壹、研究現狀
1，人類基因組測序
從1990到1998，約330Mb的人類基因組序列已完成並正在測序，約占人類基因組的11%。大約200個與人類疾病相關的基因已經被確認。此外，還完成了細菌、古細菌、支原體、酵母等17種生物的全基因組測序。
值得壹提的是，企業和研究部門的共同努力將極大地促進測序工作的完成。美國基因組研究所(TIGR)與PE(Perkin-Elmar)合作成立新公司，三年投資2億美元。預計整個序列將於2002年確定。這壹進展將比美國政府資助的HGP預定目標提前三年。美國加州基因數據公司Incyte宣布(1998)將在兩年內確定基因組中蛋白質編碼序列和密碼子的單核苷酸多態性，最終繪制出人類65438+萬個基因的圖譜。與Incyte合作的HGS(人類基因組科學)負責人聲稱，到1998年8月，該公司已經鑒定了超過65438+萬個基因(約12萬個人類基因)，並獲得了95%以上基因的EST(表達序列標簽)或部分序列。
1998年9月4日，美國國家人類基因組計劃研究所(NHGRI)和美國能源部基因組研究計劃負責人在壹次咨詢會上宣布，由美國政府資助的人類基因組計劃將在2001年完成大部分蛋白質編碼區的測序，約占基因組的三分之壹，測序誤差率不會超過萬分之壹。同時要完成壹個“工作草圖”，覆蓋至少90%的基因組，誤差率1%。基因組測序完成於2003年，誤差率為萬分之壹。這個時間表表明，計劃將比最初的目標提前兩年完成。
2.疾病基因的定位和克隆
人類基因組計劃的直接動機是解決包括腫瘤在內的人類疾病的分子遺傳問題。6000多種大面積危害人類健康的單基因遺傳病和多基因遺傳病及相關基因，代表了人類基因結構和功能完整性的重要組成部分。因此，疾病基因的克隆在HGP占據核心地位，也是計劃實施以來最引人註目的部分。
在基因和物理作圖的驅動下，形成了對疾病基因的定位、克隆和鑒定的研究，傳統的從表位到蛋白質到基因的途徑轉向了“反向遺傳學”或“定位克隆”的新思路。隨著人類基因組圖譜的形成，3000多個人類基因被精確定位在染色體的各個區域。未來，壹旦定位了疾病位點，就可以從局部基因圖譜中選擇相關基因進行分析。這種被稱為“位置候選克隆”的策略將大大提高尋找疾病基因的效率。
3.多基因疾病的研究。
目前，人類疾病的基因組學研究已經進入多基因疾病的難點。由於多基因疾病不遵循孟德爾遺傳規律，從壹般的家族遺傳連鎖分析很難有所突破。這方面的研究需要在群體和遺傳標記的選擇、數學模型的建立和統計方法的改進等方面下功夫。最近，壹些學者提出通過比較基因表達譜來識別疾病狀態下基因的激活或抑制。事實上，癌癥基因組解剖項目(CGAP)代表了這方面的壹種嘗試。
4.中國的人類基因組研究。
國際HGP研究的快速發展和愈演愈烈的基因搶奪戰引起了我國政府和科學界的高度重視。在政府的支持和壹批高水平生命科學家的帶領下，中國建設了壹批實力雄厚的生命科學國家重點實驗室，在北京和上海建立了人類基因組研究中心。有了研究人類基因組的條件和基礎，壹批基因組研究的新技術被引進並建立起來。我國HGP在多民族基因保存和基因組多樣性的比較研究方面取得了令人滿意的成果，在白血病、食管癌、肝癌、鼻咽癌等易感基因的研究方面也取得了較大進展。
首先，建立了寡核苷酸引物介導的人類高分辨率染色體顯微切割和基因克隆技術。建立了17個染色體特異性DNA文庫和24個染色體特異性DNA文庫及其探針；構建了人類X染色體的YAC圖譜，構建了人類X染色體Xp11.2-p21.3跨度的35cM STS-YAC圖譜。建立了YAC-cDNA篩選技術。
目前研究工作還包括:與疾病和功能相關的新基因的分離、測序和克隆的技術和方法學的創新研究；中國少數民族HLA分型及特殊基因分析研究:人胎腦cDNA文庫的構建及新基因的克隆。
中國是世界上人口最多的國家，有56個民族，疾病資源極其豐富。由於長期的社會封閉，在壹些地區形成了極其罕見的族群和基因隔離群體。壹些世代眾多的大家族和個體具有典型的遺傳性狀，是克隆相關基因的寶貴材料。然而，由於我國HGP研究起步較晚，基礎薄弱，資金投入不足，缺乏壹支穩定的高素質青年力量，與國外近年來驚人的發展速度相比，我國的HGP研究還遠遠落後，有進壹步上升的危險。如果我們不能在這場基因之戰中堅守陣地，那麽我們將在21世紀的競爭中處於被動地位:我們不能自由地應用基因診斷和基因治療的力量，我們不能自由地生產和開發生物制藥，我們不能自由地推動其他基因相關產業的發展。
第二，展望
1，生命科學產業的形成
由於基因組研究與制藥、生物技術、農業、食品、化學、化妝品、環境、能源和計算機等行業密切相關，更重要的是基因組研究可以轉化為巨大的生產力，壹批國際大型制藥公司和化工公司大規模投入巨資進行基因組研究，形成了壹個新的產業板塊，即生命科學產業。
世界上壹些大的制藥集團已經投資建立了基因組研究所。Ciba-Geigy和Ssandoz共同成立了諾華公司，並投資2.5億美元建立研究所進行基因組研究。史密斯·克萊恩公司花費了6543.8美元+0.25億美元來加速測序，並將25%的藥物開發項目建立在基因組學上。葛蘭素-威康公司在基因組研究上投資了4700萬美元，使研究人員的數量增加了壹倍。
大型化工企業正在向生命科學產業轉型。孟山都早在1985就開始轉向生命科學產業。到1997，該公司在生物技術和基因組研究方面的投資高達66億美元。1998年4月，杜邦宣布重組為三大產業單元，以生命科學為首。1998年5月，公司宣布放棄能源公司Conaco，轉型為生命科學公司。陶氏化學公司以9億美元購買了禮來公司公司40%的股份，從事谷物和食品研究，後來成立了生命科學公司。赫司特出售了基礎化學品部門，投資於生物技術和制藥。
傳統的農業和食品部門也呈現出向生物技術和制藥領域融合的趨勢。Genzyme Transgenics公司培育的基因工程羊可以高產抗凝血酶ⅲ，壹群羊的酶產量相當於壹個投資1.1.5億美元的工廠的產量。據估計，轉基因動物生產藥物的成本是大規模細胞培養的十分之壹。壹些公司也在為研究生生產抗骨質疏松的谷物，並大規模生產和加工轉基因食品。
能源、采礦和環境工業也在分子水平上集中進行基因組研究。例如，產甲烷菌被用作新能源。耐輻射球菌(Deinococcus radiodurans)是壹種耐輻射細菌，用於清除放射性物質的汙染，轉移tod基因後，可以清除高輻射環境中多種有害化學物質的汙染。
2.功能基因組學
人類基因組計劃目前總體發展趨勢如何？壹方面，結構基因組學在成功做出遺傳圖譜和物理圖譜後，正朝著完成染色體完整核酸序列圖譜的目標前進。另壹方面，功能基因組學已經提上日程。人類基因組計劃已經開始進入從結構基因組學到功能基因組學的過渡和轉化過程。在功能基因組學的研究中，可能的核心問題有:基因組表達及其調控、基因組多樣性、模式生物的基因組研究等。
(1)基因組的表達和調控
1)基因轉錄表達譜及其調控研究
壹個細胞的基因轉錄和表達水平可以準確、特異地反映其類型、發育階段和反應狀態，是功能基因組學的主要內容之壹。為了綜合評價所有基因的表達，需要建立壹個全新的工具體系，定量靈敏度水平應小於1拷貝/細胞，定性靈敏度應能區分剪接方式，並達到檢測單個細胞的能力。近年來發展起來的DNA微陣列技術，如DNA芯片，使這壹目標的實現成為可能。
對基因轉錄和表達的研究不僅是為了獲得全基因組表達的數據，也是為了用作數學聚類分析。關鍵問題是分析控制整個發育過程或反應途徑的基因表達網絡的機制。網絡的概念對於生理和病理條件下的基因表達調控非常重要。壹方面，大多數細胞中基因的產物與其他基因的產物相互作用；另壹方面，在發育過程中，大多數基因產物在多個時空表達並發揮其功能，形成多效性基因表達。從某種意義上說，每個基因的表達模式只有放在其調控網絡的背景下才會有真正的意義。有必要建立小鼠胚胎高通量原位雜交技術。
2)蛋白質組學研究。
蛋白質的組學研究是從整體水平研究蛋白質的水平和修飾。目前正在研發標準化、自動化的二維蛋白質凝膠電泳系統。首先用自動化系統提取人體細胞的蛋白質，然後用色譜儀對各段蛋白質進行部分分離，再用質譜儀進行分析，在蛋白質數據庫中通過特征分析識別產生的多肽。
蛋白質組研究的另壹個重要內容是建立蛋白質相互關系的目錄。生物大分子之間的相互作用構成了生命活動的基礎。已在T7噬菌體(55個基因)中成功地實現了組裝基因組成分的詳細作圖。如何在模式生物(如酵母)和人類基因組的研究中建立自動化方法，了解不同的生化途徑，是壹個值得探討的問題。
3)生物信息學的應用
目前，生物信息學已廣泛應用於基因發現和預測。然而，更重要的是利用生物信息學來發現基因的蛋白質產物的功能。越來越多的蛋白質編碼單位在模式生物中被鑒定出來，這無疑為尋找基因和蛋白質的同源關系以及家族的分類提供了極其有價值的信息。同時，生物信息學的算法和程序也在不斷完善，使得不僅從壹級結構，而且從估計的結構中尋找同源關系成為可能。但是，計算機模擬得到的理論數據需要通過實驗來驗證和修正。
(2)基因組多樣性的研究。
人類是壹個多態的群體。不同群體和個體在生物學特性和對疾病的易感性和抗性上的差異，反映了進化過程中基因組與內外環境相互作用的結果。對人類基因組多樣性的系統研究將對理解人類的起源和進化以及生物醫學產生重大影響。
1)進行人類DNA重測序。
可以預見，人類第壹次基因組測序完成後，必然會出現各種人種和群體的重測序和精細基因分型的熱潮。將這些資料與人類學和語言學的資料結合起來，將有可能建立壹個全人類的數據庫資源，從而更好地了解人類歷史及其自身的特點。此外，基因組多樣性的研究將成為疾病基因組學的主要內容之壹，群體遺傳學將日益成為生物醫學研究的主流工具。有必要在基因組水平上對常見多因素疾病(如高血壓、糖尿病和精神分裂癥)相關基因和癌癥相關基因進行大規模的重新測序，以確定其變異序列。
2)對其他生物進行測序
對處於不同進化階段的生物進行系統的比較DNA測序，將揭開35億年來的生命進化史。這樣的研究不僅可以繪制出詳細的系統發育樹，還可以顯示出進化過程中最重要的變化的時間和特征，比如新基因的出現和整個基因組的復制。
了解不同生物中基因序列的保守性將使我們能夠有效地了解限制基因及其產物功能的因素。對序列多樣性的研究有助於理解自然多樣性的基礎。建立序列變異與不同生物間基因表達的時空差異之間的相關性，將有助於揭示基因的網絡結構。
(3)模式生物的研究。
1)比較基因組研究
在人類基因組的研究中，模式生物的研究占有極其重要的地位。雖然模式生物的基因組結構相對簡單，但其核心細胞過程和生化途徑在很大程度上是保守的。本研究的意義在於:1 〈有助於開發和測試新的相關技術，如大規模測序、大規模表達譜測試、大規模功能篩選等。2)通過比較和鑒定，可以了解基因組的進化，從而加速了解人類基因組的結構和功能；3)模式生物間的比較研究為闡明基因表達機制提供了重要線索。
目前，關於基因組整體結構的知識主要來自模式生物的基因組序列分析。通過對不同物種間基因調控序列的計算機分析，發現了壹定比例的保守核心調控序列。根據這些序列建立的表達模式數據庫為破譯基因調控網絡提供了必要的條件。
2)功能缺失突變的研究
鑒定基因功能最有效的方法可能是觀察基因表達受阻後細胞和全身的表型變化。在這方面，基因敲除法是壹個特別有用的工具。目前。國際上已經開展了酵母、線蟲和果蠅的大規模功能基因組學研究，其中酵母進展最快。為此，專門在歐洲建立了Eurofan(歐洲功能分析網絡)。美國、加拿大和日本也推出了類似的計劃。
隨著線蟲和果蠅基因組測序的完成，未來有可能對這兩種生物開展類似的研究。壹些突變菌株和技術體系建立後，不僅可以成為研究單個基因功能的有效手段，還可以為研究基因冗余、基因間相互作用等深層次問題奠定基礎。小鼠作為哺乳動物的典型模式生物，在功能基因組學的研究中發揮著特殊的作用。同源重組技術可以破壞小鼠體內的任何基因，但這種方法的缺點是成本高。由點突變、缺失突變和插入突變引起的隨機突變是另壹種可能的方式。對於人類細胞，建立壹個反義寡核苷酸和核酶瞬時阻斷基因表達的系統可能更合適。蛋白質水平的剔除可能是解釋基因功能最有力的手段。人們期望通過組合化學方法生產化學消除試劑來激活或滅活各種蛋白質。
總之，模式生物基因組計劃為人類基因組的研究提供了大量的信息。未來模式生物的研究方向是將人類基因組中85438+百萬個編碼基因中的大部分轉化為具有已知生化功能的多組分核心機制。酶這壹人類進化保守性的核心機制，以及它們的紊亂導致疾病的各種方式的知識，只會來自於對人類自身的研究。
通過功能基因組學的研究，人類最終將能夠了解哪些進化機制實際上已經發生，並考慮進化過程可能具有哪些新的潛力。解決發育問題的新途徑可能是將蛋白質功能域和調控序列結合起來，建立新的基因網絡和形態發生途徑。換句話說，未來的生物科學不僅可以了解生物體是如何形成和進化的，還可以產生構建新生物體的潛力。