高中生物 第六章 遺傳與人類健康 6.3 基因治療和人類基因組計(jì)劃素材 浙科版必修2

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1、 第5節(jié) 人類基因組計(jì)劃 HGP對人類的重要意義　　1、HGP對人類疾病基因研究的貢獻(xiàn) 　　人類疾病相關(guān)的基因是人類基因組中結(jié)構(gòu)和功能完整性至關(guān)重要的信息。對于單基因病，采用“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)。對于心血管疾病、腫瘤、糖尿病、神經(jīng)精神類疾?。ɡ夏晷园V呆、精神分裂癥）、自身免疫性疾病等多基因疾病是目前疾病基因研究的重點(diǎn)。 健康相關(guān)研究是HGP的重要組成部分，1997年相繼提出：“腫瘤基因組解剖計(jì)劃”“環(huán)境基因組學(xué)計(jì)劃”。 　　2、HGP對醫(yī)學(xué)的貢獻(xiàn)

2、　　基因診斷、基因治療和基于基因組知識的治療、基于基因組信息的疾病預(yù)防、疾病易感基因的識別、風(fēng)險人群生活方式、環(huán)境因子的干預(yù)。 　　3、HGP對生物技術(shù)的貢獻(xiàn) 　?。?）基因工程藥物：分泌蛋白（多肽激素，生長因子，趨化因子，凝血和抗凝血因子等）及其受體。 　　（2）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。 　?。?）對細(xì)胞、胚胎、組織工程的推動：胚胎和成年期干細(xì)胞、克隆技術(shù)、器官再造。 　　4、HGP對制藥工業(yè)的貢獻(xiàn) 　　篩選藥物的靶點(diǎn)：與組合化學(xué)和天然化合物分離技術(shù)結(jié)合，建立高通量的受體、酶結(jié)合試驗(yàn)以知識為基礎(chǔ)的藥物設(shè)計(jì)：基因蛋白產(chǎn)物的高級結(jié)構(gòu)

3、分析、預(yù)測、模擬—藥物作用“口袋”。 　　個體化的藥物治療：藥物基因組學(xué)。 　　5、HGP對社會經(jīng)濟(jì)的重要影響 　　生物產(chǎn)業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)是一個國家的兩大經(jīng)濟(jì)支柱；發(fā)現(xiàn)新功能基因的社會和經(jīng)濟(jì)效益；轉(zhuǎn)基因食品；轉(zhuǎn)基因藥物（如減肥藥，增高藥） 　　6、HGP對生物進(jìn)化研究的影響 　　生物的進(jìn)化史，都刻寫在各基因組的“天書”上；草履蟲是人的親戚——13億年；人是由300～400萬年前的一種猴子進(jìn)化來的；人類第一次“走出非洲”——200萬年的古猿；人類的“夏娃”來自于非洲，距今20萬年——第二次“走出非洲”？ 　　7、HGP帶來的負(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

4、物武器；基因?qū)＠麘?zhàn)；基因資源的掠奪戰(zhàn)；基因與個人隱私。 應(yīng)用實(shí)例 　　1、疾病基因 　　人類基因組研究的一個關(guān)鍵應(yīng)用是通過位置克隆尋找未知生物化學(xué)功能的疾病基因。這個方法包括通過患病家族連鎖分析來繪制包含這些基因的染色體區(qū)域圖，然后檢查該區(qū)域來尋找基因。位置克隆是很有用的，但是也是非常乏味的。當(dāng)在1980s早期該方法第一次提出時，希望實(shí)現(xiàn)位置克隆的研究者們不得不產(chǎn)生遺傳標(biāo)記來跟蹤遺傳，進(jìn)行染色體行走得到覆蓋該區(qū)域的基因組DNA，通過直接測序或間接基因識別方法分析大約1Mb大小的區(qū)域。最早的兩個障礙在1990s中期在人類基因組項(xiàng)目的支持下隨著人類染色體的遺傳和物理圖譜的發(fā)展而清除。然而，剩

5、余的障礙仍然是艱難的。 　　所有這些將隨著人類基因組序列草圖的實(shí)用性而改變。在公共數(shù)據(jù)庫中的人類基因組序列使得候選基因的計(jì)算機(jī)快速識別成為可能，隨之進(jìn)行相關(guān)候選基因的突變檢測，需要在基因結(jié)構(gòu)信息的幫助?，F(xiàn)在，對于孟德爾遺傳疾病，一個基因的搜索在一個適當(dāng)大小的研究小組經(jīng)常在幾個月實(shí)現(xiàn)。至少30個疾病基因直接依賴公共提供的基因組序列已經(jīng)定位克隆到。因?yàn)榇蠖鄶?shù)人類序列只是在過去的12個月內(nèi)得到，可能許多類似的發(fā)現(xiàn)還沒有出版。另外，有許多案例中，基因組序列發(fā)揮著支持作用，例如提供候選微衛(wèi)星標(biāo)識用于很好的遺傳連鎖分析。（2001年我國上海和北京科學(xué)家發(fā)現(xiàn)遺傳性乳光牙本質(zhì)II型基因） 　　基因組序列對

6、于揭示導(dǎo)致許多普通的染色體刪除綜合癥的機(jī)制同樣有幫助。在幾個實(shí)例中，再發(fā)生的刪除被發(fā)現(xiàn)，由同源體重組合在大的幾乎同一的染色體內(nèi)復(fù)制的不等交叉產(chǎn)生。例子包括在第22條染色體上的DiGeorge/ velocardiofacial綜合癥區(qū)和在第7條染色體上的Williams-Beuren綜合癥的重復(fù)刪除。 　　基因組序列的可用性同樣允許疾病基因的旁系同源性的快速識別，對于兩個理由是有價值的。首先，旁系同源基因的突變可以引起相關(guān)遺傳疾病。通過基因組序列使用發(fā)現(xiàn)的一個很好的例子是色盲（完全色盲）。CNGA3基因，編碼視錐體光感受器環(huán)GMP門控通道的a亞單位，顯示在一些色盲家系中存在突變體?；蚪M序列

7、的計(jì)算機(jī)檢索揭示了旁系同源基因編碼相應(yīng)的b亞單位，CNGB3（在EST數(shù)據(jù)庫中沒有出現(xiàn)）。CNGB3基因被快速認(rèn)定為是其他家系的色盲的原因。另一個例子是由早衰1和早衰2基因提供的，它們的突變可能導(dǎo)致Alzheimer疾病的的早期發(fā)生。第二個理由是旁系同源體可以提供治療敢于的機(jī)會，例子是在鐮刀狀細(xì)胞疾病或β地中海貧血的個體中試圖再次激活胚胎表達(dá)的血紅蛋白基因，它是由于β-球蛋白基因突變引起的。 　　我們在在線人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫(OMIM)和SwissProt 或TrEMBL蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行了971個已知的人類疾病基因的旁系同源體的系統(tǒng)檢索。我們識別了286個潛在的旁系同源體（要求是至少50

8、個氨基酸的匹配，在相同的染色體上一致性大于70%但小于90%，在不同的染色體上小于95%）。盡管這種分析也許識別一些假基因，89%的匹配顯示在新靶序列一個外顯子以上的同源性，意味著許多是有功能的。這種分析顯示了在計(jì)算機(jī)中快速識別疾病基因的潛能。 　　2、藥物靶 　　在過去的世紀(jì)里，制藥產(chǎn)業(yè)很大程度上依賴于有限的藥物靶來開發(fā)新的治療手段。最近的綱要列舉了483個藥物靶被看作是解決了市場上的所有藥物。知道了人類的全部基因和蛋白質(zhì)將極大的擴(kuò)展合適藥物靶的尋找。雖然，僅僅人類的小部分基因可以作為藥物靶，可以預(yù)測這個數(shù)目將在幾千之上，這個前景將導(dǎo)致基因組研究在藥物研究和開發(fā)中的大規(guī)模開展。一些例子可

9、以說明這一點(diǎn)： 　　（1）神經(jīng)遞質(zhì)（5-HT）通過化學(xué)門控通道介導(dǎo)快速興奮響應(yīng)。以前識別的5-HT3A受體基因產(chǎn)生功能受體，但是比在活體內(nèi)有小得多的電導(dǎo)。交叉雜交實(shí)驗(yàn)和EST分析在揭示已知受體的其他同源體上都失敗了。然而，最近，通過對人類基因組序列草圖的低要求檢索，一個推定的同源體被識別，在一個PAC克隆中第11號染色體長臂上。同源體顯示在紋狀體、尾狀核、海馬中表達(dá)，全長cDNA隨后得到。這個編碼胺受體地基因，被命名為5-HT3B。當(dāng)與5-HT3A組合成異二聚體中，它顯示負(fù)責(zé)大電導(dǎo)神經(jīng)胺通道。假定胺途徑在精神疾病和精神分裂癥的中心作用，一個主要的新的治療靶的發(fā)現(xiàn)是相當(dāng)有興趣的。 　　（2）

10、半胱氨?；兹┑氖湛s和炎癥作用，先前認(rèn)為是過敏反應(yīng)的慢反映物質(zhì)(SRS-A)，通過特定的受體介導(dǎo)。第二個類似的受體，CysLT2，使用老鼠EST和人類基因組序列的重組得到識別。這導(dǎo)致了與先前識別的唯一的其它受體有38%氨基酸一致性的基因的克隆。這個新的受體，顯示高的親和力和幾個白三烯的結(jié)合，映射在與過敏性哮喘有關(guān)的第13號染色體區(qū)域上。這個基因在氣道平滑肌和心臟中表達(dá)。作為白三烯途徑中抗哮喘藥物開發(fā)中一個重要的靶，新受體的發(fā)現(xiàn)有明顯的重要的作用。 　　(3) Alzheimer疾病在老年斑中有豐富的β-淀粉樣物沉積。β-淀粉樣物由前體蛋白（APP）蛋白水解生成。有一個酶是β位 APP裂開酶

11、，是跨膜天冬氨酸蛋白酶。公共的人類基因組草圖序列計(jì)算機(jī)搜索最近識別了BACE的一個新的同源序列，編碼一個蛋白，命名為BACE2，它與BACE有52%的氨基酸序列一致性。包含兩個激活蛋白酶位點(diǎn)和象APP一樣，映射到第21條染色體的必須Down綜合癥區(qū)域。 它提出了問題，BACE2和APP過多的拷貝是否有功于加速Down綜合癥病人的腦部β-淀粉樣物沉積。 　　給出了這些例子，我們在基因組序列中進(jìn)行系統(tǒng)的識別傳統(tǒng)藥靶蛋白質(zhì)的旁系同源體。使用的靶列表在SwissPrott數(shù)據(jù)庫中識別了603個入口，有唯一的訪問碼。 　　3、基礎(chǔ)生物學(xué) 　　一個例子是：解決了困擾研究者幾十年的一個神秘課題：苦味的

12、分子學(xué)基礎(chǔ)。人類和其他動物對于某一種苦味有不同的響應(yīng)（響應(yīng)的多態(tài)性）。最近，研究者將這個特征映射到人類和老鼠中，然后檢索了G蛋白偶合受體的人類基因組序列草圖上的相關(guān)區(qū)域。這些研究很快導(dǎo)致了該類蛋白的新家族的發(fā)現(xiàn)，證明了它們幾乎都在味蕾表達(dá)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在培養(yǎng)細(xì)胞中的受體響應(yīng)特定的苦基質(zhì)。 　　人體基因組圖譜是全人類的財(cái)產(chǎn)，這一研究成果理應(yīng)為全人類所分享、造福全人類，這是參與人類基因組工程計(jì)劃的各國科學(xué)家的共識。值得關(guān)注的是，目前在人類基因組研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了一些私營公司爭相為其成果申請專利的現(xiàn)象。美國塞萊拉基因公司曾表示，想把一部分研究成果申請專利，有償提供給制藥公司。 　　找到了一批主宰人體

13、疾病的重要基因 　　如：肥胖基因、支氣管哮喘基因。這類基因的新發(fā)現(xiàn)每年都有新報(bào)道。這些基因的發(fā)現(xiàn)，增進(jìn)了人們對許多重要疾病機(jī)理的理解，并且推動整個醫(yī)學(xué)思想更快的從重治療轉(zhuǎn)向重預(yù)防。 例如：湖南醫(yī)科大學(xué)夏家輝教授組于1998.5.28發(fā)表克隆了人類神經(jīng)性高頻性耳聾的致病基因（GJB3），這是第一次在中國克隆的基因。 　　在人類基因組計(jì)劃的推動下，涌現(xiàn)了幾門嶄新的學(xué)科。如：基因組學(xué)(genomics)和生物信息學(xué)(bioinformatics) 　　生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。一批世界級的大公司紛紛把它們的重心轉(zhuǎn)向生命科學(xué)研究和生物技術(shù)產(chǎn)品。這種趨勢或潮流也不能不說和人類基因組計(jì)劃密切相關(guān)。 HGP

14、進(jìn)展與未來 　　2000年6月26日，參加人類基因組工程項(xiàng)目的美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯(lián)邦共和國、日本和中國的6國科學(xué)家共同宣布，人類基因組草圖的繪制工作已經(jīng)完成。最終完成圖要求測序所用的克隆能忠實(shí)地代表常染色體的基因組結(jié)構(gòu)，序列錯誤率低于萬分之一。 95%常染色質(zhì)區(qū)域被測序，每個Gap小于150kb。完成圖將于2003年完成，比預(yù)計(jì)提前2年。 　　完成人類基因組序列完成圖： 　　（1） 從當(dāng)前物理圖譜生成的克隆產(chǎn)生完成的序列，覆蓋基因組的常染色質(zhì)區(qū)域大于96%。大約1Gb的完成序列已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。剩下的也已經(jīng)形成草圖，所有的克隆期望達(dá)到8～10倍的覆蓋率，大約2001年中期（99.9

15、9%的正確率），使用已經(jīng)建立的和日益自動化的協(xié)議。 　?。?） 檢測另外的庫來關(guān)閉gaps。使用FISH技術(shù)或其他方法來分析沒有閉合的Gaps大小。22，21條染色體用這種方式。2003年經(jīng)完成。 　?。?） 開發(fā)新的技術(shù)來關(guān)閉難度較大的gaps，大約幾百個。 　　基因組序列工作框架圖（Working draft）:通過對染色體位置明確的BAC連續(xù)克隆系4-5倍覆蓋率的測序(在BAC克隆水平的覆蓋率不應(yīng)低于3倍)，獲得基因組90%以上的序列，其錯誤率應(yīng)低于1%。工作框架圖可用于基因組結(jié)構(gòu)的認(rèn)識、基因的識別和解析、疾病基因的定位克隆，SNP的發(fā)現(xiàn)等。 　　草圖的作用： 　　1、草圖，許

16、多疾病相關(guān)的基因被識別 　　2、SNP（人與人之間的區(qū)別），草圖提供了一個理解遺傳基礎(chǔ)和人類特征進(jìn)化的框架。 　　3、草圖后，研究人員有了新的工具來研究調(diào)節(jié)區(qū)和基因網(wǎng)絡(luò)。 　　4、比較其它基因組可以揭示共同的調(diào)控元件，和其他物種共享的基因的環(huán)境也許提供在個體水平之上的關(guān)于功能和調(diào)節(jié)的信息。 　　5、草圖同樣是研究基因組三維壓縮到細(xì)胞核中的一個起點(diǎn)。這樣的壓縮可能影響到基因調(diào)控 　　6、在應(yīng)用上，草圖信息可以開發(fā)新的技術(shù)，如DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片，作為傳統(tǒng)方法的補(bǔ)充，目前，這樣的芯片可以包含蛋白質(zhì)家族中所有的成員，從而在特定的疾病組織中可以找到那些是活躍的。 　　2001年2月12日

17、，美國Celera公司與人類基因組計(jì)劃分別在《科學(xué)》和《自然》雜志上公布了人類基因組精細(xì)圖譜及其初步分析結(jié)果。其中，政府資助的人類基因組計(jì)劃采取基因圖策略，而Celera公司采取了“鳥槍策略”。至此，兩個不同的組織使用不同的方法都實(shí)現(xiàn)了他們共同的目標(biāo)：完成對整個人類基因組的測序的工作；并且，兩者的結(jié)果驚人的相似。整個人類基因組測序工作的基本完成，為人類生命科學(xué)開辟了一個新紀(jì)元，它對生命本質(zhì)、人類進(jìn)化、生物遺傳、個體差異、發(fā)病機(jī)制、疾病防治、新藥開發(fā)、健康長壽等領(lǐng)域，以及對整個生物學(xué)都具有深遠(yuǎn)的影響和重大意義，標(biāo)志著人類生命科學(xué)一個新時代的來臨。 眾多的發(fā)現(xiàn) 　　1、分析得知：全部人類基因組

18、約有2.91Gbp，約有39000多個基因；平均的基因大小有27kbp；其中G+C含量偏低，僅占38%，而2號染色體中G+C的含量最多；到目前仍有9%的堿基對序列未被確定，19號染色體是含基因最豐富的染色體，而13號染色體含基因量最少等等（具體信息可參見cmbi 特別報(bào)道：生命科學(xué)的重大進(jìn)展）。 　　2、目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和定位了26000多個功能基因，其中尚有42%的基因尚不知道功能，在已知基因中酶占10.28%，核酸酶占7.5%，信號傳導(dǎo)占12.2%，轉(zhuǎn)錄因子占6.0%，信號分子占1.2%，受體分子占5.3%，選擇性調(diào)節(jié)分子占3.2%，等。發(fā)現(xiàn)并了解這些功能基因的作用對于基因功能和新藥的篩選

19、都具有重要的意義。 　　3、基因數(shù)量少得驚人：一些研究人員曾經(jīng)預(yù)測人類約有14萬個基因，但Celera公司將人類基因總數(shù)定在2.6383萬到3.9114萬個之間，不超過40,000，只是線蟲或果蠅基因數(shù)量的兩倍，人有而鼠沒有的基因只有300個。如此少的基因數(shù)目，而能產(chǎn)生如此復(fù)雜的功能，說明基因組的大小和基因的數(shù)量在生命進(jìn)化上可能不具有特別重大的意義，也說明人類的基因較其他生物體更有效，人類某些基因的功能和控制蛋白質(zhì)產(chǎn)生的能力與其他生物的不同。這將對我們目前的許多觀念產(chǎn)生重大的挑戰(zhàn)，它為后基因組時代中生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供新的非凡的機(jī)遇。但由于基因剪切，EST數(shù)據(jù)庫的重復(fù)以及一些技術(shù)和方法上的誤

20、差，將來亦可能人類的基因數(shù)會多于4萬。 　　4、人類單核苷酸多態(tài)性的比例約為1/1250bp，不同人群僅有140萬個核苷酸差異，人與人之間99.99％的基因密碼是相同的。并且發(fā)現(xiàn)，來自不同人種的人比來自同一人種的人在基因上更為相似。在整個基因組序列中，人與人之間的變異僅為萬分之一，從而說明人類不同“種屬”之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。 　　5、人類基因組中存在"熱點(diǎn)"和大片"荒漠"。 在染色體上有基因成簇密集分布的區(qū)域，也有大片的區(qū)域只有“無用DNA” ——不包含或含有極少基因的成分?；蚪M上大約有1／4的區(qū)域沒有基因的片段。在所有的DNA中，只有1%-1.5%DNA能編碼蛋白，在人類基因組

21、中98%以上序列都是所謂的“無用DNA”，分布著300多萬個長片斷重復(fù)序列。這些重復(fù)的“無用”序列，決不是無用的，它一定蘊(yùn)含著人類基因的新功能和奧秘，包含著人類演化和差異的信息。經(jīng)典分子生物學(xué)認(rèn)為一個基因只能表達(dá)一種蛋白質(zhì)，而人體中存在著非常復(fù)雜繁多的蛋白質(zhì)，提示一個基因可以編碼多種蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)比基因具有更為重要的意義 　　6、男性的基因突變率是女性的兩倍，而且大部分人類遺傳疾病是在Y染色體上進(jìn)行的。所以，可能男性在人類的遺傳中起著更重要的作用。 　　7、人類基因組中大約有200多個基因是來自于插入人類祖先基因組的細(xì)菌基因。這種插入基因在無脊椎動物是很罕見的，說明是在人類進(jìn)化晚期才插

22、入我們基因組的?？赡苁窃谖覀?nèi)祟惖拿庖叻烙到y(tǒng)建立起來前，寄生于機(jī)體中的細(xì)菌在共生過程中發(fā)生了與人類基因組的基因交換。 　　8、發(fā)現(xiàn)了大約一百四十萬個單核苷酸多態(tài)性，并進(jìn)行了精確的定位，初步確定了30多種致病基因。隨著進(jìn)一步分析，我們不僅可以確定遺傳病、腫瘤、心血管病、糖尿病等危害人類生命健康最嚴(yán)重疾病的致病基因，尋找出個體化的防治藥物和方法，同時對進(jìn)一步了解人類的進(jìn)化產(chǎn)生重大的作用。 　　9、人類基因組編碼的全套蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)組）比無脊椎動物編碼的蛋白質(zhì)組更復(fù)雜。人類和其他脊椎動物重排了已有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域，形成了新的結(jié)構(gòu)。也就是說人類的進(jìn)化和特征不僅靠產(chǎn)生全新的蛋白質(zhì)，更重要的是要靠

23、重排和擴(kuò)展已有的蛋白質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)種類和功能的多樣性。有人推測一個基因平均可以編碼2-10種蛋白質(zhì)，以適應(yīng)人類復(fù)雜的功能。 　　模式生物：酵母（yeast）、大腸桿菌（Escherichia coli）、果蠅(Drosophila melanogaster)、線蟲(Caenorhabditis elegans)、小鼠(Mus musculus)、擬南芥、水稻、玉米等等其它一些模式生物的基因組計(jì)劃也都相繼完成或正在順利進(jìn)行。 　　目前基因組學(xué)的研究出現(xiàn)了幾個重心的轉(zhuǎn)移：一是將已知基因的序列與功能聯(lián)系在一起的功能基因組學(xué)研究；二是從作圖為基礎(chǔ)的基因分離轉(zhuǎn)向以序列為基礎(chǔ)的基因分離；三是從研究

24、疾病的起因轉(zhuǎn)向探索發(fā)病機(jī)理；四是從疾病診斷轉(zhuǎn)向疾病易感性研究。 　　在后基因組時代，如果在已完成基因組測序的物種之間進(jìn)行整體的比較、分析，希望在整個基因組的規(guī)模上了解基因組和蛋白質(zhì)組的功能意義，包括基因組的表達(dá)與調(diào)控、基因組的多樣化和進(jìn)化規(guī)律以及基因及其產(chǎn)物在生物體生長、發(fā)育、分化、行為、老化和治病過程中的作用機(jī)制都必須發(fā)展新的算法以充分利用超級計(jì)算機(jī)的超級計(jì)算能力。 　　美國和英國科學(xué)家2006年5月18日在英國《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表了人類最后一個染色體——1號染色體的基因測序。 　　在人體全部22對常染色體中，1號染色體包含基因數(shù)量最多，達(dá)3141個，是平均水平的兩倍，共有超過2.

25、23億個堿基對，破譯難度也最大。一個由150名英國和美國科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)歷時10年，才完成了1號染色體的測序工作。 　　科學(xué)家不止一次宣布人類基因組計(jì)劃完工，但推出的均不是全本，這一次殺青的“生命之書”更為精確，覆蓋了人類基因組的99．99％。解讀人體基因密碼的“生命之書”宣告完成，歷時16年的人類基因組計(jì)劃書寫完了最后一個章節(jié)。 人類基因組計(jì)劃的研究現(xiàn)狀與展望 　　一、研究現(xiàn)狀 　　1、人類基因組測序 　　1990年～1998年，人類基因組序列已完成和正在測序的共計(jì)約330Mb，占人基因組的11％左右；已識別出人類疾病相關(guān)的基因200個左右。此外，細(xì)菌、古細(xì)菌、支原體和酵母等1

26、7種生物的全基因組的測序已經(jīng)完成。 　　值得一提的是，企業(yè)與研究部門的攜手，將大大地促進(jìn)測序工作的完成。美國的基因組研究所（The Institute of Genome Research, TIGR）與PE（Perkin-Elmar）公司合作建立新公司，三年內(nèi)投資2億美元，預(yù)計(jì)于2002年完成全序列的測定。這一進(jìn)度將比美國政府資助的HGP的預(yù)定目標(biāo)提前三年。美國加州的一家遺傳學(xué)數(shù)據(jù)公司(Incyte)宣布（1998年〕，兩年內(nèi)測定基因組中的蛋白質(zhì)編碼序列以及密碼子中的單核苷酸的多態(tài)性，最后將繪制一幅人的10萬個基因的定位圖。與Incyte公司合作的HGS（Human Genome Sci

27、ence）公司的負(fù)責(zé)人宣稱，截止1998年8月，該公司已鑒定出10萬多個基因（人體基因約為12萬個），并且得到了95％以上基因的EST（expressed sequence tag）或其部分序列。 　　1998年9月14日美國國家人類基因組計(jì)劃研究所（NHGRI）和美國能源部基因組研究計(jì)劃的負(fù)責(zé)人在一次咨詢會議上宣布，美國政府資助的人類基因組計(jì)劃將于2001年完成大部分蛋白質(zhì)編碼區(qū)的測序，約占基因組的三分之一，測序的差錯率不超過萬分之一。同時還要完成一幅“工作草圖”，至少覆蓋基因組的90％，差錯率為百分之一。2003年完成基因組測序，差錯率為萬分之一。這一時間表顯示，計(jì)劃將比開始的目標(biāo)提前

28、兩年完成。 　　2、疾病基因的定位克隆 　　人類基因組計(jì)劃的直接動因是要解決包括腫瘤在內(nèi)的人類疾病的分子遺傳學(xué)問題。6000多個單基因遺傳病和多種大面積危害人類健康的多基因遺傳病的致病基因及相關(guān)基因，代表了對人類基因中結(jié)構(gòu)和功能完整性至關(guān)重要的組成部分。所以，疾病基因的克隆在HGP中占據(jù)著核心位置，也是計(jì)劃實(shí)施以來成果最顯著的部分。 　　在遺傳和物理作圖工作的帶動下，疾病基因的定位、克隆和鑒定研究已形成了，從表位→蛋白質(zhì)→基因的傳統(tǒng)途徑轉(zhuǎn)向“反求遺傳學(xué)”或“定位克隆法”的全新思路。隨著人類基因圖的構(gòu)成，3000多個人類基因已被精確地定位于染色體的各個區(qū)域。今后，一旦某個疾病位點(diǎn)被定

29、位，就可以從局部的基因圖中遴選出相關(guān)基因進(jìn)行分析。這種被稱為“定位候選克隆”的策略，將大大提高發(fā)現(xiàn)疾病基因的效率。 　　3、多基因病的研究 　　目前，人類疾病的基因組學(xué)研究已進(jìn)入到多基因疾病這一難點(diǎn)。由于多基因疾病不遵循孟德爾遺傳規(guī)律，難以從一般的家系遺傳連鎖分析取得突破。這方面的研究需要在人群和遺傳標(biāo)記的選擇、數(shù)學(xué)模型的建立、統(tǒng)計(jì)方法的 改進(jìn)等方面進(jìn)行艱苦的努力。近來也有學(xué)者提出，用比較基因表達(dá)譜的方法來識別疾病狀態(tài)下基因的激活或受抑。實(shí)際上，“癌腫基因組解剖學(xué)計(jì)劃（Cancer Genome Anatomy Project,CGAP”就代表了在這方面的嘗試。 　　4、中國的人類

30、基因組研究 　　國際HGP 研究的飛速發(fā)展和日趨激烈的基因搶奪戰(zhàn)已引起了中國政府和科學(xué)界的高度重視。在政府的資助和一批高水平的生命科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下，我國已建成了一批實(shí)力較強(qiáng)的國家級生命科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，組建了北京、上海人類基因組研究中心。有了研究人類基因組的條件和基礎(chǔ)，并引進(jìn)和建立了一批基因組研究中的新技術(shù)。中國的HGP在多民族基因保存、基因組多樣性的比較研究方面取得了令人滿意的成果，同時在白血病、食管癌、肝癌、鼻咽癌等易感基因研究方面亦取得了較大進(jìn)展。 　　首先建立了寡核苷酸引物介導(dǎo)的人類高分辨染色體顯微切割和顯微基因克隆技術(shù)；已建立的17種染色體特異性DNA文庫和24種染色體區(qū)特異性DN

31、A文庫及其探針；構(gòu)建了人X染色體YAC圖譜，已完成了人X染色體Xp11.2-p21.3跨度的約35cM STS－YAC圖譜的構(gòu)建；建立了YAC－cDNA篩選技術(shù)。 　　目前的研究工作還包括: 疾病和功能相關(guān)新基因的分離、測序和克隆的技術(shù)和方法學(xué)的創(chuàng)新研究；中國少數(shù)民族HLA分型研究及特種基因的分析； 人胎腦cDNA文庫的構(gòu)建和新基因的克隆研究。 　　中國是世界上人口最多的國家，有56 個民族和極為豐富的病種資源，并且由于長期的社會封閉，在一些地區(qū)形成了極為難得的族群和遺傳隔離群，一些多世代、多個體的大家系具有典型的遺傳性狀，這些都是克隆相關(guān)基因的寶貴材料。但是，由于我國的HGP 研究工

32、作起步較晚、底子薄、資金投入不足，缺乏一支穩(wěn)定的、高素質(zhì)的青年生力軍， 我國的HGP 研究工作與國外近年來的驚人發(fā)展速度相比，差距還很大，并且有進(jìn)一步加大的危險。如果我們在這場基因爭奪戰(zhàn)中不能堅(jiān)守住自己的陣地，那么在21 世紀(jì)的競爭中我們又將處于被動地位：我們不能自由地應(yīng)用基因診斷和基因治療的權(quán)力，我們不能自由地進(jìn)行生物藥物的生產(chǎn)和開發(fā)，我們亦不能自由地推動其他基因相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 　　二、展望 　　1、生命科學(xué)工業(yè)的形成 　　由于基因組研究與制藥、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、食品、化學(xué)、化妝品、環(huán)境、能源和計(jì)算機(jī)等工業(yè)部門密切相關(guān)，更重要的是基因組的研究可以轉(zhuǎn)化為巨大的生產(chǎn)力，國際上一批大型

33、制藥公司和化學(xué)工業(yè)公司大規(guī)模紛紛投巨資進(jìn)軍基因組研究領(lǐng)域，形成了一個新的產(chǎn)業(yè)部門，即生命科學(xué)工業(yè)。 　　世界上一些大的制藥集團(tuán)紛紛投資建立基因組研究所。Ciba-Geigy 和Ssandoz合資組建了Novartis 公司，并斥資2.5億美元建立研究所，開展基因組研究工作。Smith Kline 公司花1.25億美元加快測序的進(jìn)度，將藥物開發(fā)項(xiàng)目的25％建立在基因組學(xué)之上。Glaxo-Wellcome 在基因組研究領(lǐng)域投入4，700萬美元，將研究人員增加了一倍。 　　大型化學(xué)工業(yè)公司向生命科學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)軌。孟山都公司早在1985年就開始轉(zhuǎn)向生命科學(xué)工業(yè)。至1997年，該公司向生物技術(shù)和基因

34、組研究的投入已高達(dá)66億美元。1998年4月，杜邦公司宣布改組成三個實(shí)業(yè)單位，由生命科學(xué)領(lǐng)頭。1998年5月，該公司又宣布放棄能源公司Conaco，將其改造成一家生命科學(xué)公司。Dow化學(xué)公司用9億美元購入Eli Lilly公司40％的股票，從事谷物和食品研究，后又成立了生命科學(xué)公司。Hoechst公司則出售了它的基本化學(xué)品部門，轉(zhuǎn)項(xiàng)投資生物技術(shù)和制藥。 　　傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)和食品部門也出現(xiàn)了向生物技術(shù)和制藥合并的趨勢。Genzyme Transgenics 公司培養(yǎng)出的基因工程羊能以較高的產(chǎn)量生產(chǎn)抗凝血酶III，一群羊的酶產(chǎn)量相當(dāng)于投資1.15億美元工廠的產(chǎn)量。據(jù)估計(jì)，轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)的藥物成本是

35、大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)法的十分之一。一些公司還在研究生產(chǎn)能抗骨質(zhì)疏松的谷物，以及大規(guī)模生產(chǎn)和加工基因工程食品。 　　能源、采礦和環(huán)境工業(yè)也已在分子水平上向基因組研究匯合。例如，用產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium 作為一種新能源。用抗輻射的細(xì)菌Deinococcus radiodurans清除放射性物質(zhì)的污染，并在轉(zhuǎn)入tod基因后，在高輻射環(huán)境下清除多種有害化學(xué)物質(zhì)的污染。 　　2、功能基因組學(xué) 　　人類基因組計(jì)劃當(dāng)前的整體發(fā)展趨勢是什么？一方面，在順利實(shí)現(xiàn)遺傳圖和物理圖的制作后，結(jié)構(gòu)基因組學(xué)正在向完成染色體的完整核酸序列圖的目標(biāo)奮進(jìn)。另一方面，功能基因組學(xué)已提上議事日程。人類基因組

36、計(jì)劃已開始進(jìn)入由結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)過渡、轉(zhuǎn)化的過程。在功能基因組學(xué)研究中，可能的核心問題有：基因組的表達(dá)及其調(diào)控、基因組的多樣性、模式生物體基因組研究等。 　?。?）基因組的表達(dá)及其調(diào)控 　　1）基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜及其調(diào)控的研究 　　一個細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平能夠精確而特異地反映其類型、發(fā)育階段以及反應(yīng)狀態(tài)，是功能基因組學(xué)的主要內(nèi)容之一。為了能夠全面地評價全部基因的表達(dá)，需要建立全新的工具系統(tǒng)，其定量敏感性水平應(yīng)達(dá)到小于1個拷貝/細(xì)胞，定性敏感性應(yīng)能夠區(qū)分剪接方式，還須達(dá)到檢測單細(xì)胞的能力。近年來發(fā)展的DNA微陣列技術(shù)，如DNA芯片，已有可能達(dá)到這一目標(biāo)。 　　研究基因轉(zhuǎn)錄

37、表達(dá)不僅是為了獲得全基因組表達(dá)的數(shù)據(jù)，以作為數(shù)學(xué)聚類分析。關(guān)鍵問題是要解析控制整個發(fā)育過程或反應(yīng)通路的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)概念對于生理和病理?xiàng)l件下的基因表達(dá)調(diào)控都是十分重要的。一方面，大多數(shù)細(xì)胞中基因的產(chǎn)物都是與其它基因的產(chǎn)物互相作用的；另一方面，在發(fā)育過程中大多數(shù)的基因產(chǎn)物都是在多個時間和空間表達(dá)并發(fā)揮其功能，形成基因表達(dá)的多效性。在一個意義上，每個基因的表達(dá)模式只有放到它所在的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的大背景下，才會有真正的意義。進(jìn)行這方面的研究，有必要建立高通量的小鼠胚胎原位雜交技術(shù)。 　　2）蛋白質(zhì)組學(xué)研究 　　蛋白質(zhì)組學(xué)研究是要從整體水平上研究蛋白質(zhì)的水平和修飾狀態(tài)。目前正在發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化和

38、自動化的二維蛋白質(zhì)凝膠電泳的工作體系。首先用一個自動系統(tǒng)來提取人類細(xì)胞的蛋白質(zhì)，繼而用色譜儀進(jìn)行部分分離，將每區(qū)段中的蛋白質(zhì)裂解，再用質(zhì)譜儀分析，并在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中通過特征分析來認(rèn)識產(chǎn)生的多肽。 　　蛋白質(zhì)組研究的另一個重要內(nèi)容是建立蛋白質(zhì)相互關(guān)系的目錄。生物大分子之間的相互作用構(gòu)成了生命活動的基礎(chǔ)。組裝基因組各成分間的詳盡作圖已在T7噬菌體（55個基因）獲得成功。如何在模式生物（如酵母）和人類基因組的研究中建立自動方法，認(rèn)識不同的生化通路，是值得探討的問題。 　　3）生物信息學(xué)的應(yīng)用 　　目前，生物信息學(xué)已大量應(yīng)用于基因的發(fā)現(xiàn)和預(yù)測。然而，利用生物信息學(xué)去發(fā)現(xiàn)基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功

39、能更為重要。模式生物體中越來越多的蛋白質(zhì)構(gòu)建編碼單位被識別，無疑為基因和蛋白質(zhì)同源關(guān)系的搜尋和家族的分類提供了極其寶貴的信息。同時，生物信息學(xué)的算法、程序也在不斷改善，使得不僅能夠從一級結(jié)構(gòu)，也能從估計(jì)結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)同源關(guān)系。但是，利用計(jì)算機(jī)模擬所獲得的理論數(shù)據(jù)，還需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)經(jīng)過的驗(yàn)證和修正。 　?。?）基因組多樣性的研究 　　人類是一個具有多態(tài)性的群體。不同群體和個體在生物學(xué)性狀以及在對疾病的易感性與抗性上的差別，反映了進(jìn)化過程中基因組與內(nèi)、外部環(huán)境相互作用的結(jié)果。開展人類基因組多樣性的系統(tǒng)研究，無論對于了解人類的起源和進(jìn)化，還是對于生物醫(yī)學(xué)均會產(chǎn)生重大的影響。 　　1）對人類DN

40、A的再測序 　　可以預(yù)測，在完成第一個人類基因組測序后，必然會出現(xiàn)對各人種、群體進(jìn)行再測序和精細(xì)基因分型的熱潮。這些資料與人類學(xué)、語言學(xué)的資料項(xiàng)結(jié)合，將有可能建立一個全人類的數(shù)據(jù)庫資源，從而更好地了解人類的歷史和自身特征。另外，基因組多樣性的研究將成為疾病基因組學(xué)的主要內(nèi)容之一，而群體遺傳學(xué)將日益成為生物醫(yī)藥研究中的主流工具。需要對各種常見多因素疾病（如高血壓、糖尿病和精神分裂癥等）的相關(guān)基因及癌腫相關(guān)基因在基因組水平進(jìn)行大規(guī)模的再測序，以識別其變異序列。 　　2）對其它生物的測序 　　對進(jìn)化過程各個階段的生物進(jìn)行系統(tǒng)的比較DNA測序，將揭開生命35億年的進(jìn)化史。這樣的研究不僅能勾

41、畫出一張?jiān)敱M的系統(tǒng)進(jìn)化樹，而且將顯示進(jìn)化過程中最主要的變化所發(fā)生的時間及特點(diǎn)，比如新基因的出現(xiàn)和全基因組的復(fù)制。 　　認(rèn)識不同生物中基因序列的保守性，將能夠使我們有效地認(rèn)識約束基因及其產(chǎn)物的功能性的因素。對序列差異性的研究則有助于認(rèn)識產(chǎn)生大自然多樣性的基礎(chǔ)。在不同生物體之間建立序列變異與基因表達(dá)的時空差異之間的相關(guān)性，將有助于揭示基因的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 　?。?）開展對模式生物體的研究 　　1）比較基因組研究 　　在人類基因組的研究中，模式生物體的研究占有極其重要的地位。盡管模式生物體的基因組的結(jié)構(gòu)相對簡單，但是它們的核心細(xì)胞過程和生化通路在很大程度上是保守的。這項(xiàng)研究的意義是：1〕

42、有助于發(fā)展和檢驗(yàn)新的相關(guān)技術(shù)，如大規(guī)模測序、大規(guī)模表達(dá)譜檢驗(yàn)、大規(guī)模功能篩選等；2〕通過比較和鑒定，能夠了解基因組的進(jìn)化，從而加速對人類基因組結(jié)構(gòu)和功能的了解；3〕模式生物體間的比較研究，為闡明基因表達(dá)機(jī)制提供了重要的線索。 　　目前對于基因組總體結(jié)構(gòu)組成方面的知識，主要來源于模式生物體的基因組序列分析。通過對不同物種間基因調(diào)控序列的計(jì)算機(jī)分析，已發(fā)現(xiàn)了一定比例的保守性核心調(diào)控序列。根據(jù)這些序列建立的表達(dá)模式數(shù)據(jù)庫對破譯基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了必要的條件。 　　2）功能缺失突變的研究 　　識別基因功能最有效的方法，可能是觀察基因表達(dá)被阻斷后在細(xì)胞和整體所產(chǎn)生的表型變化。在這方面，基因剔除

43、方法（knock-out）是一項(xiàng)特別有用的工具。目前。國際上已開展了對酵母、線蟲和果蠅的大規(guī)模功能基因組學(xué)研究，其中進(jìn)展最快的是酵母。歐共體為此專門建立了一個稱為EUROFAN(European Functional Analysis Network)的研究網(wǎng)絡(luò)。美國、加拿大和日本也啟動了類似的計(jì)劃。 　　隨著線蟲和果蠅基因組測序的完成，將來也可能開展對這兩種生物的類似性研究。一些突變株系和技術(shù)體系建立后，不僅能夠成為研究單基因功能的有效手段，而且為研究基因冗余性和基因間的相互作用等深層次問題奠定了基礎(chǔ)。小鼠作為哺乳動物中的代表性模式生物，在功能基因組學(xué)的研究中展有特殊的地位。同源重組技術(shù)

44、可以破壞小鼠的任何一個基因，這種方法的缺點(diǎn)是費(fèi)用高。利用點(diǎn)突變、缺失突變和插入突變造成的隨機(jī)突變是另一中可能的途徑。對于人體細(xì)胞而言，建立反義寡核苷酸和核酶瞬間阻斷基因表達(dá)的體系可能更加合適。蛋白質(zhì)水平的剔除術(shù)也許是說明基因功能最有力的手段。利用組合化學(xué)方法有望生產(chǎn)出化學(xué)剔除試劑，用于激活或失活各種蛋白質(zhì)。 　　總之，模式生物體的基因組計(jì)劃為人類基因組的研究提供了大量的信息。今后，模式生物體的研究方向是將人類基因組8～10萬個編碼基因的大部分轉(zhuǎn)化為已知生化功能的多成分核心機(jī)制。而要獲得酶一種人類進(jìn)化保守性核心機(jī)制的精細(xì)途徑，以及它們的紊亂導(dǎo)致疾病的各種途徑的知識，將只能來自對人類自身的研究

45、。 　　通過功能基因組學(xué)的研究，人類最終將將能夠了解哪些進(jìn)化機(jī)制已經(jīng)確實(shí)發(fā)生，并考慮進(jìn)化過程還能夠有哪些新的潛能。一種新的解答發(fā)育問題的方法可能是，將蛋白質(zhì)功能域和調(diào)控順序進(jìn)行重新的組合，建立新的基因網(wǎng)絡(luò)和形態(tài)發(fā)生通路。也就是說，未來的生物科學(xué)不僅能夠認(rèn)識生物體是如何構(gòu)成和進(jìn)化的，而且更為誘人的是產(chǎn)生構(gòu)建新的生物體的可能潛力。 該計(jì)劃在人類科學(xué)史上又豎起了一座新的里程碑！這是一項(xiàng)改變世界，影響人類生活的壯舉，隨著時間的推移，它的偉大意義將愈顯昭彰 。 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375