研究發(fā)現(xiàn)人類基因組中廣泛存在差異

研究發(fā)現(xiàn)人類基因組中廣泛存在差異

美國(guó)和瑞典研究人員使用一種新型脫氧核糖核酸（ＤＮＡ）比較技術(shù)發(fā)現(xiàn)，人類基因組中廣泛存在著大段ＤＮＡ的缺失或增加現(xiàn)象。這一現(xiàn)象對(duì)人類遺傳多樣性和癌癥等疾病的發(fā)生有重要意義。

攜帶人體遺傳信息的ＤＮＡ由４個(gè)不同的堿基組合而成。不同人基因組之間的堿基排列順序大部分相同，但也存在極小的差異，主要體現(xiàn)在ＤＮＡ片斷上個(gè)別堿基的不同。這種遺傳性變異被稱為“單核苷酸多態(tài)性”。而人體細(xì)胞中大段ＤＮＡ缺失或增加的現(xiàn)象，則被科學(xué)家稱為“副本數(shù)多態(tài)性”（ＣＮＰ）。但這種多態(tài)性此前一直被認(rèn)為只是個(gè)別現(xiàn)象，不具有代表性。

在新一期《科學(xué)》雜志上，美國(guó)紐約科德斯普林港實(shí)驗(yàn)室和瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員報(bào)告說，“副本數(shù)多態(tài)性”實(shí)際在人類基因組中廣泛而普遍地存在。研究人員原本想尋找正常人體細(xì)胞和癌細(xì)胞之間的基因差異，但他們?cè)诒容^正常人體細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，正常細(xì)胞的基因間也存在著很大差異。

研究人員使用的是一種高效的“代表性寡核苷酸陣列分析（ＲＯＭＡ）”技術(shù)，對(duì)來自不同地域的２０名實(shí)驗(yàn)對(duì)象的血液及組織樣本進(jìn)行了分析。他們發(fā)現(xiàn)，所有志愿者體細(xì)胞中有７０個(gè)基因存在７６處“副本數(shù)多態(tài)性”，表現(xiàn)為大段ＤＮＡ序列的缺失或增加。

研究人員說，“副本數(shù)多態(tài)性”的存在規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了早先的想象，而且缺失或增加的ＤＮＡ片斷與很多疾病的發(fā)生有關(guān)，如白血病、乳腺癌、肥胖癥等。此外，這些ＤＮＡ片斷與人體神經(jīng)系統(tǒng)功能的發(fā)育、某些細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控也有一定關(guān)系。

曾發(fā)起人類基因組項(xiàng)目的美國(guó)科學(xué)家克雷格·文特爾評(píng)論說，這一發(fā)現(xiàn)很重要。它也許能夠解釋，為什么人類的基因序列差別很小，而人與人之間卻有很大的不同。

什么是人類基因組計(jì)劃？其結(jié)果顯示人類有多少個(gè)基因？這些基因是否只能表達(dá)同數(shù)量蛋白質(zhì)，為什么？

人類基因組計(jì)劃很長(zhǎng)，看后面。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和定位了26000多個(gè)功能基因，其中尚有42%的基因尚不知道功能，在已知基因中酶占10.28%，核酸酶占7.5%，信號(hào)傳導(dǎo)占12.2%，轉(zhuǎn)錄因子占6.0%，信號(hào)分子占1.2%，受體分子占5.3%，選擇性調(diào)節(jié)分子占3.2%，等。發(fā)現(xiàn)并了解這些功能基因的作用對(duì)于基因功能和新藥的篩選都具有重要的意義。

至于蛋白數(shù)量，肯定不同，因?yàn)橐粭l基因頂多對(duì)應(yīng)一條mRNA，至于mRNA翻譯前剪切和連接就會(huì)形成很多，然后翻譯成肽鏈，經(jīng)過折疊，修飾和不同亞基組合后，種類就更多了。有的蛋白肽鏈相同，活性金屬不同也會(huì)成為不同的蛋白。所以，蛋白數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基因數(shù)的。

人類基因組計(jì)劃簡(jiǎn)介
人類基因組計(jì)劃(human genome project, HGP)是由美國(guó)科學(xué)家于1985年率先提出，于1990年正式啟動(dòng)的。美國(guó)、英國(guó)、法蘭西共和國(guó)、德意志聯(lián)邦共和國(guó)、日本和我國(guó)科學(xué)家共同參與了這一價(jià)值達(dá)30億美元的人類基因組計(jì)劃。按照這個(gè)計(jì)劃的設(shè)想，在2005年，要把人體內(nèi)約10萬個(gè)基因的密碼全部解開，同時(shí)繪制出人類基因的譜圖。換句話說，就是要揭開組成人體10萬個(gè)基因的30億個(gè)堿基對(duì)的秘密。人類基因組計(jì)劃與曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅計(jì)劃并稱為三大科學(xué)計(jì)劃。
1986年,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Renato Dulbecco發(fā)表短文《腫瘤研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：人類基因組測(cè)序》（Science, 231: 1055－1056）。文中指出：如果我們想更多地了解腫瘤，我們從現(xiàn)在起必須關(guān)注細(xì)胞的基因組。…… 從哪個(gè)物種著手努力？如果我們想理解人類腫瘤，那就應(yīng)從人類開始?！祟惸[瘤研究將因?qū)NA的詳細(xì)知識(shí)而得到巨大推動(dòng)?！?br>什么是基因組(Genome)?基因組就是一個(gè)物種中所有基因的整體組成。人類基因組有兩層意義：遺傳信息和遺傳物質(zhì)。要揭開生命的奧秘，就需要從整體水平研究基因的存在、基因的結(jié)構(gòu)與功能、基因之間的相互關(guān)系。
人類基因組計(jì)劃的目的
為什么選擇人類的基因組進(jìn)行研究？因?yàn)槿祟愂窃凇斑M(jìn)化”歷程上最高級(jí)的生物，對(duì)它的研究有助于認(rèn)識(shí)自身、掌握生老病死規(guī)律、疾病的診斷和治療、了解生命的起源。
測(cè)出人類基因組DNA的30億個(gè)堿基對(duì)的序列，發(fā)現(xiàn)所有人類基因，找出它們?cè)谌旧w上的位置，破譯人類全部遺傳信息。
在人類基因組計(jì)劃中，還包括對(duì)五種生物基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅和小鼠，稱之為人類的五種“模式生物”。
HGP的目的是解碼生命、了解生命的起源、了解生命體生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、認(rèn)識(shí)種屬之間和個(gè)體之間存在差異的起因、認(rèn)識(shí)疾病產(chǎn)生的機(jī)制以及長(zhǎng)壽與衰老等生命現(xiàn)象、為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。
[編輯本段]HGP的誕生和啟動(dòng)
對(duì)人類基因組的研究在70年代已具有一定的雛形，在80年代在許多國(guó)家已形成一定規(guī)模。
1984年在Utah州的Alta,White R and Mendelsonhn M受美國(guó)能源部(DOE）的委托主持召開了一個(gè)小型專業(yè)會(huì)議討論測(cè)定人類整個(gè)基因組的DNA序列的意義和前景（Cook Deegan RM,1989）
1985年5月在加州Santa Cruz由美國(guó)DOE的Sinsheimer RL主持的會(huì)議上提出了測(cè)定人類基因組全序列的動(dòng)議，形成了美國(guó)能源部的“人類基因組計(jì)劃”草案。
1986年3月，在新墨西哥州的Santa Fe討論了這一計(jì)劃的可行性，隨后DOE宣布實(shí)施這一計(jì)劃。
1986年遺傳學(xué)家McKusick V提出從整個(gè)基因組的層次研究遺傳的科學(xué)稱為“基因組學(xué)”
1987年初，美國(guó)能源部和國(guó)立衛(wèi)生研究院為HGP下?lián)芰藛?dòng)經(jīng)費(fèi)約550萬美元（全年1.66億美元）
1988年，美國(guó)成立了“國(guó)家人類基因組研究中心”由Watson J出任第一任主任
1990年10月1日，經(jīng)美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)美國(guó)HGP正式啟動(dòng)，總體計(jì)劃在15年內(nèi)投入至少30億美元進(jìn)行人類全基因組的分析。
1987年，意大利共和國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)開始HGP研究，其特點(diǎn)是技術(shù)多樣（YAC，雜種細(xì)胞，cDNA等）、區(qū)域集中（基本上限于Xq24-qter區(qū)域）
1989年2月英國(guó)開始HGP，特點(diǎn)是：帝國(guó)癌癥研究基金會(huì)與國(guó)家醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)(ICRP-MRC)共同負(fù)責(zé)全國(guó)協(xié)調(diào)與資金調(diào)控，劍橋附近的Sanger中心注重首先在線蟲基因組上積累經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)大規(guī)模DNA測(cè)序技術(shù)；同時(shí)建立了YAC庫的篩選與克隆、特異細(xì)胞系、DNA探針、基因組DNA、cDNA文庫、比較生物基因組DNA序列、信息分析等的“英國(guó)人類基因組資源中心”。可謂“資源集中、全國(guó)協(xié)調(diào)”。
1990年6月法蘭西共和國(guó)的HGP啟動(dòng)。科學(xué)研究部委托國(guó)家醫(yī)學(xué)科學(xué)院制定HGP，主要特點(diǎn)是注重整體基因組、cDNA和自動(dòng)化。建立了人類多態(tài)性研究中心（CEPH），在全基因組YAC重疊群、微衛(wèi)星標(biāo)記（遺傳圖）的構(gòu)建以及馳名世界的用作基因組研究的經(jīng)典材料CEPH家系（80個(gè)3代多個(gè)體家系）方面產(chǎn)生了巨大影響。
1995年德意志聯(lián)邦共和國(guó)開始HGP，來勢(shì)迅猛，先后成立了資源中心和基因掃描定位中心，并開始對(duì)21號(hào)染色體的大規(guī)模測(cè)序工作。
1990年6月歐共體通過了“歐洲人類基因組研究計(jì)劃”，主要資助23個(gè)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)用于“資源中心”的建立和運(yùn)轉(zhuǎn)。還有丹麥王國(guó)、俄羅斯聯(lián)邦、日本、大韓民國(guó)、澳大利亞等。
1994年，我國(guó)HGP在吳旻、強(qiáng)伯勤、陳竺、楊煥明的倡導(dǎo)下啟動(dòng)，最初由國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和863高科技計(jì)劃的支持下，先后啟動(dòng)了“中華民族基因組中若干位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)的研究”和“重大疾病相關(guān)基因的定位、克隆、結(jié)構(gòu)和功能研究”，1998年在國(guó)家科技部的領(lǐng)導(dǎo)和牽線下，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類基因組中心，1998年，組建了中科院遺傳所。1999年7月在國(guó)際人類基因組注冊(cè)，得到完成人類3號(hào)染色體短臂上一個(gè)約30Mb區(qū)域的測(cè)序任務(wù)，該區(qū)域約占人類整個(gè)基因組的1％。
人類基因組計(jì)劃（Human genome project）由美國(guó)于1987年啟動(dòng)，我國(guó)于1999年9月積極參加到這項(xiàng)研究計(jì)劃中的，承擔(dān)其中1%的任務(wù)，即人類3號(hào)染色體上約3000萬個(gè)堿基對(duì)的測(cè)序任務(wù)。我國(guó)因此成為參加這項(xiàng)研究計(jì)劃的唯一的發(fā)展中國(guó)家。2000年6月26日人類基因組工作草圖完成。由于人類基因測(cè)序和基因?qū)＠赡軙?huì)帶來巨大的商業(yè)價(jià)值，各國(guó)政府和一些企業(yè)都在積極地投入該項(xiàng)研究，如1997年AMGE公司轉(zhuǎn)讓了一個(gè)與中樞神經(jīng)疾病有關(guān)的基因而獲利3.92億美元。
[編輯本段]HGP的研究?jī)?nèi)容
HGP的主要任務(wù)是人類的DNA測(cè)序，包括下圖所示的四張譜圖，此外還有測(cè)序技術(shù)、人類基因組序列變異、功能基因組技術(shù)、比較基因組學(xué)、社會(huì)、法律、倫理研究、生物信息學(xué)和計(jì)算生物學(xué)、教育培訓(xùn)等目的。
1、遺傳圖譜（genetic map）
又稱連鎖圖譜(linkage map)，它是以具有遺傳多態(tài)性（在一個(gè)遺傳位點(diǎn)上具有一個(gè)以上的等位基因，在群體中的出現(xiàn)頻率皆高于1%）的遺傳標(biāo)記為“路標(biāo)”，以遺傳學(xué)距離（在減數(shù)分裂事件中兩個(gè)位點(diǎn)之間進(jìn)行交換、重組的百分率，1%的重組率稱為1cM）為圖距的基因組圖。遺傳圖譜的建立為基因識(shí)別和完成基因定位創(chuàng)造了條件。意義：6000多個(gè)遺傳標(biāo)記已經(jīng)能夠把人的基因組分成6000多個(gè)區(qū)域，使得連鎖分析法可以找到某一致病的或表現(xiàn)型的基因與某一標(biāo)記鄰近（緊密連鎖）的證據(jù)，這樣可把這一基因定位于這一已知區(qū)域，再對(duì)基因進(jìn)行分離和研究。對(duì)于疾病而言，找基因和分析基因是個(gè)關(guān)鍵。
第1代標(biāo)記：經(jīng)典的遺傳標(biāo)記，例如ABO血型位點(diǎn)標(biāo)記，HLA位點(diǎn)標(biāo)記。70年中后期，限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RFLP），位點(diǎn)數(shù)目大與105，用限制性內(nèi)切酶特異性切割DNA鏈，由于DNA的一個(gè)“點(diǎn)”上的變異所造成的能切與不能切兩種狀況，可產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的片段（等位片段），可用凝膠電泳顯示多態(tài)性，從片段多態(tài)性的信息與疾病表型間的關(guān)系進(jìn)行連鎖分析，找到致病基因。如Huntington癥。但每次酶切2-3個(gè)片段，信息量有限。
第2代標(biāo)記：1985年，小衛(wèi)星中心（minisatellite core）、可變串聯(lián)重復(fù)VNTR（variable number of tandem repeats）可提供不同長(zhǎng)度的片段，其重復(fù)單位長(zhǎng)度為6至12個(gè)核苷酸 ，1989年微衛(wèi)星標(biāo)記（microsatellite marker）系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)和建立，重復(fù)單位長(zhǎng)度為2~6個(gè)核苷酸，又稱簡(jiǎn)短串聯(lián)重復(fù)（STR）。
第3代標(biāo)記：1996年MIT的Lander ES又提出了SNP（single nucleotide polymorphysm）的遺傳標(biāo)記系統(tǒng)。對(duì)每一核苷酸突變率為10-9，雙等位型標(biāo)記，在人類基因組中可達(dá)到300萬個(gè)，平均約每1250個(gè)堿基對(duì)就會(huì)有一個(gè)。3~4個(gè)相鄰的標(biāo)記構(gòu)成的單倍型（haplotype）就可有8~16種。
2、物理圖譜（physical map）
物理圖譜是指有關(guān)構(gòu)成基因組的全部基因的排列和間距的信息，它是通過對(duì)構(gòu)成基因組的DNA分子進(jìn)行測(cè)定而繪制的。繪制物理圖譜的目的是把有關(guān)基因的遺傳信息及其在每條染色體上的相對(duì)位置線性而系統(tǒng)地排列出來。DNA物理圖譜是指DNA鏈的限制性酶切片段的排列順序，即酶切片段在DNA鏈上的定位。因限制性內(nèi)切酶在DNA鏈上的切口是以特異序列為基礎(chǔ)的，核苷酸序列不同的DNA，經(jīng)酶切后就會(huì)產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的DNA片段，由此而構(gòu)成獨(dú)特的酶切圖譜。因此，DNA物理圖譜是DNA分子結(jié)構(gòu)的特征之一。DNA是很大的分子，由限制酶產(chǎn)生的用于測(cè)序反應(yīng)的DNA片段只是其中的極小部分，這些片段在DNA鏈中所處的位置關(guān)系是應(yīng)該首先解決的問題，故DNA物理圖譜是順序測(cè)定的基礎(chǔ),也可理解為指導(dǎo)DNA測(cè)序的藍(lán)圖。廣義地說，DNA測(cè)序從物理圖譜制作開始，它是測(cè)序工作的第一步。制作DNA物理圖譜的方法有多種，這里選擇一種常用的簡(jiǎn)便方法——標(biāo)記片段的部分酶解法，來說明圖譜制作原理。
用部分酶解法測(cè)定DNA物理圖譜包括二個(gè)基本步驟：
(1)完全降解：選擇合適的限制性內(nèi)切酶將待測(cè)DNA鏈(已經(jīng)標(biāo)記放射性同位素)完全降解，降解產(chǎn)物經(jīng)凝膠電泳分離后進(jìn)行自顯影，獲得的圖譜即為組成該DNA鏈的酶切片段的數(shù)目和大小。
(2)部分降解：以末端標(biāo)記使待測(cè)DNA的一條鏈帶上示蹤同位素，然后用上述相同酶部分降解該DNA鏈，即通過控制反應(yīng)條件使DNA鏈上該酶的切口隨機(jī)斷裂，而避免所有切口斷裂的完全降解發(fā)生。部分酶解產(chǎn)物同樣進(jìn)行電泳分離及自顯影。比較上述二步的自顯影圖譜，根據(jù)片段大小及彼此間的差異即可排出酶切片段在DNA鏈上的位置。下面是測(cè)定某組蛋白基因DNA物理圖譜的詳細(xì)說明。
完整的物理圖譜應(yīng)包括人類基因組的不同載體DNA克隆片段重疊群圖，大片段限制性內(nèi)切酶切點(diǎn)圖，DNA片段或一特異DNA序列（STS）的路標(biāo)圖，以及基因組中廣泛存在的特征型序列（如CpG序列、Alu序列，isochore）等的標(biāo)記圖，人類基因組的細(xì)胞遺傳學(xué)圖（即染色體的區(qū)、帶、亞帶，或以染色體長(zhǎng)度的百分率定標(biāo)記），最終在分子水平上與序列圖的統(tǒng)一。
基本原理是把龐大的無從下手的DNA先“敲碎”，再拼接。以Mb、kb、bp作為圖距，以DNA探針的STS（sequence tags site）序列為路標(biāo)。1998 年完成了具有52,000個(gè)序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS)，并覆蓋人類基因組大部分區(qū)域的連續(xù)克隆系的物理圖譜。構(gòu)建物理圖的一個(gè)主要內(nèi)容是把含有STS對(duì)應(yīng)序列的DNA的克隆片段連接成相互重疊的“片段重疊群（contig）”。用“酵母人工染色體(YAC)作為載體的載有人DNA片段的文庫已包含了構(gòu)建總體覆蓋率為100%、具有高度代表性的片段重疊群”，近幾年來又發(fā)展了可靠性更高的BAC、PAC庫或cosmid庫等。
3、序列圖譜
隨著遺傳圖譜和物理圖譜的完成，測(cè)序就成為重中之重的工作。DNA序列分析技術(shù)是一個(gè)包括制備DNA片段化及堿基分析、DNA信息翻譯的多階段的過程。通過測(cè)序得到基因組的序列圖譜。
大規(guī)模測(cè)序基本策略

逐個(gè)克隆法：對(duì)連續(xù)克隆系中排定的BAC克隆逐個(gè)進(jìn)行亞克隆測(cè)序并進(jìn)行組裝（公共領(lǐng)域測(cè)序計(jì)劃）。
全基因組鳥槍法：在一定作圖信息基礎(chǔ)上，繞過大片段連續(xù)克隆系的構(gòu)建而直接將基因組分解成小片段隨機(jī)測(cè)序，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行組裝（美國(guó)Celera公司）。
4、基因圖譜
基因圖譜是在識(shí)別基因組所包含的蛋白質(zhì)編碼序列的基礎(chǔ)上繪制的結(jié)合有關(guān)基因序列、位置及表達(dá)模式等信息的圖譜。在人類基因組中鑒別出占具2%~5%長(zhǎng)度的全部基因的位置、結(jié)構(gòu)與功能，最主要的方法是通過基因的表達(dá)產(chǎn)物mRNA反追到染色體的位置。
其原理是：所有生物性狀和疾病都是由結(jié)構(gòu)或功能蛋白質(zhì)決定的，而已知的所有蛋白質(zhì)都是由mRNA編碼的，這樣可以把mRNA通過反轉(zhuǎn)錄酶合成cDNA或稱作EST的部分的cDNA片段，也可根據(jù)mRNA的信息人工合成cDNA或cDNA片段，然后，再用這種穩(wěn)定的cDNA或EST作為“探針”進(jìn)行分子雜交，鑒別出與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的基因。用PolyA互補(bǔ)的寡聚T或克隆載體的相關(guān)序列作為引物對(duì)mRNA雙端尾側(cè)的幾百個(gè)bp進(jìn)行測(cè)序得到EST（表達(dá)序列標(biāo)簽）。2000年6月，EMBL中EST數(shù)量已有4,229,786。
基因圖譜的意義：在于它能有效地反應(yīng)在正常或受控條件中表達(dá)的全基因的時(shí)空?qǐng)D。通過這張圖可以了解某一基因在不同時(shí)間不同組織、不同水平的表達(dá)；也可以了解一種組織中不同時(shí)間、不同基因中不同水平的表達(dá)，還可以了解某一特定時(shí)間、不同組織中的不同基因不同水平的表達(dá)。
人類基因組是一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目：表征人類基因組，選擇的模式生物的DNA測(cè)序和作圖，發(fā)展基因組研究的新技術(shù)，完善人類基因組研究涉及的倫理、法律和社會(huì)問題，培訓(xùn)能利用HGP發(fā)展起來的這些技術(shù)和資源進(jìn)行生物學(xué)研究的科學(xué)家，促進(jìn)人類健康。

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