人类的基因组计划

1、1人类基因组计划人类基因组计划授课人:张丽姝2主要内容主要内容 一、基因组 二、人类基因组计划 HGP简介简介 HGP的主要任务的主要任务 HGP对人类的重要意义对人类的重要意义 我国对人类基因组计划的贡献我国对人类基因组计划的贡献 基因组计划所带来的问题基因组计划所带来的问题 后基因组时代后基因组时代3一、基因组一、基因组( genome ) 基因组：细胞或生物体中，所有遗传信息的总和 人类基因组：核基因组 线粒体基因组 122号常染色体，X、Y 染色体上遗传信息的总和。 4真核生物基因组的特点真核生物基因组的特点 真核生物基因组远大于原核生物基因组 大肠杆菌的基因组大肠杆菌的基因组4000

2、kb 人类基因组约人类基因组约30亿个碱基对，估计编码亿个碱基对，估计编码3万个基因万个基因 基因组DNA与蛋白质形成染色体，储存于细胞核内 真核生物的转录产物一般为单顺反子 真核生物的大部分基因有内含子 真核基因组含少量单一顺序和大量重复顺序。 真核生物的基因组中存在一些可移动的DNA元素 真核生物除了核染色体以外，还存在细胞器DNA5真核生物真核生物DNA的主要类型的主要类型 根据功能 基因DNA ：可以表达的DNA 调节DNA：调节基因表达（如启动子、增强子）或调节DNA的功能（复制起始区等） 间隔DNA：内含子和分隔基因的DNA 简单顺序DNA：靠近着丝粒，端粒等位置的高度重复DNA，

3、有些在染色体的功能中发挥作用 无用DNA：没有确切功能的DNA6 11 根据含量 单一顺序DNA（出现1次或很少次） 鸡溶菌酶基因鸡溶菌酶基因 ，1个个 果蝇有果蝇有4个个微管蛋白和微管蛋白和4个个微管蛋白微管蛋白 中等重复顺序DNA（10104拷贝） rRNA、 tRNA、 组蛋白串连重复基因组蛋白串连重复基因 简单顺序简单顺序DNA，510bp的串连重复的串连重复 高度重复顺序（ 104 106拷贝） Alu顺序，顺序， 约约300bp，106拷贝，现认为无功拷贝，现认为无功能能12串连重复序列与身份识别串连重复序列与身份识别 DNA指纹指纹 可变数目串联重复序列（VNTR）： DNA重复

4、序列（一般重复序列（一般612bp），以串连的形式重），以串连的形式重复多次（几十次）复多次（几十次） 短串连重复顺序（STR） 26个核苷酸的重复，以串连的形式重复多次（几个核苷酸的重复，以串连的形式重复多次（几十次）十次） 特点 重复的次数具有多态性，即因人而不同重复的次数具有多态性，即因人而不同 高频率，即遍布基因组高频率，即遍布基因组 可用于人的身份识别13VNTR和和STR用于个体识别的原理用于个体识别的原理14二、人类基因组计划二、人类基因组计划 HGP(Human Genome Projects)简介 HGP的主要任务 HGP对人类的重要意义 我国对人类基因组计划的贡献 基因组计

5、划所带来的问题 后基因组时代151、HGP简介简介 人类基因组计划是由美国科学家于1985年率先提出、于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一计划。 其核心内容是构建DNA序列图，即分析人类基因组DNA分子的基本成分及碱基的排列顺序，绘制成序列图。16曼哈顿原子弹计划曼哈顿原子弹计划阿波罗登月计划阿波罗登月计划人类基因组计划人类基因组计划17基因组计划产生的背景基因组计划产生的背景 基因的重要性逐渐得到了认识 不仅疾病与基因有关，人类的生存、出生、不仅疾病与基因有关，人类的生存、出生、生长都与基因有关，都与生长都与基因有关，都与DNA的序列有关。的序列有关

6、。 寻找复杂疾病基因的进程缓慢 测序技术，基因操作技术日渐成熟18HGP的诞生的诞生1984年12月犹他大学的魏特受美国能源部的委托，主持召开了一个小型会议，讨论DNA重组技术的发展及测定人类整个基因组的DNA序列的意义。 1986年3月，杜伯克（Renato Dulbecco 1975年诺贝尔奖得主）癌症研究的转折点：测序人类基因组癌症研究的转折点：测序人类基因组，提出，提出正确的选择是对人类基因组进行全测序，这样大正确的选择是对人类基因组进行全测序，这样大的项目也应当由世界各国的科学家携手完成。的项目也应当由世界各国的科学家携手完成。1989年美国成立“国家人类基因组研究中心”。诺贝尔奖金

7、获得者J.Waston出任第一任主任。 19总体规划总体规划 1990年，美国国会批准美国的“人类基因组计划”在10月1日正式启动。其总体规划是准备在15年内至少投入30亿美元，进行对人类的基因组分析。 1993年，美国对这一计划做了修订： 人类基因组的基因图的构建与序列分析；人类基因组的基因图的构建与序列分析； 人类基因的鉴定；人类基因的鉴定； 基因组研究技术的建立；基因组研究技术的建立； 建立相应的数据库和信息系统建立相应的数据库和信息系统 研究此计划可能带来的人种，伦理及社会问题研究此计划可能带来的人种，伦理及社会问题 对一些模式生物的遗传组成进行研究，为分析人类对一些模式生物的遗传组成

8、进行研究，为分析人类基因组奠定基础基因组奠定基础20酵母酵母大肠杆菌大肠杆菌果蝇果蝇线虫线虫小鼠小鼠模式生物模式生物21 1993年，科林斯（Francis Collins）接替第一任主任沃森，担任美国国立卫生研究院人类基因组计划项目的负责人 中国、德国、法国、日本、英国与美国6个国家的16个中心组成国际协作组。 一直是美国乃至世界新闻媒体的报道热点22 2001年1、2月，HGP和美国塞莱拉（CeleraGenomics ）公司将各自测定的人类基因组工作框架图分别发表在Nature和 Science 上， 这表明人类基因组计划（HGP）进入了一个展新的阶段。 2003年4月14日，人类基因组

9、计划最终完成，比原计划提前了2年 232、HGP的主要任务的主要任务 遗传图谱 物理图谱 转录图谱 序列图谱24遗传图谱遗传图谱 遗传图谱（genetic map）又称连锁图谱(linkage map)，它是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的基因组图。 遗传学距离：在减数分裂事件中两个位点之遗传学距离：在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、重组的百分率，间进行交换、重组的百分率，1%的重组率的重组率称为称为1cM）2526物理图谱物理图谱 物理图谱（physical map）以一段已知核苷酸序列的DNA片段（sequence tagged site,序列标记部位STS）

10、为路标，以Mb或kb为图距的基因组图 1996年10月，已建立了22000个STS的物理图，x染色体的物理图的平均分辨率已经达75kb27基因转录图谱基因转录图谱 转录图谱，或称cDNA图，即在基因组上确定与已知mRNA相对应的DNA顺序位置。 表达序列标签：分离表达序列标签：分离到的到的cDNA片断片断28序列图谱序列图谱 最终目标最终目标 完成人类基因组3109的核苷酸顺序图，也是最高层次和最详尽的物理图29HGP数据资源数据资源30染色体1 ，2.47108bp31染色体1 ，03860kb32染色体1 ，060kb3334大规模测序基本策略大规模测序基本策略 逐个克隆法：对连续克隆系中

11、排定的BAC克隆逐个进行亚克隆测序并进行组装（公共领域测序计划） 细菌人工染色体细菌人工染色体 容量容量 300kb 酵母人工染色体酵母人工染色体 200kb2Mb 噬菌体噬菌体 几几十十Kb 全基因组鸟枪法：在一定作图信息基础上，绕过大片段连续克隆系的构建而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（美国Celera公司）35全基因组鸟枪法：全基因组鸟枪法：逐个克隆逐个克隆法法36shotgun鸟枪鸟枪法法 DNA的提取和纯化 将DNA用超声波切成能够测序的小片断 克隆到相应的载体中 在细菌中扩增 测序：上测序仪测序37序列拼接序列拼接38拼接错误：拼接错误：Repeat的存在

12、的存在39大规模基因组测序 Megabace 测序仪测序仪3700 测序仪测序仪40运用计算机软件进行序列拼接运用计算机软件进行序列拼接413、HGP对人类的重要意义对人类的重要意义 HGP对医学的影响 发现新的致病基因发现新的致病基因 发展一些复杂疾病的早期基因诊断方法发展一些复杂疾病的早期基因诊断方法42 HGP对制药业的影响 筛选新的药物靶点筛选新的药物靶点 生产新的基因工程药物生产新的基因工程药物 分析药理过程分析药理过程 个体化的药物治疗：药物基因组学个体化的药物治疗：药物基因组学43 HGP对社会经济的重要影响 生物产业与信息产业是一个国家的两大经济支柱 转基因植物转基因植物 转基

13、因动物转基因动物 农业生物技术、环境生物技术，酶工程、细胞工程、农业生物技术、环境生物技术，酶工程、细胞工程、组织工程组织工程 人类基因组的研究将促进生命科学与信息科学相结合，刺激相关学科的发展。 444、我国对人类基因组计划的贡、我国对人类基因组计划的贡献献 1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动，最初由国家自然科学基金委和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”； 1998年在国家科技部的领导和牵线下，1998年在上海成立了南方基因中心； 1999年在北京成立了北方人类基因组中心

14、； 1999年7月，中国科学院遗传研究所人类基因组中心注册参与国际人类基因组计划，45人类基因组人类基因组 1%测序计划测序计划 1999年9月1日：国际协作组接受了我国的申请，为我国划定了工作区域。我国承担的工作区域，位于人类3号染色体短臂上。由于该区域约占人类整个基因组的1 %，因此简称“1 % 项目”。 1999年11月12日：科技部中国生物工程开发中心、中科院生命科学和生物技术局、“863”计划生物领域专家委员会召开“参加国际人类基因组计划并完成1%基因组测序工作”专家讨论会，决定“863”计划出资3000万元，中科院出资1000万元；46国际人类基因组国际人类基因组测序任务分配情况测

15、序任务分配情况6/1-8/31/99NoCenterRegionSize(Mb)Actual KGenbank KrProjected Kr4/1-11/30/99Proj Accum.Mr. 4/99-3/001Sanger Centre1,6,9,10,13,20,22,X85013009414200122WIBR(Clones from Wash U)837296290083Wash U2,3,4,7,11,15,18,Y90086555923007.94JGI5,16,1925068746121006.45Baylor1,2,3,X2304622616603.16Riken21,18,

16、11q1601361955202.17IMB8,21,X50180321801.58GenoscopeMost of 14851001183001.49U. Wash (Olson)10 Beijing3p3012.512.51000.511 GTC (Smith)105051500.4512 MPIMG17,21,X6.94012400.313 GBF21, reg of 96500.314 Stanford (Davis)8231370.2915 Keio2,6,8,22,213011751100.2316 U. Wash (Hood LAB)1417Total2

17、671Mb4663Kr2950Kr13687Kr32.64Mr47 481项目的意义项目的意义 改变了国际人类基因组研究的格局，提高了人类基因国际合作的形象，受到了国际同行，特别是参与“人类基因组计划”的各个中心以及发展中国家的欢迎和称颂。 49 “1项目”，使我国理所当然地分享“人类基因组计划”的全部成果与数据、资源与技术，拥有有关事务的发言权。 建立了我国自己的、接近世界水平的基因组研究实力。 50遗传病基因克隆重大突破遗传病基因克隆重大突破5152又一次成功！又一次成功！ 水稻基因研究水稻基因研究2002,4,5:以杨焕明为首的中国科学家在以杨焕明为首的中国科学家在Science发表了水

18、稻全基因组框架序列图。发表了水稻全基因组框架序列图。535、HGP所带来的问题所带来的问题54基因资源的争夺基因资源的争夺 基因是有限的资源 对基因的占有方式是“基因专利” 基因专利的商业价值？ 促红细胞生成素促红细胞生成素EPO：美国：美国Amgen公司依赖公司依赖EPO基基因专利的开发应用。从一个濒临破产的企业成为美因专利的开发应用。从一个濒临破产的企业成为美国生物工程医药领域的领头羊，其国生物工程医药领域的领头羊，其EPO1998年的销年的销售收入达到售收入达到13.6亿美元，而亿美元，而EPO的全球市场现已达的全球市场现已达到到34亿美元的销售额。亿美元的销售额。 1997年年,Amg

19、en公司将公司将FKBP神经免疫因子配体转让神经免疫因子配体转让给给Guilford公司，交易额高达公司，交易额高达3.92亿美元亿美元 55 1998年， PE公司投资3亿美元组建赛莱拉（celera）公司，号称要在3年内用最新的测序仪和新的方法完成人类基因组计划的全部序列，并申请专利。 “速度就是一切，发现不能等待速度就是一切，发现不能等待”。 “人类基因组计划”的所有资助者、所有参与的实验室，都一致同意并许诺： “人类基因组计划”的数据，应该“平等、免费”分享，并签订了“百慕大原则”：所有数据都应在24小时内公布。 56 2000年1月，该公司宣布它测完人类基因组81%的序列（注：塞莱拉

20、公司的数据库中50%的数据事实上来自公立数据库） 塞莱拉公司股票成功上市发行并飞速上涨 国际人类基因组计划全力抗衡 后经过政府协调，最终塞莱拉公司和国际人类基因组同时公开他们的研究成果。57基因资源的保护基因资源的保护 基因资源应该为人类所共有，应合理开发、利用、保护 发展中国家要避免被发达国家掠夺基因资源 应尽快采取措施保护我国丰富、宝贵的基因资源58HGP涉及的主要伦理问题涉及的主要伦理问题 隐私和保密问题： 谁拥有和控制基因信息谁拥有和控制基因信息? 保险公司、雇主、法庭、学校、收容所、法律实施保险公司、雇主、法庭、学校、收容所、法律实施部门以及军队等应当使用它吗部门以及军队等应当使用它

21、吗?应当怎样使用它应当怎样使用它? 由于个体基因差异而引起的心理影响和伤害问题 一个人的基因缺陷如何影响其他人对该人的看法一个人的基因缺陷如何影响其他人对该人的看法? 59基因与个人隐私基因与个人隐私要不是你的基因告了密，我们本可以录用你。60DNA Report我这辈子没戏了！个人隐私！个人隐私！基因注定论？基因注定论？61 遗传检测涉及的问题： 父母有权让他们未成年的孩子检测成年才可父母有权让他们未成年的孩子检测成年才可能出现的疾病吗能出现的疾病吗? 在没有治疗方法的情况下应当检测吗在没有治疗方法的情况下应当检测吗? 检测过程中质量控制的标准和标准的执行？检测过程中质量控制的标准和标准的执

22、行？ 如何对基因检测结果做出精确、可信和有用如何对基因检测结果做出精确、可信和有用的解释的解释? 62 基因改进问题： 什么是正常的基因什么是正常的基因? 什么是残疾或缺陷基因什么是残疾或缺陷基因? 残疾和缺陷由谁来决定残疾和缺陷由谁来决定? 如果基因改进变成了通常的实践，它会如何如果基因改进变成了通常的实践，它会如何影响基因库的多样性影响基因库的多样性? 基因技术运用中的公平性问题：谁将有权使基因技术运用中的公平性问题：谁将有权使用这些昂贵的技术用这些昂贵的技术?63 原则： 知情同意，知情选择知情同意，知情选择 防止防止“遗传歧视遗传歧视” 保护个人和家庭基因隐私保护个人和家庭基因隐私 用于疾病的治疗和预防，而不用于用于疾病的治疗和预防，而不用于“优生优生”64新威胁新威胁 种族选择性灭绝性生物武器65国际人类基因组单体型图计划国际人类基因组单体型图计划 目标： 对整个人类基因组的三十亿个碱基进行平均五千个对整个人类基因组的三十亿个碱基进行平均五千个碱基密度的碱基密度的SNP（Single Nucleotide Polymorphisms）分型测定，构建分型测定，构建“单体型图单体型图”。 在此基础上进行更高密度的分型测定和后期数据的在此基础上进行