第二章-人类基因组计划总结

人类基因组计划和后基因组时代20世纪，人类科学历程中的三大研究计划将永垂史册：40年代的曼哈顿原子弹计划60年代的阿波罗登月计划90的人类基因组计划（生命科学登月计划）基因、基因组的概念基因：是遗传的基本物质和功能单位，DNA序列中的一段脱氧核苷酸序列，是DNA分子中最小的功能单位。或者说，基因是决定一个生物物种的所有生命现象的最基本的因子。基因组：一个生物体的染色体上完整的一套遗传物质（DNA上所有基因序列的总和）称为基因组。人类基因组就是在人类细胞核内23对染色体上整套的DNA。人类基因组计划(HGP)启动背景20世纪80年代，通过大量的实验和研究，科学家们发现癌症并不是人们想象的那么简单，癌是基因突变而导致基因调控失灵，从而使正常细胞无序生长和不断突变。世界各国科学家一致认为：要破译癌症之谜或生命之谜，首先破译基因之谜。1984年12月9日－13日，在美国举行的“环境诱变物和致癌物防护”的国际会议上，美国能源部邀请科学家讨论测定人类基因组DNA序列的意义和前景，由于需要的资金庞大，没有人“敢”向政府提议。1985年5月，美国加利福尼亚州立大学圣克鲁斯分校校长辛夏默提出“人类基因组测序”设想。1985年6月，美国能源部提出人类基因组计划的草案。1986年3月，美国科学家、诺贝尔奖获得者杜尔贝克在《科学》杂志上发表一篇题为“癌症研究的转折点－－人类基因组的全序列分析”的短文，正式以书面形式提出测定人类基因组全序列的必要性和艰巨性，文章指出这一计划的意义可以与人类征服宇宙的计划媲美，这项工作应成为国际级项目。1986年6月，诺贝尔奖获得者吉尔伯特在美国冷泉港提出人类基因组计划的实施需要30亿美元。1987年初，美国能源部和国立卫生研究院为HGP下拨了启动经费约550万美元（全年1.66亿美元）。1988年4月，“国际人类基因组组织”成立，旨在协调全球范围内的人类基因组研究。1989年，美国成立了“国家人类基因组研究中心”，由Watson出任第一任主任。1990年10月1日，经美国国会批准，美国HGP正式启动，计划在15年内(1990～2005年）投入至少30亿美元，进行人类全基因组的分析。HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。HGP的主要任务是人类基因组的基因图的构建和序列分析，遗传图、物理图、序列图是最优先考虑的目标，必须保质保量完成的是DNA序列图。在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。HGP的研究进展1990年10月被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。1998年5月一批科学家在美国罗克威尔组建“塞莱拉遗传公司”，目标是投入3亿美元，到2001年绘制出完整的人体基因图谱，与国际人类基因组计划展开竞争。1998年10月23日，美国国家人类基因组研究所在美国《Science》杂志上发表声明说，人类基因组计划的全部测序工作将比原计划提前两年，即在2003年6月完成。1999年3月15日，英国韦尔科姆基金会宣布，由于科学家加快工作步伐，人类基因组工作草图将提前至2001年6月完成。1999年12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布，他们完整地译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定。2000年3月14日美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼吁将人类基因组研究成果公开，以便世界各国的科学家都能自由地使用这些成果。他们是针对一些私营生物技术公司为了商业利益而与国际人类基因组计划展开竞争，并试图将自己的研究成果申请专利而发出此声明的。2000年4月6日塞莱拉公司宣布已破译出一名实验者的完整遗传密码，并可在3～6星期内拼接成人体基因组草图。但不少欧美科学家对塞莱拉公司的成果表示质疑，认为该公司的研究“没有提供有关基因序列的长度和完整性的可靠参数”，因而是“有漏洞的”。2000年5月，国际人类基因组计划完成时间再度提前，将在6月公布第一张人类遗传草图。2000年5月8日，由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布，他们已经基本完成了人体第21对染色体的测序工作。2000年6月26日，美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司达成协议，联合公布人类基因组草图及初步分析结果。2001年2月，人类基因组精细图谱绘制完成，并进行了初步解读。2001年，包括小鼠、果蝇、线虫、拟南芥、酵母、大肠杆菌、枯草杆菌等在内的模式生物基因组测序完成，发现并克隆到许多基因。国际人类基因组计划负责人柯林斯塞莱拉公司总裁文特尔（基因魔鬼），采用测序方法“霰弹法”，被评为“2000年度全球最杰出的科学家”，被誉为“人类基因组序列测序的开拓者”。人类只有一个基因组，基因组信息是全人类的。2003年4月14日，六国政府首脑共同发表了“人类基因组计划”宣言,认为：人类基因组是全人类的共同财富和遗产，全世界都可以通过国际互联网从公共数据库中自由分享，免费使用而不受任何限制。“人类基因组计划”宣言我们，美国、英国、日本、法国、德国与中国的政府首脑，骄傲地向全世界宣布：我们六国的科学家已完成了人类生命的分子指南——由30亿对碱基组成的人类基因组DNA的关键序列图。人类“生命天书”全部章节的解读，适逢DNA双螺旋结构发表五十周年。五十年前的这个月，沃森与克里克这一里程碑的发现，使基因科学与生物技术取得了举世瞩目的进展；五十年后的这一天，“国际人类基因组测序协作组”公布了人类基因组序列信息，全世界都可以通过国际互联网从公共数据库中自由分享，免费使用而不受任何限制。人类基因组是全人类的共同财富和遗产。人类基因组序列图不仅奠定了人类认识自我的基石，推动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类的健康带来了福音，使我们向着更加幸福的未来迈出了意义非凡的一步。我们向参与“人类基因组计划”的所有工作人员致以热烈的祝贺！他们的创新与奉献，在科学技术发展史上书写了光辉的一页；他们的杰出成就，将永远成为人类历史上的一个里程碑！我们积极倡议，全世界来共同庆祝“人类基因组计划”所取得的科学成就。我们殷切期盼，生命科学和医学界尽快应用这些成就，为尽早解除人类病痛再创辉煌！法兰西共和国总统雅克·希拉克美利坚合众国总统乔治·布什联合王国首相托尼·布莱尔德意志联邦共和国总理格哈德·施罗德日本首相小泉纯一郎中华人民共和国总理温家宝2003年4月14日HGP的世界大联盟HGP从1990年10月1日开始实施，到2000年6月26日人类基因组草图的初步绘制完成，历时10余年。期间共有6个国家的16所实验室的1100多名生物学家和计算机专家参与了这一人类有史以来最为庞大的科学研究计划。6个国家分别为：美国、英国、日本、法国、德国、中国，测序所占份额依次为：54％、33％、7％、3%、2％、1％。加拿大、丹麦、以色列、瑞典、芬兰、挪威、澳大利亚、新加坡、前苏联和东德也都开始了不同规模、各有特色的人类基因组研究。美国一直是HGP的主角，策划和完成了人类基因组计划的50％以上。检测了酵母、线虫的全部基因序列，绘制出大肠杆菌基因图谱。美国民营公司“塞莱拉遗传公司”的参与，使HGP提前完成。英国1989年2月，英国开始了人类基因组计划。它提出全国协调、资源集中的任务。全国有关的实验室统一从“英国人类基因组资源中心”获得免费实验技术和实验材料服务。自1993年开始，伦敦的桑格尔中心成为全世界最大的测序中心，它独立完成了人类基因组30%以上的测序任务。日本在美国的推动下于1990年开始的。日本对DNA序列图的贡献7％。但与日本的其它领域的领先地位相比，日本的人类基因组仍略逊一筹，但这几年进展很快。法国“国家人类基因组计划”成立于1990年年底，诺贝尔奖金获得者道赛特以自己的奖金建立了“人类多态性研究中心”。法国民众至少捐助了5000万美元。“人类多态性研究中心”与相关机构为基因组研究，主要特点是注重整体基因组、cDNA和自动化。尤其是第一代物理图与遗传图的构建作出了不可磨灭的贡献。德国1995年德国开始HGP，来势迅猛，先后成立了资源中心和基因扫描定位中心，并开始对21号染色体的大规模测序工作。中国1994年，中国HGP启动。中国HGP研究机构：以强伯勤为主任的中国人类基因组北方中心（北京协和医科大学）；以陈竺为主任的中国人类基因组南方中心（上海瑞金医院）；1999年7月，以杨焕明为主任的中科院遗传所人类基因组研究中心（北京）在国际人类基因组组织注册。1999年9月中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%，也就是3号染色体上的3000万个碱基对。2004年4月中国科学家完成3号染色体上的3000万个碱基对的测序。使中国成为继美、英、日、德、法之后第六个国际人类基因组计划参与国，也是参与这一计划的唯一发展中国家。欧共体1990年6月欧共体通过了“欧洲人类基因组研究计划”，主要资助23个实验室重点用于“资源中心”的建立和运转。还有丹麦、俄罗斯、日本、韩国、澳大利亚等。HGP的研究内容HGP的主要任务是人类的DNA测序，内容是完成4张图谱：物理图谱、遗传图谱、序列图谱和转录图谱，这四张图称为“人类基因解剖图”。样本选择人种：白种、黑种和黄种3大人种，并在样本选择前，移除所有的标识物。物理图谱根据DNA序列上的碱基位置来确定基因的位置，是确定基因的顺序和间隔的最基本的工作。绘制物理图谱的目的是把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出来。遗传图谱又称连锁图谱，是根据基因之间的连锁关系构建的。它是以具有遗传多态性（在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因，在群体中的出现频率皆高于1%）的遗传标记为“路标”，以遗传学距离（在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、重组的百分率，1%的重组率称为1cM）为图距的基因组图。遗传图谱的建立为致病基因识别和基因定位创造了条件。转录图谱又称cDNA图谱，是用基因表达的各种mRNA产物在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。在人类基因组中鉴别出占具2%~5%长度的全部基因的位置、结构与功能，最主要的方法是通过基因的表达产物mRNA反追到染色体的位置。逆转录酶序列图谱序列图谱是指完整的人类基因组图谱，是人类基因组计划中最重要、最难“画”的一张图。DNA序列分析技术是一个包括制备DNA片段化及碱基分析、DNA信息翻译的多阶段的过程，通过测序得到基因组的序列图谱。HGP能提前完成，在一定程度上也是分子生物学技术的迅速发展，尤其是DNA测序的自动化和生物芯片技术的问世。国际HGP测序采用逐个克隆法：对连续克隆系中排定的BAC克隆逐个进行亚克隆测序并进行组装。美国Celera公司采用全基因组鸟枪法：在一定作图信息基础上，直接将基因组分解成小片段随机测序，利用超级计算机进行组装。Shotgun测序DNA的提取和纯化载体预备：和DNA片断结合，从而能够在细菌中扩增。DNA片段的制备：将DNA用超声波切成能够测序的小片断转化培养：小片断和载体结合，植入细菌中进行扩增。提质粒：从细菌中提取出繁殖好的质粒电泳检测：检测质量的好坏测序：上测序仪测序全自动的测序仪器：MegaBaceDNA测序峰形图我国科学家在基因组研究中的测序图谱人类基因组特点到2003年，六国科学家完成了人类基因99.9％的测序工作，1％目前无法测序。人类全套染色体图1.基因数目比想象的要少的多，人类基因组的DNA由3×109个碱基对组成，人类只有2～3万个遗传基因，编码序列不足总基因量的5％，这相当于线虫、果蝇遗传基因数的2倍，仅比老鼠多几百个遗传基因。如此少的基因数目，而能产生如此复杂的功能，说明基因组的大小和基因的数量在生命进