人类基因组计划的方法论理念PPT课件

生命科学概论 专题之十 前言一 . HGP概述二 . HGP的方法论理念三 . HGP的对人类的影响四、 人类基因组计划的伦理价值的思考20世纪 90年代，被誉为生命科学 “登月计划 ”的伟大科学工程“ 人类基因组计划 ”(Human Genome Project， HGP)正式启动，近二十年来科学家们所走过的是一条充满艰辛的路，同时也是一条谱写辉煌的路。回顾这段将在人类历史上永载史册的光辉历程，相信对每一位科学殿堂里的探索者都会大有启迪 . 一、人类基因组计划概述 全球共有，国际合作，即时公布，免费共享1、与基因组有关的 基本知识2、 HGP大事记3、 HGP的 科学目标4、 HGP的科学精神1、与基因组有关的知识生命的最小功能单位 细胞遗传物质的载体 染色体遗传信息的载体 DNA遗传信息的基本单位 基因 (gene)遗传信息的总和 基因组遗传信息的表达 蛋白质组 遗传信息传递的传递规律 中心法则生命的最小功能单位 细胞遗传物质的载体 染色体(chromosome)染色体是遗传物质的载体。人类每个体细胞内有 46条 (23对 )染色体，其中 44条 (22对 )为常染色体 (男女共有 )， 2条 (1对 )为性染色体，其与性别有关，男性为 ,女性为 .每条染色体由两条染色单体组成，彼此借一个着丝粒相连。 每条染色单体由一个 DNA(脱氧核糖核酸 )分子和相关蛋白质组成。人类染色体图示DNA的双螺旋结构的形成535 353 53磷酸核糖碱基T-A碱基对C-G碱基对真核生物染色体 DNA组装不同层次的结构DNA （ 2nm）核小体链（ 11nm，每个核小体 200bp）纤丝（ 30nm，每圈 6个核小体）突环（ 150nm，每个突环大约 75000bp）玫瑰花结（ 300nm ， 6个突环）螺旋圈（ 700nm，每圈 30个玫瑰花）染色体（ 1400nm，每个染色体含 10个玫瑰花 200bp）DNA遗传功能的证明 肺炎球菌转化实验图解III S型细胞（有毒）II R型细胞（无毒）破碎细胞II R型细胞接受III S型 DNA大多数仍为 II R型少数 II R型细胞被转化产生 III S型荚膜S（光滑）S RR（粗糙）+DNA遗传信息的基本单位 基因（ gene）基因是在染色体上占有一定位置的遗传单位，从分子水平看，基因是DNA分子的一个片段。其储存有遗传信息，可以准确的复制，也可发生突变，并可经过转录和翻译控制蛋白质的合成，从而表达各种遗传性状。在一种细胞内存在的全部蛋白质称为蛋白质组。在特定时间、特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白质为功能蛋白质组 (Functiond Proteome)，蛋白质组和功能蛋白质组是生命科学的新的研究内容 (对象 )。基因组 (genemo)蛋白质组（ proteome）基因组是指人体所有遗传信息的总和，携带有细胞或生物机体的 一整套遗传指令 的核酸量称为基因组。遗传信息传递的中心法则（ central-dogma）中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。多肽链蛋白质mRNADNADNA转录复制翻译翻译后加工DNA序列和遗传信息规定各种蛋白质和 RNA结构的信息规定各种基因选择性表达的信息DNA的核苷酸序列通过 mRNA规定蛋白质的氨基酸序列，同时信息的转换还要通过蛋白质以外的因子 ,如 tRNA、核糖体等来完成储存在 DNA的精细结构中，直接表现为特定的空间结构，即 “密码结构域 ”，通过 DNA有关序列形成特异性结构与有关蛋白质因子结合来体现 顺式行为元件 反式行为元件已测序的生物2、 HGP大事记 1985年 ：美国能源部 (Department of Energy， DOE)在加州大学圣克鲁滋会议上第一次对人类基因组全部测序进行可行性论证形成 “人类基因组计划 ”草案 1986年 ： 著名的诺贝尔奖获得者 Dulbecco在 Science上发表文章，高瞻远瞩地率先向世界公开提出人类基因组计划，并倡导全世界有能力的科学家共同完成这一国际性大课题。 1990年 ： NRC（美国国家科学研究委员会）和 DOE宣布这年的 10月 1日为人类基因组计划正式启动时间。 1992年 ：美国和法国的两支研究队伍分别完成了人类染色体和第 21条染色体的第一张物理图谱；随后又分别完成了鼠和人的遗传图谱。 1993年 ： 位于英国剑桥的 Sanger中心加入人类基因组计划，并成为一个重要的测序中心。 1994年 ：美国与法国完成了人类基因组中的第一个完整遗传连接图谱 1996年 ： 各国科学家聚集在百慕大群岛，讨论并通过了充分体现 HGP精神 （ 全球共有，国际合作，即时公布，免费共享 ）的百慕大原则。 1997年 ：大肠杆菌基因组（ 5Mb）全部测序完成，毛细管测序仪上市HGP大事记 (续 ) 1998年 ： Venter宣布成立 Celera公司，并宣称将采用 “全基因组鸟枪法 ”完成人类基因组的全部测序。从此，人类基因组测序在 “公 ” “私 ”之间展开了激烈竞争； 同年，线虫基因组测序完成。 1999年 ： 中国获准参加 HGP， 承担测定人类基因组 1% 测序任务 ； 英国日本和美国共同完成了第一条人染色体 第 22条染色体的全部测序工作 。2000年 ： 6月 26日， HGP与 Celera公司的领导人在白宫的庆祝仪式上共同宣布了人类基因组工作框架图的完成，并约定将双方的研究成果同时发表 ; Celera公司完成了果蝇基因组 (180 )的全部测序工作，证明了 “全基因组鸟枪法 ”的可行性；德国和日本的科学家公布了人类第 21条染色体的测序结果；第一个植物基因组 拟南芥基因组（ 125Mb）被全部测序。 2001年： HGP将人类基因组工作框架图发表在 Nature ; Celera公司则将其成果发表在 Science 上。 “工作框架图 ”已能覆盖人类基因组的97% ，其中至少 92% 的序列已组装得准确无误，并显示其中只有 3万到 3.5万个编码蛋白质的基因，这是人类基因组研究的一个重要里程碑。3、 HGP的科学目标基本目标与任务在制图的基础上测序，最后获得四张图谱（遗传图、物理图、转录图、序列图），这四张图组成人类不同层次的、分子水平的 “ 第二张解剖图 ” ，成为人类认识自我的新的知识源泉。 遗传图 物理图 转录图 序列图后基因组时代人类基因组计划基本目标与任务只是一个以测序为主的结构基因组学研究，随着该目标的实现， “生物信息学 ”、 “ 功能基因组学 ” 、 “蛋白质组学 ”兴起， HGP研究的重心逐步由结构向功能转移，即基因组功能信息的提取、鉴定和开发利用，以及与此相关的数据资料和技术手段的储存和使用 。人体解剖图遗传图以具有遗传多态性的遗传标记为路标 ,以遗传学距离为图距绘制的基因组图。此处的遗传多态性定义为在某个遗传位点上具有一个以上的等位基因 ,且其在群体中出现的频率均高于 1% 。而遗传学距离则是指在减数分裂事件中 ,两个位点之间进行交换、重组的百分率 ,并规定 1% 的重组率为 1。多态性标志第一代： 限制性酶切片段长度多态性 （ restriction fragmentlength polymophism， RFLP）第二代： 简单序列长度多态性（ simple sequence length polymophism， SSLP）第三代： 单个核苷酸多态性（ sequence tagged site， SNP）物理图以一段已知核苷酸序列的 DNA片段为标记 ,以 Mb或 Kb作为图距绘制的基因组图。该 DNA片段称序列标记位置(sequence tagged site， STS)。物理图的意义在于 STS可把经典遗传学与细胞遗传学的位点信息转化为基因组位点的物理信息，基于 STS位点信息的相连片段群又提供了研究区域的实验材料，以这些片段的材料便可进行该区域的基因组研究或在该区域寻找新基因。转录图把 mRNA先分离、定位，再转录成 cDNA，这就构成一张人类基因的转录图， cDNA片段又称表达序列标签 (exprossed sequence tag， EST)，因此转录图也称为表达序列图。由于 cDNA具有组织、生理与发育阶段的特异性，因此 EST除提供序列信息外，同时也提供了该基因表达的组织、生理状况与发育阶段的信息。序列图人类基因组核苷酸序列图即是分子水平的最高层次的、最详尽的物理图，由总长度为 1左右、约由 31亿核苷酸组成。当前人类基因组全序列图实际上是一个 “代表性人类个体 ”的序列图，因为所有人类基因个体的基因位点都是相同的 ,不同族种、不同个体的基因差异 ,以及 “正常 ”与 “致病 ”基因的差异 ,只是同一位点上的等位基因的差异。3、 HGP对生命科学与生物产业发展的的导向性意义规模化序列化信息化产业化医学化人文化二、人类基因组计划的方法论理念 1. HGP技术路线的整体性2. HGP价值目标的开放性3. HGP组织的协同性4. 复杂性系统研究的意义回顾 “人类基因组计划 ”的提出、目标的制定、组织的策略，我们发现，HGP中蕴含了整体性、开放性、协同性等方法论理念，这是以生命科学为代表的当代科学发展所体现的一种系统思维，是科学观念从强调还原论、追求简单性到关注系统性、探索复杂性的体现。人类基因组计划不仅深刻地反映了当代生命科学研究对象所具有的整体性和复杂性，而且体现了科学发展的一种内在整体性。因此，在生命科学的研究中，分析和还原作为一种科学的研究方法是有效的，科学本身的进一步分化和微观领域的深入，仍是科学发展的一个重要方向。但生命复杂系统的研究更需要一种处理复杂性的方法， 科学发展的整体化、综合化已日益显著并成为当代科学发展的新趋势，系统整体性将成为未来科学研究中一种重要的方法论理念。人类基因组计划技术路线的整体性“为科学而科学 ”的时代已经过去。科学不再是一个封闭的系统，只有开放才能发展。科学的开放性主要体现在两个方面：科学的国际性，科学的社会性。 1、 HGP从实施开始，就伴随着市场的强大驱动和商业的激烈竞争，从而引发了一场世纪的 “抢基因 ”大战 ;2、 HGP研究的对象是人类这个物种自身，是人类要对自己的生命进行根本的 “解剖 ”。因此，人类基因组计划虽是一项伟大的科学工程，但其研究却直接关涉人类物种的生存与进化、人类的价值与意义，其价值目标已远远超出了自然科学领域，对社会产生巨大的影响和强烈的震动。3、 HGP从一开始就包含了一个重要项目 研究人类基因组计划的伦理、法律和社会问题 (ethical ,legal and social implication， ELSI)。HGP的目标系统既有 “定时、定质、定量 ”的科学目标 ， 又包括了具有强烈的人文关怀的社会价值目标。这种科学研究与人文关照的交融 ， 是当代科学开放性的显著表现 ， 也是科学发展的一个必然趋势。 人类基因组计划价值目标的开放性人类基因组计划组织的协同性人类基因组计划除了各国政府的参与和支持外 ， 其不言而喻的科学意义和巨大的经济价值 ， 也使许多私人公司积极加入到人类基因组的研究行列。经过科学的辩论，激烈的竞争，最终达成了共识与合作。这 是世界范围内的科学大协作，是一个真正的国际性科学工程。它所倡导的 “全球共有，国际合作，即时公布，免费共享 ”的科学精神将成为科学普遍性、公有性、无私利性、协作性等科学精神的新典范。复杂性系统的研究意义人类基因组计划 ,这个跨世纪的、国际性的伟大科学工程，使生命科学进入了一个新的时代，也对人类思维产生了重要影响。可以预料，一种系统的方法论理念和思维方式，将随着当代科学技术的发展以及系统复杂性研究的进展，而不断体现和完善。复杂性研究极有可能成为 21世纪科学研究的前沿和富有挑战性的重大课题；也极有可能成为人类思维的一个新范式；人们期待并坚信；复杂性研究将取得突破性的进展。三、 HGP对人