醫(yī)學(xué)生物學(xué)人類基因組計(jì)劃與功能基因組學(xué)

1、醫(yī)學(xué)生物學(xué),現(xiàn)代生物學(xué)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué),第十二章 人類基因組計(jì)劃與功能基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃(human genome project，HGP)是一項(xiàng)國際性科學(xué)研究計(jì)劃，旨在闡明人類基因組30億個(gè)堿基對(duì)的序列，從物理和功能角度發(fā)現(xiàn)和定位人類基因組基因，破譯人類全部遺傳信息，使人類第一次在分子水平上全面地認(rèn)識(shí)自我。對(duì)人類基因組的研究推動(dòng)了整個(gè)生命科學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也形成一門嶄新的科學(xué)——基因組學(xué)(genomics)，即研究基因組的科學(xué)。,人

2、類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),一、國際人類基因組計(jì)劃,人類基因組計(jì)劃與功能基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),1984，DOE，首次探討人類基因組DNA進(jìn)行全序列分析的前景1986.3，R. Dulbecco發(fā)表《癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)——測(cè)定人類基因組序列》1988.4，HUGO成立1990.10.1，美國HGP正式啟動(dòng)2001.2，人類基因組工作框架圖完成2006.5，最后一條染色體序列被公布,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),建立遺傳圖(

3、genetic map)構(gòu)建物理圖(physical map)經(jīng)過測(cè)序完成序列圖(sequence map)和基因圖(gene map),人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃主要研究內(nèi)容,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),NAS制定的最終完成的序列精度要求,錯(cuò)誤率低于1/10000序列必須是連續(xù)的，即沒有缺口序列所用的克隆能忠實(shí)地代表基因組的結(jié)構(gòu),人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),NAS制定的工作框架圖精度要求,BAC克隆水平測(cè)序的覆蓋率不

4、應(yīng)少于3倍至少獲得基因組90%以上的序列錯(cuò)誤率應(yīng)低于1%,1．遺傳圖,遺傳圖又稱為連鎖圖(linkage map)，是利用連鎖分析的方法將每條染色體上的基因或遺傳標(biāo)記(genetic marker)的相對(duì)位置確定下來而構(gòu)建的基因組圖。遺傳圖中基因座之間的相對(duì)距離以遺傳距離(centimorgan，cM)來衡量。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),1．遺傳圖,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),主要的遺傳標(biāo)記,限制性片段長度多態(tài)(RFLP)短串聯(lián)重

5、復(fù)序列(STR)微衛(wèi)星(microsatellite)單核苷酸多態(tài)(SNP),2．物理圖,物理圖包含了兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是將分布于整個(gè)基因組的序列標(biāo)簽部位(sequence tagged site，STS)在每條染色體上的排列順序確定下來；二是在此基礎(chǔ)上構(gòu)建覆蓋每條染色體的YAC和BAC鄰接克隆群(contig)。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),2．物理圖,遺傳圖反映染色體上兩個(gè)基因座位之間的連鎖關(guān)系，而物理圖反映的是兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離

6、，其圖距單位為Mb、kb或bp。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),3．序列圖,序列圖是通過對(duì)全基因組DNA進(jìn)行序列分析而建立的，是分子水平最高層次、最詳盡的物理圖，也是人類基因組計(jì)劃中最為明確、最為艱巨的定時(shí)定量的任務(wù)。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),3．序列圖,人類基因組計(jì)劃繪制的序列圖不同于以往那種只對(duì)某一個(gè)特定區(qū)域進(jìn)行DNA序列分析的工作，它要求的是一種高效率的規(guī)模性測(cè)序，并將每一個(gè)DNA片段按其在染色體上的真實(shí)位置進(jìn)行準(zhǔn)確的排列，從而得到

7、人類基因組全部堿基排列的原貌。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),3．序列圖,2001年2月，IHGSC發(fā)表了覆蓋人類基因組95%的工作框架圖，稱為公共序列(public sequence)，并陸續(xù)發(fā)表了24條染色體的詳細(xì)評(píng)注和分析等相關(guān)資料。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),4．基因圖,人類基因組計(jì)劃要完成的另外一個(gè)重要目標(biāo)是在人類基因組中找出全部基因的位置、結(jié)構(gòu)與功能，即繪制基因圖。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),4．基因圖,生物的性狀是由結(jié)構(gòu)或功能

8、蛋白決定的，蛋白質(zhì)是由mRNA編碼的， mRNA是由基因轉(zhuǎn)錄而來的，而基因的表達(dá)又有時(shí)間和空間的特異性。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),提取特定生長發(fā)育時(shí)期或特定組織器官中的mRNA逆轉(zhuǎn)錄即可得到cDNA，再進(jìn)行分子雜交鑒別出與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的基因，就可以繪制一張可表達(dá)基因圖——轉(zhuǎn)錄圖(transcription map)，所以說轉(zhuǎn)錄圖是基因圖的雛形。,4．基因圖,匯總不同的生長發(fā)育時(shí)期和不同的組織器官中得到的轉(zhuǎn)錄圖，能夠有效地對(duì)比在正常和受控條

9、件下基因表達(dá)的差異；可以反映基因在不同組織器官、不同生長發(fā)育時(shí)期、不同水平的表達(dá)情況；也可以了解不同組織器官、不同生長發(fā)育時(shí)期，不同基因的表達(dá)情況。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),4．基因圖,2004年10月，IHGSC測(cè)定了人類全基因組的精細(xì)序列圖，最終估計(jì)人類基因組中編碼蛋白質(zhì)的基因數(shù)目僅有2萬~2.5萬個(gè)。明確基因組中每個(gè)基因的序列將為異常或致病基因的克隆提供快速的識(shí)別途徑和研究策略，加快重大疾病遺傳機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，并可對(duì)遺傳病的治療和

10、控制提供戰(zhàn)略性的指導(dǎo)。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),二、中國人類基因組計(jì)劃,人類基因組計(jì)劃與功能基因組學(xué),1．中國HGP的第一階段,我國HGP的第一個(gè)階段從1994年1月開始到1997年6月，以強(qiáng)伯勤、陳竺聯(lián)合主持國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“中華民族基因組中若干位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)的研究”，由全國16個(gè)單位19個(gè)課題組參加。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),1．中國HGP的第一階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),中國不同民族基因組的保存及基因組比較研究建

11、立和改進(jìn)人類基因組研究中的新技術(shù)中國人基因組若干位點(diǎn)致病基因或疾病相關(guān)基因的研究,目標(biāo)是利用我國豐富的人類遺傳資源，進(jìn)行基因組多樣性和疾病基因識(shí)別以及相關(guān)技術(shù)平臺(tái)的建立。,1．中國HGP的第一階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),改進(jìn)了永生細(xì)胞株的建株技術(shù)，完成南、北兩個(gè)漢族人群和西南、東北16個(gè)少數(shù)民族群體共733個(gè)永生淋巴細(xì)胞株的建立，為中華民族基因組的研究保存了珍貴的遺傳資源，并以此為基礎(chǔ)展開了我國多民族基因組多樣性的比較研究。,1．

12、中國HGP的第一階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),建立了比較完整的基因組研究技術(shù)體系，形成了作圖、測(cè)序、基因定位與識(shí)別、基因組掃描、生物信息學(xué)等較配套的方法學(xué)體系，并獲得了與神經(jīng)系統(tǒng)、造血系統(tǒng)發(fā)育、分化和基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)的一批cDNA。,1．中國HGP的第一階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),在致病基因分離和結(jié)構(gòu)、功能研究方面，克隆到遺傳性多發(fā)性外生性骨疣的致病基因(EXT2)，獲得了與白血病和部分實(shí)體瘤相關(guān)的DNA片段和基因并展開結(jié)構(gòu)、功能

13、的研究。,1．中國HGP的第一階段,中國HGP的第一階段在我國初步建立起了一個(gè)較配套的基因組研究工作體系，形成了若干樣品收集保存的基地和一批研究和/或研究中心，并具備了自行開展基因組多樣性研究，自行定位、克隆人類疾病基因和功能基因，進(jìn)行較大規(guī)模DNA測(cè)序，以及開發(fā)利用基因組數(shù)據(jù)庫的能力，在生物多樣性研究和疾病基因及功能基因分離的研究已逐步接近國際前沿。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),2．中國HGP的第二階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),我國H

14、GP的第二個(gè)階段從1998年開始到2003年，由陳竺主持國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“中華民族基因組的結(jié)構(gòu)和功能研究”。,2．中國HGP的第二階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),中國不同民族基因組的保存及遺傳多樣性研究基因組多樣性與多基因疾病基因組定位研究建立和發(fā)展功能基因組學(xué)的新理論、新技術(shù)、新方法鉤端螺旋體全基因組結(jié)構(gòu)和功能研究,2．中國HGP的第二階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),目標(biāo)是充分發(fā)揮我國人類遺傳資源優(yōu)勢(shì)和多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，從中華

15、各民族、人群的基因組保存和多樣性分析、多基因病相關(guān)基因定位與分離的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，建立和發(fā)展功能基因組學(xué)新理論、新技術(shù)、新方法這三個(gè)方面進(jìn)行綜合性大規(guī)模研究；出于我國傳染病預(yù)防控制的前瞻性考慮，進(jìn)行了公共衛(wèi)生基因組學(xué)的嘗試，在國際上首次測(cè)定鉤端螺旋體全基因組順序。,2．中國HGP的第二階段,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),1999.9，中國加入IHGSC，負(fù)責(zé)測(cè)定人類3號(hào)染色體3pter-D3S3610區(qū)域約30Mb的測(cè)序任務(wù)，即“1%項(xiàng)

16、目”，成為加入IHGSC的惟一一個(gè)發(fā)展中國家。,三、功能基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃與功能基因組學(xué),HGP研究的是遺傳圖、物理圖、序列圖、基因圖，主要探討人類基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又稱結(jié)構(gòu)基因組學(xué)(structural genomics)。在HGP進(jìn)行的同時(shí)，也開始研究人類基因組計(jì)劃相關(guān)及以后的領(lǐng)域，即所謂的后基因組計(jì)劃(past-genome project)。后基因組計(jì)劃以解釋基因組的功能和調(diào)控機(jī)制為研究目標(biāo)，所以又稱功能基因組學(xué)(fu

17、nctional genomics)。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),1．人類基因組多樣性計(jì)劃,人類基因組多樣性計(jì)劃(human genome diversity project，HGDP)旨在采集與保存世界范圍內(nèi)一些地理隔離的部落群體和具有獨(dú)特文化或語言背景的群體的基因組DNA，其目標(biāo)是要揭示世界上不同民族生理生化差異的遺傳背景，以及群體之間的相互關(guān)系。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),1．人類基因組多樣性計(jì)劃,人類是一個(gè)具有多態(tài)性的群體。要真

18、正了解全人類的基因組特征，就應(yīng)開展人類基因組多樣性的系統(tǒng)研究，比較不同人種、民族、族群之間基因組的差異，建立各個(gè)群體的遺傳資料信息庫，并與考古學(xué)、人類學(xué)、語言學(xué)等研究成果相結(jié)合，為探討人類的起源、進(jìn)化和遷移的歷史提供重要的證據(jù)。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),2．比較基因組學(xué),比較基因組學(xué)(comparative genomics)是基于基因組圖譜和測(cè)序基礎(chǔ)上，在DNA水平上對(duì)不同生物基因組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，以研究基因的結(jié)構(gòu)功能、表達(dá)機(jī)制和物

19、種進(jìn)化的學(xué)科。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),2．比較基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),主要的模式生物,大腸埃希菌(E. coli)酵母菌(S. cerevisiae)秀麗線蟲(C. elegans)果蠅(D. melanogaster)小鼠(M. musculus),2．比較基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),各種生物基因組序列的比較,2．比較基因組學(xué),模式生物體的基因組的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但是它們的核心細(xì)胞過程和生化通路在很大程度

20、上是保守的。對(duì)模式生物的研究有助于發(fā)展和檢驗(yàn)新的相關(guān)技術(shù)，能夠了解基因組的進(jìn)化、從而加速對(duì)人類基因組結(jié)構(gòu)和功能的了解，還可為闡明基因表達(dá)機(jī)制提供了重要的線索。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),2．比較基因組學(xué),根據(jù)保守性核心序列建立的數(shù)據(jù)庫，不僅可探索基因組進(jìn)化的連續(xù)性、變異性，以及不同生物之間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近，對(duì)人類基因的鑒定和分離也具有重要的價(jià)值。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),3．環(huán)境基因組學(xué),環(huán)境基因組學(xué)(environmental ge

21、nomics) 的目的是研究環(huán)境對(duì)人類疾病的影響和意義。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),分析、鑒定與環(huán)境相關(guān)的疾病易感基因，識(shí)別基因組多樣性和結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系預(yù)測(cè)環(huán)境因素影響人類健康的風(fēng)險(xiǎn)并制定相應(yīng)預(yù)防措施和環(huán)境保護(hù)策略,4．疾病基因組學(xué),疾病基因組學(xué)的主要任務(wù)是鑒定和分離重要疾病的致病基因與相關(guān)基因，并確定其致病機(jī)制。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),單基因?。憾ㄎ豢寺?& 候選克隆多基因病：全基因組關(guān)聯(lián)研究

22、 隔離群體的QTL,5．藥物基因組學(xué),藥物基因組學(xué)(pharmacogenomics)是研究機(jī)體對(duì)包括藥物在內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)的遺傳差異，以尋找更為有效的藥物作用。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),“個(gè)體化”藥物的研制“個(gè)人健康計(jì)劃”的制訂,6．蛋白質(zhì)組學(xué),蛋白質(zhì)組的概念是1994年由澳大利亞學(xué)者M(jìn). Wilkins首次提出來的，“proteome”一詞源于“PROTEin”與“genOME”的組合，是指細(xì)胞基因組所

23、表達(dá)的執(zhí)行生命活動(dòng)的全部蛋白質(zhì)的存在及活動(dòng)方式。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),6．蛋白質(zhì)組學(xué),蛋白質(zhì)組是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，同一機(jī)體的不同組織和不同細(xì)胞在不同發(fā)育階段、不同生理狀態(tài)及在不同外界條件下的蛋白質(zhì)組都是不同的。蛋白質(zhì)組學(xué)研究的主要內(nèi)容是要從整體水平上研究蛋白質(zhì)的水平和修飾狀態(tài)，并建立蛋白質(zhì)相互關(guān)系的目錄。,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),6．蛋白質(zhì)組學(xué),人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),2001，國際人類蛋白質(zhì)組組織(HUPO)成立,美國牽頭：人

24、類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃(HPPP)中國牽頭：人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃(HLPP),四、倫理、法律和社會(huì)問題,人類基因組計(jì)劃與功能基因組學(xué),人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),人類基因組數(shù)據(jù)的共享問題基因研究或基因檢測(cè)后的隱私問題基因研究與基因檢測(cè)中的知情同意原則問題對(duì)有遺傳缺陷者的歧視問題,人類基因組計(jì)劃與基因組學(xué),1996，百慕大協(xié)議(基因組序列24小時(shí)公布)個(gè)人遺傳隱私權(quán)應(yīng)予保護(hù)知情同意原則遺傳病患者、遺傳缺陷的人或攜帶不利基因的人，