人类基因组计划的方法论理念PPT课件.ppt

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 5 3 5 3 5 35 3 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 R R（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 mRNA DNA DNA 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 fragment length 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 andsocial 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对人类的影响 人类基因组计划与“蔓哈顿”原子弹计划、“阿波罗”登月计 划，并称为自然科学史上的三大计划，但是人类基因组计划 对人类自身的影响将远远超过另两项计划。因为人类基因蕴 涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息，破译它将为 疾病的诊断、新药物的研究开发和新的疾病治疗方法的探索 带来革命性的变革，所以解码人类基因组又被喻为生物的“圣 杯” 。 但是，科学是一柄双刃剑，科学既可以为人类造福，也可 能为人类带来灾难，尤其象人类基因组计划这样对人类本身 影响重大的科学项目，已经比任何科学研究计划引出了更多 对法律、伦理、国家安全的挑战。 HGP将给人类带来的好处 1、将带动一场医学革命 用基因图谱看病 基因药物治病 基因检测预防隐患 基因治疗疾病 2、获取了操纵生命的工具 控制生命的孕育优生优育 延长人的寿命 选择最佳生活环境 3、得以进行精确的个体鉴定 基因身份证 生物考古 4、将带来巨大的商机 生物制药 器官培植 HGP 可能给人类带来的隐患 社会平等与基因歧视 科技进步与基因技术滥用 社会公正与基因成果利益的均等分配 技术的不确定性和基因安全 四、人类基因组计划的伦理价值思考 HGP以其深远的社会影响而备受关注。就它作为纯粹工具理 性而言,并不显现或包含特定的道德价值。但它作为一项重要的 研究行为，是人类认知世界和改造世界的社会活动的一部分， 是研究者主观的目的性行为，其中必定渗透着某种价值判断和 取舍，它具有极强的伦理负载。因此，应加强基因伦理研究,引 入基因工作者的责任机制,形成基因研究的基本伦理规范和原则 ,以保证人类基因组研究的正确方向。研究与基因组相关的伦理 、法律和社会问题ELSI项目成为HGP的重要组成部分。 重视基因伦理的研究，形成基本的伦理原则和规范 明确科学工作者的责任，建立合理的科学责任制度 ELSI研究的问题及目标 研究问题： (1)基因差异问题； (2)公平性问题； (3)基因隐私问题 ； (4)临床问题 ； (5)基因产品的商业化问题； (6)对人类责任有关的概念和哲学蕴含的问题 目标:(1998年2003年) （1）检查与人类基因组序列完成有关的问题以及关于人类基因多样性