基因组学

caltcasc

基因组学的目标旨在阐明各种生物基因组DNA中碱基对的序列信息，破译相关的遗传信息。在基因组学研究方面，我们已经建立了一批较高水平的研究基地，培养和凝集了一支优秀队伍，在人类基因组、水稻基因组等方面取得了重大的成就。 一、发展回顾 基因是生物体遗传信息的关键载体，决定着生物体的遗传特征和主要个体差异。自摩尔根提出这一概念后，一直有所争论。但在1949年发现基因序列中单个碱基的突变即可导致地中海贫血病后，科学界的观点趋于一致。在20世纪下半叶，随着有关研究手段的改进，对人类基因及其与疾病的关系的研究成为生命科学中最重要的领域之一。1985年，美国科学家率先提出了人类基因组计划，其主要目标是：阐明人类基因组30亿个碱基对的序列；发现所有人类基因并认识其在染色体上的位置；破译人类全部遗传信息。 1990年10月，国际人类基因组计划在美国启动，美、英、日、德、法、中国相继参加了这一宏伟计划。2001年6月26日完成人类基因组工作框架图。 人类基因组计划还带动了模式生物和其它重要生物体基因组学研究，多个物种全基因组测序先后完成。在模式生物领域，最先完成的是啤酒酵母基因组全序列测定，初步确定了5885个编码蛋白质的基因，140个rRNA基因、275个tRNA基因，第一次揭示一种真核生物的全部基因的数目和大体上的功能分类。此后又完成了第一种多细胞生物---线虫的全基因组测序，发现了19000个以上基因，并发现存在多种重复序列和大量高度保守的基因，40%以上预测的基因产物可以在其他生物体中找到相匹配的蛋白质，为人类等生物的基因功能分析乃至生物学研究提供了一个十分理想的技术平台。 目前，国际上已经完成了人类、多种细菌等微生物、多种昆虫、多种啮齿类动物以及水稻、拟南芥和酵母等50多种生物的全基因组序列测定工作。玉米、密蜂、狗、牛、鸡、猩猩等动植物的基因组序列，已经成为科学家下一步破译的目标。 基因组学今后的研究目标主要有4个方面：一是完成人类基因组全序图即“完成工作图”；二是完成不同种族的SNP(单核苷酸多态性)图。三是DNA序列的信息学涵义和基因识别；四是解决HGP所获资料的公用和成果的利益共享问题。从科学、伦理、法律和社会经济发展等不同角度合理解决这些问题已成为各国政府和科学家密切关注的紧迫任务。 二、主要进展 在被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划中，我国作出了不可磨灭的贡献。1999年9月，中国加入人类基因组计划，成为这一生命科学里程碑工作中唯一的发展中国家。2000年4月底，中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了人类基因组全部序列的百分之一，即三号染色体短臂上的三千万个碱基对的工作框架图。 在基因多态性研究方面，我国还实施了《中华民族基因组若干位点基因结构的研究》重大项目，通过 4年研究，总体上达到了预期目标，并有所突破，获得了一批可喜成果。已经建立了30余个少数民族和汉族的永生细胞株。在完成1%人类基因组测序的过程中，同时鉴定了“北京区域”的近8000个SNP位点，在进一步的“炎黄一号”项目中，又用全基因组对比法筛查了13000多个SNP位点并提交dbSNP库。通过中国人基因组单核苷酸多态性（SNP）单倍型图谱构建及其开发应用项目，对人类21号染色体上的127个已知基因进行了大规模SNP筛查研究工作，获得了较系统的中国人SNP类型和频率。结合有关中国人第三号染色体SNP的工作结果，初步总结出中国人的SNP单倍型特征，初步建成了代表中国人群的SNP数据库并在进一步绘制中国人群的基因组单体型图。 随着人类基因组研究的进展，一批国家级基因组研究基地相继建成，如国家人类基因组南方研究中心、国家人类基因组北方研究中心和中国科学院基因组信息学中心暨华大基因中心，上海国家基因研究中心以及卫生部致病微生物基因组研究中心等。有力地加速了研究工作的进展，在短时间内取得了明显成效，引起了国内外科学界和企业界的关注，1998年 《Nature》杂志以“基因组研究在中国起飞”为题作了新闻报道，2000年《Science》杂志也撰文报道了中国加入人类基因组计划的情况，对参加这一工作的中国学者给予了高度评价。 由于微生物具有结构简单，基因组小，多数为无性繁殖，可人工培养等特点，作为分子生物学及相关基础生物学研究的材料，是一种良好的模式生物。20世纪中，共有57名诺贝尔奖金获得者进行的研究与微生物相关。有关研究不仅开辟了对其致病机理研究、新型疫苗和药物研究的新领域，也将为微生物及其产物的利用开辟新天地，并将为揭示一系列诸如生命起源、生物发育和进化等生命活动的重大问题提供极大的帮助。 我国的微生物基因组研究水平成就显著，先后有多种微生物的全基因组序列测定工作已经完成，约占国际上已报道完成的全基因组测序项目的10%。其中包括：预防医学科学院病毒研究所完成的的痘苗病毒天坛株我国维生素 C生产关键菌株 K V菌基因组全序列测定、国家海洋局第三海洋研究所等合作完成的我国对虾白斑杆状病毒基因组全序列测定、卫生部基因组中心的福氏2 A志贺氏痢疾杆菌全序列测定、国家人类基因组南方研究中心等的钩端螺旋体和表皮葡萄球菌全序列测定、中国科学院遗传研究所完成的腾冲嗜热菌基因组全序列测定、国家人类基因组南方中心开展的黄单胞菌基因全序列测定。 \"对虾白斑杆状病毒\"是世界上迄今为止第一个被测得基因组遗传密码的海洋生物DNA病毒，也是迄今为止已知的最大动物病毒，其基因组大小为305108个碱基对，是一个环状双链DNA病毒。该病毒的遗传密码和已知的陆栖病毒遗传密码极不相同，在DNA水平上未检出与目前已知序列的几种A型杆状病毒基因组同源，在蛋白质水平上与多种真核生物有部分同源，提示可能是一种新的病毒。这标志着中国的基因组研究由人体、动物、农作物，已向海洋生物全方位延伸和发展。 表皮葡萄球菌是重要的革兰氏阳性条件致病菌，目前它已上升为医院感染的前四位，感染后果日趋严重，入侵血循环系统会导致败血症等疾病。科研人员对表皮葡萄球菌的基因组测序已获得一批可推进功能基因的克隆成果，将为临床制定防治表皮葡萄球菌感染的新策略奠定坚实的基础。钩端螺旋体病则是“大灾之后有大疫”的主要传染病之一，是全球性自然疫源性疾病，我国受此病危害最为严重。由于基础研究中传统手段的限制，目前人们对其致病和免疫机制了解十分粗浅，因此尚无简便的诊断手段和高效安全的疫苗。钩端螺旋体基因组测序的完成，对寻找诊断这一疾病的新技术和治疗药物具有重要应用价值。植物黑腐病黄单胞菌是全球性最重要的植物病原细菌之一，能侵染大白菜、小白菜、甘蓝、芥菜、萝卜、油菜等所有十字花科植物，有关这一单胞菌全基因序列的工作是国际上完成的第四个植物病原菌的全基因组序列测定。它为深入研究植物病原菌的致病分子机理，开辟安全高效的植物病害防治途径打下了坚实基础。在真菌基因组研究中，分离了红色毛癣菌的四条染色体，初步构建了基因组鸟枪法随机文库，拿到了近万个克隆，有可能在近期内完成全部工作。 水稻是我国的主要粮食作物，对于下世纪满足人口增长对粮食需求有重大意义。中国科学院基因信息中心暨北京华大基因组中心于2001年10月完成了水稻（籼稻93-11）的基因组工作框架图。 水稻基因组测序和功能基因组研究及其相关技术平台的工作是我国植物生物学研究的重要成果，奠定了系统分离有应用前景的水稻重要功能基因的基础，为提升我国水稻基因组研究的水平做出了重大贡献。