人类基因组

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【摘要】：1990年10月美国国会正式批准了人类基因组计划。人类基因组计划预期的所有目标全部实现。人类基因组计划的主要任务是对人类的DNA进行测序，完成人类基因组的结构图，即遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱，这4张图谱被誉为“基因解剖图”。现在人类基因组计划的研究已经进入后基因组学时代，即功能基因组学时代。健康相关研究是人类基因组计划的重要组成部分。

第四节　人类基因组

一个正常人的体细胞中有两个染色体组，在生殖细胞发生过程中，要进行减数分裂，结果每个生殖细胞中染色体数目是母细胞的一半，这样二倍体生物的生殖细胞中含有一个染色体组。一个染色体组中的全部基因称为一个基因组。人体细胞中的DNA主要发布在细胞核中，细胞质中的线粒体里也有少量的DNA，所以，人类基因组应该包括细胞核基因组和线粒体基因组。

一、细胞核基因组

一个体细胞细胞核中所含有的DNA，构成两个基因组（genome），细胞核基因组是指储存在本物种生殖细胞中的全套的遗传物质。每个基因组的DNA含有约3.0×10⁹个碱基对。目前估计人类结构基因的总数不超过4万个，比过去预计的5万～10万个基因要少得多。这些DNA在结构和功能上是不相同的。它们分布在23对染色体（22对常染色体和性染色体——X染色体和Y染色体）上。

二、人类基因组计划

人类基因组计划（human genome project，HGP）是1986年美国科学家杜尔贝科在《自然》杂志上发表短文提出的，包括癌症在内的人类疾病的发生都直接或间接地与基因有关，他呼吁全球科学家联合起来，用征服宇宙的勇气和魄力来开展对人类基因组的全序列分析。1990年10月美国国会正式批准了人类基因组计划。这一研究项目由美国、英国、法国、日本、德国和中国6个国家加盟，被誉为是“生物学的阿波罗登月计划”。计划耗资30亿美元，用15年的时间（到2005年10月结束），目标是破译人类自身的遗传信息之谜，揭示人类基因组DNA核苷酸的序列，弄清所有基因并阐明其在染色体上的位置，以便从基因的“根部”找到遗传病的预防与根治措施，从而推动整个生命科学和医学领域的发展。人类基因组计划在多国合作下，于2003年4月14日美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯·柯林斯博士在华盛顿宣布，美国、英国、法国、日本、德国和中国科学家经过13年努力，共同绘制并完成了人类基因组序列图。人类基因组计划预期的所有目标全部实现。

（一）人类基因组计划的研究内容

人类基因组计划的主要任务是对人类的DNA进行测序，完成人类基因组的结构图，即遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱，这4张图谱被誉为“基因解剖图”。

1.遗传图谱　遗传图谱又称基因连锁图谱，它是以具有遗传多态性的遗传标记为“路标”，以遗传学距离为图距的基因组图。遗传图谱的建立为基因识别和完成基因定位创造了条件。

2.物理图谱　物理图谱是以一段已知的DNA序列的标志部位为“位标”，以碱基对为图距的基因组图。物理图谱的成功构建为大规模测序奠定了基础。

3.转录图谱　转录图谱又称基因图谱，就是在人类基因组中鉴别出全部结构基因的位置、结构与功能。

4.序列图谱　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。人类基因组的DNA序列长约1m，分布在22对常染色体和X、Y两条性染色体中，由30多亿个核苷酸组成。

（二）人类基因组计划的现状

人类基因组计划研究内容包括两方面：一方面是以全基因组测序为目标的结构基因组学（structural genomics）；另一方面是以基因功能鉴定为目标的功能基因组学（functional genomics）。代表基因组分析的早期阶段的结构基因组学的目标是建立遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱4张图，这一任务已于2003年4月14日全部完成。现在人类基因组计划的研究已经进入后基因组学时代，即功能基因组学时代。它主要是研究基因的表达、调控和功能。后基因组学时代主要研究人类基因组多样性计划、比较基因组学、环境基因组学、工业基因组学、疾病基因组学、药物基因组学和蛋白质组学。其中蛋白质组学研究细胞或组织中基因组在不同生命时期、正常或有疾病时、给药前后所表达的全部蛋白质的变化，它是一个动态的过程。其研究的进展将极大地促进医学的发展，为人类疾病的发病机制和诊治提供新的依据。

我国人类基因组计划是1992年提出的，到1997年底已经初步建立起较配套的基因组研究工作体系，建立起一批样品收集保存基地和研究中心，具备了开展基因组多样性研究、自行定位、克隆人类疾病基因和功能基因、大规模DNA测序等的能力。1999年9月我国加入国际人类基因组测序协作组，承担了人类3号染色体短臂3pterD3S3610区域约30Mb的测序任务，约占人类整个基因组工作量的1%，并于2000年5月30日完成所承担的测序任务。

（三）人类基因组计划对人类的重要意义

1.人类基因组计划对人类疾病基因研究的贡献　对于单基因遗传病，采用“定位克隆”和“定位候选克隆”的全新思路，导致了亨丁顿舞蹈症、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。对于心血管疾病、肿瘤、糖尿病、老年性痴呆、精神分裂症、自身免疫性疾病等多基因疾病的研究是目前疾病基因研究的重点。健康相关研究是人类基因组计划的重要组成部分。1997年相继又提出了“肿瘤基因组解剖计划”和“环境基因组学计划”。

2.人类基因组计划对医学的贡献　人类基因组计划对于基因诊断、基因治疗和基于基因组知识的治疗、基于基因组信息的疾病预防、疾病易感基因的识别及环境因子的干预等具有重要意义。

3.人类基因组计划在其他方面的贡献　其他方面包括：①基因工程药物；②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，治疗疾病和筛药模型；③胚胎和成年期干细胞，克隆技术和器官再造；④筛选药物的靶点；⑤生物产业转基因食品，转基因药物（如减肥药、增高药）；⑥对生物进化研究的影响。

小结

DNA是控制生物性状遗传的分子基础，基因是DNA分子上具有特定遗传效应的核酸片段，它决定细胞内RNA和蛋白质（包括酶）的合成，从而决定生物的遗传性状。

DNA是主要的遗传物质，它通过特定的碱基排列顺序储存大量的遗传信息，编码着指导细胞生长、分裂、分化特定结构和功能的所有指令，并通过基因行使其功能。基因是具有特定遗传效应的DNA片段，是遗传物质突变、重组和形成特定遗传功能的基本单位。基因的复制与表达构成了基因的主要功能。基因的复制就是DNA的复制，基因表达包括转录和翻译两个步骤，真核生物基因表达调控是通过多水平实现的，即转录前、转录中、转录后、翻译和翻译后五个水平。

基因突变是指基因组DNA分子某些碱基对组成或排列顺序的改变。基因突变分为自发突变和诱发突变两类，诱发基因突变的因素包括物理因素、化学因素及生物因素等；基因突变具有可逆性、多向性、稀有性、有害性等特性；基因突变的机制包括碱基替换、移码突变、动态突变等，其中碱基替换又包括同义突变、错义突变、无义突变和延长突变等几种形式。不同的基因突变对机体产生的影响不同，大多数基因突变可影响个体的生长发育，产生遗传病，有些基因突变对机体不产生有害效应，少数基因突变反而有利于个体的生存。

人类基因组包括细胞核基因组和线粒体基因组，每个细胞核基因组的DNA含有约3.0×10⁹个碱基对。人类基因组中编码蛋白质和酶的结构基因数量为2.5万～3万个，占人类基因组的2%～3%，95%以上为非编码序列。人类基因组计划的顺利完成，大大地促进了人类对生命本质及其规律的进一步探讨，更重要的是它为人类对疾病的控制、预防、诊断、治疗提供了新的技术手段和思路，从而推动了整个生命科学的发展。

能力检测

一、选择题

1.在DNA分子的双螺旋结构中，每旋转一圈包含的碱基对有（　　）。

A.5.4个　　B.3.6个　　C.5个　　D.10个

2.在多核苷酸链中，核苷酸间的连接方式是（　　）。

A.糖苷键　　B.磷酸键　　C.氢键　　D.磷酸二酯键

3.DNA的二级结构是（　　）。

A.α－螺旋　　B.双螺旋结构　　C.三叶草结构　　D.β^－片层结构

4.在DNA双螺旋结构中，G与C配对碱基可形成几个氢键？（　　）

A.2个　　B.1个　　C.3个　　D.4个

5.下列有关核酸的叙述，不正确的是（　　）。

A.RNA中含有d－2－脱氧核糖