人类基因组计划与儿科遗传性疾病
作者：陈竺
单位：200025 上海第二医科大学附属瑞金医院 上海血液学研究所 国家人类基因组南方研究中心
关键词：
中华儿科杂志990902 一、人类基因组计划的概况
人类基因组计划(human genome project, HGP)是美国科学家在1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组DNA 3×109碱基对的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。HGP于1990年正式启动以来，已成为全球性的合作项目，并取得了重大进展。不仅提前实现了原定于1998年底完成的作图计划，进入了大规模测序和基因识别的阶段，而且极大地带动了人类疾病相关基因的定位、克隆与结构、功能的研究工作。随着数、理、化、信息、材料等学科的渗透和具有时代特征的工业化技术管理模式的引进，HGP真正成为了生命科学领域的第一项大科学工程，基因组学(genomics)作为一门新兴学科的地位也已被公认[1]。
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测序技术的进步和国际竞争新格局的出现，使得原定于2005年完成的人类基因组全部测序的目标有可能提前两年实现。在以测序为主的结构基因组学研究进入冲刺阶段的同时，以理解基因组的功能为目标的功能基因组学(functional genomics)亦引起了人们的极大重视。此外，从整体上研究细胞全部蛋白质结构-功能的“蛋白质组”学(proteomics)计划也已提上议事日程。近来又提出了“环境基因组学(environmental genomics)”、“癌肿基因组解剖学计划(cancer genome anatomy project，CGAP)”。另一方面，随着细菌、酵母、线虫等多种模式生物全基因组序列的获得，比较基因组学(comparative genomics)的地位愈益显现，一个以全基因组序列为基础的新的生物学时代已经到来。因此，人类基因组计划的内涵及外延在不断地扩展[1，2]。
二、人类基因组研究与疾病基因的定位及克隆
HGP的直接始动因素是要解决肿瘤的分子遗传学问题，因此与人类健康密切相关。已知6千多种单基因遗传病和多种大面积危害人群健康的多基因疾病(如肿瘤、心血管病、代谢性疾病、神经-精神类疾病、免疫性疾病等)均是遗传和环境因素相互作用的结果。在儿科疾病中，遗传性疾病和肿瘤具有特殊重要的位置，两者分别是发生于生殖细胞和体细胞的基因病。由于疾病的致病基因和相关基因代表了人类基因组信息中结构和功能完整性至关重要的那一部分，而且这些基因的信息对于疾病的预防、诊断、治疗以及新型药物的设计和开发具有重大意义。因此，疾病基因的定位、克隆和鉴定，是HGP各种竞争中居于核心的部分，也是HGP启动以来在社会上显示度最大的成就[3]。
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人类遗传研究的经典途径，是从表型→蛋白质→基因型的过程，血红蛋白病基因的发现就是典型的例子。然而，绝大多数人类遗传性疾病的生化基础未知，无法用上述传统途径进行研究。在HGP的遗传和物理作图计划带动下，出现了最初被称为“反求遗传学”、90年代初又改称为“定位克隆法”的全新思路。该思路的关键内容是：应用细胞遗传学定位和家系联锁分析，首先将疾病基因定位于染色体的特定位置，然后通过进一步的遗传和物理作图，使相关区域缩小至1Mb之内，此时即可构建酵母人工染色体(yeast arfificial chromosome,YAC)、细菌人工染色体(bacterial artificial chromosome, BAC)或粘粒(cosmid)克隆重叠群，从中分离基因，并在正常人和患者的DNA中进行结构比较，最终识别出疾病基因。“定位克隆”的结果导致了包括儿科疾病在内的一大批重要疾病的致病基因的发现，例如脆性X综合征、杜氏肌营养不良征(DMD)、囊性纤维化、慢性肉芽肿、Huntington舞蹈病、共济失调-毛细血管扩张症等，为这些疾病的基因诊断和未来的基因治疗奠定了基础。随着1996～1997年人类基因组转录图(即基因图)的构成，3万余个人类基因已被精确地定位于染色体的各个区域。今后，一旦某个疾病位点被定位，即可从局部的基因图中遴选出结构和功能相关的基因进行分析，这就是“定位候选克隆”的策略，它将大大提高疾病基因发现的效率。
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目前，人类疾病的基因组学的研究工作，已进入了多基因疾病这一难点阶段。多基因疾病不遵循孟德尔遗传表型-基因型的一般规律，难以用一般的家系遗传连锁分析取得突破，需要在人群和遗传标记的选择，数学模型的建立，统计方法的改进等方面，进行艰苦的努力。近来也有学者提出用比较基因表达谱的方法来识别疾病状态下激活或受抑的基因。例如“癌肿基因组解剖学计划”就代表了在这方面的一种尝试。
从生物大分子互作和网络调控的结构模式来研究和分析疾病基因的作用，是当前疾病基因组学研究的另一个特点。即使是在单基因疾病，基本的分子发病学原理也是由于疾病基因蛋白产物结构-功能的缺损或改变，阻碍或干扰了在特定生化通路中的生物大分子相互作用；而多基因疾病发生和发展更是多基因或多通路间平衡失调的结果。这样一种认识突破了以往“一个基因一种病”的模式，既能更深入透彻地了解疾病的病理生理过程及其影响因素，又为利用调节网络设计药物或基因治疗提供了新的思路。
三、人类疾病的基因诊断
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人类疾病基因和相关基因的分离、克隆为医学带来了空前的机遇。本世纪80年代中期发明的PCR技术，为遗传性疾病的诊断提供了极其有力的工具。90年代以来，又出现了被称为“DNA芯片”的全新技术，在一个指甲盖大小的玻片上，可以排列数千个基因的DNA序列，在标有荧光染料的DNA标本与之杂交后，可以用高精度的检测系统和计算机软件对杂交结果进行判读。上述方法为快速检测病原体和疾病组织中的突变序列提供了手段，并可实现高通量、大规模的操作。一般而言，某一致病基因被发现后，数个月内即可用于诊断，而疾病相关基因可能也只需2～3年就可被用于评估患病风险。随着基因诊断技术的不断更新，特别是与其他学科如胚胎学、妇产科学、生殖生理学和仪器分析技术等的相互交叉和渗透，遗传病的基因诊断将朝着高效、准确、灵敏和无创伤的方向发展[4]。
我国是人口大国，现有几千万遗传病患者，智力发育不全的人数达1 000万以上，其中300多万为14岁以下儿童，目前每年至少出生几十万有先天缺陷的儿童。先天畸形和遗传病发病率仍呈上升趋势。在全国残疾人中，先天致残比率>50%，弱智人出生率高达1.07%。另据1994年全国出生人口的缺陷调查资料，各种先天性缺陷和遗传疾病占总人口的13%[5]。因此，基因诊断在我国是大有作为的。80年代以来，国内的一些研究单位如中国医学科学院基础医学研究所和上海市儿童医院医学遗传研究所等追踪国际发展的新动向，逐步开始了遗传病基因诊断的研究并将其应用于临床。基因诊断作为八*五期间国家“863”的高科技项目，已取得了相当大的成绩。不仅形成了对常见遗传病如珠蛋白基因缺陷性贫血、苯丙酮尿症、血友病和DMD等系统开展基因诊断的能力，建立了一整套的基因诊断技术，而且对这些技术进行了改进和创新，使之更适合于中国的国情。遗憾的是，前几年我国的基因诊断，尤其是应用PCR方法对病原体的基因诊断出现了一哄而起的局面。由于缺乏有关法律和法规的约束以及行业方面的整体规划，在人员培训、试剂和诊断操作的质量控制等方面出现了严重的问题，造成了误诊和漏诊，损害了患者的利益，以至于有关部门不得不采取断然措施给予停业整顿。但若能以此为转机，使得国内的基因诊断能够纳入法制化和有序发展的轨道，瞄准国际前沿，加强新技术尤其是定量PCR和DNA芯片的研究，大力提倡各学科的紧密配合和协作，同时在做好质量监控的前提下，普及和推广现有的基因诊断技术，就有可能发挥重大的社会效益和经济效益，形成我国基因诊断的产业，推动我国计划生育和遗传保健工作的发展。
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四、促进基于基因知识的治疗
对遗传性和体细胞基因突变所致疾病的最理想和特异的治疗，是在分子水平上纠正致病基因的结构或表达缺陷。目前处于研究阶段的基因水平治疗途径有数种：(1)直接修复突变基因的缺陷，使之恢复正常；(2)将正常的基因导入患者的体细胞，以纠正相应的遗传缺陷；(3)应用某些药物来调变基因的表达。不论采用何种途径，对治疗效果的监测都依赖于基因分析，即在DNA水平上观察突变基因是否修复，导入的正常基因是否已整合到基因组中及整合的拷贝数，在mRNA水平上观察基因表达的情况。随着HGP和整个生命科学、生物技术的发展，疾病治疗也越来越多地借助了对环境因子和生活方式的调变、干预。基因工程药物将可能逐步为小分子化学合成物所取代，而各种器官移植、器官再造、组织工程等技术手段有可能在下一世纪大规模进入临床。凡此种种也许可以称作为“基于基因知识”的治疗，较以往的狭义“基因治疗”概念要全面得多了[6]。
五、重视医学伦理学问题
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尽管基因诊断和治疗仍有许多不尽人意之处，但下一世纪疾病的基因诊断和治疗发展成为医学的重要分支，实现产业化将是没有疑问的。在婴幼儿时期的基因筛查就有可能识别出疾病基因或风险基因的携带者，这一被称为“预测医学”(predictive medicine)的做法，固然为疾病的早期预防提供了便利，但同时也可能带来一系列伦理、法律和社会学问题，是各科医生们所不得不面对的，儿科医生也许要首当其冲。诸如：患者的隐私权如何得到保护？他们的就业和保险是否会受到影响？是否会在社会上受到歧视？社会和法律能够为他们提供何种帮助和保护？能否对生殖细胞进行基因治疗？近年来，整体动物克隆技术的发展使得生物技术的伦理问题更趋复杂化。这些都需要生物医学界和法律界共同商讨、制订对策，并取得全社会的理解和支持[3]。
21世纪将是生物医学的世纪，我国基础和临床医学的发展将面临新的机遇和挑战。加强基因组科学与医学的联系，使之成为包括儿科医生在内的全国医学界的共同事业，并取得包括病家在内的全社会的支持，就有可能抓住历史赋予的机遇，迎头赶上国际先进水平，为促进我国的医学科学研究和发展我国的儿童医疗保健事业作出贡献。
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参考文献
1 Collins FS, Patrinos A, Jordan E, et al. New goals for the U.S. human genome gproject: 1998-2003. Science, 1998, 282:682-689.
2 Hieter P,Boguski M. Functional genomics: it′s all how you read it. Science, 1997, 278:601-602.
3 陈竺,李伟,俞曼, 等. 人类基因组计划的机遇和挑战：从结构基因组学到功能基因组学 .生命的化学，1998，18：5-17.
4 Hotlaman NA, Murphy PD, Watson MS, et al. Predictive genetic testing: from basic research to clinical practice. Science, 1997, 278: 602-605.
5 方福德.人口与健康基础研究中的关键问题.见：强伯勤，池志强，主编.迎接二十一世纪的生命科学——专家研讨论文集.上海：生命科学出版社，1998.38-45.
6 Chen Zhu. Human genome research & leukemia therapy in China. Bull Chinese Acad Sci，1997, 11：228-230.
(收稿：1999-02-24 修回：1999-05-26), http://www.100md.com
单位：200025 上海第二医科大学附属瑞金医院 上海血液学研究所 国家人类基因组南方研究中心
关键词：
中华儿科杂志990902 一、人类基因组计划的概况
人类基因组计划(human genome project, HGP)是美国科学家在1985年率先提出的，旨在阐明人类基因组DNA 3×109碱基对的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。HGP于1990年正式启动以来，已成为全球性的合作项目，并取得了重大进展。不仅提前实现了原定于1998年底完成的作图计划，进入了大规模测序和基因识别的阶段，而且极大地带动了人类疾病相关基因的定位、克隆与结构、功能的研究工作。随着数、理、化、信息、材料等学科的渗透和具有时代特征的工业化技术管理模式的引进，HGP真正成为了生命科学领域的第一项大科学工程，基因组学(genomics)作为一门新兴学科的地位也已被公认[1]。
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测序技术的进步和国际竞争新格局的出现，使得原定于2005年完成的人类基因组全部测序的目标有可能提前两年实现。在以测序为主的结构基因组学研究进入冲刺阶段的同时，以理解基因组的功能为目标的功能基因组学(functional genomics)亦引起了人们的极大重视。此外，从整体上研究细胞全部蛋白质结构-功能的“蛋白质组”学(proteomics)计划也已提上议事日程。近来又提出了“环境基因组学(environmental genomics)”、“癌肿基因组解剖学计划(cancer genome anatomy project，CGAP)”。另一方面，随着细菌、酵母、线虫等多种模式生物全基因组序列的获得，比较基因组学(comparative genomics)的地位愈益显现，一个以全基因组序列为基础的新的生物学时代已经到来。因此，人类基因组计划的内涵及外延在不断地扩展[1，2]。
二、人类基因组研究与疾病基因的定位及克隆
HGP的直接始动因素是要解决肿瘤的分子遗传学问题，因此与人类健康密切相关。已知6千多种单基因遗传病和多种大面积危害人群健康的多基因疾病(如肿瘤、心血管病、代谢性疾病、神经-精神类疾病、免疫性疾病等)均是遗传和环境因素相互作用的结果。在儿科疾病中，遗传性疾病和肿瘤具有特殊重要的位置，两者分别是发生于生殖细胞和体细胞的基因病。由于疾病的致病基因和相关基因代表了人类基因组信息中结构和功能完整性至关重要的那一部分，而且这些基因的信息对于疾病的预防、诊断、治疗以及新型药物的设计和开发具有重大意义。因此，疾病基因的定位、克隆和鉴定，是HGP各种竞争中居于核心的部分，也是HGP启动以来在社会上显示度最大的成就[3]。
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人类遗传研究的经典途径，是从表型→蛋白质→基因型的过程，血红蛋白病基因的发现就是典型的例子。然而，绝大多数人类遗传性疾病的生化基础未知，无法用上述传统途径进行研究。在HGP的遗传和物理作图计划带动下，出现了最初被称为“反求遗传学”、90年代初又改称为“定位克隆法”的全新思路。该思路的关键内容是：应用细胞遗传学定位和家系联锁分析，首先将疾病基因定位于染色体的特定位置，然后通过进一步的遗传和物理作图，使相关区域缩小至1Mb之内，此时即可构建酵母人工染色体(yeast arfificial chromosome,YAC)、细菌人工染色体(bacterial artificial chromosome, BAC)或粘粒(cosmid)克隆重叠群，从中分离基因，并在正常人和患者的DNA中进行结构比较，最终识别出疾病基因。“定位克隆”的结果导致了包括儿科疾病在内的一大批重要疾病的致病基因的发现，例如脆性X综合征、杜氏肌营养不良征(DMD)、囊性纤维化、慢性肉芽肿、Huntington舞蹈病、共济失调-毛细血管扩张症等，为这些疾病的基因诊断和未来的基因治疗奠定了基础。随着1996～1997年人类基因组转录图(即基因图)的构成，3万余个人类基因已被精确地定位于染色体的各个区域。今后，一旦某个疾病位点被定位，即可从局部的基因图中遴选出结构和功能相关的基因进行分析，这就是“定位候选克隆”的策略，它将大大提高疾病基因发现的效率。
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目前，人类疾病的基因组学的研究工作，已进入了多基因疾病这一难点阶段。多基因疾病不遵循孟德尔遗传表型-基因型的一般规律，难以用一般的家系遗传连锁分析取得突破，需要在人群和遗传标记的选择，数学模型的建立，统计方法的改进等方面，进行艰苦的努力。近来也有学者提出用比较基因表达谱的方法来识别疾病状态下激活或受抑的基因。例如“癌肿基因组解剖学计划”就代表了在这方面的一种尝试。
从生物大分子互作和网络调控的结构模式来研究和分析疾病基因的作用，是当前疾病基因组学研究的另一个特点。即使是在单基因疾病，基本的分子发病学原理也是由于疾病基因蛋白产物结构-功能的缺损或改变，阻碍或干扰了在特定生化通路中的生物大分子相互作用；而多基因疾病发生和发展更是多基因或多通路间平衡失调的结果。这样一种认识突破了以往“一个基因一种病”的模式，既能更深入透彻地了解疾病的病理生理过程及其影响因素，又为利用调节网络设计药物或基因治疗提供了新的思路。
三、人类疾病的基因诊断
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人类疾病基因和相关基因的分离、克隆为医学带来了空前的机遇。本世纪80年代中期发明的PCR技术，为遗传性疾病的诊断提供了极其有力的工具。90年代以来，又出现了被称为“DNA芯片”的全新技术，在一个指甲盖大小的玻片上，可以排列数千个基因的DNA序列，在标有荧光染料的DNA标本与之杂交后，可以用高精度的检测系统和计算机软件对杂交结果进行判读。上述方法为快速检测病原体和疾病组织中的突变序列提供了手段，并可实现高通量、大规模的操作。一般而言，某一致病基因被发现后，数个月内即可用于诊断，而疾病相关基因可能也只需2～3年就可被用于评估患病风险。随着基因诊断技术的不断更新，特别是与其他学科如胚胎学、妇产科学、生殖生理学和仪器分析技术等的相互交叉和渗透，遗传病的基因诊断将朝着高效、准确、灵敏和无创伤的方向发展[4]。
我国是人口大国，现有几千万遗传病患者，智力发育不全的人数达1 000万以上，其中300多万为14岁以下儿童，目前每年至少出生几十万有先天缺陷的儿童。先天畸形和遗传病发病率仍呈上升趋势。在全国残疾人中，先天致残比率>50%，弱智人出生率高达1.07%。另据1994年全国出生人口的缺陷调查资料，各种先天性缺陷和遗传疾病占总人口的13%[5]。因此，基因诊断在我国是大有作为的。80年代以来，国内的一些研究单位如中国医学科学院基础医学研究所和上海市儿童医院医学遗传研究所等追踪国际发展的新动向，逐步开始了遗传病基因诊断的研究并将其应用于临床。基因诊断作为八*五期间国家“863”的高科技项目，已取得了相当大的成绩。不仅形成了对常见遗传病如珠蛋白基因缺陷性贫血、苯丙酮尿症、血友病和DMD等系统开展基因诊断的能力，建立了一整套的基因诊断技术，而且对这些技术进行了改进和创新，使之更适合于中国的国情。遗憾的是，前几年我国的基因诊断，尤其是应用PCR方法对病原体的基因诊断出现了一哄而起的局面。由于缺乏有关法律和法规的约束以及行业方面的整体规划，在人员培训、试剂和诊断操作的质量控制等方面出现了严重的问题，造成了误诊和漏诊，损害了患者的利益，以至于有关部门不得不采取断然措施给予停业整顿。但若能以此为转机，使得国内的基因诊断能够纳入法制化和有序发展的轨道，瞄准国际前沿，加强新技术尤其是定量PCR和DNA芯片的研究，大力提倡各学科的紧密配合和协作，同时在做好质量监控的前提下，普及和推广现有的基因诊断技术，就有可能发挥重大的社会效益和经济效益，形成我国基因诊断的产业，推动我国计划生育和遗传保健工作的发展。
, 百拇医药
四、促进基于基因知识的治疗
对遗传性和体细胞基因突变所致疾病的最理想和特异的治疗，是在分子水平上纠正致病基因的结构或表达缺陷。目前处于研究阶段的基因水平治疗途径有数种：(1)直接修复突变基因的缺陷，使之恢复正常；(2)将正常的基因导入患者的体细胞，以纠正相应的遗传缺陷；(3)应用某些药物来调变基因的表达。不论采用何种途径，对治疗效果的监测都依赖于基因分析，即在DNA水平上观察突变基因是否修复，导入的正常基因是否已整合到基因组中及整合的拷贝数，在mRNA水平上观察基因表达的情况。随着HGP和整个生命科学、生物技术的发展，疾病治疗也越来越多地借助了对环境因子和生活方式的调变、干预。基因工程药物将可能逐步为小分子化学合成物所取代，而各种器官移植、器官再造、组织工程等技术手段有可能在下一世纪大规模进入临床。凡此种种也许可以称作为“基于基因知识”的治疗，较以往的狭义“基因治疗”概念要全面得多了[6]。
五、重视医学伦理学问题
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尽管基因诊断和治疗仍有许多不尽人意之处，但下一世纪疾病的基因诊断和治疗发展成为医学的重要分支，实现产业化将是没有疑问的。在婴幼儿时期的基因筛查就有可能识别出疾病基因或风险基因的携带者，这一被称为“预测医学”(predictive medicine)的做法，固然为疾病的早期预防提供了便利，但同时也可能带来一系列伦理、法律和社会学问题，是各科医生们所不得不面对的，儿科医生也许要首当其冲。诸如：患者的隐私权如何得到保护？他们的就业和保险是否会受到影响？是否会在社会上受到歧视？社会和法律能够为他们提供何种帮助和保护？能否对生殖细胞进行基因治疗？近年来，整体动物克隆技术的发展使得生物技术的伦理问题更趋复杂化。这些都需要生物医学界和法律界共同商讨、制订对策，并取得全社会的理解和支持[3]。
21世纪将是生物医学的世纪，我国基础和临床医学的发展将面临新的机遇和挑战。加强基因组科学与医学的联系，使之成为包括儿科医生在内的全国医学界的共同事业，并取得包括病家在内的全社会的支持，就有可能抓住历史赋予的机遇，迎头赶上国际先进水平，为促进我国的医学科学研究和发展我国的儿童医疗保健事业作出贡献。
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参考文献
1 Collins FS, Patrinos A, Jordan E, et al. New goals for the U.S. human genome gproject: 1998-2003. Science, 1998, 282:682-689.
2 Hieter P,Boguski M. Functional genomics: it′s all how you read it. Science, 1997, 278:601-602.
3 陈竺,李伟,俞曼, 等. 人类基因组计划的机遇和挑战：从结构基因组学到功能基因组学 .生命的化学，1998，18：5-17.
4 Hotlaman NA, Murphy PD, Watson MS, et al. Predictive genetic testing: from basic research to clinical practice. Science, 1997, 278: 602-605.
5 方福德.人口与健康基础研究中的关键问题.见：强伯勤，池志强，主编.迎接二十一世纪的生命科学——专家研讨论文集.上海：生命科学出版社，1998.38-45.
6 Chen Zhu. Human genome research & leukemia therapy in China. Bull Chinese Acad Sci，1997, 11：228-230.
(收稿：1999-02-24 修回：1999-05-26), http://www.100md.com