第十一章基因組與比較基因組學11940年代第一顆原子彈爆炸；1960年代人類首次登上月球；1990年代提出并基本完成的人類基因組計劃（HumanGenomeProject，HGP）DNA雙螺旋結構的發(fā)現者之一、美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）人類基因組研究所第一任所長J.D.Watson1990年在《Science》上撰文指出，與人類登月計劃相比，HGP的資金投入少，但它對人類生活的影響卻可能更深遠。20世紀人類科技發(fā)展史上的三大創(chuàng)舉2隨著這個計劃的完成，DNA分子中儲藏的有關人類生存和繁衍的全部遺傳信息將被破譯，它將不僅幫助我們理解人類如何作為健康人發(fā)揮正常生理功能，還將最終揭開基因在癌癥、早老性癡呆癥、精神分裂癥等嚴重危害人類健康的疾病中的作用。事實上，對人類自身更深入的了解是人類活動最重要的組成部分，因為任何自然科學研究，都沒有比人類盡快找出解決自身所面臨的人口膨脹、糧食短缺、環(huán)境污染、疾病危害、能源資源匱乏、生態(tài)平衡破壞、生物物種消亡等一系列難題更為重要、更為迫切。31860至1870年

奧地利科學家孟德爾根據豌豆雜交實驗提出遺傳因子概念，并總結出孟德爾遺傳定律。1909年

丹麥植物學家和遺傳學家約翰遜首次提出“基因”這一名詞，用以表達孟德爾的遺傳因子概念。1944年

3位美國科學家分離出細菌的DNA（脫氧核糖核酸），并發(fā)現DNA是攜帶生命遺傳物質的分子。1953年

美國人沃森（Watson）和英國人克里克（Crick）通過實驗提出了DNA分子的雙螺旋模型。1969年

科學家成功分離了第一個基因。1990年10月

被譽為生命科學“阿波羅登月計劃”的國際人類基因組計劃啟動。1998年

一批科學家在美國羅克威爾（Rockville）組建塞萊拉遺傳公司，與國際人類基因組計劃展開競爭。1998年12月

一種小線蟲完整基因組序列的測定工作宣告完成，這是科學家第一次繪出多細胞動物的基因組圖譜。1999年9月

中國獲準加入人類基因組計劃，負責測定人類基因組全部序列的1%。中國是繼美、英、日、德、法之后第6個國際人類基因組計劃參與過，也是參與這一計劃的唯一發(fā)展中國家。基因及基因組研究大事記：41999年12月1日

國際人類基因組計劃聯(lián)合研究小組宣告，完整破譯出人體第22對染色體的遺傳密碼，這是人類首次成功地完成人體染色體完整基因序列的測定。

2000年4月6日

美國塞萊拉公司宣布破譯出一名實驗者的完整密碼，但遭到不少科學家的質疑。2000年4月底

中國科學家按照國際人類基因組計劃的部署，完成了1%人類基因組的工作框架圖。2000年5月8日

德、日等國科學家宣布，已基本完成了人體第21對染色體的測序工作。2000年6月26日

科學家公布人類基因組工作草圖，標志著人類在解讀自身“生命之書”的路上邁出了重要一步。2000年12月14日

美英等國科學家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜。這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。2001年2月12日

中、美、日、德、法、英6國科學家和美國塞萊拉公司聯(lián)合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。科學家首次公布人類基因組草圖“基本信息”。5611.1人類基因組計劃7基因控制著細胞中的蛋白質合成，控制著生物的各種遺傳性狀。基因組是生物體內遺傳信息的集合，是某個特定物種細胞內全部DNA分子的總和。人體是一個多細胞體系，每個細胞中都包含46條兩兩配對的染色體，每23條染色體構成一個染色體組。大約有30億對核苷酸，編碼了5-6萬個基因，人類基因組中攜帶了有關人類個體生長發(fā)育、生老病死的全部遺傳信息。從整體上看，不同人類個體的基因是相同的，因此，我們說“人類只有一個基因組”，人生來是平等的。當然，不同的人可能擁有不同的等位基因，這一點決定了人與人之間個體上的差異。各種遺傳病的發(fā)生，都源于基因的突變。突變是基因在分子結構上的改變，這種DNA分子結構的改變會導致基因功能的異常，從而導致遺傳病。例如人類2號染色體長臂某段DNA分子的改變，就會導致并指畸形的產生。至于一些復雜的疾病，如高血壓、冠心病、糖尿病、癌等，則可能涉及多個基因的突變。8人類基因組計劃的科學意義在于：（1）確定人類基因組中約5萬個編碼基因的序列及其在基因組中的物理位置，研究基因的產物及其功能。

（2）了解轉錄和剪接調控元件的結構與位置，從整個基因組結構的宏觀水平上理解基因轉錄與轉錄后調節(jié)。

（3）從整體上了解染色體結構，包括各種重復序列以及非轉錄“框架序列”的大小和組織，了解各種不同序列在形成染色體結構、DNA復制、基因轉錄及表達調控中的影響與作用。

（4）研究空間結構對基因調節(jié)的作用。有些基因的表達調控序列與被調節(jié)基因從直線距離上看，似乎相距甚遠，但若從整個染色體的空間結構上看則恰恰處于最佳的調節(jié)位置，因此，有必要從三維空間的角度來研究真核基因的表達調控規(guī)律。9（5）發(fā)現與DNA復制、重組等有關的序列。DNA的忠實復制保障了遺傳的穩(wěn)定性，正常的重組提供了變異與進化的分子基礎。局部DNA的推遲復制、異常重組等現象則導致疾病或者胚胎不能正常發(fā)育，因此，了解與人類DNA正常復制和重組有關的序列及其變化，將對研究人類基因組的遺傳與進化提供重要的結構上的依據。（6）研究DNA突變、重排和染色體斷裂等，了解疾病的分子機制，包括遺傳性疾病、易感性疾病、放射性疾病甚至感染性疾病引發(fā)的分子病理學改變及其進程，為這些疾病的診斷、預防和治療提供理論依據。

（7）確定人類基因組中轉座子、逆轉座子和病毒殘余序列，研究其周圍序列的性質。了解有關病毒基因組侵染人類基因組后的影響，可能指導人類有效地利用病毒載體進行基因治療。

（8）研究染色體和個體之間的多態(tài)性。這些知識可被廣泛用于基因診斷、個體識別、親子鑒定、組織配型、發(fā)育進化等許多醫(yī)療、司法和人類學的研究。此外，這些遺傳信息還有助于研究人類歷史進程、人類在地球上的分布與遷移以及人類與其他物種之間的比較。10人類基因組研究包括遺傳圖（GeneticMap）繪制、物理圖（PhysicalMap）構建、測序、轉錄圖（ExpressionProfiling）繪制和人類基因組的序列圖及基因鑒定等方面的工作。通過多年來的發(fā)展，基因組學（genomics）作為一門專門學科，已應運而生。它涵蓋以下幾個方面：結構基因組學，著重遺傳圖、物理圖、測序等研究；功能基因組學，包括以轉錄圖為基礎的功能制圖（基因組表達圖）；比較基因組學，包括對不同進化階段生物基因組的比較研究，也包括不同人種、族群和群體基因組的比較研究。此外，工業(yè)基因組學、環(huán)境基因組學、藥物基因組學、疾病基因組學等分支學科也在不斷發(fā)展。11

遺傳圖也稱連鎖圖，是指基因或DNA標志在染色體上的相對位置與遺傳距離，后者通常以基因或DNA片段在染色體交換過程中的分離頻率厘摩（cM）來表示。遺傳圖的繪制是人類基因組研究的第一步，即以染色體上某一點為遺傳標記，以與之相伴遺傳的特征為對象，經連鎖分析，將編碼該特征的基因定位于染色體特定位置。cM值越大，兩者之間距離越遠。通過遺傳圖分析，我們可以大致了解各個基因或DNA片段之間的相對距離與方向，了解哪個基因更靠近著絲粒，哪個更靠近端粒等。遺傳距離是通過遺傳連鎖分析獲得的，研究中所使用的DNA標志越多，越密集，所得到的遺傳連鎖圖的分辨率就越高。經典的遺傳標記是可被電泳或免疫技術檢出的蛋白質標記，如紅細胞ABO血型位點標記，白細胞HLA位點標記等。例如，在ABO血型基因中，位于9號染色體長臂3區(qū)4帶（9q34）的基因IA，決定抗原A的存在，表現A型血性狀。由于ABO血型的廣泛存在，所以可用它作遺傳標記。當在某一家庭中，觀察到了指甲髕骨綜合征與A型血相伴遺傳時，科學家就認為，這種病的致病基因NP與IA基因相連鎖，也位于9q34區(qū)段。進一步的觀察發(fā)現，這個家庭的后代中，有1/10為A型血而無指甲髕骨綜合征，這表明基因IA和NP發(fā)生了交換，交換率（重組率）為1/10。這時就可說，基因IA和NP相距較近，連鎖圖上的距離為10厘摩（重組率1％即為1厘摩）。

11.1.2遺傳圖的繪制12酵母遺傳分析中最常用的生物化學標簽標

簽表

現

型篩

選

方

法ADE2培養(yǎng)基中需加入腺苷酸只能在加入腺苷酸的培養(yǎng)基上生長CAN1對刀豆氨酸有抗性能在含有刀豆氨酸的培養(yǎng)基上生長CUP1對銅離子有抗性能在含有銅離子的培養(yǎng)基上生長CYH1對環(huán)己酰亞胺有抗性能在含有環(huán)己酰亞胺的培養(yǎng)基上生長LEU2培養(yǎng)基中需加入亮氨酸只能在加入亮氨酸的培養(yǎng)基上生長SUC2能進行蔗糖發(fā)酵能在以蔗糖作為唯一碳源的培養(yǎng)基上生長URA3培養(yǎng)基中需加入尿嘧啶只能在加入尿嘧啶的培養(yǎng)基上生長13如果只用已知定位的少數幾個基因作遺傳標記，由于遺傳標記的數目太少，很難繪制完整的連鎖圖。DNA技術的建立為人類提供了大量新的遺傳標記。

第一代DNA遺傳標記是RFLP（RestrictionFragmentLengthPolymorphism，限制性片段長度多態(tài)性）。DNA序列上的微小變化，甚至1個核苷酸的變化，也能引起限制性內切酶切點的丟失或產生，導致酶切片段長度的變化。由于核苷酸序列的改變遍及整個基因組，特別是進化中選擇壓力不是很大的非編碼序列之中，RFLP的出現頻率遠遠超過了經典的蛋白質多態(tài)性。而且，只要選擇得當，生物體內出現共顯性RFLP及RAPD分子標記的頻率較高。14第二代DNA遺傳標記利用了存在于人類基因組中的大量重復序列，包括重復單位長度在15-65個核苷酸左右的小衛(wèi)星DNA（minisatelliteDNA），重復單位長度在2-6個核苷酸之間的微衛(wèi)星DNA（microsatelliteDNA），后者又稱為簡短串聯(lián)重復（STR、STRP或SSLP，shorttandemrepeatpolymorphism或者simplesequencelengthpolymorphism）。STRP有兩個最突出的優(yōu)點，即作為遺傳標記的“多態(tài)性”與“高頻率”。STR的存在，為遺傳圖的繪制提供了大量可用的遺傳標記。采用聚合酶鏈反應（PCR）技術，以STR兩側的基因作定點標記的完整連鎖圖，已于1996年繪成，相鄰標記間的平均距離僅0.7厘摩。

第三代DNA遺傳標記，可能也是最好的遺傳標記，是分散于基因組中的單個堿基的差異。這種差異包括單個堿基的缺失和插入，但更常見的是單個核苷酸的替換，即單核苷酸的多態(tài)性（SNP，singlenucleotidepolymorphism）。

15“遺傳圖”的建立為人類疾病相關基因的分離克隆奠定了基礎。擁有5000多個遺傳學位點，相當于把整個人類基因組劃分為5000多個小區(qū)，并分別設置了“標牌”。這些標牌將在搜索功能基因的過程中發(fā)揮獨特的作用。把多態(tài)性的疾病基因位點（該位點至少包括“正常”及“致病”兩個等位基因）與上述遺傳標記進行分析比較時，如果在家系中證實該基因與某個標記不連鎖（重組率為50%），表明該基因不在這一標記附近；如果發(fā)現該基因與某個標記有一定程度的“連鎖”（重組率小于50%但大于0），表明它可能位于這個標記附近；如果該基因與某標記間不發(fā)生重組（重組率等于0），我們就推測該標記與所研究的疾病基因可能非常接近。16遺傳圖所表現的，是通過連鎖分析確定的各基因間的相對位置；物理圖則表現染色體上每個DNA片段的實際順序。物理圖是指以已知核苷酸序列的DNA片段（序列標簽位點，sequence-taggedsite，STS）為“路標”，以堿基對（bp，kb，Mb）作為基本測量單位（圖距）的基因組圖。現在的測序技術還不能對整個DNA分子進行序列測定，因此須先將它切成一個個大小不同的片段，然后將這些片段連起來，構成連續(xù)的序列。切割的工具，是一類限制性內切核酸酶，它能識別DNA中的特定序列，并在該位點對DNA鏈進行切割。有一類稀有的限制性內切核酸酶，由于DNA中這樣的序列比較少，所以用它可將DNA分子切割成約100萬堿基大小的大片斷。這樣的片段有利于排序，不過必須用脈沖場凝膠電泳法，才能將它們分開。11.1.3

物理圖（PhysicalMap）17這些大片段在進行DNA分子克隆時，也不能通過細菌質粒或噬菌體的運載而在大腸桿菌中進行克隆，因為它們太大，而必須用一種特殊的載體--酵母人工染色體（YAC），將片段導入酵母，在酵母細胞中克隆。YAC中的DNA大片段是靠序列標記位標（STS）來識別的。ST