人类基因组计划研究进展与分子病理学
作者：范维珂
单位：重庆医科大学病理生理教研室，重庆 400016
关键词：
中国病理生理杂志001017 人类基因组计划(human genome project,HGP)是20世纪末生命科学领域的最大科学工程之一，对医学亦具有重大的意义。科学上的每一重大进步都和先进技术的引入密不可分。细胞的发现与研究诞生了在医学中占统治地位的细胞病理学，那么现代分子生物学与基因工程技术的突飞猛进将给医学带来什么影响呢?毋用置疑，21世纪的医学将由细胞病理学逐步走向子病理学。
HGP已于1990年10月在美国正式启动，其目的是要阐明人类基因组(genome)DNA约3×109个核苷酸碱基的序列，找出全部约10万个基因，并确定其在染色体上的位置，以破译人类全部正常遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。预期于2005年完成。其研究策略是：①先作图，绘制遗传连锁图、物理图、转录图；②后测序，从常规测序发展到全基因组鸟枪测序新战略；③建立重要模式生物的基因图；④基因数据库的建立，发展生物信息学，实现资源共享；⑤探讨与之相关的社会伦理、法律等问题。该计划由世界性协作至今已十年，并取得了举世瞩目的进展。我国的人类基因组计划(CHGP)亦已于1993年启动。
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遗传连锁图(genetic linkage map)是以多态性遗传标志如RFLP或MS为标志，以两个基因位点间的交换率为图距(单位为cM, centi-Morgan)进行作图。通过某病的家系分析，计算两者间的重组频率，以1%重组值为1cM(厘摩)。每一标志有一法定名称，如D1S77。人基因组全长为3 300 cM,1 cM相当于1 000 kb。HGP原定作图的距离要求精度为2～5 cM。至1996年已完成的第七版遗传图含5 264个MS位点，跨度范围为3 699 cM，平均间隔为1.6 cM，已超过原定要求，标志着人类遗传连锁图已经完成。物理图(physical map)是以已定位的DNA序列STS(sequencing tagged site, 序列标记位点)作为标志，以DNA实际长度(bp、kb、Mb)为图距进行基因作图。HGP原定要定位30 000个STS标志，进行精度为100 kb的STS-物理图。1998年上半年已鉴定出大约45 000个STS，从而在每100 kb左右有一个STS，标志着人类基因组的物理图即将完成。转录图(transcription map)是以表达序列标签(expressed sequence tag, EST)为标志绘制的图谱。人类基因组中的基因数目约有10万个。其转录产物mRNA正不断地被测序成EST。Genebank中已建立了EST库。目前收录的EST已超过88 000个。据推算现有的EST可能包含了90%以上的人类基因组序列。1996年10月完成的一幅由20 104个基因组成的转录图。许多重要疾病(如脆性X综合症、Huntington舞蹈病、Wilson病、多囊肾病)致病基因已被通过定位克隆技术(positional cloning)克隆，在这些图谱的基础上，测序的结果就可以综合成人类基因组序列。随着人类基因组作图计划接近完成，目前工作重点已转向人类基因组测序。采用常规测序法对YAC、BAC、P1、粘粒、质粒克隆群进行测序。据报导在1998年5月可完成163.7×106 bp(1.8 亿)，还有将近93%的序列有待在2005年前完成。因之任务还相当艰巨。全新测序技术与策略“全基因组鸟枪测序战略(shortgun sequencing strategy of human genome)”与毛细管测序仪的参与将大大加快其进度，使全基因组测序有望在2003年完成，这将为人类基因的定位与克隆创造良好的条件。采用连锁分析法、人/鼠杂交细胞法、染色体畸变细胞法、荧光原位杂交法进行基因定位，从功能克隆法、定位克隆法、发展到表位克隆法使正常在因与疾病基因的定位正在以大大超过以前的速度发展并相互验证。HGP的研究至今已将6万多个DNA片段定位在染色体上的特定区域，其中已定位了1.6万个基因，并已克隆了844个基因(1999年)。基因组作图除了定位与克隆正常基因外，亦大大推动了疾病基因的定位与克隆。人类疾病的基因组图谱《人基因组的病理解剖图》的版本不断更新，在1996年已出版至第十二版，为人类疾病的基因克隆、序列分析、功能研究乃至其与疾病的发病机制、诊断与治疗建立了必要的基础。
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HGP在测定人类基因组序列的同时，还要进行模式生物包括大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、拟南芥菜、小鼠等的基因组序列，至今已完成了至少11种微生物的全部基因组序列，其中大肠杆菌(E.coli K-12, 4 639 221 bp)、啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae, 12×106bp)的全序列测定已完成，具有里程碑的意义，全长达100 Mb的线虫序列序列亦将完成，将对认识HGP及基因组进化的研究产生重大的影响。
HGP在广度上迅速发展的同时，在深度上亦不断取得成果。2000年初世界上报道了第一个测定全序列的第22号染色体；接着在2000年5月18日的《自然》杂志上报导了第二个完成测序的人第21号染色体的全序列，已由Riken基因科学中心的Riken教授领导的科学家所合作完成。这二报导是科学史上的又一个里程碑。21号染色体包含33Mb的DNA，能分辨出的基因不到300个，这一结果使人推测人基因组所包括的基因总数可能不会超过4万个，以比往推测的10万个要少。该染色体序列显示有多个基因与特定疾病相关，如Alzheimer病、Down综合症、脑动脉淀粉样变、同种胱氨酸尿症、磷酸果糖酶缺乏引起的溶血性贫血、进行性肌阵挛性癫痫、侧索硬化症和白血症等。该序列的确定将有助于研究这些致命疾病的发病机制，为寻求其相应的治疗方法打下基础。
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HGP的世界性规模及序列信息的爆炸性增长，如此大量信息的合理应用与发展，一开始就要求它与信息高速公路与数据库技术同步发展。国际上的4个最大的生物信息中心，即美国的国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnological Information, NCBI)、基因组序列数据库(Gene Sequence Data Bank, GSDB)、欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)、日本DNA数据库(DNA Data Bank of Japan, DDBJ)已就此建立了源自数百种生物的基因组DNA序列的大型数据库。它发布在因特网上，可与全世界基因组研究实验室通过网点、电子邮件、或直接与服务器、数据库联系。促成了生物信息学的形成。如在大多数电脑中均可使用的Entrez系统，它是一个容易操作的、综合的数据库与重查系统。图中核酸是指来自四大中心已报导的DNA基因序列、EST序列、STS序列、专利序列；并与其编码的蛋白质氨基酸序列库相连系；又与该序列数据的NCBI的生物学分类相联系；该三数据库又与医学文献数据库(MEDLINE)相联系，可从美国国家图书馆4000多种生物医学杂志、120万篇文献中找出相应的文献。这一数据库的内容与日俱增，任何人或机构均可自由地通过网络进行利用，大大促进了HGP的更快发展。
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在这些研究迅速发展的基础上，分子病理学的出现将是必然的趋势，疾病的分类将首先从单基因病、多基因病、获得性基因病来考虑，在疾病发生机制的研究中多种分子生物学手段将被采用。多种常用单基因遗传病如肌营养不良、血红蛋白病、血友病等的分子发病机制有了更为深入的了解。多基因缺陷可能是人类某些常见病如恶性肿瘤、高血压、糖尿病等的发病机制，特别如结直肠腺瘤/癌的发生与癌基因及抗癌基因的规律性突变与缺失的密切关系，提示基因突变在疾病中的重要作用。这些方法或技术的发展将在疾病的诊断中应用，如PCR、分子杂交、DNA芯片技术等将进入临床病理诊断实验室。基因治疗将在更有依据的基础上进行探索。分子病理学将促进医学攀登新的高峰。
但应该看到，对全面认识基因而言，以测序为主的HGP还仅仅是“结构基因组学(structural genomics)”，要真正理解基因组的功能可能是整个21世纪的任务。所以“后基因组计划(post-genome project)”亦可称为“功能基因组学(functional genomics)”，基因的功能依赖于其转录翻译的产物-蛋白质，功能基因组学要更深入地研究基因与蛋白的相互关系以及蛋白质作用的分子机制，有人称之为“蛋白质组学proteomics”。这样，HGP承前启后，将对认识与瞻望21世纪的医学发展具有不可估量的重要意义，且对阐明疾病发生发展规律的病理生理学亦将产生深远的影响。, http://www.100md.com
单位：重庆医科大学病理生理教研室，重庆 400016
关键词：
中国病理生理杂志001017 人类基因组计划(human genome project,HGP)是20世纪末生命科学领域的最大科学工程之一，对医学亦具有重大的意义。科学上的每一重大进步都和先进技术的引入密不可分。细胞的发现与研究诞生了在医学中占统治地位的细胞病理学，那么现代分子生物学与基因工程技术的突飞猛进将给医学带来什么影响呢?毋用置疑，21世纪的医学将由细胞病理学逐步走向子病理学。
HGP已于1990年10月在美国正式启动，其目的是要阐明人类基因组(genome)DNA约3×109个核苷酸碱基的序列，找出全部约10万个基因，并确定其在染色体上的位置，以破译人类全部正常遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。预期于2005年完成。其研究策略是：①先作图，绘制遗传连锁图、物理图、转录图；②后测序，从常规测序发展到全基因组鸟枪测序新战略；③建立重要模式生物的基因图；④基因数据库的建立，发展生物信息学，实现资源共享；⑤探讨与之相关的社会伦理、法律等问题。该计划由世界性协作至今已十年，并取得了举世瞩目的进展。我国的人类基因组计划(CHGP)亦已于1993年启动。
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遗传连锁图(genetic linkage map)是以多态性遗传标志如RFLP或MS为标志，以两个基因位点间的交换率为图距(单位为cM, centi-Morgan)进行作图。通过某病的家系分析，计算两者间的重组频率，以1%重组值为1cM(厘摩)。每一标志有一法定名称，如D1S77。人基因组全长为3 300 cM,1 cM相当于1 000 kb。HGP原定作图的距离要求精度为2～5 cM。至1996年已完成的第七版遗传图含5 264个MS位点，跨度范围为3 699 cM，平均间隔为1.6 cM，已超过原定要求，标志着人类遗传连锁图已经完成。物理图(physical map)是以已定位的DNA序列STS(sequencing tagged site, 序列标记位点)作为标志，以DNA实际长度(bp、kb、Mb)为图距进行基因作图。HGP原定要定位30 000个STS标志，进行精度为100 kb的STS-物理图。1998年上半年已鉴定出大约45 000个STS，从而在每100 kb左右有一个STS，标志着人类基因组的物理图即将完成。转录图(transcription map)是以表达序列标签(expressed sequence tag, EST)为标志绘制的图谱。人类基因组中的基因数目约有10万个。其转录产物mRNA正不断地被测序成EST。Genebank中已建立了EST库。目前收录的EST已超过88 000个。据推算现有的EST可能包含了90%以上的人类基因组序列。1996年10月完成的一幅由20 104个基因组成的转录图。许多重要疾病(如脆性X综合症、Huntington舞蹈病、Wilson病、多囊肾病)致病基因已被通过定位克隆技术(positional cloning)克隆，在这些图谱的基础上，测序的结果就可以综合成人类基因组序列。随着人类基因组作图计划接近完成，目前工作重点已转向人类基因组测序。采用常规测序法对YAC、BAC、P1、粘粒、质粒克隆群进行测序。据报导在1998年5月可完成163.7×106 bp(1.8 亿)，还有将近93%的序列有待在2005年前完成。因之任务还相当艰巨。全新测序技术与策略“全基因组鸟枪测序战略(shortgun sequencing strategy of human genome)”与毛细管测序仪的参与将大大加快其进度，使全基因组测序有望在2003年完成，这将为人类基因的定位与克隆创造良好的条件。采用连锁分析法、人/鼠杂交细胞法、染色体畸变细胞法、荧光原位杂交法进行基因定位，从功能克隆法、定位克隆法、发展到表位克隆法使正常在因与疾病基因的定位正在以大大超过以前的速度发展并相互验证。HGP的研究至今已将6万多个DNA片段定位在染色体上的特定区域，其中已定位了1.6万个基因，并已克隆了844个基因(1999年)。基因组作图除了定位与克隆正常基因外，亦大大推动了疾病基因的定位与克隆。人类疾病的基因组图谱《人基因组的病理解剖图》的版本不断更新，在1996年已出版至第十二版，为人类疾病的基因克隆、序列分析、功能研究乃至其与疾病的发病机制、诊断与治疗建立了必要的基础。
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HGP在测定人类基因组序列的同时，还要进行模式生物包括大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、拟南芥菜、小鼠等的基因组序列，至今已完成了至少11种微生物的全部基因组序列，其中大肠杆菌(E.coli K-12, 4 639 221 bp)、啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae, 12×106bp)的全序列测定已完成，具有里程碑的意义，全长达100 Mb的线虫序列序列亦将完成，将对认识HGP及基因组进化的研究产生重大的影响。
HGP在广度上迅速发展的同时，在深度上亦不断取得成果。2000年初世界上报道了第一个测定全序列的第22号染色体；接着在2000年5月18日的《自然》杂志上报导了第二个完成测序的人第21号染色体的全序列，已由Riken基因科学中心的Riken教授领导的科学家所合作完成。这二报导是科学史上的又一个里程碑。21号染色体包含33Mb的DNA，能分辨出的基因不到300个，这一结果使人推测人基因组所包括的基因总数可能不会超过4万个，以比往推测的10万个要少。该染色体序列显示有多个基因与特定疾病相关，如Alzheimer病、Down综合症、脑动脉淀粉样变、同种胱氨酸尿症、磷酸果糖酶缺乏引起的溶血性贫血、进行性肌阵挛性癫痫、侧索硬化症和白血症等。该序列的确定将有助于研究这些致命疾病的发病机制，为寻求其相应的治疗方法打下基础。
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HGP的世界性规模及序列信息的爆炸性增长，如此大量信息的合理应用与发展，一开始就要求它与信息高速公路与数据库技术同步发展。国际上的4个最大的生物信息中心，即美国的国家生物技术信息中心(National Center for Biotechnological Information, NCBI)、基因组序列数据库(Gene Sequence Data Bank, GSDB)、欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory, EMBL)、日本DNA数据库(DNA Data Bank of Japan, DDBJ)已就此建立了源自数百种生物的基因组DNA序列的大型数据库。它发布在因特网上，可与全世界基因组研究实验室通过网点、电子邮件、或直接与服务器、数据库联系。促成了生物信息学的形成。如在大多数电脑中均可使用的Entrez系统，它是一个容易操作的、综合的数据库与重查系统。图中核酸是指来自四大中心已报导的DNA基因序列、EST序列、STS序列、专利序列；并与其编码的蛋白质氨基酸序列库相连系；又与该序列数据的NCBI的生物学分类相联系；该三数据库又与医学文献数据库(MEDLINE)相联系，可从美国国家图书馆4000多种生物医学杂志、120万篇文献中找出相应的文献。这一数据库的内容与日俱增，任何人或机构均可自由地通过网络进行利用，大大促进了HGP的更快发展。
, 百拇医药
在这些研究迅速发展的基础上，分子病理学的出现将是必然的趋势，疾病的分类将首先从单基因病、多基因病、获得性基因病来考虑，在疾病发生机制的研究中多种分子生物学手段将被采用。多种常用单基因遗传病如肌营养不良、血红蛋白病、血友病等的分子发病机制有了更为深入的了解。多基因缺陷可能是人类某些常见病如恶性肿瘤、高血压、糖尿病等的发病机制，特别如结直肠腺瘤/癌的发生与癌基因及抗癌基因的规律性突变与缺失的密切关系，提示基因突变在疾病中的重要作用。这些方法或技术的发展将在疾病的诊断中应用，如PCR、分子杂交、DNA芯片技术等将进入临床病理诊断实验室。基因治疗将在更有依据的基础上进行探索。分子病理学将促进医学攀登新的高峰。
但应该看到，对全面认识基因而言，以测序为主的HGP还仅仅是“结构基因组学(structural genomics)”，要真正理解基因组的功能可能是整个21世纪的任务。所以“后基因组计划(post-genome project)”亦可称为“功能基因组学(functional genomics)”，基因的功能依赖于其转录翻译的产物-蛋白质，功能基因组学要更深入地研究基因与蛋白的相互关系以及蛋白质作用的分子机制，有人称之为“蛋白质组学proteomics”。这样，HGP承前启后，将对认识与瞻望21世纪的医学发展具有不可估量的重要意义，且对阐明疾病发生发展规律的病理生理学亦将产生深远的影响。, http://www.100md.com