现代生物技术第八章

第八章人类基因组计划一、什么是基因和基因组1、基因：DNA分子上具有特定遗传效应的一段特定的核苷酸序列。

遗传效应：有蛋白质产物或RNA产物或对其它基因起调节效应的功能。

2、基因组：是一个单倍体染色体组中所包含的全部遗传物质。

有核基因组和线拉体基因组之分。

二、人类基因组结构人类基因组结构庞大、复杂：基因组DNA总长度为3×109bp，3-4万个基因分布在24条染色体上，非编码区远远多于编码区，占90%以上，结构基因占3%，以单拷贝形式存在。

1、结构基因（1）概念为蛋白质编码的基因叫结构基因。

DNA序列大多数是不连续的，编码序列之中往往还插入有非编码序列。

（2）结构内含子：DNA上基因中非编码的序列叫内含子。

外显子：DNA上基因中编码序列的片段叫外显子。

一个结构基因常常是由多个内含子和多个外显子相间排列组成的。

图4-2，n个内含子嵌合排列在n+1外显子之间，故有内外之分。

（3）功能内含子的长度比外显子的大好几倍，一起转录成RNA以后，必须经过剪接加工过程，将内含子部分切除，使外显子连接起来，才能形成成熟的mRNA，成为翻译蛋白质的模板。

内含子，含而不显的片段对基因的表达有重要的调控作用。

图4-3。

2、多基因家族和基因簇（1）多基因家族真核生物的基因组中有许多来源相同、结构相似、功能相关的基因，这样的一组基因称为多基因家族。

例如：血红蛋白基因家族。

a、有的集中在一条染色体上共同发挥作用，合成某些蛋白质，如组蛋白基因家族中的5种组蛋白基因集中在7号染色体的长臂上的。

b、有的多基因家族成员是分散存在于几条染色体上，如人的rRNA基因家族成员分别位于13、14、15、21、22，5条染色体的短臂的核仁组织区中。

每个区中包含几十个rRNA基因单位，大量转录18S rRNA、28S rRNA、5.8S rRNA。

假基因：是基因组中因突变而失活的基因，它和同一家族中的活跃基因在结构上和DNA序列上有相似性，但是没有蛋白质产物。

（在多基因家族中，有少数成员不产生有功能的蛋白质，这样的基因叫—。

假基因与正常基因从序列上看是同源的，但是在进化过程中发生突变丧失了功能活性。

）（2）基因簇或超基因基因簇是指同一基因家族中，一些结构和功能更为相似的基因彼此靠近成串地排列在一起，形成一个基因簇。

如人类类α珠蛋白基因族、类β珠蛋白基因族。

超基因是指在人类基因组中，有中等重复序列构成的大的基因群，包含有几百个功能相关的基因，紧密成簇状排列，称为超基因。

如人类组织相容性抗原复合体HLA，及免疫球蛋白的重链和轻链基因。

3、线粒体基因组（1）概述：核基因组、线粒体基因组、叶绿体基因组（2）线粒体基因组很小、但是数量不少，因为一个细胞中有几十到几千个线粒体，所以线粒体基因组总数达到几千份拷贝。

（3）结构线粒体DNA上只有1.7万个碱基对，只能编码2种rRNA , 22种tRNA和13种蛋白质（图4-4）。

（4）特点：严格细胞质遗传，又称为母系遗传，即只有母亲的线粒体基因传递给子女，为什么？先了解受精过程：精子所携带的父亲的线粒体位于精子的颈部，只有精子的头部（精核）进入卵细胞而颈部及以下的尾巴却被折断留在卵细胞的外部，所以受精卵分化发育而成的所有细胞中的线粒体基因组是由母亲的线粒体DNA为模板复制而来。

根据人类线粒体进化的推测，人类共同的老祖母—夏娃是来自非洲古大陆。

（5）功能a、相对独立，能自行合成所需蛋白质；但是其所需要的酶又都是由核基因编码，又受核基因控制，因此被称为半自主性细胞器。

b、是能量供应器，如果线粒体基因组发生突变，导致细胞生理功能的异常，人体发生疾病。

如线粒体脑肌病是病者的线粒体基因组大段缺失，引起脑、神经、肌肉的全身性病变。

20世纪人类科学史上三大计划⏹40年代的曼哈顿（Manhatton）原子弹计划⏹60年代的阿波罗（Apollo）登月计划⏹90年代的人类基因组计划三、人类基因组计划（一）人类基因组计划产生的背景人类基因组计划的产生与“肿瘤计划”的搁浅是分不开的。

美国从70年代起启动了“肿瘤计划”，但是，不惜血本的投入换来的是令人失望的结果。

人们渐渐认识到，包括癌症在内的各种人类疾病都与基因直接或间接相关。

测出基因的碱基序列，则是基因研究的基础。

这时，科学家们面临两种选择：要么“零敲碎打”地从人类基因组中分离和研究出几个肿瘤基因，要么对人类基因组进行全测序。

（二）世界的行动1、1984年在科罗拉多州举行的一个科学会议上，美能源部科学家建议发动全国的科技力量来做人类基因组图谱的分析工作，结果支持者寥寥。

因为以当时的技术水平，每分析一个碱基对需要3-5美元，搞清30亿个碱基对的排序需要150亿美元的巨资。

（二）世界的行动1986年3月7日，Dulbecco. R在《Science》》（Science, 231: 1055－1056）上发表了一篇名为《癌症研究的转折点-----人类基因组全序列分析》的有关开展人类基因组计划的短文，引起了全世界的强烈反响。

不仅推动了美国，也推动了全世界的人类基因组计划的发展；1987年初，美国能源部和国家健康研究院为“人类基因组计划”下拨了启动经费550万美元，全年1.66亿美元。

1988年2月，国家科学研究委员会的专家成立了"国家人类基因组研究中心"，由沃森任第一任主任。

但是，美国国会正式批准的“人类基因组计划”到1990年10月1日才正式启动，其规模在世界上是最大的，计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组的分析。

至此，被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划开始启动。

在Dulbecco短文的影响下，整个欧洲都行动起来了，并且各具特色。

2、1987年，意大利国家的HGP启动，其特色是技术多样（YAC、杂交细胞、cDNA等）、区域集中（X染色体的q24—qter区域）。

3、1989年2月，英国国家的HGP启动；其特色是资源集中、全国协调（资金、技术Sanger 测序）。

4、1990年6月，法国国家的HGP启动，其特色是注重整体基因组、cDNA和自动化，而且法国为世界HGP的研究做出了不可磨灭的功献。

法国不仅建立了多态性中心、全基因组的YAC重叠群和微卫星标记技术，而且法国民众进行了捐资，还有驰名中外的用作基因组研究的经典材料CEPH家系（3代80多个家系）。

5、1990年6月，欧共体通过"欧洲人类基因组计划"。

主要资助23个实验室重点用于“资源中心”的建立和运转。

6、1995年，德国国家的HGP启动，其特色是先后建立了资源中心和基因扫描定为中心，并开始了对21号染色体进行大规模的测序工作。

7、中国的HGP始于1994年，是在吴旻，强伯勤，陈竺，杨焕明等人的倡导下启动的。

最初由国家自然科学基金委员会和“863”高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大基因相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”。

1998年3月由陈竺院士挂帅成立上海中心，10月改名为中国南方基因中心。

同时，决定成立由国家卫生部牵头的若干中国人类遗传资源保护中心。

1999年由强伯勤院士挑头在北京先后成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心。

1999年7月我国在国际人类基因组HGSI注册，9月中国获准加入人类基因组计划，负责测定人类基因组全部序列的1%，也就是3号染色体上的3000万个碱基对。

（三）目的和意义1、目的HGP最终的目的是对生命进行系统地和科学地解码，以此达到了解和认识生命的起源、种间和个体间存在差异的原因、疾病产生的机制以及长寿和衰老等生命现象，为疾病的诊治提供科学依据。

人类基因作图被喻为人体基因组的解剖学。

1990年，全世界人类基因组作图计划实施以来，已经成为整个生命科学研究领域的重中之重，研究成果正带动和促进其他学科的进步和发展。

2、意义：首先，它可以使人类对自身的了解进一步加深，这给整个生命科学甚至整个人类社会所带来的巨大影响都是不可估量的；其次，对于人类基因组的精确了解有助于对人类基因的表达调控等进行更为深人的研究；第三，获得人类的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；同时，也有助于人们了解人的发育过程，从而有利于人类的健康；最后，对于人类基因组的了解将有助于人们了解人类的发展、进化历史。

（四）HGP的任务HGP的基本任务可用4张图谱来概括，即遗传图谱，物理图谱，序列图谱和基因图谱。

（五）HGP 的研究计划的进展1、1998年10月23日美国国家人类基因组研究所在美国《科学》杂志上发表声明说，人类基因组计划的全部因因测序工作将比原计划提前两年，即在2003年完成。

2、1999年3月15日英国韦尔科姆基金会宣布，由于科学家加快工作步伐，人类基因组工作草图将提前至2000年绘出。

3、1999年12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布，他们完整地破译出人体第22对染色体的遗传密码，这是人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定。

4、2000年3月14日美国总统克林顿和英国首相布莱尔发表联合声明，呼呈将人类基因组研究成果公开，以便世界各国的科学家都能自由地使用这些成果。

5、2000年4月6日美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码。

但不少欧美科学家对此表示质疑认为该公司的研究“没有提供有关基因序列的长度和完整性的可靠参数”，因而是“有漏洞的”。

6、2000年4月底中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。

7、2000年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，他们已基本完成了人体第21 对染色体的测序工作。

8、2000年6月26科学家公布人类基因组工作草图。

9、2001年2月，人类基因组精细图谱绘制完成,并进行了初步解读。

10、至2001年，包括小鼠、果蝇、线虫、拟南芥、酵母、大肠杆菌、枯草杆菌等在内的模式生物基因组测序完成，发现并克隆到许多基因。

（六）HGP 的结果1、全部人类基因组约有2.91Gbp，约有39000多个基因；平均的基因大小有27kb；其中G+C含量偏低，仅占38%，而2号染色体中G+C的含量最多；到目前仍有9%的碱基对序列未被确定；美国和英国科学家2006年5月18日在英国《自然》杂志网络版上发表了人类最后一个染色体——1号染色体的基因测序。

在人体全部22对常染色体中，1号染色体包含基因数量最多，达3141个，是平均水平的两倍，共有超过2.23亿个碱基对，破译难度也最大。

一个由150名英国和美国科学家组成的团队历时10年，才完成了1号染色体的测序工作。