人類(lèi)基因組研究

——揭開(kāi)生命的奧秘孫嘯程璐第七講人類(lèi)基因組研究人類(lèi)基因組計(jì)劃HGP(HumanGenomeProjects)1、HGP簡(jiǎn)介2、HGP的主要任務(wù)3、HGP對(duì)人類(lèi)的重要意義4、HGP進(jìn)展與未來(lái)5、我國(guó)對(duì)人類(lèi)基因組計(jì)劃的貢獻(xiàn)6、功能基因組學(xué)7、基因組相關(guān)的倫理學(xué)問(wèn)題8、HGP對(duì)生物信息學(xué)提出挑戰(zhàn)1、HGP簡(jiǎn)介人類(lèi)基因組計(jì)劃是由美國(guó)科學(xué)家于1985年率先提出、于1990年正式啟動(dòng)的。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本和我國(guó)科學(xué)家共同參與了這一價(jià)值達(dá)30億美元的人類(lèi)基因組計(jì)劃。這一計(jì)劃旨在為30多億個(gè)堿基對(duì)構(gòu)成的人類(lèi)基因組精確測(cè)序，發(fā)現(xiàn)所有人類(lèi)基因并搞清其在染色體上的位置，破譯人類(lèi)全部遺傳信息。曼哈頓計(jì)劃阿波羅計(jì)劃科學(xué)家的膽略諾貝爾獎(jiǎng)獲得者RenatoDulbecco于1986年發(fā)表短文《腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：人類(lèi)基因組測(cè)序》（Science,231:1055－1056）。文中指出：如果我們想更多地了解腫瘤，我們從現(xiàn)在起必須關(guān)注細(xì)胞的基因組?！瓘哪膫€(gè)物種著手努力？如果我們想理解人類(lèi)腫瘤，那就應(yīng)從人類(lèi)開(kāi)始?！祟?lèi)腫瘤研究將因?qū)NA的詳細(xì)知識(shí)而得到巨大推動(dòng)。”什么是基因組(Genome)基因組就是一個(gè)物種中所有基因的整體組成人類(lèi)基因組有兩層意義：——遺傳信息——遺傳物質(zhì)從整體水平研究基因的存在、基因的結(jié)構(gòu)與功能、基因之間的相互關(guān)系。 人類(lèi)染色體為什么選擇人類(lèi)的基因組進(jìn)行研究？

人類(lèi)是在“進(jìn)化”歷程上最高級(jí)的生物認(rèn)識(shí)自身掌握生老病死規(guī)律疾病的診斷和治療了解生命的起源在人類(lèi)基因組計(jì)劃中，包括對(duì)五種生物基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅和小鼠，稱(chēng)之為人類(lèi)的五種“模式生物”。HGP的誕生1984年12月Utah州的Alta,WhiteR受美國(guó)能源部的委托，主持召開(kāi)了一個(gè)小型會(huì)議，討論DNA重組技術(shù)的發(fā)展及測(cè)定人類(lèi)整個(gè)基因組的DNA序列的意義。1985年6月，在美國(guó)加州舉行了一次會(huì)議，美國(guó)能源部提出了“人類(lèi)基因組計(jì)劃”的初步草案。1986年6月，在新墨西哥州討論了這一計(jì)劃的可行性。隨后美國(guó)能源部宣布實(shí)施這一草案。1987年初，美國(guó)能源部與國(guó)家醫(yī)學(xué)研究院（NIH）為“人類(lèi)基因組計(jì)劃”下?lián)芰藛?dòng)經(jīng)費(fèi)約550萬(wàn)美元，1987年總額近1.66億美元。同時(shí)，美國(guó)開(kāi)始籌建人類(lèi)基因組計(jì)劃實(shí)驗(yàn)室。1989年美國(guó)成立“國(guó)家人類(lèi)基因組研究中心”。諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者J.Waston出任第一任主任。1990年，歷經(jīng)5年辯論之后，美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)美國(guó)的“人類(lèi)基因組計(jì)劃”于10月1日正式啟動(dòng)。美國(guó)的人類(lèi)基因組計(jì)劃總體規(guī)劃是：擬在15年內(nèi)至少投入30億美元，進(jìn)行對(duì)人類(lèi)全基因組的分析。HGP誕生過(guò)程中的質(zhì)疑計(jì)劃的必要性問(wèn)題計(jì)劃的現(xiàn)實(shí)性問(wèn)題科學(xué)研究領(lǐng)域的選擇問(wèn)題為什么不選擇基因組小的或有經(jīng)濟(jì)意義的生物認(rèn)為“制圖”是在沙漠里建公路，“測(cè)序”是把“垃圾”分類(lèi)，選擇“模式動(dòng)物”是拼湊“諾亞方舟”。HGP的目的

解碼生命了解生命的起源了解生命體生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律認(rèn)識(shí)種屬之間和個(gè)體之間存在差異的起因認(rèn)識(shí)疾病產(chǎn)生的機(jī)制以及長(zhǎng)壽與衰老等生命現(xiàn)象為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。2、HGP的主要任務(wù)遺傳圖譜物理圖譜序列圖譜轉(zhuǎn)錄圖譜遺傳圖譜（geneticmap）又稱(chēng)連鎖圖譜(linkagemap)，它是以具有遺傳多態(tài)性（在一個(gè)遺傳位點(diǎn)上具有一個(gè)以上的等位基因，在群體中的出現(xiàn)頻率皆高于1%）的遺傳標(biāo)記為“路標(biāo)”，以遺傳學(xué)距離（在減數(shù)分裂事件中兩個(gè)位點(diǎn)之間進(jìn)行交換、重組的百分率，1%的重組率稱(chēng)為1cM）為圖距的基因組圖。遺傳圖譜的建立為基因識(shí)別和完成基因定位創(chuàng)造了條件。遺傳圖譜-孟德?tīng)柕摹靶律?/p>

遺傳連鎖圖：通過(guò)計(jì)算連鎖的遺傳標(biāo)志之間的重組頻率，確定它們的相對(duì)距離，一般用厘摩（cM，即每次減數(shù)分裂的重組 頻率為1%） 表示。物理圖譜-路標(biāo)與路軌物理圖譜（physicalmap）是指有關(guān)構(gòu)成基因組的全部基因的排列和間距的信息，它是通過(guò)對(duì)構(gòu)成基因組的DNA分子進(jìn)行測(cè)定而繪制的。繪制物理圖譜的目的是把有關(guān)基因的遺傳信息及其在每條染色體上的相對(duì)位置線(xiàn)性而系統(tǒng)地排列出來(lái)。1998年完成了具有52,000個(gè)序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS)，并覆蓋人類(lèi)基因組大部分區(qū)域的連續(xù)克隆系的物理圖譜。敲碎基因組，分析研究?jī)?nèi)容所處的染色體位置基因轉(zhuǎn)錄圖譜-生命的樂(lè)譜轉(zhuǎn)錄圖譜是在識(shí)別基因組所包含的蛋白質(zhì)編碼序列的基礎(chǔ)上繪制的結(jié)合有關(guān)基因序列、位置及表達(dá)模式等信息的圖譜。對(duì)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)產(chǎn)物mRNA互補(bǔ)的cDNA（其片段稱(chēng)為表達(dá)序列標(biāo)簽，EST）進(jìn)行大規(guī)模測(cè)序是序列標(biāo)簽位點(diǎn)的主要來(lái)源，并以此構(gòu)建人類(lèi)基因組轉(zhuǎn)錄圖（基因圖）。序列圖譜-重中之重隨著遺傳圖譜和物理圖譜的完成，測(cè)序就成為重中之重的工作。DNA序列分析技術(shù)是一個(gè)包括制備DNA片段化及堿基分析、DNA信息翻譯的多階段的過(guò)程。通過(guò)測(cè)序得到基因組的序列圖譜大規(guī)?；蚪M測(cè)序

Megabace測(cè)序儀3700測(cè)序儀大規(guī)模測(cè)序基本策略逐個(gè)克隆法：對(duì)連續(xù)克隆系中排定的BAC克隆逐個(gè)進(jìn)行亞克隆測(cè)序并進(jìn)行組裝（公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃）全基因組鳥(niǎo)槍法：在一定作圖信息基礎(chǔ)上，繞過(guò)大片段連續(xù)克隆系的構(gòu)建而直接將基因組分解成小片段隨機(jī)測(cè)序，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行組裝（美國(guó)Celera公司）運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行序列拼接通過(guò)對(duì)進(jìn)化不同階段的生物體基因組序列的比較，發(fā)現(xiàn)基因組結(jié)構(gòu)組成和功能調(diào)節(jié)的規(guī)律。模式生物體的研究利用酵母、線(xiàn)蟲(chóng)、果蠅、大腸桿菌斑馬魚(yú)、小鼠等模式生物體進(jìn)行基因的剔除或轉(zhuǎn)基因的研究，從而在整體水平認(rèn)識(shí)基因的功能。酵母大腸桿菌果蠅線(xiàn)蟲(chóng)小鼠3、HGP對(duì)人類(lèi)的重要意義HGP對(duì)醫(yī)學(xué)的影響發(fā)現(xiàn)新的致病基因發(fā)展一些復(fù)雜疾病的早期基因診斷方法，如“腫瘤基因組解剖計(jì)劃”通過(guò)基因治療解決傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的疑難雜癥疾病易感基因的識(shí)別及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)人群進(jìn)行生活方式、環(huán)境因子的干預(yù)人類(lèi)基因組多樣性與個(gè)體化醫(yī)學(xué)我爸爸給你爸爸開(kāi)過(guò)同樣的藥！這就是遺傳！所有的疾病，都可以說(shuō)是基因病

“基因病”概念：基因相關(guān)論：所有疾病都與人類(lèi)基因有關(guān)；基因修飾論：所有藥物都是通過(guò)修飾基因本身結(jié)構(gòu)、改變基因的表達(dá)調(diào)控、影響基因產(chǎn)物的功能而起作用的；基因的外調(diào)性；基因的多態(tài)性。人類(lèi)疾病相關(guān)的基因是人類(lèi)基因組中結(jié)構(gòu)和功能完整性至關(guān)重要的信息。單基因?。?"定位克隆"和"定位候選克隆"的全新思路，導(dǎo)致了亨廷頓舞蹈病、遺傳性結(jié)腸癌和乳腺癌等一大批單基因遺傳病致病基因的發(fā)現(xiàn)，為這些疾病的基因診斷和基因治療奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)定位克隆技術(shù)尋找疾病基因的過(guò)程

多基因疾?。? 心血管疾病、腫瘤、糖尿病、神經(jīng)精神類(lèi)疾?。ɡ夏晷园V呆、精神分裂癥）、自身免疫性疾病，是目前疾病基因研究的重點(diǎn)。健康相關(guān)研究是人類(lèi)基因組計(jì)劃的重要組成部分，并于1997年相繼提出了： "腫瘤基因組解剖計(jì)劃" “環(huán)境基因組學(xué)計(jì)劃"HGP對(duì)生物技術(shù)的影響基因工程藥物：分泌蛋白（多肽激素，生長(zhǎng)因子，趨化因子，凝血和抗凝血因子等）及其受體；診斷和研究試劑產(chǎn)業(yè)：基因和抗體試劑盒、診斷和研究用生物芯片、疾病和篩藥模型；

對(duì)細(xì)胞、胚胎、組織工程的推動(dòng)：胚胎和成年期干細(xì)胞、克隆技術(shù)、器官再造。HGP對(duì)制藥業(yè)的影響篩選新藥和藥物的靶點(diǎn)，分析藥理過(guò)程；進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)，對(duì)基因蛋白產(chǎn)物的高級(jí)結(jié)構(gòu)分析、預(yù)測(cè)、模擬藥物作用“口袋”個(gè)體化的藥物治療：藥物基因組學(xué)基因組學(xué)、生物信息學(xué)與新藥研制未來(lái)的藥物研究過(guò)程將是基于生物信息知識(shí)挖掘的過(guò)程數(shù)據(jù)處理和關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)藥物作用對(duì)象確定靶目標(biāo)分子針對(duì)靶目標(biāo)進(jìn)行合理的藥物設(shè)計(jì)HGP對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要影響生物產(chǎn)業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國(guó)家的兩大經(jīng)濟(jì)支柱發(fā)現(xiàn)新功能基因的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)基因食品轉(zhuǎn)基因藥物（如減肥藥，增高藥）生物的進(jìn)化史，都刻寫(xiě)在各基因組的“天書(shū)”上草履蟲(chóng)是人的親戚——13億年；人是由300～400萬(wàn)年前的一種猴子進(jìn)化來(lái)的；人類(lèi)第一次“走出非洲”——200萬(wàn)年的古猿；人類(lèi)的“夏娃”來(lái)自于非洲，距今20萬(wàn)年——第二次“走出非洲”？HGP對(duì)生物進(jìn)化研究的影響HGP帶來(lái)的負(fù)面作用侏羅紀(jì)公園不只是科幻故事種族選擇性滅絕性生物武器基因?qū)＠麘?zhàn)基因資源的掠奪戰(zhàn)基因與個(gè)人隱私DNAReport我這輩子沒(méi)戲了！個(gè)人隱私！基因注定論？4、HGP進(jìn)展與未來(lái)整個(gè)完成的時(shí)間提前到了2003年，比原計(jì)劃提前了兩年。而原訂于2001年完成的人類(lèi)基因組的基本構(gòu)圖也提前一年，在2000年6月26日由美國(guó)總統(tǒng)克林頓與英國(guó)首相布萊爾聯(lián)合宣布完成，這一天也因此成為人類(lèi)歷史上“值得載入史冊(cè)的一天”。后基因組計(jì)劃，即功能基因組計(jì)劃的開(kāi)始。人類(lèi)單倍體基因組含30億堿基對(duì)(bp)的DNA序列。編碼序列約占3%，非編碼序列約占97%。包括約4～10萬(wàn)個(gè)基因，分布于22條常染色體和X、Y性染色體。5、我國(guó)對(duì)人類(lèi)基因組計(jì)劃的貢獻(xiàn)1994年，我國(guó)HGP在吳旻、強(qiáng)伯勤、陳竺、楊煥明的倡導(dǎo)下啟動(dòng)，最初由國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和863高科技計(jì)劃的支持下，先后啟動(dòng)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)和功能研究”；1998年在國(guó)家科技部的領(lǐng)導(dǎo)和牽線(xiàn)下，1998年在上海成立了南方基因中心；1999年在北京成立了北方人類(lèi)基因組中心；1999年7月在國(guó)際人類(lèi)基因組注冊(cè)，得到完成人類(lèi)3號(hào)染色體短臂上一個(gè)約30Mb區(qū)域的測(cè)序任務(wù)，該區(qū)域約占人類(lèi)整個(gè)基因組的1％。國(guó)際人類(lèi)基因組

測(cè)序任務(wù)分配情況人類(lèi)基因組1%測(cè)序計(jì)劃1999年9月1日：國(guó)際公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃接納中國(guó)，楊煥明教授領(lǐng)回任務(wù)；1999年11月12日：科技部中國(guó)生物工程開(kāi)發(fā)中心、中科院生命科學(xué)和生物技術(shù)局、“863”計(jì)劃生物領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)召開(kāi)“參加國(guó)際人類(lèi)基因組計(jì)劃并完成1%基因組測(cè)序工作”專(zhuān)家討論會(huì)，決定“863”計(jì)劃出資3000萬(wàn)元，中科院出資1000萬(wàn)元；1999年11月29日：科技部下達(dá)對(duì)國(guó)家人類(lèi)基因組北、南方研究中心和中國(guó)科學(xué)院遺傳所撥款通知，中科院同時(shí)下達(dá)專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)。遺傳病基因克隆重大突破夏家輝教授實(shí)驗(yàn)室1998年克隆了高頻耳聾疾病基因2001年上海和北京科學(xué)家發(fā)現(xiàn)遺傳性乳光牙本質(zhì)II型基因又一次成功！——水稻基因研究6、功能基因組學(xué)基因組DNA測(cè)序： 人類(lèi)對(duì)自身基因組認(rèn)識(shí)的第一步。功能基因組學(xué)： 從基因組信息與外界環(huán)境相互作用的高度，闡明基因組的功能。功能基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容：人類(lèi)基因組DNA序列變異性研究基因組表達(dá)調(diào)控的研究模式生物體的研究生物信息學(xué)基因組表達(dá)及調(diào)控的研究在全細(xì)胞的水平，識(shí)別所有基因組表達(dá)產(chǎn)物：mRNA：cDNA陣列蛋白質(zhì)：二維電泳—質(zhì)譜研究生物大分子相互作用： 闡明基因組表達(dá)在發(fā)育過(guò)程中的時(shí)、空的整體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。蛋白質(zhì)組學(xué)：

高通量解析蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，是連接基因組功能研究和新藥開(kāi)發(fā)的橋梁。基因芯片基因芯片示意人類(lèi)基因組芯片

(GeneticFiles)

美國(guó)總統(tǒng)克林頓在1998年10月對(duì)全國(guó)的演講中指出:

“未來(lái)十二年,基因芯片將為我們一生中的疾病預(yù)防指點(diǎn)迷津”。特定基因檢測(cè)突變檢測(cè)多態(tài)性分析基因表達(dá)譜基因芯片的應(yīng)用生物信息學(xué)的工具基因相關(guān)性研究基因功能藥物設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)潛在反義試劑開(kāi)發(fā)個(gè)體化醫(yī)療身份識(shí)別基因診斷其他與生物有關(guān)的領(lǐng)域二維電泳圖7、基因組相關(guān)的倫理學(xué)問(wèn)題要不是你的基因告了密，我們本可以錄用你。有關(guān)問(wèn)題“基因是人類(lèi)的共同財(cái)產(chǎn)” VS“人類(lèi)基因組實(shí)際上是個(gè)人的”基因有無(wú)好壞之分？ “致病基因”VS“必備基因”致病基因攜帶者都是病人嗎？能不能用于優(yōu)生？ 這涉及種族問(wèn)題是否必須進(jìn)行基因檢查？ 隱私問(wèn)題HGP倫理、法律和社會(huì)影響研究（1）利用和解釋遺傳信息時(shí)如何保護(hù)隱私和達(dá)到公正？（2）如何處理“知情同意”等問(wèn)題？（3）如何保護(hù)隱私？原則防止“遺傳歧視”保護(hù)個(gè)人和家庭基因隱私基因?qū)＠麊?wèn)題人類(lèi)基因組DNA序列數(shù)據(jù)的自由共享人類(lèi)基因組DNA序列是全人類(lèi)的共同遺產(chǎn)，應(yīng)該由全人類(lèi)所共享；對(duì)基因組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的壟斷，將給人類(lèi)利益和科學(xué)發(fā)展帶來(lái)不良后果；公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃的貢獻(xiàn)（24小時(shí)內(nèi)釋放序列數(shù)據(jù)）基因?qū)＠掳l(fā)現(xiàn)的基因是否可以申請(qǐng)專(zhuān)利？被發(fā)現(xiàn)的基因序列，一旦經(jīng)過(guò)分離或者純化后就成為一種新產(chǎn)品各國(guó)政府和主流科學(xué)界觀(guān)點(diǎn)基因?qū)＠麩岢币雅d起8、HGP對(duì)生物信息學(xué)提出挑戰(zhàn)隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和可利用信息急劇增加，信息的管理和分析成為HGP的一項(xiàng)重要的工作發(fā)現(xiàn)生物學(xué)規(guī)律，解讀生物遺傳密碼認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)研究基因組數(shù)據(jù)之間的關(guān)系分析現(xiàn)有的基因組數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)模型和人工智能技術(shù)人類(lèi)基因組多態(tài)性及其應(yīng)用基因組與環(huán)境相互