人类基因组计划的研究

由于基因组研究与制药、生物技术、农业、食品、化学、化妆品、环境、能源和计算机等行业密切相关，更重要的是基因组研究可以转化为巨大的生产力，一批国际大型制药公司和化工公司大规模投入巨资进行基因组研究，形成了一个新的产业板块，即生命科学产业。

世界上一些大的制药集团已经投资建立了基因组研究所。Ciba-Geigy和Ssandoz共同成立了诺华公司，并投资2.5亿美元建立研究所进行基因组研究。史密斯·克莱恩公司花费了6543.8美元+0.25亿美元来加速测序，并将25%的药物开发项目建立在基因组学上。葛兰素-威康公司在基因组研究上投资了4700万美元，使研究人员的数量增加了一倍。

大型化工企业正在向生命科学产业转型。孟山都早在1985就开始转向生命科学产业。到1997，该公司在生物技术和基因组研究方面的投资高达66亿美元。1998年4月，杜邦宣布重组为三大产业单元，以生命科学为首。1998年5月，公司宣布放弃能源公司Conaco，转型为生命科学公司。陶氏化学公司以9亿美元购买了礼来公司公司40%的股份，从事谷物和食品研究，后来成立了生命科学公司。赫司特出售了基础化学品部门，投资于生物技术和制药。

传统的农业和食品部门也呈现出向生物技术和制药领域融合的趋势。Genzyme Transgenics公司培育的基因工程羊可以高产抗凝血酶ⅲ，一群羊的酶产量相当于一个投资1.1.5亿美元的工厂的产量。据估计，转基因动物生产药物的成本是大规模细胞培养的十分之一。一些公司也在为研究生生产抗骨质疏松的谷物，并大规模生产和加工转基因食品。

能源、采矿和环境工业也在分子水平上集中进行基因组研究。例如，产甲烷菌被用作新能源。耐辐射球菌(Deinococcus radiodurans)是一种耐辐射细菌，用于清除放射性物质的污染，转移tod基因后，可以清除高辐射环境中多种有害化学物质的污染。

2.功能基因组学

人类基因组计划目前总体发展趋势如何？一方面，结构基因组学在成功做出遗传图谱和物理图谱后，正朝着完成染色体完整核酸序列图谱的目标前进。另一方面，功能基因组学已经提上日程。人类基因组计划已经开始进入从结构基因组学到功能基因组学的过渡和转化过程。在功能基因组学的研究中，可能的核心问题有:基因组表达及其调控、基因组多样性、模式生物的基因组研究等。

⑴基因组的表达和调控

1)基因转录表达谱及其调控研究

一个细胞的基因转录和表达水平可以准确、特异地反映其类型、发育阶段和反应状态，是功能基因组学的主要内容之一。为了综合评价所有基因的表达，需要建立一个全新的工具体系，定量灵敏度水平应小于1拷贝/细胞，定性灵敏度应能区分剪接方式，并达到检测单个细胞的能力。近年来发展起来的DNA微阵列技术，如DNA芯片，使这一目标的实现成为可能。

对基因转录和表达的研究不仅是为了获得全基因组表达的数据，也是为了用作数学聚类分析。关键问题是分析控制整个发育过程或反应途径的基因表达网络的机制。网络的概念对于生理和病理条件下的基因表达调控非常重要。一方面，大多数细胞中基因的产物与其他基因的产物相互作用；另一方面，在发育过程中，大多数基因产物在多个时空表达并发挥其功能，形成多效性基因表达。从某种意义上说，每个基因的表达模式只有放在其调控网络的背景下才会有真正的意义。有必要建立小鼠胚胎高通量原位杂交技术。

2)蛋白质组学研究。

蛋白质的组学研究是从整体水平研究蛋白质的水平和修饰。目前正在研发标准化、自动化的二维蛋白质凝胶电泳系统。首先用自动化系统提取人体细胞的蛋白质，然后用色谱仪对各段蛋白质进行部分分离，再用质谱仪进行分析，在蛋白质数据库中通过特征分析识别产生的多肽。

蛋白质组研究的另一个重要内容是建立蛋白质相互关系的目录。生物大分子之间的相互作用构成了生命活动的基础。已在T7噬菌体(55个基因)中成功地实现了组装基因组成分的详细作图。如何在模式生物(如酵母)和人类基因组的研究中建立自动化方法，了解不同的生化途径，是一个值得探讨的问题。

3)生物信息学的应用

目前，生物信息学已广泛应用于基因发现和预测。然而，更重要的是利用生物信息学来发现基因的蛋白质产物的功能。越来越多的蛋白质编码单位在模式生物中被鉴定出来，这无疑为寻找基因和蛋白质的同源关系以及家族的分类提供了极其有价值的信息。同时，生物信息学的算法和程序也在不断完善，使得不仅从一级结构，而且从估计的结构中寻找同源关系成为可能。但是，计算机模拟得到的理论数据需要通过实验来验证和修正。

⑵基因组多样性研究

人类是一个多态的群体。不同群体和个体在生物学特性和对疾病的易感性和抗性上的差异，反映了进化过程中基因组与内外环境相互作用的结果。对人类基因组多样性的系统研究将对理解人类的起源和进化以及生物医学产生重大影响。

1)进行人类DNA重测序。

可以预见，人类第一次基因组测序完成后，必然会出现各种人种和群体的重测序和精细基因分型的热潮。将这些资料与人类学和语言学的资料结合起来，将有可能建立一个全人类的数据库资源，从而更好地了解人类历史及其自身的特点。此外，基因组多样性的研究将成为疾病基因组学的主要内容之一，群体遗传学将日益成为生物医学研究的主流工具。有必要在基因组水平上对常见多因素疾病(如高血压、糖尿病和精神分裂症)相关基因和癌症相关基因进行大规模的重新测序，以确定其变异序列。

2)对其他生物进行测序

对处于不同进化阶段的生物进行系统的比较DNA测序，将揭开35亿年来的生命进化史。这样的研究不仅可以绘制出详细的系统发育树，还可以显示出进化过程中最重要的变化的时间和特征，比如新基因的出现和整个基因组的复制。

了解不同生物中基因序列的保守性将使我们能够有效地了解限制基因及其产物功能的因素。对序列多样性的研究有助于理解自然多样性的基础。建立序列变异与不同生物间基因表达的时空差异之间的相关性，将有助于揭示基因的网络结构。

⑶开展模式生物研究。

1)比较基因组研究

在人类基因组的研究中，模式生物的研究占有极其重要的地位。虽然模式生物的基因组结构相对简单，但其核心细胞过程和生化途径在很大程度上是保守的。本研究的意义在于:1 〈有助于开发和测试新的相关技术，如大规模测序、大规模表达谱测试、大规模功能筛选等。2)通过比较和鉴定，可以了解基因组的进化，从而加速了解人类基因组的结构和功能；3)模式生物间的比较研究为阐明基因表达机制提供了重要线索。

目前，关于基因组整体结构的知识主要来自模式生物的基因组序列分析。通过对不同物种间基因调控序列的计算机分析，发现了一定比例的保守核心调控序列。根据这些序列建立的表达模式数据库为破译基因调控网络提供了必要的条件。

2)功能缺失突变的研究

鉴定基因功能最有效的方法可能是观察基因表达受阻后细胞和全身的表型变化。在这方面，基因敲除法是一个特别有用的工具。目前。国际上已经开展了酵母、线虫和果蝇的大规模功能基因组学研究，其中酵母进展最快。为此，专门在欧洲建立了Eurofan(欧洲功能分析网络)。美国、加拿大和日本也推出了类似的计划。

随着线虫和果蝇基因组测序的完成，未来有可能对这两种生物开展类似的研究。一些突变菌株和技术体系建立后，不仅可以成为研究单个基因功能的有效手段，还可以为研究基因冗余、基因间相互作用等深层次问题奠定基础。小鼠作为哺乳动物的典型模式生物，在功能基因组学的研究中发挥着特殊的作用。同源重组技术可以破坏小鼠体内的任何基因，但这种方法的缺点是成本高。由点突变、缺失突变和插入突变引起的随机突变是另一种可能的方式。对于人类细胞，建立一个反义寡核苷酸和核酶瞬时阻断基因表达的系统可能更合适。蛋白质水平的剔除可能是解释基因功能最有力的手段。人们期望通过组合化学方法生产化学消除试剂来激活或灭活各种蛋白质。

总之，模式生物基因组计划为人类基因组的研究提供了大量的信息。未来模式生物的研究方向是将人类基因组中85438+百万个编码基因中的大部分转化为具有已知生化功能的多组分核心机制。酶这一人类进化保守性的核心机制，以及它们的紊乱导致疾病的各种方式的知识，只会来自于对人类自身的研究。

通过功能基因组学的研究，人类最终将能够了解哪些进化机制实际上已经发生，并考虑进化过程可能具有哪些新的潜力。解决发育问题的新途径可能是将蛋白质功能域和调控序列结合起来，建立新的基因网络和形态发生途径。换句话说，未来的生物科学不仅可以了解生物体是如何形成和进化的，还可以产生构建新生物体的潜力。这个计划在人类科学史上树立了一个新的里程碑！这是改变世界、影响人类生活的壮举。随着时间的推移，它的重大意义会越来越明显。

人类基因组计划的Serreira人类基因组计划

1998年，国际人类基因组计划(以下简称“国际计划”)启动8年后，美国科学家克雷格·文特尔(Craig Venter)创办了一家名为Serreira Genomics的小型私人公司，开展自己的人类基因组计划。与国际人类基因组计划相比，该公司希望以更快的速度和更少的投入(3亿美元，仅为国际项目的十分之一)完成。Serreira基因组的另一个项目被认为是人类基因组计划的一件好事，因为Serreira基因组的竞争迫使国际人类基因组计划改进策略，进一步加快工作进程，使人类基因组计划得以提前完成。

Serreira采用了一种更快也更危险的技术，全基因组鸟枪法测序。鸟枪法测序的思路是将基因组断裂成数百万个DNA片段，然后用某种算法将片段的序列信息重新整合，得到全基因组序列。为了提高这种方法的效率，测序和片段信息整合在1980年代实现了自动化。尽管这种方法已用于测序序列高达600万个碱基对的细菌基因组，但这种技术是否能成功测序人类基因组中的3000万个碱基对，当时尚未确定。

基因知识产权之争

起初，Serreira基因组声称只为200至300个基因寻求专利保护，但后来修改为为“完全确定的重要结构”的总***100至300个目标基因寻求知识产权保护。1999，Serreira申请了6500个完整或部分人类基因的初步专利保护；批评者认为，此举将阻碍基因研究。此外，当Serreira成立时，它同意与国际计划共享数据，但这一协议很快被打破，因为Serreira拒绝将其测序数据存储在可自由访问的公共数据库中。虽然Serreira承诺根据百慕大协议1996(国际计划为每日)按季度发布他们的最新进展，但与国际计划不同的是，他们不允许他人自由发布或免费使用他们的数据。

2000年，美国总统比尔·克林顿宣布，所有人类基因组数据都不允许申请专利，必须向所有研究人员公开。Serreira不得不决定公开这些数据。这一事件也让Serreira的股价一路下跌，让严重依赖生物科技股的纳斯达克损失惨重；两天之内，生物技术板块的市值损失了约500亿美元。

后人类基因组计划

后基因组计划是人类基因组计划(结构基因组学)完成后的若干领域。其实是指序列完成后的进一步计划，其本质是生物信息学和功能基因组学。核心问题是研究基因组的多样性，遗传疾病的成因，基因表达调控的协调，蛋白质产物的功能。

人类基因组研究的目的不仅仅是读取所有的DNA序列，更重要的是了解每个基因的功能，每个基因与某种疾病的关系，真正系统科学地解码生命，从而从根本上了解生命的起源，物种和个体差异的原因，疾病的机制，以及困扰人类的最基本的生命现象，如长寿和衰老。