第三章 人类基因组

第三章人类基因组学HumanGenomics产生背景及概念背景

1986年DulbeccoR等提出人类基因组计划（HGP），随着HGP的提出和实施，产生的基因组学。概念以分子生物学技术、计算机技术和信息网络技术为研究手段，以生物体内全部基因为研究对象，在全基因背景下和整体水平上探索生命活动的内在规律及其内外环境影响机制的科学。2001年2月中旬，《Nature》与《Science》分别发表了人类基因组工作框架图,报告人类基因组共有30亿个碱基对,预测编码基因31,000个,比最初预测的10万个编码基因数大大减少。2003年

人类基因组计划宣布，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第一节

人类基因组和基因组学基因组(genome)是德国遗传学家H.Winkler在1920年将gene（基因）和chromosome(染色体)两个词缩合而创造的一个新词，意思是指染色体上的全部基因。几十年来，随着分子生物学的发展，其含义扩展为在个体水平代表一个个体所有遗传性状的总和，在细胞水平代表一个细胞所有不同染色体（单倍体）的总和，在分子水平代表一个物种所有DNA分子的总和。

基因组学概念及范畴基因组(genome)泛指一个有生命体、病毒或细胞器的全部遗传物质；在真核生物，基因组是指一套染色体（单倍体）DNA。基因组学(genomics)就是发展和应用DNA制图、测序新技术以及计算机程序，分析生命体（包括人类）全部基因组结构及功能的科学。基因组学包括3个不同的亚领域结构基因组学(structuralgenomics)功能基因组学(functionalgenomics)比较基因组学(comparativegenomics)基因组学概念结构基因组学结构基因组学(structuralgenomics)是通过人类基因组计划(HumanGenomeProject,HGP)的实施来完成的。HGP的内容就是制作高分辨率的人类遗传图和物理图，最终完成人类和其它重要模式生物全部基因组DNA序列测定，因此HGP属于结构基因组学范畴。第二节

人类基因组计划人类基因组计划HGP也称人类基因测序计划，主要目标是完成对人的基因组的所有碱基序列的测定，阐明人体中全部基因的位置、结构、功能、表达、调控方式及致病突变的全部信息。基本任务是完成遗传图、物理图、序列图和转录图。人类基因组包括24条染色体，3×109bp，3-4万个基因。人类基因组计划的目标人类基因组计划是一项国际性的研究计划。它的目标是通过以美国为主的全球性的国际合作，在大约15年的时间里完成人类24条染色体的基因组作图和DNA全长序列分析，进行基因的鉴定和功能分析。人类基因组计划的“科学产品”将是一个人类遗传信息数据库，将是一本指导人类进化的“说明书”。人类基因组计划的最终目标就是确定人类基因组所携带的全部遗传信息，并确定、阐明和记录组成的人类基因组的全部DNA序列。人类基因组计划的研究概况

1986年美国病毒学家R·杜尔贝科（1914－）1986年3月7日在美国《科学》杂志上发表了一篇题为《癌症研究的转折点——人类基因组的全序列分析》的文章，他指出：“人类DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情，都与这一序列息息相关。”该文后来被称为“人类基因组计划”的“标书”。1988年美国能源部和国家卫生研究院率先在美国开展人类基因组计划，并经国会批准由政府给予资助。此后，成立了一个国际间的合作机构——人类基因组织(HumanGenomeOrganization)，由多个国家筹集资金和科研力量，积极参加这一国际性研究计划。人类基因组计划的研究概况

1988年1989年，美国国立卫生研究院成立了人类染色体研究中心，沃森出任第一任主任。人类基因组计划的研究概况

1989年1990年，美国国会批准了“人类基因组计划”，并于10月1日正式启动，由多国科学家参加、被称为“生命科学阿波罗计划”的人类基因组计划正式启动。预计用15年时间，投资30亿美元，完成30亿对碱基的测序，并对所有基因进行绘图和排序。美国承担了全部任务的54%，英国33%，日本7%，法国2.8%，德国2.2%。中国于1999年9月加入人类基因组计划并承担了1%

的测序任务。人类基因组计划的研究概况

1990年1998年，生产DNA测序仪的最大厂家Perkin-Elmer(简称PE)公司与文特尔领导的基因研究所合作成立了塞莱拉（Celera）遗传信息公司，并宣布他们将利用最新技术在3年内完成人类基因组的测序工作，这使得该计划处于一种公私竞争的状态，从而加快了人类基因组的研究步伐。人类基因组计划的研究概况

1998年2000年6月26日，美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯、塞莱拉公司的董事长兼首席科学家克莱格·文特尔、美国总统克林顿、英国首相布莱尔联合宣布人类基因组工作草图绘制成功。此后，人类基因组研究进入绘制“完成图”的阶段。与“框架图”相比，“完成图”的覆盖率从90％扩展到100％，准确率从99％上升到99.99％。人类基因组计划的研究概况

2000年2001年2月12日，参加绘制人类基因组图谱的美、英、日、法、德、中6国科学家公布了更加准确、清晰、完整的人类基因组图谱，并指出人类基因总数只有3~3.5万个,编码序列占2%。2001年7月10日，中国“人类基因组计划”重大项目秘书长杨焕明教授宣布：在人类基因组完成图的绘制工作中，中国已率先超额（1.13%）完成所承担的任务。人类基因组计划的研究概况

2001年（一）遗传图（二）物理图（三）序列图（四）基因图HGP包括以下研究内容一、

遗传图谱（连锁图谱）概念：指基因或分子标记在染色体上的相对位置与遗传距离，用厘摩（cM）表示。1cM的遗传距离表示在100个配子中有1个重组子。在哺乳动物中，遗传图谱上1cM的距离大约相当于物理图谱上1,000,000bp。人类基因组的全长约3600cM遗传图是将每条染色体上的基因或遗传标记的相对位置经连锁分析确定下来，构成图谱，因此，需借助相应的遗传标记。DNA技术的建立为人类提供了大量新的遗传标记。遗传标记有三代第一代DNA遗传标记是RFLP（限制性片段长度多态性）。DNA序列上的微小变化，甚至1个核苷酸的变化，也能引起限制性内切酶切点的丢失或产生，导致酶切片段长度的变化。第二代DNA遗传标记利用了存在于人类基因组中的大量重复序列：重复单位长度在15-65个核苷酸左右的小卫星DNA；重复单位长度在2-6个核苷酸之间的微卫星DNA，又称为简短串联重复（STR、STRP或SSLP）。卫星DNA分类特征卫星DNA串联重复的基本单位首尾相接，在基因组中呈不均匀分布，但主要集中于着丝粒、端粒等特定部位，高度或中等重复，分属三个大家族。α卫星DNA中等重复，基本单位长171bp。小卫星DNA中等重复，基本单位长15~65bp。微卫星DNA中等重复，基本单位长2~8bp第二代DNA遗传标记STRP的优点是“多态性”与“高频率”。由于(A)n，(CA)n，(CGG)n等短重复序列在进化上不受选择，在同一位点上可重复单位数量变化很大，配对时又容易产生“错配”，使这样的位点遍布于整个基因组。已有5264个STRP为主体的遗传标记“连锁图”，平均分辨率已达600kb，其中第17号染色体上平均每495kb有一个标记，第9号染色体上平均每767kb有一个标记，整个基因组中只有三处标记间距大于4Mb。第三代DNA遗传标记，可能也是最好的遗传标记，是分散于基因组中的单个碱基的差异，即单核苷酸的多态性（SNP），包括单个碱基的缺失、插入和替换。SNP中大多数为转换，即由一种嘧啶碱基替换另一种嘧啶碱基，或由一种嘌呤碱基替换另一种嘌呤碱基，颠换与转换之比为1：2。SNP有可能在密度上达到人类基因组“多态”位点数目的极限。估计人类基因组中可能有300万个SNP位点！SNP与RFLP和STRP标记的主要不同之处在于，它不再以DNA片段的长度变化作为检测手段，而直接以序列变异作为标记。遗传图谱绘制的意义“遗传图”的建立为人类疾病相关基因的分离克隆奠定了基础。拥有5000多个遗传学位点，相当于把整个人类基因组划分为5000多个小区，并分别设置了“标牌”。如果在家系中证实该基因与某个标记不连锁（重组率为50%），表明该基因不在这一标记附近。如果发现该基因与某个标记有一定程度的“连锁”（重组率小于50%但大于0），表明它可能位于这个标记附近。如果该基因与某标记间不发生重组（重组率等于0），我们就推测该标记与所研究的疾病基因可能非常接近。人类基因组的物理图是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列标签位点，STS）为“路标”，以碱基对（bp，kb，Mb）作为基本测量单位（图距）的基因组图。STS是基因组中任何单拷贝的长度在100～500bp之间的DNA序列，与核酸内切酶识别序列相关联。物理图主要内容是建立相互重叠连接的“相连DNA片段群”。物理图序列图人类基因组的核苷酸序列图是分子水平上最高层次、最详尽的物理图。测定总长约1米、由30亿个核苷酸组成的全序列是人类基因组计划的最终目标。人类所拥有的基因位点都是相同的，不同种族、不同个体的基因差异(人类基因组的多样性)以及“正常”与“疾病”基因的差异，只是同一位点上的等位基因的差异。人类基因组计划所提供的人类核酸序列图，蕴藏了决定我们生、老、病、死的所有遗传信息，将成为人类认识自我、改造自我－使人类健康长寿的知识源泉，为21世纪现代生物学和医学奠定了基础。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。基因图基因图CpG岛的应用

CpG岛(CpGisland)：描述哺乳动物基因组DNA中的一部分序列，其特点是C和G的总和超过4种碱基总和的50%，即每10个核苷酸约出现一次双核苷酸序列CG。具有这种特点的序列仅占基因组DNA总量的10%左右。从已知的DNA序列统计发现，几乎所有的管家基因(House-Keepinggene)及约占40%的组织特异性基因的5‘末端含有CpG岛，其序列可能包括基因转录的启动子及第一个外显子。因此，在大规模DNA测序计划中，每发现一个CpG岛，则预示可能在此存在基因。基因图计算机应用及cDNA策略计算机应用：通过软件进行预测（生物信息学）cDNA策略：把特定组织中的mRNA分离出来，经反转录合成cDNA片段，建立EST位标，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱。是染色体DNA某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的雏形。第三节后基因组时代(Postgenomeera)*人类基因组计划完成之后，生物学被重新划分为前基因组和后基因组两部分。*科学研究已开始进入“后基因组时代”。主要是开展蛋白质组的研究。*有科学家形象地说道：即使基因测序全部完成，也只好像是一本没有姓名、只有号码的电话簿。“后基因组时代”的最终目标，是要把深奥的DNA语言变成一本基因大百科全书。一、基因组多样性计划不同人种、不同民族基因组的异同关系。探讨人类进化和种族演化的历史。个体化用药。疾病易感性。二、功能基因组学完成一个生物体全部基因组测序后即进入后基因组测序阶段——详尽分析序列，描述基因组所有基因的功能，包括研究基因的表达及其调控模式，这就是功能基因组学（functionalgenomics）。（一）鉴定DNA序列中的基因（二）同源搜索设计基因功能（三）实验性设计基因功能（