人类基因组研究资料

序列图谱 - 重中之重
• 随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序 就成为重中之重的工作。DNA序列分析 技术是一个包括制备DNA片段化及碱基 分析、DNA信息翻译的多阶段的过程。 通过测序得到基因组的序列图谱
大规模基因组测序
Megabace 测序仪
3700 测序仪
大规模测序基本策略
逐个克隆法：对连续克 隆系中排定的BAC克隆 逐个进行亚克隆测序并 进行组装（公共领域测 序计划）
•
1989年2月英国开始HGP，特点是：帝国癌症研究基金会与国家医
学研究委员会(ICRP-MRC)共同负责全国协调与资金调控，剑桥附近的
Sanger中心注重首先在线虫基因组上积累经验，改进大规模DNA测序技
术；同时建立了YAC库的筛选与克隆、特异细胞系、DNA探针、基因组
DNA、cDNA文库、比较生物基因组DNA序列、信息分析等的“英国人
系（80个3代多个体家系）方面产生了巨大影响。
• 1995年德意志联邦共和国开始HGP，来势迅猛，先后成立了资源中心和 基因扫描定位中心，并开始对21号染色体的大规模测序工作。
• 1990年6月欧共体通过了“欧洲人类基因组研究计划”，主要资助23个实 验室重点用于“资源中心”的建立和运转。还有丹麦王国、俄罗斯联邦、 日本、大韩民国、澳大利亚等。
2、HGP的主要任务
• 遗传图谱 • 物理图谱 • 序列图谱 • 转录图谱
• 分子遗传图谱，即通过亲本的杂交，分 析后代的基因或其他特异分子标记之间
的重组率，并用重组率来表示两个基因
之间距离的线性连锁图谱。遗传图谱提
供了基因在染色体上的坐标，为基因的
定位克隆提供了较为精确的位置，它的
分子坐标也为物理图谱中重叠群的定位
• 1986年6月，在新墨西哥州讨论了这一计划的可行性。随后美国能源部宣 布实施这一草案。
• 1987年初，美国能源部与国家医学研究院（NIH）为“人类基因组计划” 下拨了启动经费约550万美元，1987年总额近1.66亿美元。同时，美国开 始筹建人类基因组计划实验室。
• 1989年美国成立“国家人类基因组研究中心”。诺贝尔奖金获得者 J.Waston出任第一任主任。
• 单基因病： "定位克隆"和"定位候选克隆"的全新思路，导 致了亨廷顿舞蹈病、遗传性结肠癌和乳腺癌等 一大批单基因遗传病致病基因的发现，为这些 疾病的基因诊断和基因治疗奠定了基础。
• 亨廷顿舞蹈病:该病以运动障碍、痴呆和精神行为异常 为主要临床表现。90%的亨廷顿病患者中，舞蹈样动 作是最常见的运动障碍。舞蹈动作常自肢体远端开始， 病情进展时逐渐发展为全身性并影响随意运动。其病 理改变包括神经元缺失和神经胶质增生，主要见于大 脑皮质和纹状体。
什么是基因组(Genome)
• 基因组就是一个物种中所有基因的整体组成
• 人类基因组有两层意义：
—— 遗传信息 —— 遗传物质
• 从整体水平研究基因的存在、基因的结构与 功能、基因之间的相互关系。
人类染色体
为什么选择人类的基因组进行研究？
• 人类是在“进化”历程上最高级的生物
• 认识自身 • 掌握生老病死规律 • 疾病的诊断和治疗 • 了解生命的起源
提供了可能。遗传作图无论在理论上还 是在实践中都有很重要的意义。
遗传图谱 - 孟德尔的“新生”
• 遗传图谱（genetic map）又称连锁图谱 (linkage map)，它是以具有遗传多态性（在一 个遗传位点上具有一个以上的等位基因，在群 体中的出现频率皆高于1%）的遗传标记为“路 标”，以遗传学距离（在减数分裂事件中两个 位点之间进行交换、重组的百分率，1%的重组 率称为1cM）为图距的基因组图。遗传图谱的 建立为基因识别和完成基因定位创造了条件。
• 健康相关研究是人类基因组计划的重要组 成部分，并于1997年相继提出了： "肿瘤基因组解剖计划" “环境基因组学计划"
HGP对生物技术的影响
– 基因工程药物：分泌蛋白（多肽激素，生长 因子，趋化因子，凝血和抗凝血因子等）及 其受体；
– 诊断和研究试剂产业：基因和抗体试剂盒、 诊断和研究用生物芯片、疾病和筛药模型；
– 对细胞、胚胎、组织工程的推动：胚胎和成 年期干细胞、克隆技术、器官再造。
HGP对制药业的影响
– 筛选新药和药物的靶点，分析药理过程； – 进行药物设计，对基因蛋白产物的高级
结构分析、预测、模拟药物作用“口袋” – 个体化的药物治疗：药物基因组学
基因组学、生物信息学与新药研制
数据处理和 关联分析
——揭开生命的奥秘
人类基因组计划
HGP(Human Genome Projects) 1、HGP简介 2、HGP的主要任务 3、HGP对人类的重要意义 4、HGP进展与未来 5、我国对人类基因组计划的贡献 6、功能基因组学 7、基因组相关的伦理学问题 8、HGP对生物信息学提出挑战
1、HGP简介
• 曼哈顿计划 • 阿波罗计划
科学家的胆略
• 诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco于1986年发表 短文《肿瘤研究的转折点：人类基因组测 序》（Science, 231: 1055－1056）。
• 文中指出：如果我们想更多地了解肿瘤，我们 从现在起必须关注细胞的基因组。…… 从哪个 物种着手努力？如果我们想理解人类肿瘤，那 就应从人类开始。……人类肿瘤研究将因对 DNA 的详细知识而得到巨大推动。”
• 人类基因组计划是由美国科学家于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 价值达30亿美元的人类基因组计划。这一计划 旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组精确 测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上 的位置，破译人类全部遗传信息 。
开我 过爸 同爸 样给 的你 药爸 ！爸
这就是遗传！
所有的疾病，都可以说是基因病
“基因病”概念：
– 基因相关论：所有疾病都与人类基因有关； – 基因修饰论：所有药物都是通过修饰基因本
身结构、改变基因的表达调控、影响基因产 物的功能而起作用的；
• 人类疾病相关的基因是人类基因组中结构和功 能完整性至关重要的信息。
一对紧密 相邻的标志
中心粒
一对相邻 较远的标志
染色体图
细菌人工染色体 （80～300 kb） 酵母人工染色体 （数百～ 2000 kb）
1998 年完成了具有52,000个序列标签位点(STS)，并覆 盖人类基因组大部分区域的连续克隆系的物理图谱。
• DNA物理图谱是顺序测定的基础,也可理 解为指导DNA测序的蓝图。广义地说， DNA测序从物理图谱制作开始，它是测 序工作的第一步。
• 1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动，最初 由国家自然科学基金会和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“重大疾病相关基因的定位、 克隆、结构和功能研究”，1998年在国家科技部的领导和牵线下，1998 年在上海成立了南方基因中心，1999年在北京成立了北方人类基因组中 心，1998年，组建了中科院遗传所。1999年7月在国际人类基因组注册， 得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约 占人类整个基因组的1％。
HGP诞生过程中的质疑
• 计划的必要性问题 • 计划的现实性问题 • 为什么不选择基因组小的或有经济意义的生物 • 认为“制图”是在沙漠里建公路，“测序”是
把“垃圾”分类，选择“模式动物”是拼凑 “诺亚方舟”。
HGP的目的
• 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。
全基因组鸟枪法：在一 定作图信息基础上，绕 过大片段连续克隆系的 构建而直接将基因组分 解成小片段随机测序， 利用超级计算机进行组 装（美国Celera公司）
运用计算机软件进行序列拼接
模式生物体的研究
• 通过对进化不同阶段的生物体基因 组序列的比较，发现基因组结构组 成和功能调节的规律。
利用酵母、线虫、果蝇、大肠杆菌 斑马鱼、小鼠等模式生物体进行基 因的剔除或转基因的研究，从而在 整体水平认识基因的功能。
在人类基因组计划中，包括对五种生物基因组的 研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称 之为人类的五种“模式生物”。
HGP的诞生
• 1984年12月Utah州的Alta,White R受美国能源部的委托，主持召开了一 个小型会议，讨论DNA重组技术的发展及测定人类整个基因组的DNA序 列的意义。
• 1985年6月，在美国加州举行了一次会议，美国能源部提出了“人类基因 组计划”的初步草案。
遗传连锁图：通
过计算连锁的遗
传标志之间的重
组频率，确定它
配子
们的相对距离，
一般用厘摩（cM，
即每次减数分裂
的重组
频率为1%）
表示。
末期 II
晚期 II
中期 II
间期
前期 I
同源染色体 形成配对
中期 I
前期 II
晚期 I 发生交换
• 6000多个遗传标记已经能够把人的基因 组分成6000多个区域，使得连锁分析法 可以找到某一致病的或表现型的基因与 某一标记邻近（紧密连锁）的证据，这 样可把这一基因定位于这一已知区域， 再对基因进行分离和研究。对于疾病而 言，找基因和分析基因是个关键。
物理图谱 - 路标与路轨
• 物理图谱（physical map）是指有关构成 基因组的全部基因的排列和间距的信息， 它是通过对构成基因组的DNA分子进行 测定而绘制的。绘制物理图谱的目的是 把有关基因的遗传信息及其在每条染色 体上的相对位置线性而系统地排列出来。
敲碎基因组，分析研究内容所处的染色体位置
发现药物 作用对象
确定靶目标 分子
针对靶目标 进行合理的 药物设计
未来的药物研究过程将是基于生物信 息知识挖掘的过程
HGP对社会经济的重要影响
– 生物产业与信息产业是一个国家的两 大经济支柱
– 发现新功能基因的社会和经济效益 – 转基因食品 – 转基因药物（如减肥药，增高药）
HGP对生物进化研究的影响
类基因组资源中心”。可谓“资源集中、全国协调”。
•
1990年6月法兰西共和国的HGP启动。科学研究部委托国家医学科
学院制定HGP，主要特点是注重整体基因组、cDNA和自动化。建立了
人类多态性研究中心（CEPH），在全基因组YAC重叠群、微卫Leabharlann Baidu标记
（遗传图）的构建以及驰名世界的用作基因组研究的经典材料CEPH家
• 生物的进化史，都刻写在各基因组的 “天书”上
– 草履虫是人的亲戚——13亿年； – 人是由300～400万年前的一种猴子进化来的； – 人类第一次“走出非洲”——200万年的古
猿； – 人类的“夏娃”来自于非洲，距今20万年—
• 1990年，历经5年辩论之后，美国国会批准美国的“人类基因组计划”于 10月1日正式启动。美国的人类基因组计划总体规划是：拟在15年内至少 投入30亿美元，进行对人类全基因组的分析。
• 1987年，意大利共和国国家研究委员会开始HGP研究，其特点是技术 多样（YAC，杂种细胞，cDNA等）、区域集中（基本上限于Xq24-qter 区域）
酵母 小鼠
大肠杆菌
线虫
果蝇
3、HGP对人类的重要意义
HGP对医学的影响
– 发现新的致病基因 – 发展一些复杂疾病的早期基因诊断方法，如“肿
瘤基因组解剖计划” – 通过基因治疗解决传统方法无法解决的疑难杂症 – 疾病易感基因的识别及对风险人群进行生活方式、
环境因子的干预 – 人类基因组多样性与个体化医学
基因转录图谱 - 生命的乐谱
• 转录图谱是在识别基因组所包含的蛋白 质编码序列的基础上绘制的结合有关基 因序列、位置及表达模式等信息的图谱。
对基因转录表达产物mRNA互补的cDNA（其片段称为表 达序列标签，EST）进行大规模测序是序列标签位点的主 要来源，并以此构建人类基因组转录图（基因图）。
•
临床诊断：本病的临床诊断有赖于病人同时有舞
蹈病，认知功能减退，精神行为异常和亨廷顿基因有
不稳定的CAG重复。当重复次数超过42时，该病可确
诊。
通过定位克隆技术寻找疾病基因的过程
• 多基因疾病： 心血管疾病、肿瘤、糖尿病、神经精
神类疾病（老年性痴呆、精神分裂症）、 自身免疫性疾病，是目前疾病基因研究的 重点。