人类基因组计划和后基因组时代
生物信息学与基因组学
HGP的意义
诞生了新学科、新领域
生物信息学 比较基因组学(comparative genomics) 以跨物种、跨群体的DNA序列比较为基础，利用模式 生物与人类基因组之间便码顺序和组成、结构上的同 源性，研究物种起源、进化、基因功能演化、差异表 达和定位、克隆人类疾病基因
人类基因组研究方向
基因组学（genomics）作为一门专门学科。它涵盖以下 几个方面： 结构基因组学，主要研究核酸或蛋白质的结构、定位、 功能及其相互作用；与蛋白质组学内容密切相关。 功能基因组学，主要研究基因的表达、调控、功能及 基因间的相互作用； 比较基因组学, 包括对不同进化阶段生物基因组的比 较研究，也包括不同人种、族群和群体基因组的比较研 究。 药物基因组学、疾病基因组学等分支学科也不断发展 起来。
2. 概念：从整体上研究一个物种的所有基因结构和功能的新科 学。
人类基因组计划（HGP）
人类基因组计划的主要目标是测定人类基因组全序列。人 类基因组DNA由四种核苷酸（A、T、C、G）按一定的顺 序排列而成，基因组所含核苷酸总数为30亿对。
４月末 我国科学家按照国际人类基因组计划的部署， 完成 了１％人类基因组的工作框架图。 ５月 国际人类基因组计划完成时间再度提前，预计 从原定 的２００３年６月提前至２００１年６月。 ５月８日 由德国和日本等国科学家组成的国际科研 小组宣 布，他们已经基本完成了人体第２１对染色体的测 序工作。 ６月２６日 各国科学家公布了人类基因组工作草图。 ２００1年 2月15日 公布了人类基因组全序列及其分析结果， 宣告人类有30,000 - 40,000条编码蛋白质的基因, 仅占人类基因 组序列的1％～5％，成人各种组织中又只有约10％的基因表达 为蛋白质。。
生物工程技术的历史演变
生物工程技术的历史演变生物工程技术的历史可以追溯到古代，人类利用自然界的生物资源进行实践探索，例如农业的发展与动植物的驯化。
然而，现代生物工程技术的突飞猛进与跨越式发展主要发生在近几十年。
1. 前现代时期的生物工程技术在前现代时期，尽管人们没有对生物工程技术有明确的认知，但是人类已经开始利用遗传性状进行育种。
世界各地的农民通过选择繁殖最有利的动植物，来改良他们的品种。
例如，古埃及人通过驯化和培育来改进小麦品种。
然而，由于对基因和遗传原理的认识有限，这些实践是基于经验和观察进行的。
2. 生物技术的现代起步（20世纪初）20世纪初，生物学的发现以及对基因的进一步了解推动了生物工程技术的现代起步。
在这一时期，科学家开始深入研究并提取细胞的基本单位，包括DNA和蛋白质。
例如，1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克提出了DNA的双螺旋结构。
这项突破性的研究为后来的生物工程技术奠定了基础。
3. 基因工程的崛起（1970年代）20世纪70年代，基因工程的崛起标志着生物工程技术迈向了一个新的阶段。
科学家们开始构建基因库并进行基因重组，通过将来自不同物种的基因组合在一起，创建具有新功能的重组DNA。
1973年，斯坦利·科恩和赫伯特·J·鲍尔纳提出了基因重组技术，这使得人们能够将外源基因插入到宿主生物的基因组中。
随着基因工程的发展，许多重要的突破达到了：- 1975年，科学家开始使用限制性内切酶，这是一种能够切割DNA 的酶，用于DNA分子的识别和处理。
- 1977年，弗雷德里克·桑格提出了DNA测序技术，这项技术能够确定DNA中的碱基序列。
- 1983年，考纳·伯图拉和杨恩·伍德曼首次提出了聚合酶链式反应(PCR)技术，该技术能够在短时间内扩增DNA片段。
这些重要的技术突破为基因工程的研究提供了强有力的工具，同时也对医学、农业和环境等领域带来了深远的影响。
人类基因组计划与后基因组时代
人类基因组计划与后基因组时代3骆建新1 郑崛村133 马用信2 张思仲2(1第三军医大学成都军医学院生物化学与分子生物学教研室 成都 6100832四川大学华西医学中心附属第一医院医学遗传室 成都 610041)摘要 2003年4月14日生命科学诞生了一个新的重要里程碑,人类基因组计划完成,后基因组时代正式来临。
着重介绍了人类基因组计划的提出、目标与任务、实施与进展等方面的基本情况,讨论了后基因组时代的时间界定,分析展望了后基因组时代与人类基因组计划密切相关的生物信息学、功能基因组学、蛋白质组学、药物基因组学等几个重要研究领域。
关键词 人类基因组计划 后基因组时代收稿日期:20032102293四川省杰出青年基金资助项目(03Z Q0262056)33通讯作者,电子信箱:juecunz @ 2003年4月14日,美国人类基因组研究项目首席科学家C ollins F 博士在华盛顿隆重宣布:人类基因组序列图绘制成功,人类基因组计划(human genome project ,HG P )的所有目标全部实现。
这标志“人类基因组计划”胜利完成和“后基因组时代”(post genome era ,PGE )正式来临,在举世庆祝“DNA 双螺旋结构”提出50周年之际,生命科学诞生了一个新的里程碑。
HG P 被誉为可与“曼哈顿原子弹计划”、“阿波罗登月计划”相媲美的伟大系统工程,是人类第一次系统、全面地解读和研究人类遗传物质DNA 的全球性合作计划。
人类基因组序列图的成功绘制是科学史上最伟大的成就之一,奠定了人类认识自我的重要基石,推动了生命与医学科学的革命性进展。
在后基因组时代,生命科学关注的范围越来越大,涉及的问题越来越复杂,采用的技术越来越高,取得的成就将越来越多,生命科学及其相关科学将大有作为。
1 人类基因组计划111 HGP 的提出HG P 的提出有两个重要背景。
其一,美国(1945年)在日本广岛和长崎投掷的两颗原子弹导致大量幸存者遭受大剂量核辐射,造成受害者DNA 结构严重破坏,基因大量突变。
生物信息学重点
⽣物信息学重点⼀、名解1.⽣物信息学：（狭义）专指应⽤信息技术储存和分析基因组测序所产⽣的分⼦序列及其相关数据的学科；（⼴义）指⽣命科学与数学、计算机科学和信息科学等交汇融合所形成的⼀门交叉学科。
2.⼈类基因组测序计划：3基因组学：以基因组分析为⼿段，研究基因组的结构组成、时序表达模式和功能，并提供有关⽣物物种及其细胞功能的进化信息。
p1504基因组：是指⼀个⽣物体、细胞器或病毒的整套基因。
p1505.⽐较基因组学：是指基因组学与⽣物信息学的⼀个重要分⽀。
通过模式⽣物基因组之间或模式⽣物基因组与⼈类基因组之间的⽐较与鉴别，可以为研究⽣物进化和分离⼈类遗传病的候选基因以及预测新的基因功能提供依据。
p1666功能基因组：表达⼀定功能的全部基因所组成的DNA序列，包括编码基因和调控基因。
功能基因组学：利⽤结构基因组学研究所得的各种来源的信息，建⽴与发展各种技术和实验模型来测定基因及基因组⾮编码序列的⽣物学功能。
7蛋⽩质组：是指⼀个基因组中各个基因编码产⽣的蛋⽩质的总体，即⼀个基因组的全部蛋⽩产物及其表达情况。
p1798蛋⽩质组学：指应⽤各种技术⼿段来研究蛋⽩质组的⼀门新兴科学，其⽬的是从整体的⾓度分析细胞内动态变化的蛋⽩质组成成分、表达⽔平与修饰状态，了解蛋⽩质之间的相互作⽤与联系，揭⽰蛋⽩质功能与细胞⽣命活动规律。
9功能蛋⽩质组学：（功能蛋⽩质组，即细胞在⼀定阶段或与某⼀⽣理现象相关的所有蛋⽩）。
10序列对位排列：通过插⼊间隔的⽅法使不同长度的序列对齐，达到长度⼀致。
11 基因组作图：是确定界标或基因在构成基因组的每条染⾊体上的位置，以及同条染⾊体上各个界标或基因之间的相对距离。
p15512 后基因组时代：其标志是⼤规模基因组分析、蛋⽩质组分析以及各种数据的⽐较和整合。
p3⼆填空题1⽣物信息学的发展⼤致经历了3个阶段，分别为前基因组时代、基因组时代、后基因组时代。
p22后基因组时代的标志性⼯作是（基因组分析）（蛋⽩质组分析）以及（各种数据的⽐较和整合）p33前基因组时代的标志性⼯作是⽣物数据库的建⽴、检索⼯具的开发以及DNA和蛋⽩质的序列分析p2 4基因组时代的标志性⼯作是（基因寻找和识别）（⽹络数据库系统的建⽴）以及（交互界⾯的开发）p2 5 ⼈类基因组计划的⽬标是完成四张图，分别是（遗传图谱）（物理图谱）（序列图谱）和（基因图谱）5 HGP由六个国家完成，我国完成了HGP的（1%，即３号染⾊体上3000万个碱基）的测序⼯作。
医学方面的重大成就
医学方面的重大成就医学领域是人类社会进步的重要标志之一，随着科学技术的不断发展，医学领域也取得了众多重大成就，为人类的健康事业做出了巨大贡献。
本文将介绍几个医学方面的重大成就。
一、人类基因组计划（Human Genome Project）人类基因组计划是20世纪末至21世纪初进行的一项重大科学研究项目，旨在解读人类基因组的完整序列。
该计划于2003年成功完成，不仅为人类基因的研究提供了基础，也为生物医学研究、疾病治疗和个体化医学的发展奠定了基础。
人类基因组计划的成功标志着医学进入了“基因时代”，为疾病的预防和治疗提供了新的思路和手段。
二、基因编辑技术（CRISPR-Cas9）基因编辑技术是近年来医学领域取得的重大突破之一。
CRISPR-Cas9是一种高效的基因编辑工具，可以精确地对基因组进行修饰和改变。
通过CRISPR-Cas9技术，科学家们可以针对某些基因缺陷和突变进行修复，为遗传性疾病的治疗提供了新的可能。
此外，基因编辑技术还可以应用于疾病模型的构建和药物研发，为医学研究提供了强大工具。
三、干细胞研究与应用干细胞是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，具有重建和修复组织的能力。
干细胞研究在医学领域具有重要意义。
通过干细胞的培养和诱导分化，科学家们可以获得各种细胞类型，包括心脏细胞、神经细胞等，为组织再生和器官移植提供了新的途径。
此外，干细胞还可以用于疾病的模型构建和药物筛选，为疾病的治疗和药物研发提供了新的手段。
四、精准医学（Precision Medicine）精准医学是一种基于个体基因组信息和环境因素的个体化医疗模式。
通过对患者基因组的测序和分析，可以针对个体的基因变异和疾病风险进行评估，从而制定个体化的治疗方案。
精准医学的出现，使得医疗更加精确、个性化，大大提高了治疗效果和患者的生活质量。
精准医学的发展还促进了药物的个体化设计和疫苗的定制化，为医学的进一步发展提供了新的思路和方法。
五、远程医疗（Telemedicine）随着互联网和通信技术的快速发展，远程医疗成为一种新的医疗模式。
第三章_人类基因组计划
20世纪，人类科学历程中的三大研究计划将 永垂史册：
40年代的曼哈顿原子弹计划 60年代的阿波罗登月计划 90的人类基因组计划（生命科学登月计
划）
基因、基因组的概念
基因：是遗传的基本物质和功能单位，DNA序列
中的一段脱氧核苷酸序列，是DNA分子中最小 的 功能单位。或者说，基因是决定一个生物物种的 所有生命现象的最基本的因子。
人类基因组是全人类的共同财富和遗产。人类 基因组序列图不仅奠定了人类认识自我的基石，推 动了生命与医学科学的革命性进展，而且为全人类 的健康带来了福音，使我们向着更加幸福的未来迈 出了意义非凡的一步。 我们向参与“人类基因组计划”的所有工作人 员致以热烈的祝贺！他们的创新与奉献，在科学技 术发展史上书写了光辉的一页；他们的杰出成就， 将永远成为人类历史上的一个里程碑！ 我们积极倡议，全世界来共同庆祝“人类基因 组计划”所取得的科学成就。
HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生
命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存 在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰 老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。 列分析，遗传图、物理图、序列图是最优先考虑的 目标，必须保质保量完成的是DNA序列图。
HGP的主要任务是人类基因组的基因图的构建和序
日本
在美国的推动下于1990年开始的 。
日本对DNA序列图的贡献7％。 但与日本的其它领域的领先地位相比，日本的人类
基因组仍划”成立于1990年年底，诺贝
尔奖金获得者道赛特以自己的奖金建立了“人类多 态性研究中心”。法国民众至少捐助了5000万美元。 “人类多态性研究中心”与相关机构为基因组研究， 主要特点是注重整体基因组、cDNA和自动化。尤 其是第一代物理图与遗传图的构建作出了不可磨灭 的贡献。
后基因组研究名词解释
后基因组研究名词解释后基因组研究名词解释一、引言在今天的科技快速发展和创新变革的时代背景下，生命科学的研究也在不断取得突破性进展。
随着人类基因组计划的完成，人们已经进入了一个全新的时代——后基因组时代。
后基因组研究作为一项综合性的研究领域，对于揭示生物系统的复杂组织和功能起着重要的作用。
二、定义和背景后基因组（post-genomic）这个术语最早是由生物学家Ronald Davis在1998年提出来的，他用这个词来描述基因组学领域在人类基因组计划完成之后扩展的范围。
后基因组研究是一种整合多领域知识的研究方式，它借助于基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学以及系统生物学等技术和方法，从宏观和微观两个层面对生物体的整个生命周期进行综合性研究。
三、主要内容1. 后基因组研究的主要特点后基因组时代的到来，使得生命科学研究呈现出多学科、大数据、高通量和系统化的特点。
后基因组研究通常涉及到基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表观遗传学等多个学科的交叉融合，从而实现对生物体的多个层面和多个维度的全面研究。
大数据的应用使得科学家们能够更加全面、准确地解读和挖掘生物信息，高通量技术的出现也使实验条件得到了极大改善，使得后基因组研究的精度和效率得以提高。
2. 后基因组研究的应用领域后基因组研究在生命科学领域的应用非常广泛。
在医学领域中，后基因组研究可以通过基因组信息、转录组信息和蛋白质组信息的综合分析，帮助科学家们深入理解疾病的发病机制、确定治疗方法和制定个性化医疗方案。
在农业领域，后基因组研究可以用于改良农作物的品质和增强植物的抗逆性等。
后基因组研究还可以应用于生物能源的开发利用、环境保护、食品安全等多个领域。
3. 后基因组研究的挑战和前景虽然后基因组研究取得了重要进展，但其中仍然存在一些挑战。
由于生物体是一个复杂的、高度动态的系统，其调控机制和网络仍存许多未知之数，这给后基因组研究带来了困难。
后基因组研究需要大规模的数据分析和处理，这对于计算能力和技术手段提出了更高的要求。
人类自然科学三大计划之基因组
肿瘤、心血管疾病等主要死因已成为驱除不掉的幽灵；
艾滋病，疯牛病等新的传染病使人们对未知灾难又有了新的 恐惧。
以上问题很难解决（公认）
人类染色体图示
DNA的双螺旋结构的形成
5´ 3´ 5 ´ 3´
磷酸 核糖
T-A碱基对
碱基
C-G碱基对 3´ 5´
5´
3 ´
DNA 真核生物染色体DNA （2nm）
组装不同层次的结构
核小体链（ 11nm，每个核小体200bp）
纤丝（ 30nm，每圈6个核小体）
突环（ 150nm，每个突环大约75000bp）
玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）
螺旋圈（ 700nm，每圈30个玫瑰花）
染色体（ 1400nm，
每个染色体含10个玫瑰花200bp）
遗传信息的基本单位—基因（gene）
最早提出HGP这一设想的美国生物学家、诺贝尔 奖得主Dulbecco在1986年3月7日出版的《Science》杂 志上发表了一篇题为“肿瘤研究的一个转折点： 人类基因组的全序列分析”的短文。 他提出包括癌症在内的人类疾病的发生都与基因 直接或间接有关，呼吁科学家们联合起来，从整体上 研究人类的基因组，分析人类基因组的全部序列。
9 人类基因组编码的全套蛋白质（蛋白质组）比无脊椎 动物编码的蛋白质组更复杂
HG P意 义
1 HGP对人类疾病基因研究的贡献 （最重要）
寻 找 遗 传 疾 病 基 因 的 常 规 流 程
2
HGP对生物技术的贡献 ： （1）基因工程药物 （2）诊断和研究试剂产业 （3）对细胞 胚胎工程的推动
3 HGP对制药工业的贡献
2002
完成和发表小鼠基因组初稿 完成和发表水稻基因组初稿 完成大鼠பைடு நூலகம்因组初稿
生物信息学
生物信息学邱萌琳11216108一、定义与简介生物信息学(Bioinformatics)是研究生物信息的采集、处理、存储、传播，分析和解释等各方面的学科，也是随着生命科学和计算机科学的迅猛发展，生命科学和计算机科学相结合形成的一门新学科。
它通过综合利用生物学，计算机科学和信息技术而揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘。
二、经历阶段前基因组时代（20世纪90年代前）这一阶段主要是各种序列比较算法的建立、生物数据库的建立、检索工具的开发以及DNA和蛋白质序列分析等。
基因组时代（20世纪90年代后至2001年）这一阶段主要是大规模的基因组测序，基因识别和发现，网络数据库系统地建立和交互界面工具的开发等。
后基因组时代（2001至今）随着人类基因组测序工作的完成，各种模式生物基因组测序的完成，生物科学的发展已经进入了后基因组时代，基因组学研究的重心由基因组的结构向基因的功能转移。
这种转移的一个重要标志是产生了功能基因组学，而基因组学的前期工作相应地被称为结构基因组学。
三、生物信息学发展简介生物信息学是建立在分子生物学的基础上的，因此，要了解生物信息学，就必须先对分子生物学的发展有一个简单的了解。
研究生物细胞的生物大分子的结构与功能很早就已经开始，1866年孟德尔从实验上提出了假设：遗传因子是以生物成分存在，1871年Miescher 从死的白细胞核中分离出脱氧核糖核酸（DNA），在Avery和McCarty于1944年证明了DNA是生命器官的遗传物质以前，人们仍然认为染色体蛋白质携带基因，而DNA是一个次要的角色。
1944年Chargaff发现了著名的Chargaff规律，即DNA中鸟嘌呤的量与胞嘧定的量总是相等，腺嘌呤与胸腺嘧啶的量相等。
与此同时，Wilkins与Franklin用X射线衍射技术测定了DNA纤维的结构。
1953年James Watson 和FrancisCrick在Nature杂志上推测出DNA的三维结构（双螺旋）。
生物信息学
13
（二）基因组时代的生物信息学
以基因组计划的实施为标志的基因组时代（1990年至2001年） 是生物信息学成为一个较完整的新兴学科并得到高速发 展的时期。这一时期生物信息学确立了自身的研究领域 和学科特征，成为生命科学的热点学科和重要前沿领域 之一。 这一阶段的主要成就包括大分子序列以及表达序列标签 （expressed sequence tag，EST）数据库的高速发展、 BLAST（basic local alignment search tool）和FASTA （fast alignment）等工具软件的研制和相应新算法的提 出、基因的寻找与识别、电子克隆（in silico cloning）技 术等，大大提高了管理和利用海量数据的能力。
16 U. Wash (Hood LAB) 14,15
人类基因组计划准备用15年时 间投入30亿美元，完成人全部 24(22+X+Y)条染色体中3.2×109个 碱基对的序列测定，主要任务包 括做图（遗传图谱＼物理图谱以 及转录图谱的绘制）、测序和基 因识别，其根本任务是解读和破 译生物体的生老病死以及与疾病 相关的遗传信息。
Non-coding DNA 约60% 约40% 分散重复序列
假基因
基因片段
内含子
串联重复序列/ 成簇重复序列
估计10万→最初公布3.5万→目前研究确定2.45万
24
结构基因组学时期
生物信息学的研究
25
主要的数据库资源
核酸序列数据库主要有GenBank, EMBL, DDBJ等. 蛋白质序列数据库主要有SWISS-PROT, PIR, TrEMBL等，
21
我国对人类基因组计划的贡献
No Center Region 1,6,9,10,13,20,22,X (Clones from Wash U) 2,3,4,7,11,15,18,Y 5,16,19 1,2,3,X 21,18,11q 8,21,X Most of 14 3p 10 17,21,X 21, reg of 9 8 2,6,8,22,21 Total 900 250 230 160 50 85 30 50 6.9 6 23 30 2671 2671Mb 11 27 4663Kr 2950Kr 75 Size(Mb) 850 6/1-8/31/99 Actual K 1300 837 865 687 462 136 180 100 12.5 5 40 12 Projected Kr Proj Accum. Genbank Kr 4/1-11/30/99 Mr. 4/99-3/00 941 296 559 461 261 195 32 118 12.5 4200 2900 2300 2100 660 520 180 300 >100 150 40 50 137 110 40 13687Kr >12 8 7.9 6.4 3.1 2.1 1.5 1.4 0.5 0.45 0.3 0.3 0.29 0.23 0.17 32.64Mr 1 Sanger Centre 2 WIBR 3 Wash U 4 JGI 5 Baylor 6 Riken 7 IMB 8 Genoscope 9 U. Wash (Olson) 10 Beijing 11 GTC (Smith) 12 MPIMG 13 GBF 14 Stanford (Davis) 15 Keio
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人类基因组计划和后基因组时代
人类基因组计划测序工作已经顺利完成，它被人们称为继曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划之后的第三大科学计划，它对人类认识自身，提高健康水平，推动生命科学、医学、生物技术、制药业、农业等的发展，具有极其重要的意义。
随着人类基因组大规模测序工作接近尾声，生命科学进入了后基因组时代，亦称功能基因组学时代。
它以提示基因组的功能及调控机制为目标，其核心科学问题主要包括：基因组的多样性，基因组的表达调控与蛋白质产物的功能，以及模式生物基因组研究等。
它的研究将为人们深入理解人类基因组遗传语言的逻辑构架，基因结构与功能的关系，个体发育、生长、衰老和死亡机理，神经活动和脑功能表现机理，细胞增殖、分化和凋亡机理，信息传递和作用机理，疾病发生、发展的基因及基因后机理以及各种生命科学问题提供共同的科学基础。
功能基因组研究成果不仅具有巨大的科学意义，而且有着十分广泛的应用前景。
在医疗卫生方面，其研究成果可用于医药的发现和开发；致病基因或疾病易感基因的鉴定和克隆，全新原理的诊断、治疗和预防方法的设计；医生将能够根据患者的个人遗传构成，进行更加个人化的药物疗法；科学家们在人体器官和组织“重造”以及修复方面
将取得巨大进步；以基因组成果为基础的基因组工业，将带动一批高新技术产业向新的领域开拓。
在农业、畜牧业方面，可以用新的方式对动植物疾病进行诊断和处治，改善家禽、家畜和农作物的品质，提高产量。
在纺织业、废物控制和环境治理整顿等领域，也都将发挥重要作用。