基因组时代与后基因组时代.doc

人类基因组计划--绘就最基本的生命"物理蓝图"谈到人类基因计划不得不提到另一个已经失败了的计划――肿瘤十年计划这计划是由美国年轻的总统肯尼迪在 1961 年提出的但是，在不惜血本地投入了一百多亿美元，由诺贝尔奖获得者、肿瘤病理学家雷纳托·杜尔贝科带领数百位科学家经过多年研究以后，科学家们发现包括癌症在内的各种人类疾病都与基因直接或间接相关，而当时的科学手段无法对这一结果进行更深一步的研究就这样，耗资巨大的肿瘤计划失败了虽然肿瘤计划失败了，但是让人们认识到基因研究是攻克多种疾病的基础，而测出基因的碱基序列又是基因研究的基础当时，世界各国有许多的实验室在对自己感兴趣的基因做研究1986 年 3 月，杜伯克在美国《科学》杂志上发表了一篇题为《癌症研究的转折点：人类基因组》的文章杜伯克说，科学家们面临两种选择：要么“零敲碎打”地从人类基因组中分离和研究出几个肿瘤基因，要么对人类基因组进行全测序，这样大的基础上也应当由世界各国的科学家携手完成这一篇文章后来被称为全人类基因组计划的“标书”，引起了美国政府及世界科学界的极大重视由于这一计划要耗用大量的纳税人的钱，所以经历了长达四年的反复论证的过程这期间，美国政府还向国民作了许多解释工作，以求获得大众的支持。

这项全民普及教育工作居然做到了让纽约的出租车司机都能够就该计划侃侃而谈1990 年 10 月 1 日，经美国国会批准，美国正式启动跨世纪的"人类基因组计划"，计划历时 15 年，斥资 30 亿美元，进行人类全基因组的分析，破译人类自身遗传秘密基因组----Genome 一词，最早出现于 1920 年，是基因（gene）和染色体（chromosome）的缩合对于细菌等低等的简单生物（所谓的原核生物）而言，它们的基因组就是指其单个染色体上所含的全部基因，而复杂生物（真核生物）的基因组是指维持正常的遗传生殖功能的最基本的一套染色体及其所携带的全部基因人类有 46 条染色体，其中 44 条为常染色体（可配成 22 对），在男女中都一样；还有 2 条为性染色体，男性为 xy，女性为 xx因此人类基因组是指传递人类遗传信息的 23 条染色体（22 条常规染色体+x 或 y 染色体）及其所携带的全部基因染色体主要由 DNA 和蛋白质组成，在电子显微镜下显示为一条染色线，也就是一个双螺旋 DNA 分子链（由 4 种碱基成对互补组成，每 3 个碱基构成一个遗传密码），基因是染色体上特定的 DNA 片段人类基因组约含 6 万至 10 万个基因，由约 30 亿对碱基组成。

人类基因组计划的目的就是找出 30 亿对碱基在染色体上准确的位置排序这项工作分两步实施：1、绘制人基因组的全部基因连锁图谱，即把人类基因按顺序排列在染色体上，标出各个基因的相对位置和距离，也称染色体图或遗传图，该图早在1992 年完成；2、基因的 DNA 序列（碱基对）测定，这是一项浩大的系统工程，须依次测定 30 亿个碱基的排序，由此完成人类遗传密码的基本数据据 2000年 6 月 26 日向全世界公布的草图结果显示，目前这些序列覆盖了 97%的基因组，其中 20%的序列达到完成图标准，50%以上的序列接近完成图标准，已有数千个基因被确定，数十个致病基因被定位这就是说，生命密码的物理框架图已基本完成，为进一步完成测序和定位更多功能基因奠基了基础整个人类基因组计划地完成过程就像一个由粗到细的画图过程，先画好框架，再画草图，再对草图进行加工，越画越细致2000 年 6 月 26 日，"生命登月计划" ——人类基因组计划，终于在新世纪钟声敲响的半年时间内即取得突破性进展：绘制出人类基因组草图参与“国际人类基因组计划”的美、英、日、法、德、中 6 个国家 16 个研究中心联合宣布人类基因组“工作框架图”画好了。

人类基因组“工作框架图”是覆盖人的大部分基因组、准确率超过 90%的 DNA序列图这是生命科学的里程牌，从这一时刻开始，人类真正认识了自己，人类已从基因组时代步入后基因组时代后基因组工作的推进和发展将使生物工程技术在医药和农业等相关科学领域广泛应用，造福全人类人类后基因组计划--对基因组生物学功能的研究和应用在后基因组时代，生命科学的主要研究对象是功能基因组学,包括结构基因组研究和蛋白质组研究等后基因组时代的概念和前沿技术随着后基因组计划的进行，近年来已衍生出许多新的名词和概念，对它们的领会有助于我们更好地理解今后该领域的进展1、功能基因组学是基因组时代的核心和焦点其所要解决的问题包括如何识别基因组组成元素及解释重要元素的功能已经知道，蛋白质是生命状态的直接体现与低等生物不同的是，人类基因序列中只有约 5%的序列是编码区（指导合成蛋白质），这部分基因组元素被称为"开放阅读框架（ORF）"，预测所有 ORF 并研究其产物功能是当前功能基因组学的首要任务；另 95%以上的序列是基因的调控序列，这部分元素被称作非编码区，其中有很多是具有生物学功能意义的片段，对于了解各相关基因之间的调控关系非常重要，因此，对非编码区的功能研究将是功能基因组学的下一步研究热点。

以下一些概念有的是在进行功能基因组学研究的过程中所运用的方法和技术2、生物信息学人类和各种模式生物的基因组序列汇成如潮水般的 DNA 信息量利用这些生物学数据和计算机技术，对这些基因组资料进行大规模比较，寻找其最大相似性（同源性），或搜索序列上的局部特征，或研究由同一个祖先基因特化而来的对应基因，或用进化分析方法，从而能够鉴定和预测未知的 ORF 或非编码区各元件的生物学功能方法包括最大序列相似性搜索和序列模体搜索、进化印迹搜索等3、比较基因组学基因组的各个基因及其产物之间互相关联，互相作用对同一物种不同个体的基因组进行比较，以及对不同物种的基因组进行比较，不仅可以揭示生命的起源、进化等重大生物学问题，还具有潜在的实用价值例如通过细菌和人类的基因组比较研究，有可能筛选出只在细菌中存在的基因，成为新的抗菌素的药靶4、结构基因组学即借助计算机技术，模拟出未知基因的蛋白质产物的立体结构，从而根据结构与功能的关系进行预测，还可以深入探求蛋白质为何具有特定的生物学功能结构类识别的方法包括晶体衍射法、"穿线"法、三维模体搜索法等目前蛋白质数据库每年可得到 2000-3000 个蛋白质的数据5、蛋白质组学蛋白质随发育阶段、特定组织甚至所处环境的变迁而变化，反映了蛋白质后加工等作用，蕴藏着巨大的动态的生命活动信息量。

基因序列分析难以处理的没有任何可比较序列的"孤儿"基因，有望从蛋白质组的表达变化规律中找到其生物学功能的线索，进而揭示出其在整个功能网络中的地位蛋白质组的核心技术包括质谱分析技术6、整体生物学是后基因组学研究的高层次发展孤立研究某个基因组成分或其产物的功能常常难以说明问题，必须确定其在生物学功能网络上的地位，例如将其纳入生化途径中才能体现其完整的生物学功能在这方面，国外已经建立了大肠杆菌等 5 种基因组全序列已测定的微生物的 20 种氨基酸的代谢图谱7、DNA 芯片这里是指包被在固相载体上的用于 DNA 高密度微点阵杂交技术它是微电子学和分子生物学结合产生的新技术该技术被评为 1998 年度世界十大科技进展之一可用于 DNA 序列测定、基因表达分析、基因分型、基因多态性分析、疾病的诊断、突变分析、药物筛选和微生物的鉴定等8、基因敲除利用小鼠胚胎干细胞，在体外改变其基因后再生出来带某个突变基因的小鼠，比较突变小鼠与正常小鼠的表型差别，从而鉴定该基因的功能目前利用带抗性基因标记的载体插入小鼠染色体的方法，可提供大量的各种基因突变的小鼠胚胎干细胞9、药物基因组学这是后基因组提出的一项重要课题。

研究的主要内容是人的基因多型性或变异性是如何影响药物效果和安全性的人们早已发现，同一种药物以同一剂量标准用药，不同个体会产生不同的效果和副作用，这与个体间基因的差别密切相关目前已开始鉴定那些与药物分布、活化、作用、代谢以及消失有关的基因及其变异的情况这些研究将使病人治疗前的基因检测成为现实，根据检测结果因人施药，提供不同的既安全又有效的药物，这潜藏着巨大的社会效益五、基因组和后基因组研究在医药领域的发展和应用可以想象，未来的基因组和后基因组学研究将把医疗保健带入一个崭新的时代：医疗方面，将由目前主要是依赖经验转向以特异的分子病理学为依据；治疗方面，不断地把患病后高成本、低疗效的治疗转变为以患病前预测疾病为依据的预防式治疗具体地讲，将在下列分支领域有突出发展和应用：1、基因诊断人类基因组计划为正常的人类基因组提供了一个序列参考，在后基因组研究中，新的基因变异将不断被发现，有的是引起某些疾病或其它异常的原因，有的虽然与这些疾病有关，但不是其发生的直接原因当深入了解了人类基因的多变性时，通过检测有关疾病的发病基因，就可以诊断和预测疾病的发生如 P53 基因与近一半肿瘤的发生有关但由于疾病的病理生理的复杂性（基因的多功能性、多种功能相互作用等）及人类遗传的多样性（表型所反映的基因型往往是通过极其多样的环境基础和其它重要方式起作用的），目前大多只能以排除法对疾病进行诊断，例如对一种致命的遗传性神经系统错乱症--亨廷顿病，若基因检测结果为阴性，则可确诊为未患此病。

或通过对某些有遗传病危险倾向的人的评估（如癌症、糖尿病、心脏病、高血压等），使其通过饮食或行为改变而预防或减小病情发生诊断工具也将更加专一和快速、准确据预测，未来 10 年中，基因诊断将从目前占现代疾病检测中的 0.5%扩大到占全部诊断检测的 8~10%，创造可观的经济效益（有资料估计 2000 年基因诊断可产生效益达 20 亿美金）2、基因治疗一旦获知能够引起疾病的基因，就可以将正常的治疗性基因导入人体，替换或矫正有害基因基因治疗最明显的应用是治疗遗传性基因疾病1990 年，美国国立卫生研究所（NIH）首次对一名患有腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症的 4 岁女孩进行了基因治疗，标志着人类的基因治疗正式开始ADA 缺乏症是一种遗传性酶缺陷症，可严重削弱机体免疫功能，经治疗后，该女孩已能正常生活并上学但治疗遗传性疾病并非基因治疗最具市场价值的用途，目前美国已有 30多家基因治疗公司，已有 100 多种临床方案正在研究，治疗的疾病已涉及到各种恶性肿瘤、心血管病、代谢病、感染性疾病、遗传性疾病和爱滋病等估计2000 年基因治疗可形成约 70 亿美圆的收入，市场潜力巨大中国国内也已批准一项治疗血友病的临床方俺，重组白细胞介素 2 腺病毒载体正在中试开发。

3、基因疫苗基因疫苗常被称作"裸"DNA 疫苗，是由来源于病原体的一个抗原编码基因及作为其载体的质粒 DNA 组成通过注射或粒子轰击等途径将基因疫苗导入人体后，这段基因可在活体细胞中合成抗原蛋白，从而引起机体免疫反应从1990 年科学家偶然发现可能性到 1993 年在小鼠中开始试验，该领域的发展十分迅速目前，基因表达文库免疫技术是发现免疫活性基因的最系统和客观的手段，也是发展基因基因疫苗的一项主要工作1996 年美国颁布了有关基因免疫技术的操作守则和使用意见，同年批准在健康人身上进行预防爱滋病的基因疫苗临床试验，现在已有近 10 种分别针对爱滋病、感冒、癌症等疾病的基因疫苗进入临床试验阶段，针对狂犬病、生殖器疱疹、麻疹和过敏等各种疾病的基因疫苗正在进行中一旦通过临床试验，基因疫苗将进入商品化生产，成为常规的预防和治疗手段4、生物芯片即缩小了的生化分析器，通过芯片上微加工获得的微米结构与生化处理相结合，将成千上万个与生命相关的信息集成在一块厘米见方的氧化硅、玻璃或塑料等材料上而制成包括 DNA 芯片、抗原芯片、抗体芯片、细胞芯片和组织芯片等狭义上生物芯片是 DNA 芯片的代名词，其中的 DNA 微点阵（DNA 有序排列）包括直径为 200μm 或更小的数百至数千个点。

目前研究和应用最多的生物芯片是 DNA 芯片，抗体等芯。