醫(yī)學(xué)生物學(xué)人類基因組計劃與功能基因組學(xué)

醫(yī)學(xué)生物學(xué)現(xiàn)代生物學(xué)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)第十二章人類基因組計劃與功能基因組學(xué)人類基因組計劃(humangenomeproject，HGP)是一項國際性科學(xué)研究計劃，旨在闡明人類基因組30億個堿基對的序列，從物理和功能角度發(fā)現(xiàn)和定位人類基因組基因，破譯人類全部遺傳信息，使人類第一次在分子水平上全面地認識自我。對人類基因組的研究推動了整個生命科學(xué)的發(fā)展，同時也形成一門嶄新的科學(xué)——基因組學(xué)(genomics)，即研究基因組的科學(xué)。人類基因組計劃與基因組學(xué)一、國際人類基因組計劃人類基因組計劃與功能基因組學(xué)人類基因組計劃與基因組學(xué)1984，DOE，首次探討人類基因組DNA進行全序列分析的前景1986.3，R.Dulbecco發(fā)表《癌癥研究的轉(zhuǎn)折點——測定人類基因組序列》1988.4，HUGO成立1990.10.1，美國HGP正式啟動2001.2，人類基因組工作框架圖完成2006.5，最后一條染色體序列被公布人類基因組計劃與基因組學(xué)人類基因組計劃主要研究內(nèi)容建立遺傳圖(geneticmap)構(gòu)建物理圖(physicalmap)經(jīng)過測序完成序列圖(sequencemap)和基因圖(genemap)人類基因組計劃與基因組學(xué)染色體遺傳圖物理圖序列圖（連鎖圖）

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人類基因組計劃主要研究內(nèi)容人類基因組計劃與基因組學(xué)NAS制定的最終完成的序列精度要求錯誤率低于1/10000序列必須是連續(xù)的，即沒有缺口序列所用的克隆能忠實地代表基因組的結(jié)構(gòu)人類基因組計劃與基因組學(xué)NAS制定的工作框架圖精度要求BAC克隆水平測序的覆蓋率不應(yīng)少于3倍至少獲得基因組90%以上的序列錯誤率應(yīng)低于1%1．遺傳圖遺傳圖又稱為連鎖圖(linkagemap)，是利用連鎖分析的方法將每條染色體上的基因或遺傳標記(geneticmarker)的相對位置確定下來而構(gòu)建的基因組圖。遺傳圖中基因座之間的相對距離以遺傳距離(centimorgan，cM)來衡量。人類基因組計劃與基因組學(xué)1．遺傳圖人類基因組計劃與基因組學(xué)主要的遺傳標記限制性片段長度多態(tài)(RFLP)短串聯(lián)重復(fù)序列(STR)微衛(wèi)星(microsatellite)單核苷酸多態(tài)(SNP)2．物理圖物理圖包含了兩個方面的內(nèi)容：一是將分布于整個基因組的序列標簽部位(sequencetaggedsite，STS)在每條染色體上的排列順序確定下來；二是在此基礎(chǔ)上構(gòu)建覆蓋每條染色體的YAC和BAC鄰接克隆群(contig)。人類基因組計劃與基因組學(xué)2．物理圖遺傳圖反映染色體上兩個基因座位之間的連鎖關(guān)系，而物理圖反映的是兩點之間的實際距離，其圖距單位為Mb、kb或bp。人類基因組計劃與基因組學(xué)3．序列圖序列圖是通過對全基因組DNA進行序列分析而建立的，是分子水平最高層次、最詳盡的物理圖，也是人類基因組計劃中最為明確、最為艱巨的定時定量的任務(wù)。人類基因組計劃與基因組學(xué)3．序列圖人類基因組計劃繪制的序列圖不同于以往那種只對某一個特定區(qū)域進行DNA序列分析的工作，它要求的是一種高效率的規(guī)模性測序，并將每一個DNA片段按其在染色體上的真實位置進行準確的排列，從而得到人類基因組全部堿基排列的原貌。人類基因組計劃與基因組學(xué)3．序列圖2001年2月，IHGSC發(fā)表了覆蓋人類基因組95%的工作框架圖，稱為公共序列(publicsequence)，并陸續(xù)發(fā)表了24條染色體的詳細評注和分析等相關(guān)資料。人類基因組計劃與基因組學(xué)4．基因圖人類基因組計劃要完成的另外一個重要目標是在人類基因組中找出全部基因的位置、結(jié)構(gòu)與功能，即繪制基因圖。人類基因組計劃與基因組學(xué)4．基因圖生物的性狀是由結(jié)構(gòu)或功能蛋白決定的，蛋白質(zhì)是由mRNA編碼的，mRNA是由基因轉(zhuǎn)錄而來的，而基因的表達又有時間和空間的特異性。人類基因組計劃與基因組學(xué)提取特定生長發(fā)育時期或特定組織器官中的mRNA逆轉(zhuǎn)錄即可得到cDNA，再進行分子雜交鑒別出與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的基因，就可以繪制一張可表達基因圖——轉(zhuǎn)錄圖(transcriptionmap)，所以說轉(zhuǎn)錄圖是基因圖的雛形。4．基因圖匯總不同的生長發(fā)育時期和不同的組織器官中得到的轉(zhuǎn)錄圖，能夠有效地對比在正常和受控條件下基因表達的差異；可以反映基因在不同組織器官、不同生長發(fā)育時期、不同水平的表達情況；也可以了解不同組織器官、不同生長發(fā)育時期，不同基因的表達情況。人類基因組計劃與基因組學(xué)4．基因圖2004年10月，IHGSC測定了人類全基因組的精細序列圖，最終估計人類基因組中編碼蛋白質(zhì)的基因數(shù)目僅有2萬~2.5萬個。明確基因組中每個基因的序列將為異常或致病基因的克隆提供快速的識別途徑和研究策略，加快重大疾病遺傳機制的發(fā)現(xiàn)，并可對遺傳病的治療和控制提供戰(zhàn)略性的指導(dǎo)。人類基因組計劃與基因組學(xué)二、中國人類基因組計劃人類基因組計劃與功能基因組學(xué)1．中國HGP的第一階段我國HGP的第一個階段從1994年1月開始到1997年6月，以強伯勤、陳竺聯(lián)合主持國家自然科學(xué)基金重大項目“中華民族基因組中若干位點基因結(jié)構(gòu)的研究”，由全國16個單位19個課題組參加。人類基因組計劃與基因組學(xué)1．中國HGP的第一階段人類基因組計劃與基因組學(xué)中國不同民族基因組的保存及基因組比較研究建立和改進人類基因組研究中的新技術(shù)中國人基因組若干位點致病基因或疾病相關(guān)基因的研究目標是利用我國豐富的人類遺傳資源，進行基因組多樣性和疾病基因識別以及相關(guān)技術(shù)平臺的建立。1．中國HGP的第一階段人類基因組計劃與基因組學(xué)改進了永生細胞株的建株技術(shù)，完成南、北兩個漢族人群和西南、東北16個少數(shù)民族群體共733個永生淋巴細胞株的建立，為中華民族基因組的研究保存了珍貴的遺傳資源，并以此為基礎(chǔ)展開了我國多民族基因組多樣性的比較研究。1．中國HGP的第一階段人類基因組計劃與基因組學(xué)建立了比較完整的基因組研究技術(shù)體系，形成了作圖、測序、基因定位與識別、基因組掃描、生物信息學(xué)等較配套的方法學(xué)體系，并獲得了與神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)發(fā)育、分化和基因表達調(diào)控相關(guān)的一批cDNA。1．中國HGP的第一階段人類基因組計劃與基因組學(xué)在致病基因分離和結(jié)構(gòu)、功能研究方面，克隆到遺傳性多發(fā)性外生性骨疣的致病基因(EXT2)，獲得了與白血病和部分實體瘤相關(guān)的DNA片段和基因并展開結(jié)構(gòu)、功能的研究。1．中國HGP的第一階段中國HGP的第一階段在我國初步建立起了一個較配套的基因組研究工作體系，形成了若干樣品收集保存的基地和一批研究和/或研究中心，并具備了自行開展基因組多樣性研究，自行定位、克隆人類疾病基因和功能基因，進行較大規(guī)模DNA測序，以及開發(fā)利用基因組數(shù)據(jù)庫的能力，在生物多樣性研究和疾病基因及功能基因分離的研究已逐步接近國際前沿。人類基因組計劃與基因組學(xué)2．中國HGP的第二階段人類基因組計劃與基因組學(xué)我國HGP的第二個階段從1998年開始到2003年，由陳竺主持國家自然科學(xué)基金重大項目“中華民族基因組的結(jié)構(gòu)和功能研究”。2．中國HGP的第二階段人類基因組計劃與基因組學(xué)中國不同民族基因組的保存及遺傳多樣性研究基因組多樣性與多基因疾病基因組定位研究建立和發(fā)展功能基因組學(xué)的新理論、新技術(shù)、新方法鉤端螺旋體全基因組結(jié)構(gòu)和功能研究2．中國HGP的第二階段人類基因組計劃與基因組學(xué)目標是充分發(fā)揮我國人類遺傳資源優(yōu)勢和多學(xué)科優(yōu)勢，從中華各民族、人群的基因組保存和多樣性分析、多基因病相關(guān)基因定位與分離的基礎(chǔ)理論和實驗技術(shù)，建立和發(fā)展功能基因組學(xué)新理論、新技術(shù)、新方法這三個方面進行綜合性大規(guī)模研究；出于我國傳染病預(yù)防控制的前瞻性考慮，進行了公共衛(wèi)生基因組學(xué)的嘗試，在國際上首次測定鉤端螺旋體全基因組順序。2．中國HGP的第二階段人類基因組計劃與基因組學(xué)1999.9，中國加入IHGSC，負責(zé)測定人類3號染色體3pter-D3S3610區(qū)域約30Mb的測序任務(wù)，即“1%項目”，成為加入IHGSC的惟一一個發(fā)展中國家。三、功能基因組學(xué)人類基因組計劃與功能基因組學(xué)HGP研究的是遺傳圖、物理圖、序列圖、基因圖，主要探討人類基因組的結(jié)構(gòu)特點，又稱結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structuralgenomics)。在HGP進行的同時，也開始研究人類基因組計劃相關(guān)及以后的領(lǐng)域，即所謂的后基因組計劃(past-genomeproject)。后基因組計劃以解釋基因組的功能和調(diào)控機制為研究目標，所以又稱功能基因組學(xué)(functionalgenomics)。人類基因組計劃與基因組學(xué)1．人類基因組多樣性計劃人類基因組多樣性計劃(humangenomediversityproject，HGDP)旨在采集與保存世界范圍內(nèi)一些地理隔離的部落群體和具有獨特文化或語言背景的群體的基因組DNA，其目標是要揭示世界上不同民族生理生化差異的遺傳背景，以及群體之間的相互關(guān)系。人類基因組計劃與基因組學(xué)1．人類基因組多樣性計劃人類是一個具有多態(tài)性的群體。要真正了解全人類的基因組特征，就應(yīng)開展人類基因組多樣性的系統(tǒng)研究，比較不同人種、民族、族群之間基因組的差異，建立各個群體的遺傳資料信息庫，并與考古學(xué)、人類學(xué)、語言學(xué)等研究成果相結(jié)合，為探討人類的起源、進化和遷移的歷史提供重要的證據(jù)。人類基因組計劃與基因組學(xué)2．比較基因組學(xué)比較基因組學(xué)(comparativegenomics)是基于基因組圖譜和測序基礎(chǔ)上，在DNA水平上對不同生物基因組的結(jié)構(gòu)進行比較，以研究基因的結(jié)構(gòu)功能、表達機制和物種進化的學(xué)科。人類基因組計劃與基因組學(xué)2．比較基因組學(xué)人類基因組計劃與基因組學(xué)主要的模式生物大腸埃希菌(E.coli)酵母菌(S.cerevisiae)秀麗線蟲(C.elegans)果蠅(D.melanogaster)小鼠(M.musculus)2．比較基因組學(xué)人類基因組計劃與基因組學(xué)各種生物基因組序列的比較生物種類基因組大小預(yù)測基因組數(shù)目平均基因長度大腸埃希菌4632221bp1800約1k