人類基因組計(jì)劃的現(xiàn)狀

1、人類基因組計(jì)劃的現(xiàn)狀    摘要 人類基因組計(jì)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(guó)于1990年正式啟動(dòng)HGP，估計(jì)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(xiàng)目。本文就HGP以及由HGP延伸而來(lái)的后基因組計(jì)劃（post-genome project）的發(fā)展現(xiàn)狀作一綜述。 關(guān)鍵詞：人類基因組 基因克隆 基因組學(xué) 結(jié)構(gòu)基因組 功能基因組 人類基因組計(jì)劃（human genome

2、project,HGP）是由美國(guó)科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)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(guó)于1990年正式啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃，估計(jì)到2003年完成人類基因組全部序列測(cè)定。歐共體、日本、加拿大、巴西、印度、中國(guó)也相繼提出了各自的基因組研究計(jì)劃1。由于各國(guó)政府和科學(xué)家的共同努力，HGP目前已在為全球范圍的合作項(xiàng)目；隨著數(shù)理化、信息、材料等學(xué)科的滲透和工業(yè)化管理模式的引進(jìn)，HGP已真正成為生命科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)

3、工程，基因組（genomics）作為一門新興學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生。 與此同時(shí)，科學(xué)界也在思索人類基因組計(jì)劃完成后的下一步工作，因此就有了“后基因組計(jì)劃”（post-genome project）的提法。大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為原定于2003年所完成的人類基因組計(jì)劃只是一個(gè)以測(cè)序?yàn)橹鞯慕Y(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomics）研究，而所謂的“后基因組計(jì)劃”應(yīng)該是對(duì)基因功能的研究，即所謂的功能基因組學(xué)（functional genomics）。此外，一些新的概念如：“蛋白質(zhì)組（proteome）”、“環(huán)境基因組學(xué)（environmental genomics）”和“腫瘤基因組解剖學(xué)計(jì)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(xué) （一）人類基因組作圖 人類基因組作圖根據(jù)使用的標(biāo)記和手段不同，初期的作圖有二種：一是通過(guò)計(jì)算連鎖的遺傳標(biāo)記之間重組頻率而確定它們相對(duì)距離的遺傳連鎖圖，一般用厘摩（cM）來(lái)表示；二是確定各遺傳標(biāo)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(lái)表示。1cM的遺傳距離大致上相當(dāng)于1Mb的物理距離。隨著研究工作的進(jìn)展，遺傳圖和物理圖逐漸發(fā)生整合，在此基礎(chǔ)上大量引入基因標(biāo)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(biāo)記，早

5、期的遺傳標(biāo)記主要為生化標(biāo)記，20世紀(jì)80年代中期以限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RFLP）、串聯(lián)重復(fù)序列拷貝多態(tài)性和小衛(wèi)星重復(fù)順序等遺傳標(biāo)記為主，這類標(biāo)記的數(shù)量較少，信息也較低；20世紀(jì)80年代后期發(fā)展的短串聯(lián)重復(fù)序列（short tandem repeat,STR）也稱微衛(wèi)星（microsatellite,MS）標(biāo)記，主要為二核苷酸重復(fù)序列，如：（CA）n，它們?cè)谌旧w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(biāo)記；近年來(lái)，單個(gè)堿基的多態(tài)性（single nucleotide polymorphism,SNP）標(biāo)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(shí)別、定位疾病相關(guān)基因的一種新標(biāo)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(gè)基因組的30000個(gè)序列標(biāo)簽位點(diǎn)（sequence tagged site,STS），這可使基因組每隔100kb距離就有一個(gè)標(biāo)記；二是在此基礎(chǔ)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(xì)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(jìn)一步定位其它基因座提供了詳細(xì)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(wàn)左右，構(gòu)建轉(zhuǎn)錄圖首先需要獲得人類基因的表達(dá)序列標(biāo)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(xué) HGP一開(kāi)始就與信息高速公路和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)形成了同步發(fā)展。迄今，國(guó)際上四個(gè)大的生物信息中心即美國(guó)的國(guó)家生物技術(shù)信息中心（NCBI）、基因

8、組序列數(shù)據(jù)庫(kù)（GSDB）、歐洲分子生物實(shí)驗(yàn)室（EMBL）和日本DNA數(shù)據(jù)庫(kù)（DDBJ）已經(jīng)建立和維持了源自數(shù)百種生物的互補(bǔ)DNA（cDNA）和基因組DNA序列的大型數(shù)據(jù)庫(kù)。這些中心和全球的基因組研究實(shí)驗(yàn)室通過(guò)網(wǎng)點(diǎn)、電子郵件或者直接與服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)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(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。 （二）基因組的基本結(jié)構(gòu)和進(jìn)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(yùn)藏的內(nèi)在規(guī)律3，從而更好地認(rèn)識(shí)生命體。近年來(lái)，隨著模

9、式生物體測(cè)序的相繼完成和人類基因組測(cè)序速度的加快（到1999年12月已宣布完成人類第22號(hào)染色體的完全測(cè)序），特別是生物信息所提供的強(qiáng)有力的分析和綜合手段，使人人能夠逐漸透過(guò)浩瀚的基因組序列信息，去探索一些更為本質(zhì)的問(wèn)題，如：基因組的復(fù)雜度與生物進(jìn)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(jìn)化。 （三）疾病的基因組學(xué) HGP的直接始動(dòng)因素是要解決包括腫瘤在內(nèi)的人類疾病的分子遺傳學(xué)問(wèn)題4，因此與人類健康密切相關(guān)。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?。ㄈ纾耗[瘤、心血管病、代謝性疾病、神經(jīng)疾病、精神疾病、免疫性疾?。┑闹虏』蚝图膊∠嚓P(guān)基因占人類基

10、因組中相當(dāng)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(jì)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(chǔ)尚不清楚，無(wú)法用表型-蛋白質(zhì)-基因的傳統(tǒng)途徑進(jìn)行研究。在HGP的遺傳和物理作圖帶動(dòng)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(guān)鍵內(nèi)容是：應(yīng)用細(xì)胞遺傳學(xué)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(guò)進(jìn)一步的遺傳和物理作圖，使相關(guān)區(qū)域壓縮至1Mb之內(nèi)，此時(shí)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(jìn)行結(jié)構(gòu)比較，最終識(shí)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(guò)“定位克隆”發(fā)現(xiàn)的，從而為這些疾病的基因診斷和未來(lái)的基因治療奠定了基礎(chǔ)。