生物化学期中论文

后基因组时代的生物化学摘要：随着人类基因组计划的完成，后基因组时代已经到来。后基因组时代的研究领域很多，主要集中于研究蛋白质组学。后基因组时代的生物化学技术奠定了后基因组时代的研究发展，当然在后基因组时代的研究中同时存在着一定的挑战，并需要人类进行进一步的研究。关键词：基因组，后基因组时代，蛋白质组学Abstract:Withthefinishedhumangenomeprojec,theageofpostgenomeeraiscoming.Therearemanyareasshouldbestudiedinthepostgenomeera,amongthemProteomicsisimportant.Thetechniqueofbiochemistryisthebase,andpostgenomeerameetsmanychallenges.Sohumanscientistsrequestedtostudyintensively.Keywords:genome,postgenomeera,Proteomics1、后基因组时代[1]2003年4月14日，美国人类基因组研究项目首席科学家CollinsF博士在华盛顿隆重宣布：人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划（humangenomeproject,HGP）的所有项目全部实现。这标志“人类基因组计划”胜利完成和“后基因组时代”（postgenomeera,PGE）正式来临，在举世庆祝“DNA双螺旋结构”提出50周年之际，生命科学诞生了一个新的里程碑。1.1时间的界定“后基因组时代”到底从何时算起至今仍无定论，“基因组时代”与“后基因组时代”就其研究手段、研究内容本身存在着交叉、重叠，没有严格的界限。有人将“新千年”公布人类基因组“工作草图”的2000年6月26日作为后基因组时代到来的标志，有人将“新世纪”国际人类基因组测序联盟与Celera公司分别在Nature和Science杂志上公布了人类基因组“精确图”及分析数据的2001年2月12日作为后基因组时代到来的标志。目前，普遍将CollinsF宣布“人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现”的2003年4月14日作为后基因组时代正式来临的标志。其理由有三：其一，2003年4月HGP任务全部完成。其二，1990年正式启动HGP时指出“2005年完成人类基因组计划时代”。其三，2003年正好是“DNA双螺旋结构”提出50周年。1.2重要研究领域1.2.1生物信息学生物信息学（Bioinformatics）是应用计算机技术研究生物信息的一门新生学科，是生物学、数学、物理学、计算机科学等众多学科交叉的新兴学科。将生物遗传密码与电脑信息相结合，通过各种程序软件计算、分析核酸、蛋白质等生物大分子的序列，揭示遗传信息，并通过查询、搜索、比较、分析生物信息，理解生物大分子信息的生物学意义。生物信息学为分子生物学家提供了一条寻找和研究新基因的新思路，在HGP实施过程中起着非常重要的作用，从高度自动化的大规模测序、数据的获取与分析处理、序列片段的拼凑、新基因的发现、基因功能的预测直到基因的分子进化等研究的各个环节都有生物信息学的功劳。著名科学家CrickF（“DNA双螺旋结构”提出者）指出：计算机技术的进展使基因组的大规模测序成为可能，推动生物学成为一门“大科学”。离开生物信息学要完成HGP是难以想象的，后基因组时代没有生物信息学生命科学也是不可思议的。完成HGP、获得生命“天书”之后，人类亟需破译基因组所蕴涵的功能信息，解码生命。在后基因组时代生物信息学将更加举足轻重，要读懂“天书”，仅仅依靠传统的实验观察手段无济于事，必须借助高性能计算机和高效数据处理的算法语言，只有如此，“天书”才能发挥它应有的价值。生命科学的革命性巨变已把生物信息学推到了前台，生物信息技术已成为后基因组时代的核心技术之一，在“蛋白质组学”、“功能基因组学”、“药物基因组学”等领域必将更有用武之地，必将对生命科学（尤其是医学）的发展产生无法估计的巨大影响，生物信息学在后基因组时代将有长足发展。1.2.2功能基因组学功能基因组学（FunctionalGenomics）是指在全基因组序列测定的基础上，从整体水平研究基因及其产物在不同时间、空间、条件的结构与功能关系及活动规律的学科。功能基因的研究是后基因组时代的关键点，疾病基因组学研究已成为后基因组时代的主旋律。获得基因组的结构信息只是认识基因组的第一步，弄清基因相应的功能及实际应用才是关键所在，没有基因的功能分析，基因的序列不过是4种核苷酸的排列组合，只有了解基因的功能，“天书”才真正有意义。根据基因的mRNA表达水平绘制每种组织细胞中的基因表达图谱、细胞不同发育阶段的基因表达谱、正常和病理状态下的基因表达谱、治疗条件下的基因表达谱是功能基因组学的重要基础。HGP在基因表达谱方面已取得一定进展，但人类基因有90%的功能尚不明确，功能基因组学将借助生物信息学的技术平台，利用先进的基因表达技术及庞大的生物功能检测体系，从浩瀚无垠的基因库筛选并确知某一特定基因的功能，并通过比较分析基因及其表达的状态，确定出基因的功能内涵，揭示生命奥秘，甚至开发出基因产品。功能基因组学在后基因组时代占有重要位置，其研究成果直接给人类健康带来福音。功能基因组学在后基因组时代将取得丰硕成果，人们的生活质量将大幅度提高。1.2.3蛋白质组学蛋白质组是指一个基因组、一种生物或一种组织细胞所表达的全套蛋白质，蛋白质组学（Proteomics）是以蛋白质组为研究对象的新的研究领域，主要研究细胞内蛋白质的组成及其活动规律，建立完整的蛋白质文库。蛋白质组学分为表达蛋白质组学（建立细胞、组织中蛋白定量表达图谱，或扫描EST图）和细胞图谱蛋白质组学（确定蛋白质在亚细胞结构中的位置，纯化细胞器或用质谱仪鉴定蛋白复合物组成，确定蛋白质-蛋白质的相互作用）。HGP已经确定人类3万多个基因在23对染色体上的位置及其碱基排列顺序，后基因组时代科学家将盘点人类蛋白质组里所有蛋白质，研究其生理功能。基因研究是20世纪生命科学的主线，HGP使其达到“登峰造极”，HGP的实现为未来生命科学研究奠定了坚实的基础，但基因的重要作用最终需要蛋白质来体现，蛋白质组学与基因组学同等重要，甚至更为重要。进入21世纪，蛋白质研究规模与深度到了前所未有的程度，生命科学已从核酸时代回归蛋白质时代，对生命奥秘的探索由基因、核酸层次深入到蛋白质层次，蛋白质组学将成为后基因组时代的重要支柱之一，其发展不可限量，蛋白质组学的深入研究将带来巨大的经济和社会效益。目前，美国、英国、日本等国家纷纷投入巨资资助蛋白质组研究。英国科学家欲绘制人类蛋白质图谱，试图找到与人类疾病有关的蛋白质互动模式；美国DOE在HGP之后又启动了“生命基因组计划”（thegenomestolifeprogram），其主要目的在于“识别执行关键生命功能的多蛋白质复合物，分析其基因调控网络特征”；Celera公司首席科学家VenterC指出：人类基因组、蛋白质组和药物是生命科学研究的三个阶段，Celera公司现已进入蛋白质组研究的第二个阶段，公司增添大批蛋白质鉴别和分析设备用于蛋白质组图谱的绘制。HGP首席科学家CollinsF指出：有关人类蛋白质组的研究将是艰巨的，目前仅仅是迈出第一步，蛋白质组技术还远远落后于破译基因组的手段，后基因组时代的蛋白质研究将大有作为，蛋白质组研究将带来药物开发的实质性突破，研制出治疗包括癌症和艾滋病等在内的多种疾病的药物。1.2.4药物基因组学尽管人类的基因99.99%是相同的，但在药物作用机制、药物代谢转化、药物毒副作用等方面都存在着个体差异。药物基因组学（Phamacogeneomics）以提高药物疗效与安全性为目的，研究影响药物作用，药物吸收、转运、代谢、清除等过程中基因差异，通过对疾病相关基因、药物作用靶点、药物代谢酶谱、药物转运蛋白基因多态性研究，寻找新的药物先导物和新的给药方式，并指导临床用药。药物发现经历了从自然界发现药物、随机筛选发现药物到以机制和靶结构为基础的新药发现和开发过程，但未在根本上从基因分子水平了解疾病发病的实质以及药物与基因组之间的相互作用关系，长期缺乏有效治疗诸如遗传病、肿瘤等疾病的药物。HGP使药物的研究和开发进入了一个新的阶段,尽管药物基因组学还是一门十分年轻的学科,与医疗实践应用还有相当一段距离,但人们对其前景充满信心。药物作用靶点与发病机制的关系、以基因为基础设计新药(如反义药物)、单核苷酸多态性与疾病及药物敏感性的关系等方面的成就表明药物基因组学的价值已初露端倪。HGP的完成还掀起新一轮的基因热潮和生物科技竞赛,各大跨国制药公司看好基因药物市场,已投入大量资金,利用基因研究开发新药物,抢占基因药物市场。随着药物基因组学的发展成熟和新基因的更多发现,将会有更多的新药出现,生物医药产业必将成为未来经济的支柱产业之一。1.2.5HGP的理论、法律和社会问题基因组研究是一把双刃剑,给人类带来福音的同时也可能带来灾难。HGP一开始就非常注重与基因组研究相关的伦理、法律和社会问题(ethical,legal,andsocialissues,ELSI)的研究。ELSI是HGP的重要组成部分,基因信息利用的公平性问题,隐私和保密问题,个体基因差异而引起的心理影响和伤害问题,遗传检测和人口普查涉及的问题,生殖问题,处理或预防基因缺陷的基因治疗问题,基因改进问题,临床质量控制的标准和标准的执行问题,知识产权和数据、资料的利用问题,自由意志和基因决定论、疾病和健康等问题都在HGP之列。1988年9月,美国NIH的人类基因组研究室第一任主任WastonJ宣布HGP预算经费的3%用于ELSI研究,1989年1月,人类基因组顾问委员会成立了ELSI工作组,1990年确定了ELSI的目标与任务,提出了具体的研究方案。1997年7月,美国DOE和NIH还成立了“ELSI计划与评价工作组”(2000年2月被“ELSI研究顾问”取代),负责评述与分析ELSI研究方案,起草5年计划。HUGO也多次召开国际会议专题讨论ELSI,协调世界各国的ELSI研究。2000年,ELSI计划与评价工作组报告了HGP的ELSI研究进展。目前,ELSI研究取得较大进展,完成了预期的目标与任务。然而,ELSI涉及面广、问题复杂、影响深远,不仅是自然科学问题,更是社会科学问题,它是一个涉及政治、经济、法律、伦理道德、社会教育与心理等多领域的庞大复杂的科学体系,已取得的ELSI研究成果仅仅解决了其中部分问题,甚至是极少部分,还有大量问题需要研究解决。后基因组时代ELSI显得更为重要,必须高度重视、大力加强ELSI研究。2、“后基因组时代”的生物学基因组作图和测序的进展,大大加速了新基因发现的速度。许多生物学和医学上重要基因的发现,过去需要几年,现在几个月就够了。这对生物医学进步的巨大影响是显而易见的。然而,从基础生物学看来,更为广泛和深刻的影响是生物学思想和方法上的转变。未来生物学将从基因组而不只是个别基因的结构和功能调控及其进化的观点来重新探讨生物的遗传、发育和进化以及功能调控等基本问题。从当前的发展趋势看,正在开拓中的新领域有以下几方面。2.1基因组和基因功能研究酿酒酵母（S.cervisiae）基因组16条染色体的全部测序,通过全球合作完成,已于1996年4月24日发表。这是第一个己知的真核生物基因组全序列。基因组全长12086Kb,含有5885可能编码蛋白质的基因（ORFs）,以及140编码rRNA基因,40编码snRNA基因和275tRNA基因,共计6340基因。系统测序得出的基因数远远超过了测序前遗传分析得出的基因数。对众多的未知功能基因序列进行计算机分析,发现其中半数可纳入已知功能蛋白质类别(激酶、转录因子等)。基因组全序列分析还提供了与染色体高级结构和行为重组、转座、复制和表达调控等有关的信息。如Ⅲ号染色体沿长轴碱基组成(G+C)的周期变化与局部基因密度变化可能存在平行关系,并且染