生命科学进展论文

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1、新疆农业大学新疆农业大学 专业文献综述专业文献综述题 目:21 世纪是生命科学的世纪姓 名:麦麦提艾力.热合曼学 院:农学院专 业:生物技术班 级:生物技术 061学 号:063135128指导教师:葛杰 职称: 讲师 2011 年 11 月 20 日新疆农业大学教务处制121 世纪是生命科学的世纪作者：麦麦提艾力 指导老师：葛杰摘 要：以近 20 年( 1989-2008)诺贝尔生理学或医学奖以及化学奖中与生命科学有 关的奖项资料1,2为依据论述了 21 世纪生命科学在自然科学中的领头地位。同时,对 21 世纪生命科学的几个重要研究领域进行了评述, 其中包括人类基因组计划、 基因组学与 发育

2、生物学的关系、 基因组学与生物进化及生命起源的关系、 生物信息学的作用和地 位, 以及现代生物技术的开发应用对 21 世纪人类生活的影响。关键词：生命科学; 生物技术; 基因组计划; 生物信息学; 基因组学1 世纪之交, 生命科学在自然科学中的地位决定了 21 世纪是生命科学的世纪20 世纪是自然科学发展史上最辉煌的时代。进入 20 世纪以来, 科学技术的发展无 论在深度还是广度上,都远远超过了过去几千年的总和。其间,相对论、 量子理论的提出 及其产生的影响,使得人们不得不承认 20 世纪是物理学的世纪。然而,在 20 世纪 50 年 代初所建立的 DNA 双螺旋结构模型的指导和引发下,近 5

3、0 年来生命科学在分子水平上取 得了长足发展。特别是在 20 世纪的最后 20 年中, 生命科学的迅猛发展更加令世人瞩目。 正在运行中的人类基因组计划标志着生命科学已进入大科学时代,已成为当前全球关注的 热点; 1997 年宣布的体细胞克隆绵羊多利的克隆成功是 20 世纪自然科学最激动人心的 科研成果之一3;利用基因技术培育的转基因食品已摆上了普通百姓的餐桌; 基因疗法已 开始用于挽救患者的生命, 随着生命科学的发展,在不久的将来, 世界还将会有更多的奇 迹出现。4美国科学信息研究所出版的 Science Watch 每年都要公布一次全世界最热门的研究项 目。1995 年和 1996 年中,除

4、各有一 项外全为生命科学项目, 1997 年所列的 16 个项目 则全部为生命科学所囊括。作为反映当今世界科学进展的权威刊物, 美国的 Science 周刊每年都要评出本年度世 界十大科学进展,同时对下年度的科学发展作出预测。在 1997、1998 和 1999 年的评选 结果中, 共有一半以上的成果被生命科学领域占据。其中, 干细胞研究更是雄居 1999 年 度榜首。作为反映科学研究水平的权威统计, SCI ( Science Citation Index , 科学引文索引)共 收录全世界 4623 种科技刊物,其中,影响因子最高的前 50 种刊物就有 43 种(占 86%)为 生命科学刊物

5、。在 20 世纪的前半叶,由于物理学和化学向生命科学领域的渗透,极大地推动了生命科 学的发展,使生命科学由器官、组织、细胞水平发展到分子水平,而 20 世纪后半叶, 分子 生物学的飞速发展又反过来为物理学、化学、计算机科学和众多的应用科学提供了用武 之地,一个以生命科学为核心, 多学科协同攻关的自然科学新时代已经来临 5。因此, 许 多世界著名的科学家纷纷发表评论, 公认 21 世纪是生命科学的世纪、人类已经走进生命 科学世纪。221 世纪生命科学的几个重要研究领域2. 1 人类基因组计划是 21 世纪生命科学的敲门砖人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)是 20

6、 世纪生命科学中最宏伟的计划, 2其全称是人类基因组作图和测序计划。其总的目的是以美国为主, 通过国际合作, 在 15 年( 1990- 2005 年)内由美国政府投资 30 亿美元, 完成人基因组 23 对染色体上约 10 万个基因的作图(包括遗传图和物理图)和 DNA 全长的测序, 并进一步研究生物学和医学 上有重要意义的基因的结构和功能 6。该计划自 1990 年正式实施以来,通过全球科学家的努力,取得了出乎意料的迅速发展。 1996 年,人类基因组遗传图和物理图已基本完成, 并进入大规模测序阶段。到 1999 年 6 月已完成了人类基因组 5% 的测序, 1999 年底,由美、英、日三

7、国科学家组成的研究小组 测定了人体第 22 对染色体所有碱基对的准确位置。该对染色体是人体 23 对染色体中最 小的一对, 上面共有大约 6000 万个碱基对, 存在与神经纤维肉瘤等遗传性疾病有关的基 因。破译出它的遗传密码,将有助于找到一些遗传性疾病的治疗方法。这一激动人心的研 究进展一经公布, 立即引起生物学界的欢呼雀跃, 被中国科学家评为 1999 年度世界十 大科技进展之首。另据 2000 年 2 月 20 日 5 科学时报报道, 1999 年 9 月, 中国科学院遗 传研究所人类基因组中心获准参与 HGP,负责测定人类基因组全部序列的 1%, 具体是第 3 号染色体上约 30 万个碱

8、基对的序列。这使我国成为参与这一计划的唯一发展中国家。至 今, 测序任务已经完成过半,已将 1400 万个碱基对的数据递交给国际基因数据库。据报 道,由于国际学术界的共同努力, 2001 年公布了人类基因组图谱及初步分析结果7。在对人类基因组进行大规模测序的同时, 新基因,特别是有关重大疾病基因和重要功 能基因的分离、鉴定的工作也在紧锣密鼓地开展起来。一些重要功能基因和重大疾病基 因(如神经性耳聋基因、糖尿病基因、肿瘤基因、衰老相关基因等)已被克隆。随着人类 基因组作图和测序计划的完成, 更为艰巨的任务是阐明基因组功能。这首先需要了解细 胞的全部基因表达谱和蛋白质谱及其调控机制。分子生物学研究

9、的重点也将从基因组转 到蛋白质组。在方法学上也需要很大的突破, 创造出高效、快速、能同时检测成千上万 的基因活动的方法。在这种形势下, 已经有人提出生物学已进入后基因组时代或功能基 因组时代。如果把人类基因组的核苷酸序列全部打印出来,就将达百万页之多7,将相当于几百卷 百科全书的厚度,如果进一步将其中最重要的编码人体的蛋白质(约十万种)的所有基因全 部都鉴定出来, 再进一步分析、测定所有蛋白质的结构和功能,这将需要几代人甚至十几 代人的不断奋斗,这将是人类历史上无与伦比的伟大壮举。这一宏伟工程的完成, 将揭示 有关人体生长、发育、衰老、患病和死亡的秘密,最终将对人类社会产生不可估量的影响。此外

10、, 值得一提的是, 我国参加 HGP 国际合作的时间虽晚, 承担的任务不大, 但在 科学界的倡议下,国家自然科学基金委员会先后在 1993 年和 1998 年组织了中华民族基因 组中若干位点基因结构的研究等两项国家自然科学基金重大项目。国家 863 计划以及国 家重点基础研究发展规划也从不同的角度对中国的 HGP 进行了资助,已经制订了根据中国 人群资源优势的特点,突出基因组多样性和疾病基因识别, 并围绕这两方面目标引进和发 展人类基因组研究新技术的基本战略,成立了以上海医科大学附属瑞金医院陈竺教授为首 的国家人类基因组南方研究中心,建立了全国性的遗传资源收集、 保存网络,引进和建立 了包括遗

11、传和物理作图, 较大批量 DNA 测序、基因定位、克隆、突变检测和生物信息学 等在内的较完整的基因组研究体系。在人类基因组多样性方面, 大规模地采集了我国多 民族人群的 DNA 样品, 对包括台湾高山族在内的中国南、北方 30 个不同民族、人群的源 流关系进行了系统分析,并与国际上的 15 个参考人群进行了比较,得出了中华民族可分为 南、北两大人群,史前人群迁徙由南向北推进,以及东亚人群基因库可能源于非洲的观点。 另一方面, 在疾病基因研究方面,夏家辉教授领导的湖南医科大学遗传学国家重点实验室3克隆了遗传性高频耳聋的致病基因。在肿瘤相关基因的研究中,中国学者在白血病和某些 实体肿瘤相关基因的结

12、构、功能研究方面也取得了一批成果; 近年来在多基因病的定位 方面也取得了初步成功8,9。2. 2 基因组学研究将开创发育生物学的新时代基因组可看作是生物遗传信息的总词典, 控制发育的总程序和生物进化历史的总档案。 生物的生长发育过程是基因组中不同基因时、空表达的结果, 掌握了基因组及其活动规 律就等于掌握了生物发育过程,就等于控制了生命,也就有可能创造人工生命。因为在我 们掌握了组成人类细胞的所有核酸和蛋白质分子的结构与功能之后, 我们将能够建立一 个计算机细胞模型,它包含了人类细胞的所有成分, 可以精确地模拟人类细胞的活动。我 们将可以用这样的模型很方便地研究细胞中各成分的相互作用,以及外来

13、刺激(比如药物) 对细胞活动所产生的影响。到那时候,体外的实验结果和体内的实验结果将不会有什么不 同。与此同时, 其他重要的实验生物(比如果蝇和小鼠)的细胞模型也将被建立起来。通 过不同物种的细胞模型的比较研究,我们将能够发现生命活动所必备的最少的成分及其功 能。最终,我们将能够把这些成分混合起来,人工合成出有生命的最简单的细胞,从而创造 出第一个人工生命。2. 3 基因组学研究将从根本上揭开生物进化和生命起源的奥秘生物学发展到今天,人们对生物进化的许多细节仍然一无所知。对生物进化的机制, 大部分都是通过间接证据推导而得, 缺乏直接的实验证据。在 21 世纪,这种情形将会发 生根本改变。因为,

14、 20 世纪生命科学最重要的成就之一就在于揭示了生命现象的多样性 和生命基本原理的一致性之间的辩证统一关系10, 即一方面,生命现象在数以百万计的不 同种属中的表现形式是多种多样、千姿百态的, 即使是孪生兄弟也不完全相同, 但是, 另一方面, 生命世界中最本质的东西在不同生物体中却是高度一致的。通过分子水平的 研究人们发现无论是构成生命(包括从最低级、 最简单的单细胞生物至最高等、 最复杂 的人)的基本组成(蛋白质、核酸、糖等) ,还是遗传信息的物质基础(DNA、RNA)、含义 (遗传密码)和流向(中心法则)以及能量转换的机理等等基本上都是相同的,从而使生物的 多样性与生命本质的一致性在分子水

15、平上获得了统一。我们发现所有的动、 植物从受精 卵到成体的发育过程,在分子水平上具有一致性, 特别是它们的身体发育蓝图,都受到相 似的基因的控制。在对生物发育过程的基因调控有了较为深入的了解之后,我们将能够通 过改变这些基因,在实验室再现生物的进化过程。比如, 我们可以通过改变鱼卵中的某些 基因结构或其调控方式, 让它最终发育成蛙。生命起源是生命科学的最基本的问题之一, 也是最大的科学难题之一。生物学界已 普遍相信, 生命是通过化学进化而来的,即从小分子进化出生物大分子,由生物大分子进 化出原始细胞。对化学进化的各个步骤, 已经有了不同程度的实验验证11。但是对有关 的细节仍然存在着激烈的争论

16、, 有着各式各样的假说。在 21 世纪, 我们有望解决这些 困难,描绘出一幅能被学术界普遍接受的生命起源的的图景。甚至, 我们有望从最小的分 子开始, 通过模拟原始地球的条件, 人工合成出一个原始生命。2. 4 生物信息学是 21 世纪生命科学飞速发展的发动机生物信息学( Biological informatics)是以基因组 DNA 序列信息分析作为源头, 破译隐 藏在 DNA 序列中的遗传语言, 特别是非编码区的实质;同时在发现了新基因信息之后进 行蛋白质空间结构模拟和预测,然后依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计的一门年 轻学科 12,13。4生物信息学的发展不仅有助于认识遗传语言,读懂基因组全部 DNA 序列, 认识人类 自身, 而且必将有助于揭示信息结构和复杂性的深刻内涵,以及遗传、发育和进化的联系,大 大丰富和发展现有的物理学、生物学、化学、数学、计算机科学、信息科学和系统科学 的理论和方法,从而推动学科群的发展,成为自然科学中多学科交叉的、最有活力的、最 有