基因組測序計(jì)劃和結(jié)構(gòu)基因組學(xué)課件

人類基因組計(jì)劃（HGP）“人類基因組計(jì)劃”是人類自然科學(xué)史上最偉大的創(chuàng)舉之一，它的規(guī)?？梢耘c“曼哈頓”原子彈計(jì)劃、“阿波羅”登月計(jì)劃娘美，而它的意義又遠(yuǎn)超出了這兩個計(jì)劃。HGP的由來HGP的目標(biāo)HGP的主要內(nèi)容HGP的參與國與資金投入HGP的進(jìn)展和成就人類基因組研究的應(yīng)用人類基因組研究引發(fā)的社會和倫理問題

人類基因組計(jì)劃（HGP）“人類基因組計(jì)劃”是人類自然科學(xué)史上人類基因組計(jì)劃的由來上世紀(jì)70年代的“基因論”是人類基因組計(jì)劃的科學(xué)背景所有的疾病都與人類的基因相關(guān)，都是人類基因組與病原基因組中有關(guān)基因相互作用的結(jié)果。不僅疾病與基因有關(guān)，人的出生、成長都與基因有關(guān)，都與DNA的序列有關(guān)。著名的諾貝爾獎獲得者杜伯克在他發(fā)表的一篇文章，后來被稱為“人類基因組計(jì)劃”的“標(biāo)書”之中寫道：人類的DNA序列是人類的真諦。這個世界上的發(fā)生的一切，都與之息息相關(guān)。在策略上說，“人類基因組計(jì)劃”所采取的策略是“基因組學(xué)”的策略杜伯克說：既然大家都知道基因的重要性，那我們就只有兩種選擇，一是“零敲碎打”，大家都去“個體作業(yè)”，去研究自己“喜歡”的、認(rèn)為是重要的基因，而另一種選擇呢？則是前所未有的大膽說法：從整體上來搞清楚人類的整個基因組，集中力量認(rèn)識人類的所有基因。人類基因組計(jì)劃的由來上世紀(jì)70年代的“基因論”是人類基因組計(jì)人類基因組計(jì)劃的由來人類基因組計(jì)劃的孕育，經(jīng)歷了長達(dá)5年的時間，這五年里，在發(fā)達(dá)國家里，上至政府首要，下至平民百姓，都參與了這一場討論與最后的決策。而各國，首先是美國的科學(xué)家，作了大量的論證。1984年,在美國尤他大學(xué)召開的專業(yè)會議上，一些科學(xué)家已開始討論對人類基因組DNA進(jìn)行全序列分析的前景。1985年5月，在美國加州組織了一次專門會議，美國能源部提出了測定人基因組全順序的動議。1986年，美國生物學(xué)家、諾貝爾獎獲得者RenatoDulbecco在“Science”上發(fā)表短文首次提出人類基因組計(jì)劃的設(shè)想，并建議組織國家級和國際級的項(xiàng)目來進(jìn)行這方面的研究。1986年3月，美國能源部在召開的一次專門會議上，正式提出實(shí)施測定人類基因組全順序的計(jì)劃。1988年4月，國際人類基因組組織（HUGO）成立。人類基因組計(jì)劃的由來人類基因組計(jì)劃的孕育，經(jīng)歷了長達(dá)5年的時人類基因組計(jì)劃的由來1988年10月美國能源部和美國國立衛(wèi)生研究院達(dá)成協(xié)議，共同管理和實(shí)施這一計(jì)劃。1990年，歷經(jīng)5年辯論之后，美國國會批準(zhǔn)美國的“人類基因組計(jì)劃”于10月1日正式啟動。隨后法國、英國、意大利、德國、日本等也相繼宣布開始各自的ＨＧＰ研究。中國的人類基因組計(jì)劃于1993年開始，1999年9月，中國正式參與國際人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測定人類基因組全部序列的1%。人類基因組計(jì)劃的由來1988年10月美國能源部和美國國立衛(wèi)生HGP的目標(biāo)人類基因組計(jì)劃的目標(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，最終目標(biāo)是確定人類基因組所攜帶的全部遺傳信息。人類基因組計(jì)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”。有人將HGP比作一張20世紀(jì)的生命（生物學(xué)）周期表，因?yàn)樗桓慕?jīng)典分子生物學(xué)零敲碎打地研究個別基因的習(xí)慣，而力求在細(xì)胞水平上解決基因組的問題，同時研究10萬個基因及其產(chǎn)物，以建立對生命現(xiàn)象的整體認(rèn)識。HGP的目標(biāo)人類基因組計(jì)劃的目標(biāo)是通過以美國為主的全球性的國HGP的主要內(nèi)容基因組作圖基因組測序

基因的鑒定和分析基因組研究相關(guān)技術(shù)建立有關(guān)模式生物研究生物信息系統(tǒng)建立HGP的主要內(nèi)容基因組作圖基因組作圖

人類染色體不能直接用來進(jìn)行測序，故HGP的第一階段是要將基因組這一巨大的研究對象進(jìn)行分解，使之成為較易操作的小的結(jié)構(gòu)區(qū)域，這個過程簡稱為作圖。遺傳圖譜物理圖譜基因組作圖人類染色體不能直接用來進(jìn)行測序，故HGP的第遺傳圖譜遺傳圖譜（geneticmap），又稱連鎖圖（linkagemap），是通過計(jì)算連鎖的遺傳標(biāo)志之間的重組頻率，確定它們的相對距離，一般用厘摩(cM，即每次減數(shù)分裂的重組頻率為1％)來表示。遺傳圖繪制需要應(yīng)用多態(tài)性標(biāo)志。如限制性酶切片段長度多態(tài)性(RFLP)，短串聯(lián)重復(fù)序列(STR,又稱微衛(wèi)星，MS)標(biāo)志，單核苷酸多態(tài)性(SNP)標(biāo)志等。通過遺傳圖譜，我們可以大致了解各個基因或DNA片斷之間的相對距離與方向，如哪個基因更靠近著絲粒，那個更靠近端粒等。遺傳圖譜不僅是定位基因的重要手段，即使在人類基因組全物理圖譜建立起來之后，它依然是研究人類基因組遺傳與變異的重要手段。遺傳圖譜遺傳圖譜（geneticmap），又稱連鎖圖（li物理圖譜物理圖包含了兩層意義，一是獲得分布于整個基因組的序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS，其定義為染色體定位明確，而且可用PCR擴(kuò)增的單拷貝序列)，使每隔一定距離就有一個標(biāo)志；二是在此基礎(chǔ)上構(gòu)建覆蓋每條染色體的大片段DNA連續(xù)克隆系(Contig)。[酵母人工染色體(YAC，插入片段達(dá)數(shù)百kb至2Mb)、細(xì)菌人工染色體(BAC，插人片段為80一300kb)、P1噬菌體(插入片段最大為125kb)、PI來源的人工染色體(PAC，插人片段可達(dá)300kb)]物理圖構(gòu)建的成功，不僅為大規(guī)模測序奠定了基礎(chǔ)，而且還繪制出了人類基因組轉(zhuǎn)錄圖(或基因圖)的雛形。物理圖譜物理圖包含了兩層意義，一是獲得分布于整個基因組的序列基因組測序人類基因組計(jì)劃最終將測定出人類基因組的全部序列。這種序列測定不同于以往那種只對某一個特定的感興趣的區(qū)域進(jìn)行DNA序列分析的工作。它要求一種更高效的規(guī)模測序，并將測出的每一個DNA片段按其染色體位置進(jìn)行準(zhǔn)確的排列，從而得到人類基因組DNA序列堿基排列的全貌。這是一個很艱巨的任務(wù)，需要開發(fā)更新的序列分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)。這些新技術(shù)和新系統(tǒng)的開發(fā)與研制也將成為人類基因組計(jì)劃的一個重要組成部分。大規(guī)模測序的策略基于BAC連續(xù)克隆系的測序全基因組的“鳥槍法”測序基因組測序人類基因組計(jì)劃最終將測定出人類基因組的全部序列。這基于BAC連續(xù)克隆系的測序通過精細(xì)物理作圖，排出對應(yīng)于特定染色體區(qū)域的重疊度最小的BAC連續(xù)克隆系后，就可以對其中的BAC逐個進(jìn)行測序。這是由各國政府及非贏利機(jī)構(gòu)所支持的公共領(lǐng)域測序計(jì)劃在20世紀(jì)90年代中期所確定的策略。其基本工作步驟是：將待測BAC克隆隨機(jī)切成小片段(約1.5—2kb)；將小片段克隆入測序載體；對小片段DNA進(jìn)行8—10倍左右覆蓋率的測序；將相互重疊的讀出序列組裝成連續(xù)的重疊線；從質(zhì)量最高的讀出序列中取得序列；利用引物延伸或其他方法對BAC克隆中還存在的縫隙進(jìn)行填補(bǔ)?；贐AC連續(xù)克隆系的測序全基因組的“鳥槍法”測序這是一個十分大膽的構(gòu)思，即在獲得一定的遺傳和物理圖信息的基礎(chǔ)上，繞過BAC克隆逐個排序的過程，直接將基因組DNA分解成2kb左右的小片段進(jìn)行隨機(jī)測序，輔之以一定數(shù)量的10kb克隆和BAC克隆的末端測序，利用超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行序列組裝。由CraigVenter領(lǐng)導(dǎo)的私營研究所TIGR于1995年首先將這一策略應(yīng)用于微生物基因組的測序并獲得成功。序列的精度標(biāo)準(zhǔn)工作框架圖：4~5倍的覆蓋率，錯誤率低于1%，90%以上的序列完成圖：10~12倍的覆蓋率，錯誤率低于1/10000，沒有缺口基因組中間的某些部分，主要是著絲粒區(qū)域和端粒區(qū)，因存在大量高度重復(fù)序列而非常不穩(wěn)定，是目前還難以克隆的部分。因此．基因組的最后完成序列并不包括這部分的序列。全基因組的“鳥槍法”測序測序方法圖解(1)GenomicDNA-3billionBP-23Pairsofchromo.,30-300MbpeaCutintobigpieces-150-200kbp(BAC)-0.1-1.5Mbp(YAC)Clonepiecesintobacteriaoryeast:Eachisa‘BacterialArtificialChromosome’Need~20,000BACstorepresenthumangenomeIsolateDNAfromHumantissueGrowindiv.clones測序方法圖解(1)GenomicDNACutinto測序方法圖解(2)IsolateplasmidDNAContaininghumanBACCutintosmallerpieces~2,000bp‘sub-clone’eachpieceIntosequencingvectorGrowupAndisolateDNAForsequencingSequenceeachsub-clone(500-800bp/sequencingrun)ACTTAGTACGCAGAGGTC測序方法圖解(2)IsolateplasmidDNAC測序方法圖解(3)Repeattheprocessforeachsub-clone,andeachBAC/YACclone,butcutindifferentplacestogenerateoverlappingpieces:IntactBAC/YAC(humanDNA)Cut&Sequence1Cut&Sequence2ASSEMBLEtheparts,usingoverlaptocreate‘Contigs’5’3’測序方法圖解(3)Repeattheprocessf基因的鑒定和分析確定每一個基因，研究它的結(jié)構(gòu)、特性和功能是人類基因組計(jì)劃的又一個重要內(nèi)容。通過對人類基因組全部DNA序列的測定，可以利用計(jì)算機(jī)找出分布在DNA兩條互補(bǔ)鏈上所有可能編碼蛋白質(zhì)的基因。其中有一部分是人類已了解的基因，但更多的是我們尚不完全了解的“基因框架”，我們稱這些結(jié)構(gòu)為可譯框（ORF）。在DNA結(jié)構(gòu)特征上ORF含有翻譯的起始密碼子、外顯子及內(nèi)含子的剪接信號、翻譯終止信號和3'poly(A)加尾信號。根據(jù)中心法則，人們可以預(yù)測某種ORF編碼的蛋白質(zhì)的氨基酸序列，甚至這個蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)及功能。應(yīng)該指出的是，人類要真正破譯所有的ORF的功能及其生物學(xué)意義還需要相當(dāng)長的時間。目前的人類基因組研究只是為實(shí)現(xiàn)這一最終目標(biāo)提供最基本的素材----DNA序列以及基因的結(jié)構(gòu)特征。

基因的鑒定和分析確定每一個基因，研究它的結(jié)構(gòu)、特性和功能是人基因組研究相關(guān)技術(shù)建立人類基因組計(jì)劃的龐大規(guī)模需要建立與之相適應(yīng)的大規(guī)模、高通量的相關(guān)技術(shù)，如高通量的自動測序技術(shù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量評估和組裝的軟件系統(tǒng)，為了將作圖、測序和信息學(xué)技術(shù)形成高度自動化的大規(guī)模生產(chǎn)線并進(jìn)行全過程的質(zhì)量監(jiān)控而研制的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)等?；蚪M研究相關(guān)技術(shù)建立人類基因組計(jì)劃的龐大規(guī)模需要建立與之相有關(guān)模式生物研究HGP除了人類基因組的作圖、測序之外，還包括對一批模式生物體的基因組研究，如：大腸桿菌、面包酵母、線蟲、果蠅、擬南芥菜、小鼠等。低等模式生物的基因組結(jié)構(gòu)相對較簡單，對其進(jìn)行全基因組作圖測序，可為人類基因組研究進(jìn)行技術(shù)探索和積累經(jīng)驗(yàn)。更重要的是，這些研究有助于在基因組水平認(rèn)識進(jìn)化規(guī)律，以及利用模式生物的轉(zhuǎn)基因和基因敲除術(shù)來研究基因的功能，可謂一石多鳥。隨著遺傳和物理圖譜的進(jìn)一步完善，測序技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)及成本下降，對其他各種模式生物體，尤其是基因組很大的哺乳類動物和植物基因組的測序?qū)粩嗾归_。有關(guān)模式生物研究HGP除了人類基因組的作圖、測序之外，還包括生物信息系統(tǒng)的建立作圖和測序計(jì)劃進(jìn)行中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)只有被有效地收集、儲存和分析，并對全世界的研究人員開放，才有價(jià)值。為此，需設(shè)立收集及分發(fā)作圖和測序數(shù)據(jù)的信息中心，并建立信息的儲存、檢索和分析的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。迄今，國際上3個大的生物信息中心即美國的國家生物技術(shù)信息中心(NCBI)、歐洲生物信息學(xué)研究所(EBI)利日本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DNA序列的大型數(shù)據(jù)庫。目前已建立各種不同的序列信息分析系統(tǒng)，包括基因的識別，蛋白質(zhì)模體的鑒定，調(diào)控元件的分析，重復(fù)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。生物信息系統(tǒng)的建立作圖和測序計(jì)劃進(jìn)行中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)HGP的參與國與資金投入HGP是一個全球性的合作項(xiàng)目，共有6個國家直接參與了這一計(jì)劃，包括美國、英國、法國、德國、日本和中國，其中美國承擔(dān)了大部分的工作。HGP的參與國與資金投入HGP是一個全球性的合作項(xiàng)目，共有6基因組測序計(jì)劃和結(jié)構(gòu)基因組學(xué)課件HGP是一項(xiàng)高投入的計(jì)劃。美國預(yù)期投入的研究經(jīng)費(fèi)高達(dá)30億美元。據(jù)報(bào)導(dǎo)，—個美國出租車司機(jī)曾形象地說：“人類基因組計(jì)劃就是一個美元測一個堿基對。”到2003年4月完成人類基因組序列圖時，HGP共耗資27億美元，比原先預(yù)計(jì)的有明顯節(jié)省。HGP是一項(xiàng)高投入的計(jì)劃。美國預(yù)期投入的研究經(jīng)費(fèi)高達(dá)30億美HGP的進(jìn)展和成就2000年6月26日，中、美、日、德、法、英等6國科學(xué)家聯(lián)合宣布，首次繪成人類基因組“工作框架圖”。2001年2月12日，六國科學(xué)家聯(lián)合在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表人類基因組“工作框架圖”及初步分析結(jié)果。2001年8月26日，人類基因組“中國卷”的繪制工作宣告完成。2003年4月14日，中、美、日、德、法、英等6國科學(xué)家宣布人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計(jì)劃的所有目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。已完成的序列圖覆蓋人類基因組所含基因區(qū)域的99％，精確率達(dá)到99.99％，這一進(jìn)度比原計(jì)劃提前兩年多。HGP的進(jìn)展和成就2000年6月26日，中、美、日、德、法、對大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅的基因組計(jì)劃都已經(jīng)完成，小鼠的基因組計(jì)劃也已接近完成。初步分析發(fā)現(xiàn)鼠與人的基因組存在著很高的相似性。鼠基因組共有約27億個堿基對，比人類少15％，但其包含的基因數(shù)目約在3萬個左右，與對人類基因數(shù)的最新估計(jì)非常接近。分析還顯示，鼠基因組中可能也存在與人類基因組中類似的由重復(fù)序列組成的“垃圾DNA”。根據(jù)2001年2月15日和l6日在Nature和Science上發(fā)表的資料，人類基因組的大小將是3.2×109bp，人類基因數(shù)目大約為30000-40000個；發(fā)生轉(zhuǎn)錄的區(qū)域占28％，在成熟mRNA中的編碼序列占1.4％；重復(fù)序列占54％；估計(jì)每個基因產(chǎn)生3種以上編碼蛋白變異體的轉(zhuǎn)錄本，共識別了1278個蛋白家族．其中僅94個(7.4％)是脊椎動物所特有。對大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅的基因組計(jì)劃都已經(jīng)完成，小鼠的基人類基因組研究的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用對特殊疾病基因的確定有利于優(yōu)生和產(chǎn)前診斷加強(qiáng)對癌癥的認(rèn)識和治療有利于醫(yī)學(xué)生物學(xué)的研究確定人類基因組中的轉(zhuǎn)座子（transposon）、逆座子(retroposon)和病毒殘余序列的分布,了解有關(guān)病毒基因組侵染人類基因組的情況,可指導(dǎo)人類有效地利用病毒載體進(jìn)行基因治療.對染色體和個體之間的多樣性的研究結(jié)果可被廣泛用于基因診斷、個別識別、親子鑒定、組織配型、發(fā)育進(jìn)化等許多醫(yī)療、司法和人類學(xué)的研究中.研究DNA的突變、重排和染色體斷裂等,了解疾病的分子機(jī)制,包括遺傳性疾病、易感性疾病、放射性疾病和感染性疾病引發(fā)的分子病理學(xué)改變及其進(jìn)程,為這些疾病的預(yù)后以及分子水平上的診斷、預(yù)防和治療提供依據(jù)。人類基因組研究的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在基礎(chǔ)理論研究方面的應(yīng)用確定人類基因組中基因的序列、組織和物理位置，有利于研究基因的功能以及它們相互之間在表達(dá)和調(diào)控機(jī)制方面的聯(lián)系。了解轉(zhuǎn)錄和剪接調(diào)控元件的結(jié)構(gòu)與位置，有助于從整個基因組結(jié)構(gòu)的宏觀水平上理解基因轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控。從整體上了解染色體結(jié)構(gòu)，包括各種重復(fù)序列以及非轉(zhuǎn)錄“框架序列”的大小。了解各種重復(fù)序列和非轉(zhuǎn)錄序列在染色體結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)調(diào)控中的影響和作用。研究空間結(jié)構(gòu)對基因調(diào)控的作用。有些基因表達(dá)的調(diào)控序列與被調(diào)控基因從直線距離上看，似乎相距較遠(yuǎn)，但若從整個染色體的空間結(jié)構(gòu)上看則恰恰處于最佳的調(diào)控位置。因此有必要從三維空間的角度來研究真核基因的調(diào)控。在基礎(chǔ)理論研究方面的應(yīng)用研究正?；蚺c突變基因的差別，會幫助闡明與正常的生理學(xué)和疾病發(fā)生都有關(guān)的新的生化和細(xì)胞學(xué)機(jī)制。盡快地確定出疾病基因，能使研究者對該基因的蛋白產(chǎn)物及其細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行深入的研究。有利于確立有重要功能意義的基因組結(jié)構(gòu)的特征。人類染色體含有許多不是基因的片段，一些特定片段對細(xì)胞分裂前染色體復(fù)制和確保染色體組正確地分配到兩個子細(xì)胞中是不可缺少的。這些片段的性質(zhì)及行使功能的機(jī)制鮮為人知，人類基因組的物理圖譜將為探討這些特定片段性質(zhì)及作用的實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)新的基因和蛋白質(zhì)。迄今僅有少數(shù)參與正常和疾病的人類基因被確定。對人類基因組作圖和測序?qū)_定出大量新的人類基因及其編碼的蛋白質(zhì)。另外，物理圖譜將有助于對那些已大體定位在染色體上，但尚未分離出的基因進(jìn)行精確定位。

研究正?；蚺c突變基因的差別，會幫助闡明與正常的生理學(xué)和疾病在生物學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用生物進(jìn)化研究人類基因組記載著人類的進(jìn)化史。如果知道了人和其它生物基因組的全序列，就有可能追溯出人類基因的起源。分子考古研究

真核生物基因組中，編碼序列僅占一小部分，而絕大部分的序列是非編碼序列。有人推測，若能識別出退化的重復(fù)系列，則有可能50％的人基因組和50％以上的鼠基因組是由重復(fù)序列組成的。由于重復(fù)序列出現(xiàn)和持續(xù)的年代可由種系之間的比較來確定，它們可作為一種很有價(jià)值的時間標(biāo)志，用于分子考古學(xué)的有關(guān)復(fù)雜