tigr資料庫_基因組高通量測序的原理

『壹』美國"人類基因組計劃"

什麼是人類基因組計劃

什麼是人類基因組計劃

現代遺傳學家認為，基因是DNA（脫氧核糖核酸）分子上具有遺傳效應的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應的DNA分子片段。基因位於染色體上，並在染色體上呈線性排列。基因不僅可以通過復制把遺傳信息傳遞給下一代，還可以使遺傳信息得到表達。不同人種之間頭發、膚色、眼睛、鼻子等不同，是基因差異所致。

人類只有一個基因組，大約有5－10萬個基因。人類基因組計劃是美國科學家於1985年率先提出的，旨在闡明人類基因組30億個鹼基對的序列，發現所有人類基因並搞清其在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息，使人類第一次在分子水平上全面地認識自我。計劃於1990年正式啟動，這一價值30億美元的計劃的目標是，為30億個鹼基對構成的人類基因組精確測序，從而最終弄清楚每種基因製造的蛋白質及其作用。打個比方，這一過程就好像以步行的方式畫出從北京到上海的路線圖，並標明沿途的每一座山峰與山谷。雖然很慢，但非常精確。

隨著人類基因組逐漸被破譯，一張生命之圖將被繪就，人們的生活也將發生巨大變化。基因葯物已經走進人們的生活，利用基因治療更多的疾病不再是一個奢望。因為隨著我們對人類本身的了解邁上新的台階，很多疾病的病因將被揭開，葯物就會設計得更好些，治療方案就能「對因下葯」，生活起居、飲食習慣有可能根據基因情況進行調整，人類的整體健康狀況將會提高，二十一世紀的醫學基礎將由此奠定。

利用基因，人們可以改良果蔬品種，提高農作物的品質，更多的轉基因植物和動物、食品將問世，人類可能在新世紀里培育出超級作物。通過控制人體的生化特性，人類將能夠恢復或修復人體細胞和器官的功能，甚至改變人類的進化過程。
人類基因組計劃帶來了什麼？

從人類社會誕生以來，人類就沒有停止過對自身的思考。人類在探索，認識世界的過程中也不斷地提高對人類自身的認識。古代的醫學發現，近代的遺傳學說，進化論的確立，為人類更完全地認識自己奠定了堅實的基矗隨著人類在其他科技方面取得的巨大成功，生命科學的研究也越來越深入到了生命的根本奧秘中。

人類的遺傳信息以核苷酸順序的形式貯存在DNA分子中，它們以功能單位在染色體上占據一定的位置，構成基因。基因組就是細胞內遺傳信息的攜帶者——DNA的總體。基因組中不同的區域具有不同的功能,有些是編碼蛋白質的結構基因,有些是復制及轉錄的調控信號,有些區域的功能尚不清楚。基因組結構是指不同功能區域在整個DNA分子中的分布情況。人類基因組包含著決定人類生、老、並死以及精神、行為等活動的全部遺傳信息。所以搞清楚核苷酸順序無疑將對人類最終完全解開遺傳之謎提供最直接的幫助。

1986年，著名生物學家、諾貝爾獎獲得者雷納托杜爾貝科（Renato Dulbecco）在Science雜志上率先提出「人類基因組計劃」（Human Genomic Project,簡稱HGP）。1990年10月，美國政府決定出資30億美元正式啟動「人類基因組計劃」，預期到2005年拿到人體的全部基因序列（共約30億個鹼基對全序列）；隨後研究其相互作用和基因功能，從而揭開人類全部遺傳信息之謎，使人類對自身的認識達到一個新的高度。人類基因組計劃可以說是人類有史以來最為偉大的認識自身的世紀工程。此項計劃的實現，將對全人類的健康，生命的繁衍產生無止境的影響。按照設想，鹼基對測序完畢之後，科學家將分析鹼基如何組成基因以及各種基因有什麼功用等。弄清全部基因的位置、結構和功能，將為人類征服多種疑難病症鋪平道路。

「人類基因組計劃」啟動以後，歐洲、日本、前蘇聯、巴西、印度、中國迅速跟進，紛紛加入到此項意義重大的研究中。我國於1999年7月在國際人類基因組注冊，得到完成人類3號染色體短臂上一個約30Mb區域的測序任務。該區域約占人類整個基因組的1％，簡稱「1％項目」。這標志著我國已掌握生命科學領域中最前沿的大片段基因組測序技術，在開發和利用寶貴的基因資源上已處於與世界發達國家同步的地位，在結構基因組學中佔了一席之地。

那麼「人類基因組計劃」到底為什麼具有如此大的魅力？吸引了如此多的國家和眾多的生物科學家參加到其中的研究？其實，對人類基因組的研究不僅僅地是一項科學研究，它很可能暗含著將是21世紀最大的商機。

基因是生物制葯產業的源頭、生長點和制高點，源於基因的技術拓展將是21世紀制葯企業開發新品的基矗目前，世界上各大制葯、化工和農業公司都在積極地進行改組、合並和建立新聯盟，以通過基因相關的研究和開發加強自己的競爭實力。盡管基因產業所需的投資數目非常大，探索工作也非常艱辛（比如分離囊性纖維病變基因花了十年時間，耗資1.5億美元以上），但一旦拿到一個能夠編碼重要功能蛋白的基因後，其回報將是無比豐厚的——發現者可以獲取該基因的專利，科研人員可以之進行相關研究並設計相關的防治葯物，醫葯公司可在專利期滿之前獲取市場巨額壟斷利潤。可以說，一個基因可以成就一家企業，甚至帶動一個產業。所以，對科學家來說，「人類基因組計劃」給他們帶來的是對人類自身認識的一次重大飛躍，是人類戰勝疾病的希望；而對於不惜血本投入大量資金讓科學家研究基因組的政府和企業，更多的看到的是研究成功後所帶來的市場壟斷和超巨額利潤。

於是，一場沒有硝煙但關系非同尋常的「基因戰」早以打響。國家與國家之間，官方研究項目與私營機構之間都存在著異常激烈的競爭。今年5月24日，代表官方參與「人類基因組工程」的科學家宣布，將於6月15日公布首幅人類遺傳密碼「工作草圖」。同時，美國賽里拉（Celera）遺傳公司也透露，將在6月份發布自己的「工作草圖」。這意味著，破譯人類遺傳密碼的競賽已進入最後沖刺階段，決定人類生、老、並死以及精神、行為等活動的全部遺傳信息的奧秘即將被人類自己揭開，巨大的商機也開始向基因組研究的投資者招手。

人類基因組計劃被認為是人類最偉大的認識自身的科學探索之一，其意義甚至超過阿波羅登月計劃，我們人類開始揭示隱藏在自身的奧秘，我們的生命和行為即將因為它而改變，它所帶來的是一場生命的革命，同時，它將以前所未有的力量沖擊人類的道德、倫理觀念。

掌握了自身基因組奧秘的人類將不再畏懼過去聞之色變的各種「癌」，我們可以改變與生即來的某些缺陷，我們甚至可以實現永葆青春。但是，我們又不得不擔心，因為和掌握核能力一樣，基因能給我們帶來福音，也能給我們帶來可怕的負面影響-----重組基因可以改變人類固有的特徵。

二戰時期，希特勒就曾經組織大量科學家研究如何「製造」出最優秀的純種雅利安人，可當時的科學沒有達到那一步的能力，但是，很可能就是20年後，這種想法完全可能實現。我們不但可以復制某個人，我們還能象工廠生產玩具一樣批量「生產」按顧客需要設計的，合乎數據規定的「人造人」！

前一段時間克隆生物的出現就引起了各方面的擔心和憂慮，如果「人造人」

真的出現了，我們該怎麼辦呢？我們的下一代還能是自然的人嗎？我們固有的倫理、道德還能適用於我們將來的社會嗎？

「人類基因組計劃」的由來與發展（一）

人類基因組計劃這么一個劃時代的項目，是一個人提出的嗎？不是。這一計劃的孕育，經歷了長達5年的時間，這五年裡，在發達國家裡，上致政府首要，下至平民百姓，都參與了這一場討論與最後的決策。而各國，首先是美國的科學家，作了大量的論證。各個學科持各種不同觀點的科學家各抒己見，充分體現了科學討論的平等與決策的民主。盡管幾度迷離，幾度彷徨，幾度反復，但最後，人類還是選擇了「人類基因組計劃」。人類基因組計劃的形成，從歷史上來說，有好幾條思路。

七十年代的人類疾病的「基因論」之說，無疑是人類基因組計劃的主要思路。不僅疾病與基因有關，人類的生存、出生、生長都與基因有關，都與DNA的序列有關。正如著名的諾貝爾獎獲得者，義大利的杜伯克在他發表的一篇文章，後來被稱為「人類基因組計劃」的「標書」之中寫的：人類的DNA序列是人類的真諦。這個世界上的發生的一切，都與之息息相關。在策略上說，「人類基因組計劃」所採取的策略是「基因組學」這門科學的策略，正如基因是研究基因的科學一樣，顧名思義，「基因組學」就是研究基因組的科學。正如杜伯克說的：既然大家都知道基因的重要性，那我們就只有兩種選擇，一是「零敲碎打」，大家都去「個體作業」，去研究自己「喜歡」的、認為是重要的基因，而另一種選擇呢？則是前所未有的大膽說法：從整體上來搞清楚人類的整個基因組，集中力量先認識人類的所有基因。

因為人類基因組計劃的雄心太大、規模太大，要花的錢太多，因此政府部門、科學家、社會大眾，都有不少不贊成的意見。首先是這個計劃的必要性的問題，他們認為把納稅人的30億美元用來搞人的龐大無比的基因組序列，純粹是拿納稅人的錢開玩笑！其次是這個計劃的現實性，他們認為到2005年完成這個計劃是「吹牛」。說實在的，在那時能否如期完成，誰也心裡無底。那時候，連現在的現代化的測序儀器的影子都還沒有。其三是科學研究領域的選擇問題，有點象「要為不可為」的想像：人類自然科學要研究的問題很多，為什麼要上這樣的計劃？這筆錢也得花到別的地方也許更值得、更實際，有人還擔心「大科學」會影響小科學，「大中心」會危及小實驗室的生存。說的話也很難聽，如批評這個計劃是「過於偏激、過於集中，目標過多、預算過大」。而得到的東西，只不過是「一張部件名單」。而對於這個計劃的具體項目，則更加刻薄，如「制圖」是在沙漠里建公路，「測序」是把「垃圾」分類，選擇「模式動物」是拼湊「諾亞方舟」。最後，認為基因組計劃建立的新的技術，是「不用現在的Saturn火箭」，而要追求奢侈、舒適的新太空梭」，因為分離基因已有不少別的方法。

1990年美國剛開始「人類基因組計劃」，好多科學家還聯名寫信表示反對，結果原來的預算還被砍了3400萬美元，原計劃建的9個中心，每個中心年經費400萬美元。被砍了只剩下3個，而每個中心的經費只有200萬美元！主要的批評之一，還是不要搞人的基因組計劃，這太多啦，應該先搞小的，如細菌等，或者是經濟意義大的，象小麥、豬、羊啊。他們譏笑這一研究人的基因組計劃是「泥足巨人（clay-footed gaint）」。還預測將象75年開始的腫瘤計劃一樣「流產」。真理有它本身的真理性，可行性。真理不怕辯論，這就是它的「說服性」。「人類基因組計劃」是有道理的，但是對真理的認識有它的過程，真理本身的完善也有它的過程。「人類基因組計劃」正是不斷地從批評中吸取正確的意見，逐漸完善到今天這一計劃的。如開始僅是籠統的「測序分析計劃」。從何入手呢？各有各的說法。「制圖計劃」特別是遺傳圖的構建，原先是作為「測序」計劃的不同意見提出來的，但雙方都沒有簡單否定對方的意見，有關決策部門也沒有簡單地支持一方面壓制另一方，而最後持不同意見的雙方走到一起，共同制定更加科學、更加全面的計劃。「cDNA計劃」就是把一個基因中一小部分與蛋白質有關的序列先搞清楚的計劃，也是作為「全基因組計劃」的一種反對意見提出來，但也沒有被主流意見所拒絕，沒有因此而摒棄「全基因組計劃」，而是作為「基因圖」的雛型而納入整個基因組計劃，而且成為重要部分之一，即我們要做的「轉錄圖」。「基因鑒定」計劃也是作為不同意見提出來的，認為最重要的是那些與人類疾病有關的基因，後來成為最能反映「人類基因組計劃」的成果的「熱點」。而「模式生物」計劃選擇了酵母、線蟲、果蠅、小鼠作為研究人類的四大「模式生物」，其科學意義十分重要。整個討論的過程，逐漸形成了「人類基因組計劃精神」的一部分。

除了上述的「兼容並蓄」外，其次是「精誠合作」，人類基因組計劃是人類歷史上第一次由全世界各國不分大小、不分強弱，所有科學家一起執行的科研項目。實施人類基因組計劃伊始，發達國傢具有遠見的科學家即號召全球各個國家的政府都重視這一項目，並號召全世界科學家共同參與，建議所有的進展、所有的數據、所有的實驗資源應隨時公布於眾，讓全世界所有國家免費享用。在實施過程中，各國科學家精誠合作、共享材料、共享數據、共同攻關。這在人類自然科學史上，還是史無前例的。人類基因組計劃與另兩個有全球性意義的項目，即曼哈頓原子彈計劃和阿波羅登月基因相比，更顯示了人類的諧同與進步。其三就是對社會「高度負責」的精神。人類基因組計劃在啟動伊始，便重視這一計劃可能對社會、法律、倫理方面的沖擊，特別注重這一方面的研究，並形成主流意見。特別是HUGO（國際人類基因組組織）的幾個重要聲明，充分體現了現代自然科學的「求真」、「求善」及對社會的高度責任感。我們應該頌揚這一「人類基因組計劃精神」，使它成為各國、各領域的合作楷模。

「人類基因組計劃」的由來與發展（三）

真理只能成功不許失敗，我們不能讓真理在自稱擁有真理的人手裡哭泣！盡管真理哭泣過千百次。一個計劃，所有的指標就得完成，否則就得宣告失敗，或者早已流產。人類基因組基因的目標，討論來討論去，數易其稿，對每一部分都有具體目標，定質、定量、定時完成。真理還要有說服性。美國的這一計劃的通過與被民眾接受，科學家做了大量工作，又要到國會去「游說」。有人說「人類基因組計劃」是美國歷史上規模最大、參與人數最多、也最為成功的「游說」！說服政治家也不容易啊！要把科學意義與社會意義，經濟意義結合起來，把現實的利益與長遠利益結合起來，還要一一比較各種不同的意見與方案。還要通過各種關系、渠道把工作做到家。對照他們的工作，我們可以說：假設我們中國的決策者對「人類基因組計劃」不予重視，我們科學家也有責任！除了科學家自己的討論外，主流科學家對民眾做了不少工作，後來美國政府也做了不少工作。美國政府不能有自己的報紙、電台、電視台，只好印了很多小冊子，有較淺顯的，如「人類基因組計劃有多大？多有價值？」。

也有很通俗的，如「了解我們的基因」這一小冊子。使大家都明確基因的重要性，人類基因組計劃的必要性，為什麼要花這么多錢，這錢花得如何值得。而科學家呢？他們到處講話，向通俗的語言，把基因說得活靈活現，把「人類基因組計劃」說的淺顯易懂。本文的很多說法，都是從他們那兒學來的。如搞清楚30億對核苷酸，就好象搞清楚整個地球上的30億對人各姓什麼（假說天下只有四個姓氏！）人的基因組就象地球那麼大，一個染色體就象一個國家那麼大，一個基因就象我們所在這憧樓那麼大，還有「制圖」就象在高速公路上標上路標等等。「人類基因組計劃」被民眾接受的過程，確實是社會學家、倫理學家、科學家、民眾的一場有關基因的科學普及過程。此外還有倫理學家的問題。這個問題可復雜啦！「人類基因組計劃」所揭示的人類的最終奧秘，勢必沖擊社會、法律、倫理。

最後，民眾還是大體接受了這一計劃。首先，懂得了基因的重要性後，民眾就產生了了解自我，了解基因的願望。如果沒有特殊的外界原因，我們的基因在出生以後變化就不大了。但我們要了解：（1）我們的基因在我們的家系傳遞的規律，特別是關繫到「病與不病」的那些基因，照料好我們的後代。（2）我們要了解「病與不病」的原因。人類基因組計劃能夠堅持到今天，全靠全世界廣大民眾的支持。因為這是一項公益性的計劃，關繫到千家萬戶，千秋萬代。

『貳』生物信息學入門書籍推薦

生物信息學參考書籍（入門級） 1、 David W.Mount 《Bioinformatics sequence and genome analysis》影印本，科學出版社,2002 2、 Durbin R,Eddy S,Krogh A,et al.生物序列分析,蛋白質和核酸的概率論模型[M].北京清華大學出版社,2002 3、帕夫納，計算分子生物學演算法逼近，化學工業出版社，2004 4、 (巴西) J.塞圖寶，J.梅丹尼斯著，朱浩等譯，計算分子生物學導論，科學出版社，2003 5、 Masatoshi Nei（根井正利） Sudhir Kumar. 譯者：呂寶忠，鍾揚，高莉萍，高等教育出版社，2002 6、 [美][巴森文尼斯]Andreas D.Baxevanis,[美]B.F.Francis Ouellette著；李衍達,孫之榮等譯，生物信息學基因和蛋白質分析的實用指南,，清華大學出版社, 2000 7、鮑爾迪，DNA晶元和基因表達從實驗到數據分析與模建，科學出版社，2003 8、（美）利布萊爾，蛋白質組學導論：生物學的新工具，科學出版社，2005 9、張亮，M.謝納[美] ，生物晶元分析，科學出版社，2004 10、盧因，基因VⅢ，科學出版社，2005 11、 (英)D.R.韋斯特海德(D.R. Westhead)等著；王明怡等譯, 生物信息學，科學出版社 2004 12、（法）皮埃爾·巴爾迪（Pierre Baldi），(丹)索恩·布魯納克（Soren Brunak）著；張東暉等譯，生物信息學：機器學習方法，中信出版社，2003 13、 (美）Cyntbia Gibas,Per Jambecks著；孫超等譯《生物信息學中的計算機技術》中國電力出版社，2002 14、 (美) Dan E. Krane, Michael L. Raymer著, 孫嘯，陸祖宏，謝建明等譯，生物信息學概論, 清華大學出版社2004 15、 (加)S.米塞諾, (美)S.A.克拉維茨著；歐陽紅生, 阮承邁, 李慎濤等譯,生物信息學方法指南，科學出版社， 2005 16、孫之榮主譯探索基因組學、蛋白質組學和生物信息學（中譯版），科學出版社， 2004年8月出版 17、哈特爾，遺傳學基因與基因組分析，科學出版社,2002 18、生物信息學若干前沿問題的探討：中國科協第81次青年科學家論壇論文集／黃德雙等主編, 中國科學技術大學出版社 2004 19、胡松年，薛慶中主編，《基因組數據分析手冊》浙江大學出版社, 2003 20、胡松年，基因表達序列標簽（EST）數據分析手冊，浙江大學出版社, 2005。

『叄』中國2000年6月以後人類基因組得工作進展

一、人類基因組計劃的主要研究內容

1.人類的遺傳信息貯存於細胞染色體的脫氧核糖核酸（簡稱DNA）中。DNA基本組成單位是核苷酸，核苷酸有四種，按其鹼基成分的不同分別稱為A(腺嘌呤)、G（鳥嘌呤）、C（胞嘧啶）和T（胸腺嘧啶），它們以不同的順序依次排列，形成由兩條線性長鏈組成的雙螺旋結構；兩條鏈以其鹼基間的氫鍵維系著雙螺旋的結構，其一條鏈上的A與另一條鏈上的T形成互補鹼基對，同樣，G與C之間形成了另一對互補鹼基。

基因（gene）是攜帶生物體遺傳性狀的基本單位，它的實質是染色體DNA線性鏈上的一段特定的核苷酸序列，這段序列蘊含了細胞中某一蛋白質或RNA的完整的遺傳密碼。據估算，一般認為人體基因的總數在10萬個左右。

基因組（genome）〔3〕是指一個細胞所含的全部遺傳信息,即染色體DNA(還有線粒體DNA)，它包括了全部的基因以及基因之間的區域。病毒的基因組很小，大腸桿菌的在4.6 Mb(百萬鹼基對)，人體基因組即指儲存在細胞23對染色體上的全部核苷酸序列,其總數大約為30億鹼基對（3×109 bp）。

2.HGP的最終目標是完成人類基因組全序列的測定，其內容主要分為遺傳圖、物理圖的構建和DNA序列測定兩個方面；基因的定位和分析也將包括在內。同時，還將開展模式生物基因組的研究。

採用遺傳分析的方法構建的基因組圖譜稱謂遺傳圖(genetic map)，它是指基因或DNA標志在染色體的相對位置與遺傳距離，它又稱為連鎖圖(linkage map)。遺傳距離是以基因片段在染色體交換過程中的分離頻率，即cM表示。cM值大，說明兩點之間的距離遠；反之亦然。使用的DNA標志越多，越密集，遺傳圖的解析度越精細。

應用分子生物學的技術構建的基因組圖譜叫做物理圖(physical map)，它是指DNA線性鏈上兩個基因片段之間的實際距離，其距離的長短以核苷酸數目的多少來表示。它是由DNA的限制酶片段或克隆的DNA片段有序排列而成。物理圖是序列分析和結構研究的基礎。

3.cDNA及轉錄圖。蛋白質是基因的表達產物，然而，基因必須先轉錄成相應的信使RNA(簡稱mRNA)，隨後才按mRNA模板上核苷酸序列所蘊含的氨基酸密碼翻譯成蛋白質。在細胞核內,由基因（DNA）合成mRNA的過程稱為轉錄；然而,由mRNA變成DNA的過程叫反轉錄。反轉錄的過程能在試管中進行，因為產生的DNA序列是與mRNA相互補，所以，稱它為cDNA（complementary DNA）。全長cDNA是指一個成熟mRNA被全部反轉錄的雙鏈DNA，它包含了mRNA編碼氨基酸的區域及其上游（5′端）和下游（3′端）的非編碼區域。在試管中進行逆轉錄反應，經常只能是一個片段, 要獲全長cDNA的難度是比較大的。其所獲的片段通常稱為「EST」（express sequencing tag，表達序列標簽），EST可作為某一特定mRNA或基因的代表。

人體內的所有的細胞都有相同的基因組即染色體DNA，而其基因的轉錄卻是受到嚴格的調控。不同的細胞為何顯示不同的形態與功能，是因為基因組中不同的基因被轉錄的緣故。不同的細胞其基因組轉錄成mRNA的種類和數量不相同，產生的蛋白質不一樣；就是同種細胞在其發育過程的不同階段，mRNA的種類和數量也不盡相同。轉錄圖的分析即可顯示不同種細胞或同種細胞不同發育階段、生理和病理狀態下的基因表達情況，也可啟示基因的生物功能〔4〕。

1990年正式啟動 HGP，10年來取得了令人振奮的進展。歸納如下。

1.人類基因組作圖已基本完成。遺傳圖的解析度已精確到0.75cM左右；物理圖已定位了52 000個STS（sequencing target site, 序列標簽位點，指的是染色體上一段特異的核苷酸序列片段，可作為位置標志用）；在基因的分離與鑒定方面,已測定出新的EST 180萬條,全長cDNA的克隆進展甚速。

2.人類基因組全序列的「工作草圖」即將完成。人的22號染色體是人23對染色體中第二小的一條（最小的是21號），它的DNA全序列已於去年12月初完成，這是英、日、美、加拿大和瑞典五國科學家共同努力的結果。Dunham等〔1〕216位科學家署名的論文報道了人22號染色體常染色質區的全序列由3 340萬鹼基對（3.34×107 bp）組成，至少編碼有545個基因和134個「假基因」（pseudogene）。並發現這一區域中含有與某些遺傳病有關的基因，如貓眼綜合征（cat eye syndrome）和先天性胸腺發育不全 (即DiGeoge 綜合征)，還存在有與精神分裂症敏感性相關的位點。這是首次提供了人體一條完整染色體的全部遺傳信息，對完成人類基因組全序列測定具有里程碑的意義；同時,也表明應用克隆拼接技術（clone by clone approach）是可以完成一條染色體全長的測定。

除22號染色體外，第7號、21號及X等染色體也都接近或完成了40％～50％的工作量(見：www.ncbi.nlm.gov/genome/seq/)，有望在今年3月底完成人類23對染色體DNA全序列的「工作草圖」。

3.模式生物基因組測序對象不斷擴大。酵母的全序列(14 Mb)測定已於1996年4月完成,1997年9月和1998年底又相繼完成了大腸桿菌(4.6Mb)與線蟲基因組(100 Mb)的序列測定。果蠅和小鼠的基因組測序工作進展加快；微生物、真菌和寄生蟲基因組研究倍受重視。根據TIGR微生物資料庫(www.tigr.org/tdb/mdb/mdbhmtl )的報道，目前已有20多種微生物基因組完成了序列測定，其中與疾病相關的佔了11種左右〔6〕。例如結核分支桿菌(Mycobacterium tuberculosis), 微小幽門螺旋菌(Helicobacter pylori) ，沙眼衣原體 (Chlamydia tetrachomatis) 等。在寄生蟲方面，人惡性瘧原蟲的基因組分析進展很快。

我國的人類基因組研究正式啟動於1994年，它獲得了國家自然科學基金、國家高技術發展計劃（863計劃）、以及地方政府等多種渠道的經費資助。1998年實施的國家重大基礎研究規劃項目也投入了較大的經費。國內的企業家和投資者開始注視著該項目的開發潛力。

1.人類基因組全序列測定是一個以美國為主，有英、法、德、日等國參加的國際間的合作項目。自1999年9月中國被正式接納參加此項計劃，承擔其中1%的任務，測序的具體部位是從人3號染色體短臂的端粒(ter)到D3S3610標記，其遺傳距離為31.4 cM。在國家863計劃和中國科學院共同資助下，中科院遺傳所以及國家人類基因組南、北兩個研究中心的科技人員，正按照國際計劃的進程，同步完成所承擔的任務，力爭今年3月底完成「工作框架」圖。

在模式生物基因組測序中，除中科院為主承擔的水稻基因組之外，微生物基因組測序已經開始。痢疾桿菌、泉生熱袍菌(C.fonfana)和鉤端螺旋體等基因組測序工作正在進行之中。

大規模測序、基因組掃描、cDNA陣列、基因晶元、SNP篩查和蛋白質組學等技術方法的建立與成熟應用，以及生物信息學的深入推廣，將促進我國基因組研究的進一步發展。

四、展望

人類基因組全序列測定即將完成，研究工作已開始進入後基因組時代，重點轉向功能基因組學的研究。如此飛速的進展將對21世紀生命科學包括醫學科學在內的發展產生巨大的推動作用。同時，生物技術內涵已被進一步擴展，生物技術產業化也將有更大的發展。具有重要的生物學功能的新基因以及疾病相關基因的分離和克隆，可用於基因工程產品的生產、疾病的診斷與治療或人類疾病發生機理的研究，並為創新葯物研製提供基礎。

我國的人類基因組研究正式啟動於1994年，它獲得了國家自然科學基金、國家高技術發展計劃（863計劃）、以及地方政府等多種渠道的經費資助。1998年實施的國家重大基礎研究規劃項目也投入了較大的經費。國內的企業家和投資者開始注視著該項目的開發潛力。

1.人類基因組全序列測定是一個以美國為主，有英、法、德、日等國參加的國際間的合作項目。自1999年9月中國被正式接納參加此項計劃，承擔其中1%的任務，測序的具體部位是從人3號染色體短臂的端粒(ter)到D3S3610標記，其遺傳距離為31.4 cM。在國家863計劃和中國科學院共同資助下，中科院遺傳所以及國家人類基因組南、北兩個研究中心的科技人員，正按照國際計劃的進程，同步完成所承擔的任務，力爭今年3月底完成「工作框架」圖。

在模式生物基因組測序中，除中科院為主承擔的水稻基因組之外，微生物基因組測序已經開始。痢疾桿菌、泉生熱袍菌(C.fonfana)和鉤端螺旋體等基因組測序工作正在進行之中。

大規模測序、基因組掃描、cDNA陣列、基因晶元、SNP篩查和蛋白質組學等技術方法的建立與成熟應用，以及生物信息學的深入推廣，將促進我國基因組研究的進一步發展。

四、展望

人類基因組全序列測定即將完成，研究工作已開始進入後基因組時代，重點轉向功能基因組學的研究。如此飛速的進展將對21世紀生命科學包括醫學科學在內的發展產生巨大的推動作用。同時，生物技術內涵已被進一步擴展，生物技術產業化也將有更大的發展。具有重要的生物學功能的新基因以及疾病相關基因的分離和克隆，可用於基因工程產品的生產、疾病的診斷與治療或人類疾病發生機理的研究，並為創新葯物研製提供基礎。

『肆』生物信息學一些基本的常用軟體有哪些

必學：1、計算機基礎（linux+perl+R 或者 python+matlab）
2、生信基礎知識（測序+資料庫+數據格式）
3、生信研究領域（全基因組，全轉錄組，全外顯子組，捕獲目標區域測序）
4、生信應用領域（腫瘤篩查，產前診斷，流行病學，個性化醫療）
分而治之：
一、計算機基礎，需要看三本書，一步步的學會學通，不需要刻意去找哪個書，一般linux是鳥哥私房菜，perl是小駱駝咯，R是R in action，但是看一本書只能入門，真正想成為菜鳥，必須每個要看五本書以上！我雲盤裡面有這基本上的高清列印版，大家可以去淘寶列印一下才幾十塊錢還包郵，對書比較講究的也可以買正版，也不過是一百多塊錢而已！
二、生信基礎知識，測序方面，在網路文庫找十幾篇一代二代三代測序儀資料仔細研讀，然後去優酷下載各大主流測序儀的動畫講解，再看看陳巍學基因的講解；資料庫先看看三大主流資料庫——NCBI,ENSEMBL,UCSC，還有一些也可以了解一些（uniprot,IMGT,KEGG，OMIN，TIGR，GO）同樣也是網路文庫自己搜索資料，但是這次需要自己去官網一個個頁面點擊看，一個個翻譯成中文理解吃透；數據格式講起了就多了，這個主要是在項目流程中慢慢學，或者你有機會去上課，不然你看來也是立馬忘記的，主要有sam,vcf,fasta,fastq,bed,gtf,gff,genbank,ensembl,psl等等
三、生信研究領域，各個領域主要是軟體繁多，合起來常用的估計有上百個軟體了，一般只有從業五六年以上的人才有可能把它們全部用過一遍，而且這也完全需要項目來訓練，而不能僅僅是看看軟體手冊，但是研究領域最重要的是背後的原理，需要看各大牛的綜述。
a) 生信基礎軟體(blast++套件，fastqc，flash，blast，solexaQA，NGS-QC-toolkit，SRA-toolkit，fastx-toolkit)
b) snp-calling相關軟體（bwa，bowtie，samtools，GATK，VarScan.jar，annovar）
c) 基因組相關軟體（velvet，SOAPdenovo2，repeatmasker,repeatscount,piler，orthMCL，inparanoid,clustw,muscle，MAFFT，quickparanoid，blast2go，RAxML，phyML）
d) 轉錄組相關軟體（trinity，tophat，cufflinks，RseQC，RNAseq，GOseq，MISO，RSEM，khmer，screed，trimmomatic，transDecoder，vast-tools，picard-tools，htseq，cuffdiff，edgeR，DEseq，funnet，davidgo，wego，kobas，KEGG，Amigo，go）

『伍』基因組高通量測序的原理

測序方案建立在雙脫氧測序法(Sanger等，1977)的基礎上。為了從每一克隆插入片段兩端成對地進行測序，每一個質粒模板DNA板應配備兩個384孔循環測序反應板。

測序反應採用Big Dye Terminator chemistry version 3．1(AppliedBiosystems)和標准M13或常用正向引物和反向引物。測序反應通過BiomekFX(Beckman)移液操作工作站建立。

機械臂負責等分模板試樣，起與反應液混合的作用，反應液含有雙脫氧核苷酸、熒游標記的核苷酸、TaqDNA聚合酶、序列引物和緩沖液。

模板和反應板有條形碼，且在BiomekFX移液操作工作站上有條形碼讀取器跟蹤，確保模板和反應液轉移中沒有錯誤。30～40線性擴增步驟連續循環在MJResearchTetrads或9700熱循環儀(Ap—pliedBiosystems)中進行。

(5)tigr資料庫擴展閱讀：

技術發展：

高通量測序平台(high-throughput_genome_sequence_database)自從2005年454 Life Sciences公司（2007年該公司被Roche正式收購）推出了454 FLX焦磷酸測序平台（454 FLX pyrosequencing platform）以來。

曾推出過3730xlDNA測序儀（3730xl DNA Analyzer）的Applied BioSystem（ABI）這家一直占據著測序市場最大份額的公司的領先地位就開始動搖了。

因為他們的拳頭產品毛細管陣列電泳測序儀系列（series capillary array electrophoresis sequencing machines）遇到了兩個強有力的競爭對手，一個就是羅氏公司(Roche)的454 測序儀(Roch GS FLX sequencer)。

另一個就是2006年美國Illumina公司推出的Solexa基因組分析平台（Genome Analyzer platform），為此，2007年ABI公司推出了自主研發的SOLiD 測序儀(ABI SOLiD sequencer)。這三個測序平台即為目前高通量測序平台的代表。

『陸』人類基因組計劃

■人類基因組計劃的研究現狀與展望------發表日期：2004年3月30日

一、研究現狀
1、人類基因組測序
1990年～1998年，人類基因組序列已完成和正在測序的共計約330Mb，占人基因組的11％左右；已識別出人類疾病相關的基因200個左右。此外，細菌、古細菌、支原體和酵母等17種生物的全基因組的測序已經完成。
值得一提的是，企業與研究部門的攜手，將大大地促進測序工作的完成。美國的基因組研究所（The Institute of Genome Research, TIGR）與PE（Perkin-Elmar）公司合作建立新公司，三年內投資2億美元，預計於2002年完成全序列的測定。這一進度將比美國政府資助的HGP的預定目標提前三年。美國加州的一家遺傳學數據公司(Incyte)宣布（1998年〕，兩年內測定基因組中的蛋白質編碼序列以及密碼子中的單核苷酸的多態性，最後將繪制一幅人的10萬個基因的定點陣圖。與Incyte公司合作的HGS（Human Genome Science）公司的負責人宣稱，截止1998年8月，該公司已鑒定出10萬多個基因（人體基因約為12萬個），並且得到了95％以上基因的EST（expressed sequence tag）或其部分序列。
1998年9月14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的負責人在一次咨詢會議上宣布，美國政府資助的人類基因組計劃將於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一，測序的差錯率不超過萬分之一。同時還要完成一幅「工作草圖」，至少覆蓋基因組的90％，差錯率為百分之一。2003年完成基因組測序，差錯率為萬分之一。這一時間表顯示，計劃將比開始的目標提前兩年完成。
2、疾病基因的定位克隆
人類基因組計劃的直接動因是要解決包括腫瘤在內的人類疾病的分子遺傳學問題。6000多個單基因遺傳病和多種大面積危害人類健康的多基因遺傳病的致病基因及相關基因，代表了對人類基因中結構和功能完整性至關重要的組成部分。所以，疾病基因的克隆在HGP中占據著核心位置，也是計劃實施以來成果最顯著的部分。
在遺傳和物理作圖工作的帶動下，疾病基因的定位、克隆和鑒定研究已形成了，從表位→蛋白質→基因的傳統途徑轉向「反求遺傳學」或「定位克隆法」的全新思路。隨著人類基因圖的構成，3000多個人類基因已被精確地定位於染色體的各個區域。今後，一旦某個疾病位點被定位，就可以從局部的基因圖中遴選出相關基因進行分析。這種被稱為「定位候選克隆」的策略，將大大提高發現疾病基因的效率。
3、多基因病的研究
目前，人類疾病的基因組學研究已進入到多基因疾病這一難點。由於多基因疾病不遵循孟德爾遺傳規律，難以從一般的家系遺傳連鎖分析取得突破。這方面的研究需要在人群和遺傳標記的選擇、數學模型的建立、統計方法的改進等方面進行艱苦的努力。近來也有學者提出，用比較基因表達譜的方法來識別疾病狀態下基因的激活或受抑。實際上，「癌腫基因組解剖學計劃（Cancer Genome Anatomy Project,CGAP」就代表了在這方面的嘗試。
4、中國的人類基因組研究
國際HGP 研究的飛速發展和日趨激烈的基因搶奪戰已引起了中國政府和科學界的高度重視。在政府的資助和一批高水平的生命科學家帶領下，我國已建成了一批實力較強的國家級生命科學重點實驗室，組建了北京、上海人類基因組研究中心。有了研究人類基因組的條件和基礎，並引進和建立了一批基因組研究中的新技術。中國的HGP在多民族基因保存、基因組多樣性的比較研究方面取得了令人滿意的成果，同時在白血病、食管癌、肝癌、鼻咽癌等易感基因研究方面亦取得了較大進展。
首先建立了寡核苷酸引物介導的人類高分辨染色體顯微切割和顯微基因克隆技術；已建立的17種染色體特異性DNA文庫和24種染色體區特異性DNA文庫及其探針；構建了人X染色體YAC圖譜，已完成了人X染色體Xp11.2-p21.3跨度的約35cM STS－YAC圖譜的構建；建立了YAC－cDNA篩選技術。
目前的研究工作還包括: 疾病和功能相關新基因的分離、測序和克隆的技術和方法學的創新研究；中國少數民族HLA分型研究及特種基因的分析；人胎腦cDNA文庫的構建和新基因的克隆研究。
中國是世界上人口最多的國家，有56 個民族和極為豐富的病種資源，並且由於長期的社會封閉，在一些地區形成了極為難得的族群和遺傳隔離群，一些多世代、多個體的大家系具有典型的遺傳性狀，這些都是克隆相關基因的寶貴材料。但是，由於我國的HGP 研究工作起步較晚、底子薄、資金投入不足，缺乏一支穩定的、高素質的青年生力軍，我國的HGP 研究工作與國外近年來的驚人發展速度相比，差距還很大，並且有進一步加大的危險。如果我們在這場基因爭奪戰中不能堅守住自己的陣地，那麼在21 世紀的競爭中我們又將處於被動地位：我們不能自由地應用基因診斷和基因治療的權力，我們不能自由地進行生物葯物的生產和開發，我們亦不能自由地推動其他基因相關產業的發展。
二、展望
1、生命科學工業的形成
由於基因組研究與制葯、生物技術、農業、食品、化學、化妝品、環境、能源和計算機等工業部門密切相關，更重要的是基因組的研究可以轉化為巨大的生產力，國際上一批大型制葯公司和化學工業公司大規模紛紛投巨資進軍基因組研究領域，形成了一個新的產業部門，即生命科學工業。
世界上一些大的制葯集團紛紛投資建立基因組研究所。Ciba-Geigy 和Ssandoz合資組建了Novartis 公司，並斥資2.5億美元建立研究所，開展基因組研究工作。Smith Kline 公司花1.25億美元加快測序的進度，將葯物開發項目的25％建立在基因組學之上。Glaxo-Wellcome 在基因組研究領域投入4，700萬美元，將研究人員增加了一倍。
大型化學工業公司向生命科學工業轉軌。孟山都公司早在1985年就開始轉向生命科學工業。至1997年，該公司向生物技術和基因組研究的投入已高達66億美元。1998年4月，杜邦公司宣布改組成三個實業單位，由生命科學領頭。1998年5月，該公司又宣布放棄能源公司Conaco，將其改造成一家生命科學公司。Dow化學公司用9億美元購入Eli Lilly公司40％的股票，從事穀物和食品研究，後又成立了生命科學公司。Hoechst公司則出售了它的基本化學品部門，轉項投資生物技術和制葯。
傳統的農業和食品部門也出現了向生物技術和制葯合並的趨勢。Genzyme Transgenics 公司培養出的基因工程羊能以較高的產量生產抗凝血酶III，一群羊的酶產量相當於投資1.15億美元工廠的產量。據估計，轉基因動物生產的葯物成本是大規模細胞培養法的十分之一。一些公司還在研究生產能抗骨質疏鬆的穀物，以及大規模生產和加工基因工程食品。
能源、采礦和環境工業也已在分子水平上向基因組研究匯合。例如，用產甲烷菌Methanobacterium 作為一種新能源。用抗輻射的細菌Deinococcus radiorans清除放射性物質的污染，並在轉入tod基因後，在高輻射環境下清除多種有害化學物質的污染。
2、功能基因組學
人類基因組計劃當前的整體發展趨勢是什麼？一方面，在順利實現遺傳圖和物理圖的製作後，結構基因組學正在向完成染色體的完整核酸序列圖的目標奮進。另一方面，功能基因組學已提上議事日程。人類基因組計劃已開始進入由結構基因組學向功能基因組學過渡、轉化的過程。在功能基因組學研究中，可能的核心問題有：基因組的表達及其調控、基因組的多樣性、模式生物體基因組研究等。
（1）基因組的表達及其調控
1）基因轉錄表達譜及其調控的研究
一個細胞的基因轉錄表達水平能夠精確而特異地反映其類型、發育階段以及反應狀態，是功能基因組學的主要內容之一。為了能夠全面地評價全部基因的表達，需要建立全新的工具系統，其定量敏感性水平應達到小於1個拷貝/細胞，定性敏感性應能夠區分剪接方式，還須達到檢測單細胞的能力。近年來發展的DNA微陣列技術，如DNA晶元，已有可能達到這一目標。
研究基因轉錄表達不僅是為了獲得全基因組表達的數據，以作為數學聚類分析。關鍵問題是要解析控制整個發育過程或反應通路的基因表達網路的機制。網路概念對於生理和病理條件下的基因表達調控都是十分重要的。一方面，大多數細胞中基因的產物都是與其它基因的產物互相作用的；另一方面，在發育過程中大多數的基因產物都是在多個時間和空間表達並發揮其功能，形成基因表達的多效性。在一個意義上，每個基因的表達模式只有放到它所在的調控網路的大背景下，才會有真正的意義。進行這方面的研究，有必要建立高通量的小鼠胚胎原位雜交技術。
2）蛋白質組學研究
蛋白質組學研究是要從整體水平上研究蛋白質的水平和修飾狀態。目前正在發展標准化和自動化的二維蛋白質凝膠電泳的工作體系。首先用一個自動系統來提取人類細胞的蛋白質，繼而用色譜儀進行部分分離，將每區段中的蛋白質裂解，再用質譜儀分析，並在蛋白質資料庫中通過特徵分析來認識產生的多肽。
蛋白質組研究的另一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。組裝基因組各成分間的詳盡作圖已在T7噬菌體（55個基因）獲得成功。如何在模式生物（如酵母）和人類基因組的研究中建立自動方法，認識不同的生化通路，是值得探討的問題。
3）生物信息學的應用
目前，生物信息學已大量應用於基因的發現和預測。然而，利用生物信息學去發現基因的蛋白質產物的功能更為重要。模式生物體中越來越多的蛋白質構建編碼單位被識別，無疑為基因和蛋白質同源關系的搜尋和家族的分類提供了極其寶貴的信息。同時，生物信息學的演算法、程序也在不斷改善，使得不僅能夠從一級結構，也能從估計結構上發現同源關系。但是，利用計算機模擬所獲得的理論數據，還需要經過實驗經過的驗證和修正。
（2）基因組多樣性的研究
人類是一個具有多態性的群體。不同群體和個體在生物學性狀以及在對疾病的易感性與抗性上的差別，反映了進化過程中基因組與內、外部環境相互作用的結果。開展人類基因組多樣性的系統研究，無論對於了解人類的起源和進化，還是對於生物醫學均會產生重大的影響。
1）對人類DNA的再測序
可以預測，在完成第一個人類基因組測序後，必然會出現對各人種、群體進行再測序和精細基因分型的熱潮。這些資料與人類學、語言學的資料項結合，將有可能建立一個全人類的資料庫資源，從而更好地了解人類的歷史和自身特徵。另外，基因組多樣性的研究將成為疾病基因組學的主要內容之一，而群體遺傳學將日益成為生物醫葯研究中的主流工具。需要對各種常見多因素疾病（如高血壓、糖尿病和精神分裂症等）的相關基因及癌腫相關基因在基因組水平進行大規模的再測序，以識別其變異序列。
2）對其它生物的測序
對進化過程各個階段的生物進行系統的比較DNA測序，將揭開生命35億年的進化史。這樣的研究不僅能勾畫出一張詳盡的系統進化樹，而且將顯示進化過程中最主要的變化所發生的時間及特點，比如新基因的出現和全基因組的復制。
認識不同生物中基因序列的保守性，將能夠使我們有效地認識約束基因及其產物的功能性的因素。對序列差異性的研究則有助於認識產生大自然多樣性的基礎。在不同生物體之間建立序列變異與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路結構。
（3）開展對模式生物體的研究
1）比較基因組研究
在人類基因組的研究中，模式生物體的研究佔有極其重要的地位。盡管模式生物體的基因組的結構相對簡單，但是它們的核心細胞過程和生化通路在很大程度上是保守的。這項研究的意義是：1〕有助於發展和檢驗新的相關技術，如大規模測序、大規模表達譜檢驗、大規模功能篩選等；2〕通過比較和鑒定，能夠了解基因組的進化，從而加速對人類基因組結構和功能的了解；3〕模式生物體間的比較研究，為闡明基因表達機制提供了重要的線索。
目前對於基因組總體結構組成方面的知識，主要來源於模式生物體的基因組序列分析。通過對不同物種間基因調控序列的計算機分析，已發現了一定比例的保守性核心調控序列。根據這些序列建立的表達模式資料庫對破譯基因調控網路提供了必要的條件。
2）功能缺失突變的研究
識別基因功能最有效的方法，可能是觀察基因表達被阻斷後在細胞和整體所產生的表型變化。在這方面，基因剔除方法（knock-out）是一項特別有用的工具。目前。國際上已開展了對酵母、線蟲和果蠅的大規模功能基因組學研究，其中進展最快的是酵母。歐共體為此專門建立了一個稱為EUROFAN(European Functional Analysis Network)的研究網路。美國、加拿大和日本也啟動了類似的計劃。

隨著線蟲和果蠅基因組測序的完成，將來也可能開展對這兩種生物的類似性研究。一些突變株系和技術體系建立後，不僅能夠成為研究單基因功能的有效手段，而且為研究基因冗餘性和基因間的相互作用等深層次問題奠定了基礎。小鼠作為哺乳動物中的代表性模式生物，在功能基因組學的研究中展有特殊的地位。同源重組技術可以破壞小鼠的任何一個基因，這種方法的缺點是費用高。利用點突變、缺失突變和插入突變造成的隨機突變是另一中可能的途徑。對於人體細胞而言，建立反義寡核苷酸和核酶瞬間阻斷基因表達的體系可能更加合適。蛋白質水平的剔除術也許是說明基因功能最有力的手段。利用組合化學方法有望生產出化學剔除試劑，用於激活或失活各種蛋白質。
總之，模式生物體的基因組計劃為人類基因組的研究提供了大量的信息。今後，模式生物體的研究方向是將人類基因組8～10萬個編碼基因的大部分轉化為已知生化功能的多成分核心機制。而要獲得酶一種人類進化保守性核心機制的精細途徑，以及它們的紊亂導致疾病的各種途徑的知識，將只能來自對人類自身的研究。
通過功能基因組學的研究，人類最終將將能夠了解哪些進化機制已經確實發生，並考慮進化過程還能夠有哪些新的潛能。一種新的解答發育問題的方法可能是，將蛋白質功能域和調控順序進行重新的組合，建立新的基因網路和形態發生通路。也就是說，未來的生物科學不僅能夠認識生物體是如何構成和進化的，而且更為誘人的是產生構建新的生物體的可能潛力。

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