第三章 人類基因組

第三章人類基因組學(xué)HumanGenomics產(chǎn)生背景及概念背景

1986年DulbeccoR等提出人類基因組計劃（HGP），隨著HGP的提出和實施，產(chǎn)生的基因組學(xué)。概念以分子生物學(xué)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為研究手段，以生物體內(nèi)全部基因為研究對象，在全基因背景下和整體水平上探索生命活動的內(nèi)在規(guī)律及其內(nèi)外環(huán)境影響機(jī)制的科學(xué)。2001年2月中旬，《Nature》與《Science》分別發(fā)表了人類基因組工作框架圖,報告人類基因組共有30億個堿基對,預(yù)測編碼基因31,000個,比最初預(yù)測的10萬個編碼基因數(shù)大大減少。2003年

人類基因組計劃宣布，人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計劃的所有目標(biāo)全部實現(xiàn)第一節(jié)

人類基因組和基因組學(xué)基因組(genome)是德國遺傳學(xué)家H.Winkler在1920年將gene（基因）和chromosome(染色體)兩個詞縮合而創(chuàng)造的一個新詞，意思是指染色體上的全部基因。幾十年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，其含義擴(kuò)展為在個體水平代表一個個體所有遺傳性狀的總和，在細(xì)胞水平代表一個細(xì)胞所有不同染色體（單倍體）的總和，在分子水平代表一個物種所有DNA分子的總和。

基因組學(xué)概念及范疇基因組(genome)泛指一個有生命體、病毒或細(xì)胞器的全部遺傳物質(zhì)；在真核生物，基因組是指一套染色體（單倍體）DNA?；蚪M學(xué)(genomics)就是發(fā)展和應(yīng)用DNA制圖、測序新技術(shù)以及計算機(jī)程序，分析生命體（包括人類）全部基因組結(jié)構(gòu)及功能的科學(xué)?；蚪M學(xué)包括3個不同的亞領(lǐng)域結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)功能基因組學(xué)(functionalgenomics)比較基因組學(xué)(comparativegenomics)基因組學(xué)概念結(jié)構(gòu)基因組學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)是通過人類基因組計劃(HumanGenomeProject,HGP)的實施來完成的。HGP的內(nèi)容就是制作高分辨率的人類遺傳圖和物理圖，最終完成人類和其它重要模式生物全部基因組DNA序列測定，因此HGP屬于結(jié)構(gòu)基因組學(xué)范疇。第二節(jié)

人類基因組計劃人類基因組計劃HGP也稱人類基因測序計劃，主要目標(biāo)是完成對人的基因組的所有堿基序列的測定，闡明人體中全部基因的位置、結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)、調(diào)控方式及致病突變的全部信息。基本任務(wù)是完成遺傳圖、物理圖、序列圖和轉(zhuǎn)錄圖。人類基因組包括24條染色體，3×109bp，3-4萬個基因。人類基因組計劃的目標(biāo)人類基因組計劃是一項國際性的研究計劃。它的目標(biāo)是通過以美國為主的全球性的國際合作，在大約15年的時間里完成人類24條染色體的基因組作圖和DNA全長序列分析，進(jìn)行基因的鑒定和功能分析。人類基因組計劃的“科學(xué)產(chǎn)品”將是一個人類遺傳信息數(shù)據(jù)庫，將是一本指導(dǎo)人類進(jìn)化的“說明書”。人類基因組計劃的最終目標(biāo)就是確定人類基因組所攜帶的全部遺傳信息，并確定、闡明和記錄組成的人類基因組的全部DNA序列。人類基因組計劃的研究概況

1986年美國病毒學(xué)家R·杜爾貝科（1914－）1986年3月7日在美國《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為《癌癥研究的轉(zhuǎn)折點——人類基因組的全序列分析》的文章，他指出：“人類DNA序列是人類的真諦，這個世界上發(fā)生的一切事情，都與這一序列息息相關(guān)?！痹撐暮髞肀环Q為“人類基因組計劃”的“標(biāo)書”。1988年美國能源部和國家衛(wèi)生研究院率先在美國開展人類基因組計劃，并經(jīng)國會批準(zhǔn)由政府給予資助。此后，成立了一個國際間的合作機(jī)構(gòu)——人類基因組織(HumanGenomeOrganization)，由多個國家籌集資金和科研力量，積極參加這一國際性研究計劃。人類基因組計劃的研究概況

1988年1989年，美國國立衛(wèi)生研究院成立了人類染色體研究中心，沃森出任第一任主任。人類基因組計劃的研究概況

1989年1990年，美國國會批準(zhǔn)了“人類基因組計劃”，并于10月1日正式啟動，由多國科學(xué)家參加、被稱為“生命科學(xué)阿波羅計劃”的人類基因組計劃正式啟動。預(yù)計用15年時間，投資30億美元，完成30億對堿基的測序，并對所有基因進(jìn)行繪圖和排序。美國承擔(dān)了全部任務(wù)的54%，英國33%，日本7%，法國2.8%，德國2.2%。中國于1999年9月加入人類基因組計劃并承擔(dān)了1%

的測序任務(wù)。人類基因組計劃的研究概況

1990年1998年，生產(chǎn)DNA測序儀的最大廠家Perkin-Elmer(簡稱PE)公司與文特爾領(lǐng)導(dǎo)的基因研究所合作成立了塞萊拉（Celera）遺傳信息公司，并宣布他們將利用最新技術(shù)在3年內(nèi)完成人類基因組的測序工作，這使得該計劃處于一種公私競爭的狀態(tài)，從而加快了人類基因組的研究步伐。人類基因組計劃的研究概況

1998年2000年6月26日，美國國家人類基因組研究所所長弗朗西斯·柯林斯、塞萊拉公司的董事長兼首席科學(xué)家克萊格·文特爾、美國總統(tǒng)克林頓、英國首相布萊爾聯(lián)合宣布人類基因組工作草圖繪制成功。此后，人類基因組研究進(jìn)入繪制“完成圖”的階段。與“框架圖”相比，“完成圖”的覆蓋率從90％擴(kuò)展到100％，準(zhǔn)確率從99％上升到99.99％。人類基因組計劃的研究概況

2000年2001年2月12日，參加繪制人類基因組圖譜的美、英、日、法、德、中6國科學(xué)家公布了更加準(zhǔn)確、清晰、完整的人類基因組圖譜，并指出人類基因總數(shù)只有3~3.5萬個,編碼序列占2%。2001年7月10日，中國“人類基因組計劃”重大項目秘書長楊煥明教授宣布：在人類基因組完成圖的繪制工作中，中國已率先超額（1.13%）完成所承擔(dān)的任務(wù)。人類基因組計劃的研究概況

2001年（一）遺傳圖（二）物理圖（三）序列圖（四）基因圖HGP包括以下研究內(nèi)容一、

遺傳圖譜（連鎖圖譜）概念：指基因或分子標(biāo)記在染色體上的相對位置與遺傳距離，用厘摩（cM）表示。1cM的遺傳距離表示在100個配子中有1個重組子。在哺乳動物中，遺傳圖譜上1cM的距離大約相當(dāng)于物理圖譜上1,000,000bp。人類基因組的全長約3600cM遺傳圖是將每條染色體上的基因或遺傳標(biāo)記的相對位置經(jīng)連鎖分析確定下來，構(gòu)成圖譜，因此，需借助相應(yīng)的遺傳標(biāo)記。DNA技術(shù)的建立為人類提供了大量新的遺傳標(biāo)記。遺傳標(biāo)記有三代第一代DNA遺傳標(biāo)記是RFLP（限制性片段長度多態(tài)性）。DNA序列上的微小變化，甚至1個核苷酸的變化，也能引起限制性內(nèi)切酶切點的丟失或產(chǎn)生，導(dǎo)致酶切片段長度的變化。第二代DNA遺傳標(biāo)記利用了存在于人類基因組中的大量重復(fù)序列：重復(fù)單位長度在15-65個核苷酸左右的小衛(wèi)星DNA；重復(fù)單位長度在2-6個核苷酸之間的微衛(wèi)星DNA，又稱為簡短串聯(lián)重復(fù)（STR、STRP或SSLP）。衛(wèi)星DNA分類特征衛(wèi)星DNA串聯(lián)重復(fù)的基本單位首尾相接，在基因組中呈不均勻分布，但主要集中于著絲粒、端粒等特定部位，高度或中等重復(fù)，分屬三個大家族。α衛(wèi)星DNA中等重復(fù)，基本單位長171bp。小衛(wèi)星DNA中等重復(fù)，基本單位長15~65bp。微衛(wèi)星DNA中等重復(fù)，基本單位長2~8bp第二代DNA遺傳標(biāo)記STRP的優(yōu)點是“多態(tài)性”與“高頻率”。由于(A)n，(CA)n，(CGG)n等短重復(fù)序列在進(jìn)化上不受選擇，在同一位點上可重復(fù)單位數(shù)量變化很大，配對時又容易產(chǎn)生“錯配”，使這樣的位點遍布于整個基因組。已有5264個STRP為主體的遺傳標(biāo)記“連鎖圖”，平均分辨率已達(dá)600kb，其中第17號染色體上平均每495kb有一個標(biāo)記，第9號染色體上平均每767kb有一個標(biāo)記，整個基因組中只有三處標(biāo)記間距大于4Mb。第三代DNA遺傳標(biāo)記，可能也是最好的遺傳標(biāo)記，是分散于基因組中的單個堿基的差異，即單核苷酸的多態(tài)性（SNP），包括單個堿基的缺失、插入和替換。SNP中大多數(shù)為轉(zhuǎn)換，即由一種嘧啶堿基替換另一種嘧啶堿基，或由一種嘌呤堿基替換另一種嘌呤堿基，顛換與轉(zhuǎn)換之比為1：2。SNP有可能在密度上達(dá)到人類基因組“多態(tài)”位點數(shù)目的極限。估計人類基因組中可能有300萬個SNP位點！SNP與RFLP和STRP標(biāo)記的主要不同之處在于，它不再以DNA片段的長度變化作為檢測手段，而直接以序列變異作為標(biāo)記。遺傳圖譜繪制的意義“遺傳圖”的建立為人類疾病相關(guān)基因的分離克隆奠定了基礎(chǔ)。擁有5000多個遺傳學(xué)位點，相當(dāng)于把整個人類基因組劃分為5000多個小區(qū)，并分別設(shè)置了“標(biāo)牌”。如果在家系中證實該基因與某個標(biāo)記不連鎖（重組率為50%），表明該基因不在這一標(biāo)記附近。如果發(fā)現(xiàn)該基因與某個標(biāo)記有一定程度的“連鎖”（重組率小于50%但大于0），表明它可能位于這個標(biāo)記附近。如果該基因與某標(biāo)記間不發(fā)生重組（重組率等于0），我們就推測該標(biāo)記與所研究的疾病基因可能非常接近。人類基因組的物理圖是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標(biāo)簽位點，STS）為“路標(biāo)”，以堿基對（bp，kb，Mb）作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。STS是基因組中任何單拷貝的長度在100～500bp之間的DNA序列，與核酸內(nèi)切酶識別序列相關(guān)聯(lián)。物理圖主要內(nèi)容是建立相互重疊連接的“相連DNA片段群”。物理圖序列圖人類基因組的核苷酸序列圖是分子水平上最高層次、最詳盡的物理圖。測定總長約1米、由30億個核苷酸組成的全序列是人類基因組計劃的最終目標(biāo)。人類所擁有的基因位點都是相同的，不同種族、不同個體的基因差異(人類基因組的多樣性)以及“正常”與“疾病”基因的差異，只是同一位點上的等位基因的差異。人類基因組計劃所提供的人類核酸序列圖，蘊(yùn)藏了決定我們生、老、病、死的所有遺傳信息，將成為人類認(rèn)識自我、改造自我－使人類健康長壽的知識源泉，為21世紀(jì)現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)奠定了基礎(chǔ)。在識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。在人類基因組中鑒別出占具2%－5%長度的全部基因的位置、結(jié)構(gòu)與功能，最主要的方法是通過基因的表達(dá)產(chǎn)物mRNA反追到染色體的位置?；驁D基因圖CpG島的應(yīng)用

CpG島(CpGisland)：描述哺乳動物基因組DNA中的一部分序列，其特點是C和G的總和超過4種堿基總和的50%，即每10個核苷酸約出現(xiàn)一次雙核苷酸序列CG。具有這種特點的序列僅占基因組DNA總量的10%左右。從已知的DNA序列統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的管家基因(House-Keepinggene)及約占40%的組織特異性基因的5‘末端含有CpG島，其序列可能包括基因轉(zhuǎn)錄的啟動子及第一個外顯子。因此，在大規(guī)模DNA測序計劃中，每發(fā)現(xiàn)一個CpG島，則預(yù)示可能在此存在基因。基因圖計算機(jī)應(yīng)用及cDNA策略計算機(jī)應(yīng)用：通過軟件進(jìn)行預(yù)測（生物信息學(xué)）cDNA策略：把特定組織中的mRNA分離出來，經(jīng)反轉(zhuǎn)錄合成cDNA片段，建立EST位標(biāo)，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜。是染色體DNA某一區(qū)域內(nèi)所有可轉(zhuǎn)錄序列的分布圖，是基因圖的雛形。第三節(jié)后基因組時代(Postgenomeera)*人類基因組計劃完成之后，生物學(xué)被重新劃分為前基因組和后基因組兩部分。*科學(xué)研究已開始進(jìn)入“后基因組時代”。主要是開展蛋白質(zhì)組的研究。*有科學(xué)家形象地說道：即使基因測序全部完成，也只好像是一本沒有姓名、只有號碼的電話簿?！昂蠡蚪M時代”的最終目標(biāo)，是要把深奧的DNA語言變成一本基因大百科全書。一、基因組多樣性計劃不同人種、不同民族基因組的異同關(guān)系。探討人類進(jìn)化和種族演化的歷史。個體化用藥。疾病易感性。二、功能基因組學(xué)完成一個生物體全部基因組測序后即進(jìn)入后基因組測序階段——詳盡分析序列，描述基因組所有基因的功能，包括研究基因的表達(dá)及其調(diào)控模式，這就是功能基因組學(xué)（functionalgenomics）。（一）鑒定DNA序列中的基因（二）同源搜索設(shè)計基因功能（三）實驗性設(shè)計基因功能（