| 人类基因组计划及其意义(苏教版高一必修) |
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以破解人类遗传和生老病死之谜，解决人类健康问题为目的的人类基因组计划，对人类自身的生存和发展具有重要的意义。该计划和“曼哈顿”原子弹计划，“阿波罗”登月计划一起被誉为自然科学史上的“三大计划”，这是人类继洞开微观世界和宏观世界之后，首次对自身进行的诠释。2001年2月15日、16日，《自然》与《科学》杂志相继发表了由人类基因组计划六国科学家和美国塞莱拉公司的研究人员用不同方法得到的人类基因组DNA的测序结果，公布了基因的数目、分布特点等人类基因的面貌，这标志着人类在基因组研究方面迈进了一大步。本文就人类基因组计划及其研究进展和意义作简要介绍。 1 人类基因组计划 人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)旨在通过测定人类基因组DNA约3×109对核苷酸的序列，探寻所有人类基因并确定它们在染色体上的位置，明确所有基因的结构和功能，解读人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面认识自我。 人类基因组DNA序列分布于22条常染色体和2条性染色体上，目前人们已掌握其信息储存与表达规律的基因，只占其中的一小部分。对人类基因组的研究，并不是为了单纯地积累数据，而是为了揭示大量数据中所蕴藏的内在规律，从而更好地认识和保护生命体。由于载有基因的染色体不能直接用来测序，人类基因组计划的战略构想是将人类的整个基因组一步步由粗到细地进行有序的划分，最后得到可用于测序的重叠度最小的连续克隆系，将基因组分解成为较易操作的小的结构区域的过程称为作图，根据所用标志和手段不同，可分为遗传连锁图、物理图和转录图(也称基因图)。分解得到的大片段DNA一般采用下列步骤进行测序：(1)将待测大片段DNA的克隆体随机切成小片段(约1500bp)；(2)将小片段克隆入测序载体；(3)对每kb的DNA进行10个～30个亚克隆的高覆盖率测序；(4)将相互重叠的读出序列组装成连续的多序列的重叠线；(5)从质量最高的读出序列中取得最后的确认序列。 人类基因组计划把“作图”定为测序的前提，目的是保证人类整个基因组的完整性，然而作图速度会限制基因组DNA的测序速度。为此，美国科学家文特尔博士提出对人类基因组同时进行测序的大胆设想，即将人类基因组DNA用机械的方法随机打断后装入适当的载体，然后对插入的DNA片段两端各500bp进行测序，并进一步作图，这与前述战略构想正好相反。文特尔把这种战略称为“全基因组随机测序”或“全基因组鸟枪战略”，这一方法的成功使用大大加快了DNA测序及相关研究的进程。要想在短时间内完成如此大规模的DNA测序工作，DNA凝胶电泳自动测序仪已不能胜任。文特尔博士和著名的PE公司合作开发的毛细管电泳测序仪成了实施这一计划的主要工具，它的效率比目前最先进的凝胶电泳测序仪还要高得多。方法和仪器的改进，使人类基因组计划的完成比预期时间一再提前。 2 人类基因组计划的研究进展 人类基因组计划最早在1985年由诺贝尔奖获得者，美国的杜尔贝克提出。1986年3月7日，杜尔贝克在《科学》杂志上发表了一篇题为“癌症研究的转折点——测定人类基因组序列”的文章，指出癌症和其它疾病的发生都与基因有关，并提出测定人类整个基因组序列的途径和重要意义。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(Human Genome Organization)，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。1990年10月，国际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(当时预计为8万～10万个)进行绘图和排序。全球性人类基因组计划有美国、英国、日本、法国、德国和中国六个国家负责，其中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月获准加入人类基因组计划并承担了1%的测序任务。 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。1999年12月1日，国际人类基因组计划联合小组宣布，已经完整破译出人体第22对染色体的遗传密码，通过对该染色体上3.35×10７个碱基对的测序，发现了679个基因，这些基因与人的先天性心脏病、免疫功能低下、精神分裂症、智力低下以及许多恶性肿瘤(如白血病等)有关。通过对第22号染色体上基因统计分析，科学家开始对原来估计的10万个基因的数目产生了怀疑。2000年5月8日，德国和日本的科学家宣布已基本绘制出人类最小的染色体——第21号染色体的基因图谱，发现白血病、唐氏综合症(先天性痴呆)、肌肉萎缩性侧索硬化症、阿尔茨海默氏症(早老性痴呆)、躁狂性抑郁症以及部分癌症都与第21号染色体有关，并确定第21号染色体所含基因数为225个。2000年6月26日，美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯和塞莱拉公司的董事长兼首席科学家克莱格·文特尔联合宣布人类基因组工作草图绘制成功。工作草图(即工作框架图)中的序列信息每天都得到更新，24小时上网公布，供全球公众直接免费享用，这表明人类基因组的研究结果是全人类的共同财富，不再为少数人或公司所垄断。 自宣布成功绘制人类基因组草图和公布人类基因组测序草图至今，对人类基因的研究又取得了一系列重大的发现： 2.1 人类基因总数在3万个到3.5万个之间，低于原来估计数目的一半。这说明人类在使用基因上比其它物种更为高效。 2.2 基因组中存在着基因密度较高的“热点”区域和大片不携带人类基因的“荒漠”区域。研究结果表明：基因密度在第17、19和22号染色体上最高，在X、Y、第4号和第18号染色体上密度较小。 2.3 大约1/3以上基因组包含重复序列，这些重复序列的作用有待进一步研究。 2.4 所有人都具有99.99%的相同基因，而且不同人种的人比同一人种的人在基因上更为相似，任何两个不同个体之间大约每1000个核苷酸序列中会有一个不同，这称为单核苷酸多态性(SNP)，每个人都有自己的一套SNP，它对“个性”起着决定的作用。 3 人类基因组计划的意义 人类基因组计划对生命科学的研究和生物产业的发展具有非常重要的意义，它为人类社会带来的巨大影响是不可估量的。 首先，获得人类全部基因序列将有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症等疾病的致病机理，为分子诊断、基因治疗等新方法提供理论依据。在不远的将来，根据每个人DNA序列的差异，可了解不同个体对疾病的抵抗力，依照每个人的“基因特点”对症下药，这便是21世纪的医学——个体化医学。更重要的是，通过基因治疗，不但可预防当事人日后发生疾病，还可预防其后代发生同样的疾病。 第二，破译生命密码的人类基因组计划有助于人们对基因的表达调控有更深入的了解。人体内真正发挥作用的是蛋白质，人类功能基因组学便是应用基因组学的知识和工具去了解影响发育和整个生物体特定序列的表达谱。有人将HGP比作生命周期表，因为它不再是从研究个别基因着手，而是力求在细胞水平解决基因组问题，同时研究所有基因及其表达产物，以建立对生命现象的整体认识。目前，研究者已着手通过DNA芯片等新技术对基因的表达展开全面研究，也通过蛋白质芯片的制作，标准化双向蛋白质凝胶电泳、色谱、质谱等分析手段对人类可能存在的几十万种蛋白质或多肽的特征和功能进行研究。科学家预言，蛋白质组的研究将导致药物开发方面实质性的突破，以使人类真正攻克癌症等顽疾。最后，人类基因组图谱对揭示人类发展、进化的历史具有重要意义。对进化的研究，不再建立在假说的基础上，利用比较基因组学，通过研究古代DNA，可揭示生命进化的奥秘以及古今生物的联系，帮助人们更好地认识人类在自然界中的地位。 参考文献 1 陈竺，李伟，俞曼等．人类基因组计划的机遇和挑战．生命的化学，1998，18(5)：5～13 2 吴家督．人类基因组学的新战略：全基因组随机测序．生命的化学，1998，18(5)：18～20 3 张田勘．基因组背后的故事．南方周末．2001年2月22日，第14版 4 陈志刚．解读天书，企业管理出版社，2000年10月 |
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