生命世界：探索我们自身的奥秘

更新时间：2024-11-24 18:52:37

　　生命世界：探索我们自身的奥秘

　　SNP决定了每个人自身的“个性”。基因组研究还可以帮助人们重新认识生命的进化过程

　　□撰文/葛晓萌

　　我们从哪里来？

　　我们之间为什么不一样？

　　我们和其他的生物有什么不同？

　　好奇心是推动人类进步的原动力，文明产生以来，人类对自身以及生命奥秘的探索就从未停止过。时间进入20世纪，科学家们逐渐认识到每个生命体的细胞所包含的DNA（即基因组，部分病毒是RNA）是生物物种遗传信息的携带者，可以代表该个体遗传的特点，也就是说，生命的奥秘就隐藏在这些由A、T、C、G四种碱基排列而组成的四字天书之中。要揭开生命以及人类自身的奥秘，发现和解释具有普遍意义的生命现象和它们的变化、内在规律和相互关系，就需要从基因组整体层面上研究其中所包含的基因，基因的结构与功能，基因之间、基因和非编码区之间乃至基因组之间的关系等问题。实现这一切的基础就是全基因组序列的测定。

　　缘起人类基因组计划

　　人类基因组计划由美国科学家于1985年率先提出，1990年正式启动，并最终由美、英、法、德、日和中国科学家共同完成。几乎在同时，美国塞莱拉基因技术公司单独启动了人类基因组的测序计划。这一价值达30亿美元的计划旨在对人类基因组进行精确测序，发现所有人类基因并确定其在染色体上的位置，明确所有基因的结构和功能，破译人类全部遗传信息，使人类能够在分子水平上全面认识自我。

　　2001年2月12日，政府资助的人类基因组计划团队与美国塞莱拉基因技术公司分别在《自然》与《科学》杂志上公布了人类基因组精细图谱及初步分析结果，包含基因的数目、分布特点等内容。两个团队采取了不同的测序策略，得到的结果却惊人的相似，让我们对人类基因组有了一个初步的认识：人类基因总数在3万个到3.5万个之间；基因组中存在着基因密度较高的“热点”区域和大片不携带人类基因的“荒漠”区域；大约1/3以上基因组包含重复序列；所有人都具有99.99%的相同基因，任何两个不同个体之间大约每1000个核苷酸序列中会有一个不同，称为单核苷酸多态性（SNP），每个人自己的一套SNP对“个性”起着决定性的作用等等。

　　基因组测序的工作量是非常大的，人类全基因组约有30亿碱基对，测一遍要完成6千万测序道的测序量（每道500核苷酸），需要300台毛细管测序仪全负荷运行一年，而完成其精细图至少需要8倍的工作量。巨大的工作量及其对于全人类的重要意义决定了人类基因组相关的科学研究需要广泛的国际合作。

　　更加细化的后续工作

　　随着人类基因组计划的开展，国际上陆续开展了一系列针对人类基因组不同侧面的进一步研究，其中比较有代表性的是国际人类基因组单体型图计划和癌症基因组计划。

　　国际人类基因组单体型图计划（简称HapMap计划，2002年启动，2005年完成），由来自日本、英国、加拿大、中国、尼日利亚和美国的科学家及资助机构合作完成，所产生的全部数据免费向公众开放。该项目通过比较不同个体的基因组来识别人类基因组上的遗传多态位点，并确定它们的形式、位置以及在不同人群中的分布状况，绘制完成了第一张人类医学遗传多态性图谱。将这种多态性与罹患特定疾病的风险、对药物和环境因子的个体反应差异等性状联系起来，可以促进对疾病遗传基础的研究，为预防、诊断和治疗疾病提供新的方法，并为个性化治疗的实现奠定基础。

　　为了更好地了解中国（东亚）人的基因与复杂性疾病的关系，中国科学家主持开展了炎黄计划，拟选取包括汉族、中国少数民族、东亚地区不同国家人群在内的100个人类个体，建立东亚人种特异性的高密度、高分辨率的医学遗传图谱，并利用该图谱建立可以用于筛查疾病相关基因的分子标记集，来大规模筛查中国（东亚）人群特异性疾病。目前，首个中国个体的基因组序列图谱（定名“炎黄一号”）的绘制和分析工作已经完成。

　　更进一步的，2008年1月，英国、美国和中国科学家启动了国际千人基因组计划，拟测定选自世界各地（取样范围非常广泛，几乎包括所有的人种）至少1000个人类个体的全基因组序列，绘制迄今为止最详尽的、最有医学应用价值的人类基因组遗传多态性图谱，以期更快地锁定与疾病相关的基因变异位点，更快地开发常见疾病的预防、诊断和治疗的新策略。其中的黄种人基因组研究，将使中国基因组科学和相关医学的研究直接跨入世界先进行列。

　　癌症基因组计划于2006年首先在美国启动，有越来越多的国家逐渐参与其中。作为人类基因组计划向医学等实践领域的延伸，癌症基因组计划将运用目前已有的知识、工具和手段，通过比较癌细胞和正常细胞在DNA序列水平上的差异，找到与癌症相关的DNA变异，然后再运用各种新技术进一步找到致癌的原因，真正破解癌症致病的机理。美国科学家近日首次成功完成了一个癌症患者的基因组测序，研究人员将患者的肿瘤基因组与其正常基因组进行了比较，最终在患者的肿瘤DNA中发现了10个可能与所患癌症有关的遗传突变，其中8个很罕见，它们所处的基因之前从未被认为与该疾病有关。作为一项庞大的创新性研究计划，癌症基因组计划预计投资1亿美元，其工作量与创新程度将远远超过人类基因组计划，规模相当于1000个，甚至10000个人类基因组计划。全球科学家希望协力逐一解开所有癌症的秘密，进而建立一个共享数据库。届时，这一计划就能真正造福于人类。

　　生命科学研究的新纪元

　　人类基因组测序工作的完成为人类生命科学研究开辟了一个新纪元，对整个生物学研究以及我们自身都具有深远的影响和重大意义。对于生命奥秘的探索，如果说此前人们还一直在混沌中碰壁，那么人类基因组计划的完成无疑是一线曙光，它开辟了从基因组层面上整体研究生命现象的新领域，并为这一领域的研究照亮了方向，带动了整个基因组学相关的系统研究，无数年来人们孜孜探求的生命奥秘呼之欲出。

　　认识生命现象当看到用如天书般晦涩难懂的ATCG组成的序列来呈现生命的信息时，你不必太过惊讶，也无须皱眉，科学家们正在逐步掌握功能基因组学这把钥匙，从浩如烟海的序列信息中提取功能信息，完成对生命密码的解析。有人将人类基因组计划比作生命周期表，因为它不再是从研究个别基因着手，而是力求在细胞水平解决基因组问题，在全基因组序列测定的基础上，同时研究所有基因及其表达产物，从整体基因组水平研究基因及其产物在不同时间、空间、条件下的结构、功能及活动规律，以建立对生命现象的整体认识。目前，研究者广泛运用芯片、EST、SAGE等新技术，对基因的表达展开全面研究（转录组研究），也通过蛋白质芯片、标准化双向蛋白质凝胶电泳、色谱、质谱等分析手段对人类可能存在的几十万种蛋白质或多肽的特征和功能进行研究（蛋白组研究）。如现在国际上广泛开展的干细胞功能基因组相关的研究就使人们从整体层面上对细胞的分化、反分化、发育调控等细胞生物学问题有了深入的认识。

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