HGP——人類基因組計(jì)劃課件

1、HGP人類基因組計(jì)劃 張挺 3001511062HGP(Human Genome Project)是了解人類自身奧秘的計(jì)劃1985年，美國(guó)能源部（DOE）率先提出，旨在闡明人類基因組 DNA長(zhǎng)達(dá)3109堿基對(duì)（ base pair，bp）的序列。發(fā)現(xiàn)所有人類基因并闡明其在染色體上的位置，從而在整體上破譯人類遺傳信息。1986年美國(guó)宣布啟動(dòng)人類基因組啟動(dòng)計(jì)劃；1989年，美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）建立國(guó)家人類基因組研究中心（NCHGR）；1990年，NIH和DOE聯(lián)合提出美國(guó)人類基因組計(jì)劃，正式啟動(dòng)HGP，計(jì)劃于15年內(nèi)提供30億美元的資助，在2005年完成人類基因組全部序列的測(cè)定。這無(wú)疑是一

2、項(xiàng)探索生命奧秘的偉大計(jì)劃，曾被稱為跨世紀(jì)的曼哈頓工程。 最后一個(gè)五年計(jì)劃的主要目標(biāo)是：得到標(biāo)記間距為1厘摩（1厘摩=重組頻率為1%的兩個(gè)基因間的遺傳距離）的遺傳圖譜；得到至少有30萬(wàn)個(gè)序列標(biāo)記位點(diǎn)（STS）的物理圖譜，1998年10月實(shí)際已經(jīng)有5.2萬(wàn)個(gè) STS被作圖；2001年得到人類基因組序列的草稿，2003年得到最后定稿；測(cè)序能力要達(dá)到每年500Mb(1Mb=1000kb),每個(gè)堿基對(duì)的分析費(fèi)用要少于25美分，支持毛細(xì)管陣列電泳、DNA芯片等的測(cè)序技術(shù)的發(fā)展；增加測(cè)定人類基因組變異的內(nèi)容，得到10萬(wàn)個(gè)作圖定位了的單核苷酸多態(tài)性（SNP）；得到所有基因的全長(zhǎng)c DNA；發(fā)展在基因組尺度上分

3、析生物功能的技術(shù)；在模式生物基因組研究方面，大腸桿菌、酵母菌、短小麗桿線蟲的全基因組序列已經(jīng)全部完成并發(fā)表公布，到2002年完成果蠅的全基因組序列，2005年完成小鼠的全基因組序列。 除了具體的測(cè)序目標(biāo)外，HGP的另一個(gè)重要內(nèi)容是研究人類基因組計(jì)劃的論理學(xué)、法學(xué)和社會(huì)學(xué)影響與后果，發(fā)展生物信息學(xué)和計(jì)算生物學(xué)也是HGP的重要內(nèi)容。我國(guó)的人類基因組計(jì)劃(CHGP)是于1993年啟動(dòng)，由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家高技術(shù)計(jì)為J（863）和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973）所共同資助的。根據(jù)實(shí)際情況，我國(guó)HGP的初期目標(biāo)主要是充分利用我國(guó)豐富的人類遺傳資源，進(jìn)行基因組多樣性和疾病基因識(shí)別的研究。格雷(HG

4、ray) 繪制了第一張人體解剖圖，解開了許多人體奧秘，為近代醫(yī)學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。人類基因組計(jì)劃將最終繪制出人體的第二張解剖圖，從基因水平上揭示出人體的奧秘，奠定21世紀(jì)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)飛躍發(fā)展的基礎(chǔ)。 這張解剖圖將包括4張小圖，包括了人類基因組計(jì)劃的全部主要內(nèi)容，它們分別是遺傳圖（連鎖圖）、物理圖、序列圖和轉(zhuǎn)錄圖 第一張圖是遺傳圖，又叫連鎖圖。它是以在某個(gè)遺傳位點(diǎn)上具有多個(gè)等位基因的遺傳標(biāo)記作為路標(biāo)，以遺傳學(xué)上的距離即兩個(gè)遺傳位點(diǎn)之間進(jìn)行交換、重組的百分率cM作為圖距，反映基因遺傳效應(yīng)的基因組圖。 建立人類遺傳圖的關(guān)鍵是要有足夠的高度多態(tài)的遺傳標(biāo)記。但是，目前所知的具多態(tài)性的性狀不多，等位基因的

5、數(shù)目有限，信息量不足。這樣，就限制了人類基因組的遺傳分析工作。所幸DNA重組技術(shù)的建立提供了新一代的遺傳標(biāo)記。 第一代的DNA標(biāo)記是RFLP（限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性）分析。這些RFLP片斷可被某些限制性內(nèi)切酶特異識(shí)別并切割。DNA序列的改變甚至是一個(gè)堿基的改變，將會(huì)改變限制性內(nèi)切酶酶切片段的長(zhǎng)度變化，并可通過(guò)一種稱為凝膠電泳的方法來(lái)方便地顯示這種長(zhǎng)度的多態(tài)性。RFLP在整個(gè)基因組中都存在，根據(jù)對(duì)RFLP片段的多態(tài)性分析，可對(duì)某些疾病進(jìn)行診斷并將與疾病有關(guān)的基因進(jìn)行定位。但RFLP提供的信息量有限，在檢測(cè)RFLP片段時(shí)需用到放射性同位素，不太安全。 第二代遺傳標(biāo)記是被稱為簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)片段的STR。

6、在檢測(cè)RFLP的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)有一種類型是由于DNA重復(fù)序列造成的。這些DNA重復(fù)序列在人類基因組中有很多拷貝，它們可以頭對(duì)頭或頭對(duì)尾地串聯(lián)成一簇，分布于基因組的各個(gè)位點(diǎn)。在某一位點(diǎn)上，不同數(shù)量的重復(fù)序列（VNTR）也可以提供不同的長(zhǎng)度片斷。有的VNTR重復(fù)單位長(zhǎng)度為612個(gè)堿基，稱為小衛(wèi)星；有的VNTR重復(fù)單位為26個(gè)堿基，稱為微衛(wèi)星或簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)（STR）。STR具有高度多態(tài)性，同一遺傳位點(diǎn)數(shù)目變化很大，在群體中也可形成多達(dá)幾十種的等位基因，這是其他遺傳標(biāo)記所不能比擬的；此外，還可以利用PCR的DNA體外擴(kuò)增技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)操作機(jī)器自動(dòng)化。1996年初，所建立的遺傳圖已含有6000多個(gè)以ST

7、R為主體的遺傳標(biāo)記，平均分辨率即兩個(gè)遺傳標(biāo)記間的平均距離為0.7分摩，這個(gè)距離大致對(duì)應(yīng)于0.7Mb的物理距離。有6000多個(gè)遺傳標(biāo)記作為路標(biāo)，把基因組分成6000多個(gè)區(qū)域，只要以連鎖分析的方法，找到某一表現(xiàn)型的基因與其中一種遺傳標(biāo)記鄰近（即緊密連鎖）的證據(jù)，就可以把這一基因圖定位于這一標(biāo)記所界定的區(qū)域內(nèi)。這樣，如果想確定與某種已知疾病有關(guān)的基因，即可根據(jù)決定疾病性狀的位點(diǎn)與選定的遺傳標(biāo)記間的遺傳距離，來(lái)確定與疾病相關(guān)的基因在基因組中的位置。物理圖是基因組計(jì)劃的第二張圖。物理圖以一個(gè)物理標(biāo)記作為路標(biāo)，以Mb、Kb、bP作為圖距的基因組圖。物理圖與遺傳圖相互參照就可以把遺傳學(xué)的信息轉(zhuǎn)化為物理學(xué)信息

8、。如某一區(qū)域的大小為多少CM可以基本折算為某一區(qū)域大小為多少Kb。物理圖的繪制需要篩選大量的物理標(biāo)記以及進(jìn)行大量復(fù)雜和繁瑣的分析。1995年，第一張以稱為序列標(biāo)簽位點(diǎn)STS為物理標(biāo)記的物理圖譜問(wèn)世，它包括了94的基因組和1500多個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)，平均間距為200Kb（這就是所謂的分辨率）。這樣，物理圖就把人類龐大基因組分成具有界標(biāo)的1500個(gè)小區(qū)域。 人類基因組物理圖的問(wèn)世是基因組計(jì)劃中的一個(gè)重要里程碑，被遺傳學(xué)家譽(yù)為20世紀(jì)的生命（生物學(xué)）周期表。利用一張遺傳圖，研究人員可將一種特定的遺傳病的遺傳模式同標(biāo)記順序的遺傳模式進(jìn)行比較，迅速確定引起該遺傳病的基因的位置。然后，計(jì)算機(jī)把數(shù)據(jù)固定在物理圖框

9、架內(nèi)。遺傳圖與物理圖結(jié)合在一起，就能迅速確定與疾病有聯(lián)系的基因。物理圖的問(wèn)世標(biāo)志著離人類基因組全序列測(cè)定僅有一步之遙了。第三張圖是序列圖，可以說(shuō)它是人類基因組在分子水平上最高層次、最為詳盡的物理圖。測(cè)定總長(zhǎng)為1米、由30億對(duì)核昔酸組成的基因組全部DNA序列，是基因組計(jì)劃中最為明確、最為艱巨的定時(shí)、定量、定質(zhì)的硬任務(wù)。首先讓我們來(lái)了解一下DNA序列分析的原理和基本技術(shù)目前，主要采用桑格（Sanger）于對(duì)年代發(fā)明的雙脫氧核糖核酸鏈末端終止法進(jìn)行測(cè)定。測(cè)序反應(yīng)事實(shí)上就是一個(gè)在DNA聚合酶作用下的DNA復(fù)制過(guò)程。以一條鏈為模板，在一個(gè)測(cè)序引物的牽引下，新的DNA鏈得以不斷延伸。但如果加人一些雙脫氧核

10、糖核苷酸即ddNTPs，就不能使延伸反應(yīng)繼續(xù)下去，最終隨機(jī)產(chǎn)生許多大小不等的末端是雙脫氧核苷酸的DNA片段，這些片段之間大小相差一個(gè)堿基，在電壓驅(qū)動(dòng)下，從一種由聚丙烯酰胺做成的凝膠上可間接地讀出這些有差異的代表其末端終止位置處堿基種類的片段，那么一系列的連續(xù)片段就代表了整個(gè)模板DNA的全部序列。用機(jī)器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)序，一次可讀400800個(gè)堿基。盡管全自動(dòng)測(cè)序較為方便省時(shí)，但由于測(cè)定的序列長(zhǎng)度有一定限制，相對(duì)于龐大的人類基因組來(lái)說(shuō)可謂老虎吃天，無(wú)從下口。因此，測(cè)序的策略問(wèn)題就被提出來(lái)了。目前，常用的測(cè)序策略是鳥槍法。形象地說(shuō)，就是將較長(zhǎng)的基因片段打斷，構(gòu)建一系列的隨機(jī)亞克隆，然后測(cè)定每個(gè)亞克隆的序

11、列，用計(jì)算機(jī)分析以發(fā)現(xiàn)重疊區(qū)域，最終對(duì)大片段的DNA定序。測(cè)序技術(shù)也在不斷地發(fā)展和提高。過(guò)去兩年內(nèi)，通過(guò)在一個(gè)測(cè)序的電泳膠上增加電泳泳道和測(cè)序膠的長(zhǎng)度，使自動(dòng)測(cè)序儀的通讀水平提高了23倍。此外，一些不依賴于電泳技術(shù)來(lái)分離DNA片段的方法如質(zhì)譜分析也正在或已經(jīng)建立。雜交測(cè)序也是一項(xiàng)非電泳類方法。目前還有一種可用電子顯微鏡直接觀察的方法。 第四張圖是轉(zhuǎn)錄圖。 我們知道，生物性狀是由結(jié)構(gòu)或功能蛋白決定的，功能蛋白是由信使RNA（mRNA）編碼的，mRNA又是由編碼蛋白功能基因轉(zhuǎn)錄而來(lái)的。轉(zhuǎn)錄圖就是測(cè)定這些可表達(dá)片段（EST）的標(biāo)記圖。事實(shí)上，整個(gè)人類基因組中有97的部分由不被轉(zhuǎn)錄的DNA組成，只有2

12、3的DNA序列具有編碼蛋白質(zhì)的功能。在人體某一特定的組織中僅有10的基因被表達(dá)。也就是說(shuō)，只有不足1萬(wàn)個(gè)不同類型的RNA分子（只有在胎兒的腦組織中，可能有3060）的基因被表達(dá)。如果將這些mRNA通過(guò)一種反轉(zhuǎn)錄的過(guò)程構(gòu)建成CDNA文庫(kù)，然后再測(cè)定這些DNA的序列，最終繪制成一張可表達(dá)基因圖-轉(zhuǎn)錄圖。 有了一張總的轉(zhuǎn)錄圖，我們就可以了解某基因在不同的時(shí)間、不同組織的表達(dá)情況；可以了解不同組織中不同基因的表達(dá)；還可以了解正常條件下與異常狀況下基因表達(dá)的差異。關(guān)于EST的序列是否應(yīng)公布于眾，EST序列能否申請(qǐng)專利問(wèn)題的爭(zhēng)論也近乎白熱化。本來(lái)基因是不應(yīng)申請(qǐng)專利的，被授于專利的只限于發(fā)明，而不是發(fā)現(xiàn)。但是，每克隆一個(gè)與疾病有關(guān)的基因，搞清它的作用機(jī)制、并制成基因藥物用于臨床，平均要投入1億美元。有投入就必須有回報(bào)，如果投入者的成果最后大家都能享用，那么經(jīng)過(guò)商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新產(chǎn)品就只能以略高于成本的價(jià)格出售。如果是這樣，投入者的先期投入將無(wú)法收回。其后果一是打擊了投入者的積極性，二是限制了投入者對(duì)新項(xiàng)目投入的能力。所以，人類基因現(xiàn)在也被授予了專利。如肥胖基因，該基因的克隆曾被一家生物制藥公司以3000