòu)與功能的科學(xué)”而被普遍接受?？梢哉f，基因組學(xué)是人類基因組計(jì)劃所孕育、并隨人類基因組的進(jìn)展而發(fā)展的一門新的學(xué)科。二、人類基因組1 人類基因組的物理結(jié)構(gòu)人類基因組由兩類不同的組分構(gòu)成（1）核基因組（nuclear genome）：由大約32億堿基對（bp）組成或者300萬千堿基對（kb）或3000兆堿基對（Mb）。核基因組分為24個(gè)線性DNA分子，最短的55Mb，最長的250Mb。（2）線粒體基因組（mitochondrion genome）：是一個(gè)長為16569bp的環(huán)狀DNA分子，它有許多拷貝，位于線粒體中。32億堿基對如果按照5號字體打印，人類基因組序列長度可為5000公里。2 人類基因組的遺傳內(nèi)容以人類T細(xì)胞受體基因座一個(gè)50kb的區(qū)段為例。T細(xì)胞受體基因座是一個(gè)長達(dá)685kb的DNA區(qū)段，編碼與免疫應(yīng)答相關(guān)的蛋白。此50kb的區(qū)段包含下列遺傳內(nèi)容：（1）一個(gè)基因：該基因稱為TRY4,編碼胰蛋白酶原，是消化酶胰蛋白酶的無活性前體。這個(gè)基因與免疫應(yīng)答毫無關(guān)系，只是位于T細(xì)胞受體基因座而已。（2）兩個(gè)基因片段：即V28和V29-1，編碼T細(xì)胞受體的一部分，該基因座由此而得名。V28和V29-1的特殊性在于它們不是完整的基因，而是一個(gè)基因片段。表達(dá)之前，它們必須與該基因座的其它基因片段相連（DNA重排）。該過程發(fā)生在T淋巴細(xì)胞中。TRY4、V28和V29-1像其它的人類基因一樣，是不連續(xù)的，由外顯子和內(nèi)含子組成。外顯子加在一起是1414bp,占該50kb片段的2.8%。（3）一個(gè)擬基因：該擬基因叫做TRY5，它與胰蛋白酶原家族的功能成員有很近的關(guān)系。（4）52個(gè)重復(fù)序列：這是一些在基因組的多處都能發(fā)現(xiàn)的序列全基因組范圍的重復(fù)序列（genome-wide repeat sequence）,主要有4個(gè)類型，分別是LINE(long interspersed nuclear element,長散布核元件)、SINE(short interspersed nuclear element,短散布核元件)、LTR（long terminal repeat,長末端重復(fù)）和DNA轉(zhuǎn)座子（DNA transposon）。加起來共占全序列的39.1%.(5)兩個(gè)微衛(wèi)星：一個(gè)是GA重復(fù)16次5-GAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGAGA-3另一個(gè)是TATT重復(fù)6次所成5-TATTTATTTATTTATTTATTTATT-3(6)剩余的50是一些既非基因也非重復(fù)序列，功能和意義未知的單拷貝DNA序列。3 其它生物的基因組（1）基因組大?。?）C值悖論（矛盾）：基因組的大小與生物的復(fù)雜性是相符的，最簡單的真核生物，如真菌有最小的基因組，高等的真核生物，如脊椎動物和顯花植物有最大的基因組。這樣我們有理由認(rèn)為，一個(gè)生物的復(fù)雜性與該生物基因組中的基因數(shù)目有關(guān)，也就是說高等生物需要更大的基因組以安置更多的基因。但是，這種相關(guān)性并非很精確：釀酒酵母的核基因組大約是12Mb,是人類核基因組的0.004倍，如果按照這個(gè)法則，那么釀酒酵母基因組中應(yīng)該包括0.00440000=160個(gè)基因，而實(shí)際上釀酒酵母基因組大約有6000個(gè)基因。多年來，生物復(fù)雜性和基因組大小之間關(guān)系的不確定性被看做是一個(gè)難題，即所謂的C值悖論。隨著對基因組的研究，C值悖論可以找到合理答案：復(fù)雜程度低的生物中基因組的空間被節(jié)省下來了，因?yàn)榛蚴蔷o密排列的。1996年完成的釀酒酵母基因組序列正說明了這一點(diǎn)。比較釀酒酵母第三號染色體一個(gè)50kb區(qū)段和人類基因組的一個(gè)50kb的DNA片段，發(fā)現(xiàn)釀酒酵母DNA具有下列顯著特征：（1）比人類基因組區(qū)段包含更多基因。酵母三號染色體的該區(qū)段有26個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因和兩個(gè)編碼轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的基因。這28個(gè)基因占該50kb序列的66.4%。（2）釀酒酵母基因很少是斷裂基因。酵母三號染色體的該區(qū)段中沒有一個(gè)基因是斷裂基因。酵母全基因組中僅有239個(gè)內(nèi)含子，與高等真核生物相比這是一個(gè)很小的數(shù)目，高等真核生物中有時(shí)一個(gè)基因便含有100多個(gè)內(nèi)含子。（3）全基因組范圍分布的重復(fù)序列少。酵母的該區(qū)段含有5個(gè)LTR元件，占該50kb序列的13.5%。酵母全基因組范圍分布的重復(fù)序列僅占全序列的3.4。由此可見：越高級的真核生物，基因組結(jié)構(gòu)越松散。較小的基因組重復(fù)序列偏少，大的基因組則有大量的重復(fù)序列。較小的基因組重復(fù)序列偏少，大的基因組則發(fā)現(xiàn)有大量的重復(fù)序列衍生。玉米基因組是5000Mb，比人類的基因組大。玉米基因組僅有少數(shù)幾個(gè)區(qū)段的序列被測定，但已經(jīng)得出了一個(gè)明顯的結(jié)論：玉米基因組是一個(gè)重復(fù)序列占優(yōu)勢的基因組。圖中顯示玉米基因組的一個(gè)50Kb的區(qū)段，該區(qū)段含有一個(gè)乙醇脫氫酶基因，這是該區(qū)段唯一存在的一個(gè)基因。玉米基因組中占優(yōu)勢的是全基因組范圍分布的重復(fù)序列，主要是LTR元件，該元件占到全玉米基因組的50%。大腸桿菌有4397個(gè)基因。圖中D部分顯示的是大腸桿菌基因組中一個(gè)50Kb的區(qū)段，該區(qū)段含有43個(gè)基因，占該區(qū)段的85%。該區(qū)段有下列特征：一、一些基因間沒有間隙，例如thrA和thrB之間僅有一個(gè)核苷酸，thrC起始于thrB的最后一個(gè)核苷酸。二、該區(qū)段基因沒有內(nèi)含子。實(shí)際上，大腸桿菌整個(gè)基因組都沒有斷裂基因。三、重復(fù)序列罕見三、人類基因組計(jì)劃1、人類基因組計(jì)劃的提出盡管小物機(jī)體的尺寸有限，但并未能為研究工作帶來任何容易之處。人們經(jīng)過了不懈的努力，渴望解開生命之謎這個(gè)多年的愿望并未向前推進(jìn)多少。迷仍是個(gè)迷！ 以往研究的艱履或失敗教訓(xùn)使人們頭腦開始清醒認(rèn)識到，任何僅依靠單一學(xué)科如細(xì)胞學(xué)、發(fā)育學(xué)、腫瘤學(xué)、人類遺傳學(xué)或分子生物學(xué)的獨(dú)自努力都無濟(jì)于事，都太局限了，難以完成人類對自身的認(rèn)識和保護(hù)。美國曾投巨資但基本上以失敗告終的腫瘤十年計(jì)劃也說明了這個(gè)問題。所以，要知道某事物的局部作用機(jī)制最好先知道全局的看法逐漸主導(dǎo)了人們的認(rèn)識。在繞了一大段彎路之后，人們回過頭來決定開始進(jìn)行人的所有基因即基因組的研究，全面探討這個(gè)“摸得到，猜不透”的人體奧秘，由此形成了基因組學(xué)和人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project，HGP），其最終目的是對生命進(jìn)行系統(tǒng)地和科學(xué)地解碼，以達(dá)到了解和認(rèn)識生命的起源，種間和個(gè)體間存在差異的起因，疾病產(chǎn)生的機(jī)制以及長壽與衰老等生命現(xiàn)象。人類基因組計(jì)劃以前的遺傳學(xué)或稱基因?qū)W（genetics）偏重于單個(gè)基因的研究，而人類基因組計(jì)劃則是把目光投向整個(gè)基因組的所有基因，從整體水平去考慮基因的存在、基因的結(jié)構(gòu)與功能、基因之間的相互關(guān)系等。對人類基因組的研究在70年代已具有一定的雛形，在80年代在許多國家已形成一定規(guī)模，并在以下的幾個(gè)事件的影響下形成了投資額最多、最具規(guī)模的美國人類基因組計(jì)劃。1984年在Utah州的A1ta，White R和Mendelssohn M受美國能源部(DOE)的委托主持召開了一個(gè)小型專業(yè)會議討論測定人類整個(gè)基出組的DNA序列的意義和前景。1985年5月在加州Santa Fe由美國能源部的Sinsheimer R L主持的會議上提出了測定人類基因組全序列的動議，由此形成了美國能源部的“人類基因組計(jì)劃”草案。1986年3月在新墨曲哥州的Santa Fe討論了這一計(jì)劃的可行性，隨后美國能源部宣布實(shí)施這一草案。1986年著名遺傳學(xué)家McKusich V提出從整個(gè)基因組的層次研究遺傳的科學(xué)稱“基因組學(xué)”。1986年3月7日，諾貝爾獎獲得者Dulbecco R在Science雜志上發(fā)表的一篇有關(guān)開展人類基因組計(jì)劃的短文癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)人類基因組的全序列分析，回顧了70年代以來癌癥研究的進(jìn)展，使人們認(rèn)識到包括癌癥在內(nèi)的人類疾病的發(fā)生，都與基因直接、間接有關(guān)；同時(shí)他指出要么仍處于用“零敲碎打”的方法開展研究，要么從整體上研究和分析人類基因組及其序列。他還在文中指出：“這一計(jì)劃的意義，可以與征服宇宙的計(jì)劃媲美，我們應(yīng)該以征服宇宙的氣魄來開展這一計(jì)劃?！辈⑶艺劦剑骸斑@樣的工作是任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)室難以單獨(dú)承擔(dān)的項(xiàng)目?！?986年6月在美國冷泉港，另兩位諾貝爾獎獲得者Gilbert W及Berg P主持了有關(guān)“人類基因組計(jì)劃”的專家會議。1987年初，美國能源部與國家健康研究院(NIH)為“人類基因組計(jì)劃”下?lián)芰藛咏?jīng)費(fèi)約550萬美元(1987年全年為1.66億美元)，并開始籌建人類基因組計(jì)劃實(shí)驗(yàn)室。1988年2月，國家科學(xué)研究委員會(NRC)的專家撰寫了人類基因組的作圖與測序(mapping and sequencing the human genome)的報(bào)告，全面地介紹了有關(guān)這項(xiàng)史無前例的、看起來似”膽大妄為”計(jì)劃的內(nèi)容。同年，美國成立了“國家人類基因組研究中心”由因提出DNA分子雙螺旋模型的貢獻(xiàn)而獲諾貝爾獎的沃森(Watson J)出任第一任主任。歷經(jīng)5年左右的辯論后，美國國會正式批準(zhǔn)美國的“人類基因組計(jì)劃”于1990年10月1日正式啟動。其規(guī)模在世界上是最大的，總體計(jì)劃是在15年內(nèi)投入至少30億美元進(jìn)行人類全基因組的分析。美國國會決定用30億美元搞人類基因織計(jì)劃，政府印了很多小冊子做宣傳，告訴納稅人，國家為什么要花這么多錢做這個(gè)計(jì)劃，這錢花得有多值。美國也有其他科學(xué)計(jì)劃，但人類基因組計(jì)劃最紅火、最受民眾支持，因?yàn)?，它能馬上計(jì)老百姓得到好處。人類基因組計(jì)劃，在美國和英國幾乎家喻戶曉連出租車司機(jī)也能談得頭頭是道。人類基因組計(jì)劃，一直是美國以至于世界新聞媒介的報(bào)道熱點(diǎn)。美國的時(shí)代周刊，每年都把人類基因組計(jì)劃的進(jìn)展情況，作為一年一度的重大科技新聞加以傳播。而中國，別說人類基因組計(jì)劃，就連什么是基因，起碼也有兩代人不清楚。在Dulbecco R短文的影響下，整個(gè)西歐幾乎都動了起來。意大利最早開始國家級HGP。1987年組織了15個(gè)，后來發(fā)展道30個(gè)實(shí)驗(yàn)室開展人類基因組計(jì)劃的研究。1989年2月英國開始其HGP。劍橋的Sanger中心首先在線蟲基因組上積累經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)大規(guī)模測序技術(shù)，同時(shí)建立了“英國人類基因組資源中心”。1990年6月法國的國家人類基因組計(jì)劃開始行動。法國國家醫(yī)學(xué)科學(xué)院制定了人類基因組計(jì)劃。諾貝爾講獲得者Dausset J于1983年用自己的獎金建立了人類多態(tài)性研究中心。1995年德國才正式開始了HGP，開始對21號染色體的大規(guī)模測序。1990年6月歐共體通過了“歐洲人類基因組研究計(jì)劃”，主要資助23個(gè)實(shí)驗(yàn)室的建立和運(yùn)轉(zhuǎn)。這是歐洲計(jì)劃在多個(gè)領(lǐng)域趕超美國的一個(gè)重要方面。此外，丹麥、俄羅斯、日本、韓國、澳大利亞等國先后開展人類基因組研究。中國HGP于1994年啟動。最初是由國家自然科學(xué)基金委員會和“863”高科技計(jì)劃的支持下先后啟動了“中華民族基因組中若干位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)的研究”和“重大疾病相關(guān)基因的定位、克隆、結(jié)構(gòu)與功能研究”。1998年中國在北京和上海分別成立了中國北方人類基因組中心和南方人類基因組中心。除了早期的政府介入之外，世界上還有很多醫(yī)藥公司卷入到了這場所謂的HGP，形成了一場“搶基因”大戰(zhàn)。2人類基因組計(jì)劃的任務(wù) 人類基因組計(jì)劃的基本任務(wù)可以用3張圖來概括：遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜。（1）遺傳圖譜：應(yīng)用遺傳學(xué)技術(shù)構(gòu)建能顯示基因以及其它序列特征在基因組上的位置的圖。遺傳學(xué)技術(shù)包括雜交育種實(shí)驗(yàn)、人類家族的系譜分析。（2）物理圖譜：應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)來直接分析DNA分子，從而構(gòu)建能顯示包括基因在內(nèi)的、序列特征的位置圖。（3）序列圖譜：測定由32億個(gè)核苷酸組成的人類基因組的序列圖。3 人類基因組計(jì)劃的意義（1）基因組序列為全面了解細(xì)胞的分子活動打開了一條通道。（2）基因組序列圖譜有助于重要基因的分離與利用。那些疾病相關(guān)的基因在基因組序列未知時(shí)也可以從基因組中分離出來，但耗時(shí)又費(fèi)力，并且分離每一個(gè)基因都要設(shè)計(jì)不同的方案。如果基因組序列已知的話，那么所需基因的分離就變得相對容易些。（3）有助于人類基因組非編碼序列的研究。人類基因組和所有高等真核生物基因組一樣，含有大量的非編碼DNA序列。雖然我們現(xiàn)在假定大多數(shù)非編碼序列沒有功能，這有可能是因?yàn)槲覀儗τ谒鼈兩形闯浞终J(rèn)識?？赡芊蔷幋a序列確有作用，但我們目前的認(rèn)識尚不足以理解它。要證實(shí)這種可能性，第一步就是獲得不同生物基因組的所有非編碼的DNA序列，從中可能會發(fā)現(xiàn)一些或全部非編碼序列作用的共性。（4）人類基因組計(jì)劃推動技術(shù)的發(fā)展。例如從20世紀(jì)80年代末期到2001年，基因組測序成本已經(jīng)從每個(gè)堿基10美元以上降到約10美分。四、基因組測序的策略目前即使使用最先進(jìn)的測序技術(shù)也很難在一次實(shí)驗(yàn)中獲得一個(gè)大于750bp的序列。所以一個(gè)