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1、基因组学研究进展前言这一世纪从人类认识物质的基本组成原子结构开始。原子弹爆炸与人类登月是这一世纪最辉煌成就的一部分，而最后以最简单无机硅制造的马铃薯芯片(Chip)使人类进入了信息时代！ 20 世纪还孕育了另一个世纪：这是从我们重新发现生命的最基本信息基因开始。50 年代的遗传物质结构模型的提出与 70 年代遗传工程技术的成立使之趋于成熟，而 90 年代开始的国际人类基因组计划把人类带进了另一个世纪。现在我想以人类基因组计划的发展来谈一谈人类在自然界中的位置，再谈自然与“人为”的问题。 从前，当我们讨论“科学是双刃剑”时，我们关心的仅仅是人类的敌人可能也会挥起这柄剑，如希特勒、如山本五十六。现
2、在，我们的问题一下子复杂起来了。我们的法律一下子在克隆人类等新问题前变得无所适从，或无能为力。我们把它们归咎于道义或伦理问题。实际上，就是自然与人为的问题。人类基因组计划在科学上的目的，是测定组成人类基因组的 30 亿个核苷酸的序列。从而奠定阐明人类所有基因的结构与功能，解读人类的遗传信息，揭开人类奥秘的基础。由于生命物质的一致性与生物进化的连续性，这就意味着揭开生命最终奥秘的关键，也就是人类基因组计划的所有理论、策略与技术，是在研究人类这一最为高级、最为复杂的生物系统中形成的。规模化就是随着人类基因组计划的启动而诞生，随着人类基因组计划的进展成功而发展的“基因组学” 。生物学家第一次从整个基
3、因组的规模去认识、去研究，而不是大家分头一个一个去发现，基因研究将是基因组学区别于基因组(genetics)与所有涉及基因的学科的主要地方。基因组规模也改变了经典的实验室规模，改变了原有的实验方式，这也许是“国际人类基因组计划”只有 6 个正式成员国与 16 个中心的原因之一。生物的序列化即生命科学以序列为基础。这是新时代的生命科学区别于以前的生物学的最主要的特点。随着人类基因组序列图的最终完成，SNP(单核苷酸多态性，即序列差异)的发现以及比较基因组学古代 DNA、 “食物基因组计划” 、 “病原与环境基因组计划”(主要是致命致病学)以及与之有关的人类易感性有关序列的推进，有科学、经济、医学
4、意义的主要物种的基因组序列图都将问世。我们从序列中得到的信息，已经比到现在为止的所有生物研究积累的信息还要多。生物学第一次成为以数据(具体的序列数据)为根据与导向，而不是再以假说与概念为导向的科学。即使进化这一生命最实质的特征以及进化的研究，都把因多种模式及其他生物的基因组序列为基础。古代 DNA 的研究，也不再是因时间与过去了的环境而惟一不能在实验室重复的进化研究，从而揭示生命进化的奥秘与古今生物的联系。这就帮助人们更好地认识人类在生物世界中的关系。正文1 现有生物基因组测序进展情况从理论和技术上而言，生物基因组测序已经近乎成了一种例行公事的工作，尽管相对于繁杂的生物界来说还只是刚刚起步。1
5、.1 微生物基因组测序幽门螺杆菌是人类胃部粘膜感染的重要细菌，如不经治疗可终生持续在人体中，并引起胃炎、溃疡病甚至胃癌。曾认为不同菌株间的基因组差异可能决定感染的菌株或致病或对人体有利。通过对 J99 株(cagA+、vacA+，自一名十二指肠溃疡患者 1994 年分离的菌株)和 26695 株(在 1987 年前自英国一名胃炎患者中分离，并曾经过多次传代培养)进行全基因组比较，预测 J99 有 1495 个ORF，占全基因组结构的 91%，其中 89 个 ORF 在 26695 株中并不存在。在J99 中，比 26695 少 95 个基因。与其他细菌不同，幽门螺杆菌的 rRNA 位点并不相邻
6、，提示可能是由一种复杂机制所调控。发现在本菌种中有与枯草杆菌相同的 gat ABC 基因。还发现菌株特异的 DNA 修饰/限制基因，故基因组比其他基因的 G+C 含量为低，反映这些基因可能是通过“横向“途径获得的，即从其他菌种或幽门螺杆菌的其他菌株获得。美国和加拿大学者对沙眼衣原体 MoPn 株与肺炎衣原体 AR39株的全基因组进行了比较。MoPn 株与前已测序的沙眼衣原体 serovar D 株的基因排列基因相同。对两株沙眼衣原体株的比较集中于近基因组终止区的 50 个 Kb“可塑性“(plasticity)区。肺炎衣原体 AR39 基因组与已测序的 CNLO29 株有 99.9%的同源，但
7、其尿激酶基因的方向性相反。AR39 还含有一个新的 4524 核苷酸长的环状单链 DNA 嗜菌体，是第一次在肺炎衣原体中报道的有病毒感染。从霍乱弧菌 EL Tor N16961 株完成的基因组测序发现，该菌有 2 个环状染色体，分别为 2, 961 ,146bp 和 1，092，314bp；共编码 3,885 个 ORF。在大的染色体上编码绝大多数已知起主要作用的基因，如 DNA、转录、转释和合成细胞壁的基因与致病性的基因，如复制编码毒素、表面抗原和粘附素等。小的染色体则含有很多基因，小染色体上还带有在质粒中发现的宿主嗜好(host addiction)基因和基因捕获系统(gene captu
8、re system)，整合岛。因此推测小的染色体起源于该菌祖先从外界捕获的一个巨大质粒。由于霍乱弧菌的基因组提供了在环境中自由存在的微生物如何转为对人有强致病性细菌的研究起点，分析这一细菌基因组将对细菌如何对环境因素应答而进化，演变在过程提供重要材料。铜绿假单胞菌(绿脓杆菌)是主要在外界环境中存在的三种最主要引起机会感染的条件致病菌之一。PA01 菌株全基因测序后，已知为 6.3Mb。这是已测及的最大的致病菌基因组之一，对了解细菌内在的耐药性和多变性有很高的价值。在本菌中具有最高比例的调节基因，反映本菌的进化适应性，从而可在多种环境下均能生存，并具有对抗多种抗微生物质的能力。比较微生物基因显示
9、本菌与大肠杆菌最为接近，故本菌得以适应不同外界环境，本菌有近 300 个胞浆膜穿越系统，其中 2/3 与输入营养物质有关。本菌抗药的主要机制为外膜的低通透性和有很强的主动排出抗生素能力。用 BLAST 分析，本菌含有一定数量的未被报道的排出抗生素系统，主要是 RND 和 MFS 家族。1.2 人类基因组的测序在世界各国科学家的努力下，人类基因组测序工作顺利开展，并取得了巨大的进展。与此同时，许多私营公司由于觊觎人类基因组计划将在医药行业带来的巨大应用前景，纷纷投入巨资开展自己的测序计划。1998 年，由 PE 公司和 TIGR 合作成立的 Celera 公司宣布将在 3 年时间内完成人类基因组
10、全序列的测定工作，建立用于商业开发的数据库，并对一大批重要的人类基因注册专利。面对私营领域的挑战，公共领域的测序计划也加快了步伐，计划提前一年，于2000 年春天获得工作草图，并提前两年，在 2003 年实现最终完成序列。至2000 年 6 月 25 日，美、英、日、法、德和中国的 16 个测序中心或协作组获得了占人类基因组 21.1的完成序列及覆盖人类基因组 65.7的工作草图，两者相加达到 86.8，完成了预定目标。同时，对整条染色体的精细测序也获得突破性进展。1999 年 12 月，英、日、美、加拿大和瑞典科学家共同完成了人类22 号染色体的常染色体部分共 33.4 Mb 的测序 48。
11、该序列由 12 个连续序列群（Contig）组成，其中的缝隙均小于 150 kb。这些序列共包括 545 个基因和 134个假基因。2000 年 4 月，由日、美、德科学家为主的 21 号染色体的全序列测定工作也已经完成。在未来两年内，将出现针对其它各条染色体最终完成序列的工作热潮。人类基因组各条染色体 DNA 精细序列的测定，将提供给人们染色体上所有基因（包括未知功能基因）的完整结构，各基因的调控序列，所编码的蛋白序列，基因组中的重复序列以及其它的重要生物学信息。在此基础上，可以进一步研究基因组序列的变异，与疾病相关或其他具有重要生物学意义的基因。人类所有染色体的最终完成序列的测定将成为真正
12、的科学里程碑。在公共领域测序速度明显加快的同时，Celera 公司于 2000 年 4 月 6 日宣布完成了一个人的基因组序列的 99的测序工作，并开始序列组装工作。该公司还宣布即将开展 SNP 的测定工作，其最终基因组数据库中将包合不同种族的 6 个个体的数据。通过协调，公共领域与 Celera 公司在 2000 年 6 月 26 日共同宣布完成了人类基因组序列工作框架图的测定。13 玉米全基因组测序这一成果有望用于培育更高产的玉米品种。美国研究人员 11 月 19 日宣布，他们已经完成了玉米的全基因组测序工作，这一成果有望用于培育更高产的玉米品种。来自美国圣路易斯华盛顿大学、亚利桑那大学等
13、机构的 150 名研究人员历时 4 年多完成了这一项目。他们以代号为 B73 的玉米品种为研究对象进行测序。结果显示，玉米共有 10 对染色体，约 3.2 万个基因，23 亿个碱基，是目前已测序的植物中基因数量最多的品种。测序还发现，玉米基因组中 85%的碱基序列是重复的，在玉米的 27 个自交系中出现了数百万个基因变异。项目负责人、圣路易斯华盛顿大学基因组测序中心主任理查德威尔逊说，完成玉米全基因组测序将使培育更高产、耐热、耐旱的玉米新品种变得更加容易。相关数据公布在互联网上后，种子企业和玉米基因专家可以利用这些数据寻找其中意的基因。这项研究成果将刊登在 20 日出版的新一期美国科学杂志上。
14、玉米全基因组测序项目始于 2005 年，美国国家科学基金会、农业部、能源部为这个项目提供了 2950 万美元的经费。玉米是世界主要农作物之一，在很多国家被广为种植。美国是世界上玉米产量最大的国家，每年约出产 2 亿吨玉米，占世界总产量的 40%以上。2 测序技术研究进展2.1 测序技术发展历程DNA 上承载了关于我们的太多信息：发展史、祖先、特征、疾病易感性、甚至性格和命运。因此很多人迫不及待地想将 DNA 看得一清二楚。解码人类基因组的第一次郑重尝试是始于 1990 年的人类基因组计划。尽管合作和艰苦工作无疑扮演了重要角色，但一系列工程上的突破推动了这个项目，以前所未有的速率收集并核对数据。
15、今天，那些方法已经被大大超越。今年距离人类基因组计划启动已整整二十年。这些年，测序技术经历了怎样的突飞猛进，有哪些里程碑事件出现？1975-1977 年 DNA 测序时代来临：Sanger 提出酶法测序，Maxam 和Gilbert 提出化学降解法测序， 。尽管这么多年一直是 Sanger 测序的天下，但是在刚刚问世时，MaxamGilbert 测序更受欢迎。1977 年第一个基因组测序完成，那就是 phi X174 噬菌体的基因组。这项工作是由 Sanger 及其同事完成的。phi X174 噬菌体的基因组为单链环状，共有5836 个碱基。1980 年“鸟枪法测序”诞生，这是 Sanger
16、的又一大革命性发现。他和同事使用这种技术来测序和拼接重叠的读数。从那时起，一些病毒基因组就陆续完成，包括 229 kb 的巨细胞病毒基因组，186 kb 的天花基因组。1981 年 Akiyoshi Wada 与日本日立（Hitachi）公司合作开发出一种高通量的自动测序仪；稍后整合到 ABI 的测序产品中。1986 年第一台商业化的 DNA 测序仪（ABI Prism 370A）由 Applied Biosystems 推出；产量为 1,000 个碱基/天。1990 年人类基因组计划（HGP）启动。此计划由美国科学家于 1985 年率先提出，于 1990 年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达 30 亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005 年，要揭开组成人体 4 万个基因的 30 亿个碱基对的秘密。人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。1995 年 Amersham 推出循环测序 Thermo Sequenase Applied Biosystems 推出第一台毛细管电泳测序
