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  漢共操耗侄障說(shuō) 2006-03-04 00:00:00

  ■人類基因組計(jì)劃的研究現(xiàn)狀與展望------發(fā)表日期：2004年3月30日 一、研究現(xiàn)狀 1、人類基因組測(cè)序 1990年～1998年，人類基因組序列已完成和正在測(cè)序的共計(jì)約330Mb，占人基因組的11％左右；已識(shí)別出人類疾病相關(guān)的基因200個(gè)左右。此外，細(xì)菌、古細(xì)菌、支原體和酵母等17種生物的全基因組的測(cè)序已經(jīng)完成。 值得一提的是，企業(yè)與研究部門的攜手，將大大地促進(jìn)測(cè)序工作的完成。美國(guó)的基因組研究所（The Institute of Genome Research， TIGR）與PE（Perkin-Elmar）公司合作建立新公司，三年內(nèi)投資2億美元，預(yù)計(jì)于2002年完成全序列的測(cè)定。這一進(jìn)度將比美國(guó)政府資助的HGP的預(yù)定目標(biāo)提前三年。美國(guó)加州的一家遺傳學(xué)數(shù)據(jù)公司(Incyte)宣布（1998年〕，兩年內(nèi)測(cè)定基因組中的蛋白質(zhì)編碼序列以及密碼子中的單核苷酸的多態(tài)性，Z后將繪制一幅人的10萬(wàn)個(gè)基因的定位圖。與Incyte公司合作的HGS（Human Genome Science）公司的負(fù)責(zé)人宣稱，截止1998年8月，該公司已鑒定出10萬(wàn)多個(gè)基因（人體基因約為12萬(wàn)個(gè)），并且得到了95％以上基因的EST（expressed sequence tag）或其部分序列。 1998年9月14日美國(guó)國(guó)家人類基因組計(jì)劃研究所（NHGRI）和美國(guó)能源部基因組研究計(jì)劃的負(fù)責(zé)人在一次咨詢會(huì)議上宣布，美國(guó)政府資助的人類基因組計(jì)劃將于2001年完成大部分蛋白質(zhì)編碼區(qū)的測(cè)序，約占基因組的三分之一，測(cè)序的差錯(cuò)率不超過(guò)萬(wàn)分之一。同時(shí)還要完成一幅“工作草圖”，至少覆蓋基因組的90％，差錯(cuò)率為百分之一。2003年完成基因組測(cè)序，差錯(cuò)率為萬(wàn)分之一。這一時(shí)間表顯示，計(jì)劃將比開始的目標(biāo)提前兩年完成。 2、疾病基因的定位克隆 人類基因組計(jì)劃的直接動(dòng)因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。6000多個(gè)單基因遺傳病和多種大面積危害人類健康的多基因遺傳病的致病基因及相關(guān)基因，代表了對(duì)人類基因中結(jié)構(gòu)和功能完整性至關(guān)重要的組成部分。所以，疾病基因的克隆在HGP中占據(jù)著核心位置，也是計(jì)劃實(shí)施以來(lái)成果Z顯著的部分。 在遺傳和物理作圖工作的帶動(dòng)下，疾病基因的定位、克隆和鑒定研究已形成了，從表位→蛋白質(zhì)→基因的傳統(tǒng)途徑轉(zhuǎn)向“反求遺傳學(xué)”或“定位克隆法”的全新思路。隨著人類基因圖的構(gòu)成，3000多個(gè)人類基因已被精確地定位于染色體的各個(gè)區(qū)域。今后，一旦某個(gè)疾病位點(diǎn)被定位，就可以從局部的基因圖中遴選出相關(guān)基因進(jìn)行分析。這種被稱為“定位候選克隆”的策略，將大大提高發(fā)現(xiàn)疾病基因的效率。 3、多基因病的研究 目前，人類疾病的基因組學(xué)研究已進(jìn)入到多基因疾病這一難點(diǎn)。由于多基因疾病不遵循孟德?tīng)栠z傳規(guī)律，難以從一般的家系遺傳連鎖分析取得突破。這方面的研究需要在人群和遺傳標(biāo)記的選擇、數(shù)學(xué)模型的建立、統(tǒng)計(jì)方法的 改進(jìn)等方面進(jìn)行艱苦的努力。近來(lái)也有學(xué)者提出，用比較基因表達(dá)譜的方法來(lái)識(shí)別疾病狀態(tài)下基因的激活或受抑。實(shí)際上，“癌腫基因組解剖學(xué)計(jì)劃（Cancer Genome Anatomy Project，CGAP”就代表了在這方面的嘗試。 4、ZG的人類基因組研究 國(guó)際HGP 研究的飛速發(fā)展和日趨激烈的基因搶奪戰(zhàn)已引起了ZG政府和科學(xué)界的高度重視。在政府的資助和一批高水平的生命科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下，我國(guó)已建成了一批實(shí)力較強(qiáng)的生命科學(xué)ZD實(shí)驗(yàn)室，組建了北京、上海人類基因組研究ZX。有了研究人類基因組的條件和基礎(chǔ)，并引進(jìn)和建立了一批基因組研究中的新技術(shù)。ZG的HGP在多民族基因保存、基因組多樣性的比較研究方面取得了令人滿意的成果，同時(shí)在白血病、食管癌、肝癌、鼻咽癌等易感基因研究方面亦取得了較大進(jìn)展。 首先建立了寡核苷酸引物介導(dǎo)的人類高分辨染色體顯微切割和顯微基因克隆技術(shù)；已建立的17種染色體特異性DNA文庫(kù)和24種染色體區(qū)特異性DNA文庫(kù)及其探針；構(gòu)建了人X染色體YAC圖譜，已完成了人X染色體Xp11.2-p21.3跨度的約35cM STS－YAC圖譜的構(gòu)建；建立了YAC－cDNA篩選技術(shù)。 目前的研究工作還包括: 疾病和功能相關(guān)新基因的分離、測(cè)序和克隆的技術(shù)和方法學(xué)的創(chuàng)新研究；ZG少數(shù)民族HLA分型研究及特種基因的分析； 人胎腦cDNA文庫(kù)的構(gòu)建和新基因的克隆研究。 ZG是世界上人口Z多的國(guó)家，有56 個(gè)民族和極為豐富的病種資源，并且由于長(zhǎng)期的社會(huì)封閉，在一些地區(qū)形成了極為難得的族群和遺傳隔離群，一些多世代、多個(gè)體的大家系具有典型的遺傳性狀，這些都是克隆相關(guān)基因的寶貴材料。但是，由于我國(guó)的HGP 研究工作起步較晚、底子薄、資金投入不足，缺乏一支穩(wěn)定的、高素質(zhì)的青年生力軍， 我國(guó)的HGP 研究工作與國(guó)外近年來(lái)的驚人發(fā)展速度相比，差距還很大，并且有進(jìn)一步加大的危險(xiǎn)。如果我們?cè)谶@場(chǎng)基因爭(zhēng)奪戰(zhàn)中不能堅(jiān)守住自己的陣地，那么在21 世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)中我們又將處于被動(dòng)地位：我們不能自由地應(yīng)用基因診斷和基因ZL的權(quán)力，我們不能自由地進(jìn)行生物藥物的生產(chǎn)和開發(fā)，我們亦不能自由地推動(dòng)其他基因相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 二、展望 1、生命科學(xué)工業(yè)的形成 由于基因組研究與制藥、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、食品、化學(xué)、化妝品、環(huán)境、能源和計(jì)算機(jī)等工業(yè)部門密切相關(guān)，更重要的是基因組的研究可以轉(zhuǎn)化為巨大的生產(chǎn)力，國(guó)際上一批大型制藥公司和化學(xué)工業(yè)公司大規(guī)模紛紛投巨資進(jìn)軍基因組研究領(lǐng)域，形成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)部門，即生命科學(xué)工業(yè)。 世界上一些大的制藥集團(tuán)紛紛投資建立基因組研究所。Ciba-Geigy 和Ssandoz合資組建了Novartis 公司，并斥資2.5億美元建立研究所，開展基因組研究工作。Smith Kline 公司花1.25億美元加快測(cè)序的進(jìn)度，將藥物開發(fā)項(xiàng)目的25％建立在基因組學(xué)之上。Glaxo-Wellcome 在基因組研究領(lǐng)域投入4，700萬(wàn)美元，將研究人員增加了一倍。 大型化學(xué)工業(yè)公司向生命科學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)軌。孟山都公司早在1985年就開始轉(zhuǎn)向生命科學(xué)工業(yè)。至1997年，該公司向生物技術(shù)和基因組研究的投入已高達(dá)66億美元。1998年4月，杜邦公司宣布改組成三個(gè)實(shí)業(yè)單位，由生命科學(xué)領(lǐng)頭。1998年5月，該公司又宣布放棄能源公司Conaco，將其改造成一家生命科學(xué)公司。Dow化學(xué)公司用9億美元購(gòu)入Eli Lilly公司40％的股票，從事谷物和食品研究，后又成立了生命科學(xué)公司。Hoechst公司則出售了它的基本化學(xué)品部門，轉(zhuǎn)項(xiàng)投資生物技術(shù)和制藥。 傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)和食品部門也出現(xiàn)了向生物技術(shù)和制藥合并的趨勢(shì)。Genzyme Transgenics 公司培養(yǎng)出的基因工程羊能以較高的產(chǎn)量生產(chǎn)抗凝血酶III，一群羊的酶產(chǎn)量相當(dāng)于投資1.15億美元工廠的產(chǎn)量。據(jù)估計(jì)，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)的藥物成本是大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)法的十分之一。一些公司還在研究生產(chǎn)能抗骨質(zhì)疏松的谷物，以及大規(guī)模生產(chǎn)和加工基因工程食品。 能源、采礦和環(huán)境工業(yè)也已在分子水平上向基因組研究匯合。例如，用產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium 作為一種新能源。用抗輻射的細(xì)菌Deinococcus radiodurans清除放射性物質(zhì)的污染，并在轉(zhuǎn)入tod基因后，在高輻射環(huán)境下清除多種有害化學(xué)物質(zhì)的污染。 2、功能基因組學(xué) 人類基因組計(jì)劃當(dāng)前的整體發(fā)展趨勢(shì)是什么？一方面，在順利實(shí)現(xiàn)遺傳圖和物理圖的制作后，結(jié)構(gòu)基因組學(xué)正在向完成染色體的完整核酸序列圖的目標(biāo)奮進(jìn)。另一方面，功能基因組學(xué)已提上議事日程。人類基因組計(jì)劃已開始進(jìn)入由結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)過(guò)渡、轉(zhuǎn)化的過(guò)程。在功能基因組學(xué)研究中，可能的核心問(wèn)題有：基因組的表達(dá)及其調(diào)控、基因組的多樣性、模式生物體基因組研究等。 （1）基因組的表達(dá)及其調(diào)控 1）基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜及其調(diào)控的研究 一個(gè)細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平能夠精確而特異地反映其類型、發(fā)育階段以及反應(yīng)狀態(tài)，是功能基因組學(xué)的主要內(nèi)容之一。為了能夠全面地評(píng)價(jià)全部基因的表達(dá)，需要建立全新的工具系統(tǒng)，其定量敏感性水平應(yīng)達(dá)到小于1個(gè)拷貝/細(xì)胞，定性敏感性應(yīng)能夠區(qū)分剪接方式，還須達(dá)到檢測(cè)單細(xì)胞的能力。近年來(lái)發(fā)展的DNA微陣列技術(shù)，如DNA芯片，已有可能達(dá)到這一目標(biāo)。 研究基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)不僅是為了獲得全基因組表達(dá)的數(shù)據(jù)，以作為數(shù)學(xué)聚類分析。關(guān)鍵問(wèn)題是要解析控制整個(gè)發(fā)育過(guò)程或反應(yīng)通路的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)概念對(duì)于生理和病理?xiàng)l件下的基因表達(dá)調(diào)控都是十分重要的。一方面，大多數(shù)細(xì)胞中基因的產(chǎn)物都是與其它基因的產(chǎn)物互相作用的；另一方面，在發(fā)育過(guò)程中大多數(shù)的基因產(chǎn)物都是在多個(gè)時(shí)間和空間表達(dá)并發(fā)揮其功能，形成基因表達(dá)的多效性。在一個(gè)意義上，每個(gè)基因的表達(dá)模式只有放到它所在的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的大背景下，才會(huì)有真正的意義。進(jìn)行這方面的研究，有必要建立高通量的小鼠胚胎原位雜交技術(shù)。 2）蛋白質(zhì)組學(xué)研究 蛋白質(zhì)組學(xué)研究是要從整體水平上研究蛋白質(zhì)的水平和修飾狀態(tài)。目前正在發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化的二維蛋白質(zhì)凝膠電泳的工作體系。首先用一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)來(lái)提取人類細(xì)胞的蛋白質(zhì)，繼而用色譜儀進(jìn)行部分分離，將每區(qū)段中的蛋白質(zhì)裂解，再用質(zhì)譜儀分析，并在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)特征分析來(lái)認(rèn)識(shí)產(chǎn)生的多肽。 蛋白質(zhì)組研究的另一個(gè)重要內(nèi)容是建立蛋白質(zhì)相互關(guān)系的目錄。生物大分子之間的相互作用構(gòu)成了生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。組裝基因組各成分間的詳盡作圖已在T7噬菌體（55個(gè)基因）獲得成功。如何在模式生物（如酵母）和人類基因組的研究中建立自動(dòng)方法，認(rèn)識(shí)不同的生化通路，是值得探討的問(wèn)題。 3）生物信息學(xué)的應(yīng)用 目前，生物信息學(xué)已大量應(yīng)用于基因的發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)。然而，利用生物信息學(xué)去發(fā)現(xiàn)基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能更為重要。模式生物體中越來(lái)越多的蛋白質(zhì)構(gòu)建編碼單位被識(shí)別，無(wú)疑為基因和蛋白質(zhì)同源關(guān)系的搜尋和家族的分類提供了極其寶貴的信息。同時(shí)，生物信息學(xué)的算法、程序也在不斷改善，使得不僅能夠從一級(jí)結(jié)構(gòu)，也能從估計(jì)結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)同源關(guān)系。但是，利用計(jì)算機(jī)模擬所獲得的理論數(shù)據(jù)，還需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)的驗(yàn)證和修正。 （2）基因組多樣性的研究 人類是一個(gè)具有多態(tài)性的群體。不同群體和個(gè)體在生物學(xué)性狀以及在對(duì)疾病的易感性與抗性上的差別，反映了進(jìn)化過(guò)程中基因組與內(nèi)、外部環(huán)境相互作用的結(jié)果。開展人類基因組多樣性的系統(tǒng)研究，無(wú)論對(duì)于了解人類的起源和進(jìn)化，還是對(duì)于生物醫(yī)學(xué)均會(huì)產(chǎn)生重大的影響。 1）對(duì)人類DNA的再測(cè)序 可以預(yù)測(cè)，在完成diyi個(gè)人類基因組測(cè)序后，必然會(huì)出現(xiàn)對(duì)各人種、群體進(jìn)行再測(cè)序和精細(xì)基因分型的熱潮。這些資料與人類學(xué)、語(yǔ)言學(xué)的資料項(xiàng)結(jié)合，將有可能建立一個(gè)全人類的數(shù)據(jù)庫(kù)資源，從而更好地了解人類的歷史和自身特征。另外，基因組多樣性的研究將成為疾病基因組學(xué)的主要內(nèi)容之一，而群體遺傳學(xué)將日益成為生物醫(yī)藥研究中的主流工具。需要對(duì)各種常見(jiàn)多因素疾?。ㄈ绺哐獕?、糖尿病和精神分裂癥等）的相關(guān)基因及癌腫相關(guān)基因在基因組水平進(jìn)行大規(guī)模的再測(cè)序，以識(shí)別其變異序列。 2）對(duì)其它生物的測(cè)序 對(duì)進(jìn)化過(guò)程各個(gè)階段的生物進(jìn)行系統(tǒng)的比較DNA測(cè)序，將揭開生命35億年的進(jìn)化史。這樣的研究不僅能勾畫出一張?jiān)敱M的系統(tǒng)進(jìn)化樹，而且將顯示進(jìn)化過(guò)程中Z主要的變化所發(fā)生的時(shí)間及特點(diǎn)，比如新基因的出現(xiàn)和全基因組的復(fù)制。 認(rèn)識(shí)不同生物中基因序列的保守性，將能夠使我們有效地認(rèn)識(shí)約束基因及其產(chǎn)物的功能性的因素。對(duì)序列差異性的研究則有助于認(rèn)識(shí)產(chǎn)生大自然多樣性的基礎(chǔ)。在不同生物體之間建立序列變異與基因表達(dá)的時(shí)空差異之間的相關(guān)性，將有助于揭示基因的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 （3）開展對(duì)模式生物體的研究 1）比較基因組研究 在人類基因組的研究中，模式生物體的研究占有極其重要的地位。盡管模式生物體的基因組的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是它們的核心細(xì)胞過(guò)程和生化通路在很大程度上是保守的。這項(xiàng)研究的意義是：1〕有助于發(fā)展和檢驗(yàn)新的相關(guān)技術(shù)，如大規(guī)模測(cè)序、大規(guī)模表達(dá)譜檢驗(yàn)、大規(guī)模功能篩選等；2〕通過(guò)比較和鑒定，能夠了解基因組的進(jìn)化，從而加速對(duì)人類基因組結(jié)構(gòu)和功能的了解；3〕模式生物體間的比較研究，為闡明基因表達(dá)機(jī)制提供了重要的線索。 目前對(duì)于基因組總體結(jié)構(gòu)組成方面的知識(shí)，主要來(lái)源于模式生物體的基因組序列分析。通過(guò)對(duì)不同物種間基因調(diào)控序列的計(jì)算機(jī)分析，已發(fā)現(xiàn)了一定比例的保守性核心調(diào)控序列。根據(jù)這些序列建立的表達(dá)模式數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)破譯基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了必要的條件。 2）功能缺失突變的研究 識(shí)別基因功能Z有效的方法，可能是觀察基因表達(dá)被阻斷后在細(xì)胞和整體所產(chǎn)生的表型變化。在這方面，基因剔除方法（knock-out）是一項(xiàng)特別有用的工具。目前。國(guó)際上已開展了對(duì)酵母、線蟲和果蠅的大規(guī)模功能基因組學(xué)研究，其中進(jìn)展Z快的是酵母。歐共體為此專門建立了一個(gè)稱為EUROFAN(European Functional Analysis Network)的研究網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)、加拿大和日本也啟動(dòng)了類似的計(jì)劃。 隨著線蟲和果蠅基因組測(cè)序的完成，將來(lái)也可能開展對(duì)這兩種生物的類似性研究。一些突變株系和技術(shù)體系建立后，不僅能夠成為研究單基因功能的有效手段，而且為研究基因冗余性和基因間的相互作用等深層次問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。小鼠作為哺乳動(dòng)物中的代表性模式生物，在功能基因組學(xué)的研究中展有特殊的地位。同源重組技術(shù)可以破壞小鼠的任何一個(gè)基因，這種方法的缺點(diǎn)是費(fèi)用高。利用點(diǎn)突變、缺失突變和插入突變?cè)斐傻碾S機(jī)突變是另一中可能的途徑。對(duì)于人體細(xì)胞而言，建立反義寡核苷酸和核酶瞬間阻斷基因表達(dá)的體系可能更加合適。蛋白質(zhì)水平的剔除術(shù)也許是說(shuō)明基因功能Z有力的手段。利用組合化學(xué)方法有望生產(chǎn)出化學(xué)剔除試劑，用于激活或失活各種蛋白質(zhì)。 總之，模式生物體的基因組計(jì)劃為人類基因組的研究提供了大量的信息。今后，模式生物體的研究方向是將人類基因組8～10萬(wàn)個(gè)編碼基因的大部分轉(zhuǎn)化為已知生化功能的多成分核心機(jī)制。而要獲得酶一種人類進(jìn)化保守性核心機(jī)制的精細(xì)途徑，以及它們的紊亂導(dǎo)致疾病的各種途徑的知識(shí)，將只能來(lái)自對(duì)人類自身的研究。 通過(guò)功能基因組學(xué)的研究，人類Z終將將能夠了解哪些進(jìn)化機(jī)制已經(jīng)確實(shí)發(fā)生，并考慮進(jìn)化過(guò)程還能夠有哪些新的潛能。一種新的解答發(fā)育問(wèn)題的方法可能是，將蛋白質(zhì)功能域和調(diào)控順序進(jìn)行重新的組合，建立新的基因網(wǎng)絡(luò)和形態(tài)發(fā)生通路。也就是說(shuō)，未來(lái)的生物科學(xué)不僅能夠認(rèn)識(shí)生物體是如何構(gòu)成和進(jìn)化的，而且更為誘人的是產(chǎn)生構(gòu)建新的生物體的可能潛力。 參考資料：http://www.gzxq.com/zupei/ReadNews.asp?NewsID=30

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