人類基因組計劃的現(xiàn)狀

1、人類基因組計劃的現(xiàn)狀    摘要 人類基因組計劃（human genome project,HGP）旨在闡明人類基因組的結(jié)構(gòu)、組成、全部3×109核苷酸的序列以及基因在染色體上的定位及其功能，從而破譯人類全部遺傳信息。美國于1990年正式啟動HGP，估計到2003年完成人類基因組全部序列的研究。目前，HGP已成為全球范圍的合作項目。本文就HGP以及由HGP延伸而來的后基因組計劃（post-genome project）的發(fā)展現(xiàn)狀作一綜述。 關鍵詞：人類基因組 基因克隆 基因組學 結(jié)構(gòu)基因組 功能基因組 人類基因組計劃（human genome

2、project,HGP）是由美國科學家、諾貝爾獎獲得者Renato dulbecco于1986年在雜志Science上發(fā)表的文章中率先提出的，旨在闡明人類基因組脫氧核糖核酸（DNA）3×109核苷酸的序列，闡明所有人類基因并確定其在染色體的位置，從而破譯人類全部遺傳信息。美國于1990年正式啟動人類基因組計劃，估計到2003年完成人類基因組全部序列測定。歐共體、日本、加拿大、巴西、印度、中國也相繼提出了各自的基因組研究計劃1。由于各國政府和科學家的共同努力，HGP目前已在為全球范圍的合作項目；隨著數(shù)理化、信息、材料等學科的滲透和工業(yè)化管理模式的引進，HGP已真正成為生命科學領域的科學

3、工程，基因組（genomics）作為一門新興學科也應運而生。 與此同時，科學界也在思索人類基因組計劃完成后的下一步工作，因此就有了“后基因組計劃”（post-genome project）的提法。大多數(shù)科學家認為原定于2003年所完成的人類基因組計劃只是一個以測序為主的結(jié)構(gòu)基因組學（structural genomics）研究，而所謂的“后基因組計劃”應該是對基因功能的研究，即所謂的功能基因組學（functional genomics）。此外，一些新的概念如：“蛋白質(zhì)組（proteome）”、“環(huán)境基因組學（environmental genomics）”和“腫瘤基因組解剖學計劃（cancer

4、 genome anatomy project,CGAP）”等等也在不斷向外延伸。 一、結(jié)構(gòu)基因組學 （一）人類基因組作圖 人類基因組作圖根據(jù)使用的標記和手段不同，初期的作圖有二種：一是通過計算連鎖的遺傳標記之間重組頻率而確定它們相對距離的遺傳連鎖圖，一般用厘摩（cM）來表示；二是確定各遺傳標記之間物理距離的物理圖，一般用堿基（bp）或千堿基（kb）或兆堿基（Mb）來表示。1cM的遺傳距離大致上相當于1Mb的物理距離。隨著研究工作的進展，遺傳圖和物理圖逐漸發(fā)生整合，在此基礎上大量引入基因標記，從而形成了新一代的轉(zhuǎn)錄圖1。 1.遺傳連鎖圖 遺傳連鎖圖（genetic map）繪制需要遺傳標記，早

5、期的遺傳標記主要為生化標記，20世紀80年代中期以限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）、串聯(lián)重復序列拷貝多態(tài)性和小衛(wèi)星重復順序等遺傳標記為主，這類標記的數(shù)量較少，信息也較低；20世紀80年代后期發(fā)展的短串聯(lián)重復序列（short tandem repeat,STR）也稱微衛(wèi)星（microsatellite,MS）標記，主要為二核苷酸重復序列，如：（CA）n，它們在染色體上分布較均勻，信息含量明顯高于RFLP，因而成為遺傳連鎖分析極為有用的標記；近年來，單個堿基的多態(tài)性（single nucleotide polymorphism,SNP）標記又被大量使用，其意義已超出了遺傳作圖的范圍，而成為研究基因

6、組多樣性和識別、定位疾病相關基因的一種新標記。 2.物理圖 物理圖（physical map）包含了兩層意義，一是獲得分布于整個基因組的30000個序列標簽位點（sequence tagged site,STS），這可使基因組每隔100kb距離就有一個標記；二是在此基礎上構(gòu)建覆蓋每條染色體的大片段DNA克隆，如：酵母人工染色體（yeast ar tificial chromosome,YAC）或細菌人工染色體（bacterial artificial chromosome,BAC）、人工附加染色體（human artificial episomal chromosome,HAEC）和人工噬菌體

7、染色體（P1 bacteriophage artificial chromosome,PAC）等連續(xù)克隆。這些圖譜的制作進一步定位其它基因座提供了詳細的框架2。 3.轉(zhuǎn)錄圖 構(gòu)建轉(zhuǎn)錄圖的前提條件是獲得大量基因轉(zhuǎn)錄本即信使核糖核酸（mRNA）的序列，人類基因組中的基因數(shù)目約在10萬左右，構(gòu)建轉(zhuǎn)錄圖首先需要獲得人類基因的表達序列標簽（expressed sequence tag,EST），以此建立一張人類的轉(zhuǎn)錄圖，并與遺傳圖的交叉參照。 4.DNA序列的生物信息學 HGP一開始就與信息高速公路和數(shù)據(jù)庫技術形成了同步發(fā)展。迄今，國際上四個大的生物信息中心即美國的國家生物技術信息中心（NCBI）、基因

8、組序列數(shù)據(jù)庫（GSDB）、歐洲分子生物實驗室（EMBL）和日本DNA數(shù)據(jù)庫（DDBJ）已經(jīng)建立和維持了源自數(shù)百種生物的互補DNA（cDNA）和基因組DNA序列的大型數(shù)據(jù)庫。這些中心和全球的基因組研究實驗室通過網(wǎng)點、電子郵件或者直接與服務器和數(shù)據(jù)庫聯(lián)系而獲得的搜尋系統(tǒng)，使得研究者可以在多種不同的分析系統(tǒng)中對序列數(shù)據(jù)庫提出質(zhì)詢，這些分析包括基因的發(fā)現(xiàn)、蛋白質(zhì)模體的鑒別、調(diào)控元件的分析、重復序列的鑒別、相似性的分析、核苷酸組成的分析以及物種間的比較等。 （二）基因組的基本結(jié)構(gòu)和進化 人類基因組研究的目的，不僅為了單純地積累數(shù)據(jù)，而且要提示數(shù)據(jù)中所蘊藏的內(nèi)在規(guī)律3，從而更好地認識生命體。近年來，隨著模

9、式生物體測序的相繼完成和人類基因組測序速度的加快（到1999年12月已宣布完成人類第22號染色體的完全測序），特別是生物信息所提供的強有力的分析和綜合手段，使人人能夠逐漸透過浩瀚的基因組序列信息，去探索一些更為本質(zhì)的問題，如：基因組的復雜度與生物進化、基因組編碼序列的結(jié)構(gòu)、基因和蛋白家族、基因家族的大小及其進化。 （三）疾病的基因組學 HGP的直接始動因素是要解決包括腫瘤在內(nèi)的人類疾病的分子遺傳學問題4，因此與人類健康密切相關。另一方面，8000多種單基因遺傳病和多種大面積危害人群健康的多基因疾病（如：腫瘤、心血管病、代謝性疾病、神經(jīng)疾病、精神疾病、免疫性疾病）的致病基因和疾病相關基因占人類基

10、因組中相當大的一部分。因此，疾病基因的定位、克隆和鑒定是HGP的核心部分。 20世紀90年代之前，絕大多數(shù)人類遺傳性疾病的原發(fā)生化基礎尚不清楚，無法用表型-蛋白質(zhì)-基因的傳統(tǒng)途徑進行研究。在HGP的遺傳和物理作圖帶動下，出現(xiàn)了最初被稱為“反求遺傳”、90年代初又改稱為“定位克隆法”的全新思路。該思路的關鍵內(nèi)容是：應用細胞遺傳學定位和家第連鎖分析方法，首先將疾病基因定位于染色體的特定位置，然后通過進一步的遺傳和物理作圖，使相關區(qū)域壓縮至1Mb之內(nèi)，此時即可構(gòu)建YAC、BAC、PAC、HAEC或粘粒（comid）等克隆重疊樣，從中分離基因，并在正常人和患者的DNA中進行結(jié)構(gòu)比較，最終識別出疾病基因。包括囊性纖維化、Huntington舞蹈病、遺傳性結(jié)腸癌、乳腺癌等一大批重要疾病的基因是通過“定位克隆”發(fā)現(xiàn)的，從而為這些疾病的基因診斷和未來的基因治療奠定了基礎。