生命科學(xué)工業(yè)的形成
由于基因組研究與制藥、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、食品、化學(xué)、化妝品、環(huán)境、能源和計(jì)算機(jī)等工業(yè)部門密切相關(guān),更重要的是基因組的研究可以轉(zhuǎn)化為巨大的生產(chǎn)力,國(guó)際上一批大型制藥公司和化學(xué)工業(yè)公司大規(guī)模紛紛投巨資進(jìn)軍基因組研究領(lǐng)域,形成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)部門,即生命科學(xué)工業(yè)。
世界上一些大的制藥集團(tuán)紛紛投資建立基因組研究所。Ciba-Geigy和Ssandoz合資組建了Novartis公司,并斥資2.5億美元建立研究所,開(kāi)展基因組研究工作。SmithKline公司花1.25億美元加快測(cè)序的進(jìn)度,將藥物開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的25%建立在基因組學(xué)之上。Glaxo-Wellcome在基因組研究領(lǐng)域投入4,700萬(wàn)美元,將研究人員增加了一倍。 大型化學(xué)工業(yè)公司向生命科學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)軌。孟山都公司早在1985年就開(kāi)始轉(zhuǎn)向生命科學(xué)工業(yè)。至1997年,該公司向生物技術(shù)和基因組研究的投入已高達(dá)66億美元。1998年4月,杜邦公司宣布改組成三個(gè)實(shí)業(yè)單位,由生命科學(xué)領(lǐng)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(xué)公司。Dow化學(xué)公司用9億美元購(gòu)入EliLilly公司40%的股票,從事谷物和食品研究,后又成立了生命科學(xué)公司。Hoechst公司則出售了它的基本化學(xué)品部門,轉(zhuǎn)項(xiàng)投資生物技術(shù)和制藥。 傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)和食品部門也出現(xiàn)了向生物技術(shù)和制藥合并的趨勢(shì)。GenzymeTransgenics公司培養(yǎng)出的基因工程羊能以較高的產(chǎn)量生產(chǎn)抗凝血酶III,一群羊的酶產(chǎn)量相當(dāng)于投資1.15億美元工廠的產(chǎn)量。據(jù)估計(jì),轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)的藥物成本是大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)法的十分之一。一些公司還在研究生產(chǎn)能抗骨質(zhì)疏松的谷物,以及大規(guī)模生產(chǎn)和加工基因工程食品。 能源、采礦和環(huán)境工業(yè)也已在分子水平上向基因組研究匯合。例如,用產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium作為一種新能源。用抗輻射的細(xì)菌Deinococcusradiodurans清除放射性物質(zhì)的污染,并在轉(zhuǎn)入tod基因后,在高輻射環(huán)境下清除多種有害化學(xué)物質(zhì)的污染。 功能基因組學(xué)
人類基因組計(jì)劃當(dāng)前的整體發(fā)展趨勢(shì)是什么?一方面,在順利實(shí)現(xiàn)遺傳圖和物理圖的制作后,結(jié)構(gòu)基因組學(xué)正在向完成染色體的完整核酸序列圖的目標(biāo)奮進(jìn)。另一方面,功能基因組學(xué)已提上議事日程。人類基因組計(jì)劃已開(kāi)始進(jìn)入由結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)過(guò)渡、轉(zhuǎn)化的過(guò)程。在功能基因組學(xué)研究中,可能的核心問(wèn)題有:基因組的表達(dá)及其調(diào)控、基因組的多樣性、模式生物體基因組研究等。 基因組的表達(dá)及其調(diào)控
一個(gè)細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平能夠精確而特異地反映其類型、發(fā)育階段以及反應(yīng)狀態(tài),是功能基因組學(xué)的主要內(nèi)容之一。為了能夠全面地評(píng)價(jià)全部基因的表達(dá),需要建立全新的工具系統(tǒng),其定量敏感性水平應(yīng)達(dá)到小于1個(gè)拷貝/細(xì)胞,定性敏感性應(yīng)能夠區(qū)分剪接方式,還須達(dá)到檢測(cè)單細(xì)胞的能力。近年來(lái)發(fā)展的DNA微陣列技術(shù),如DNA芯片,已有可能達(dá)到這一目標(biāo)。 研究基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)不僅是為了獲得全基因組表達(dá)的數(shù)據(jù),以作為數(shù)學(xué)聚類分析。關(guān)鍵問(wèn)題是要解析控制整個(gè)發(fā)育過(guò)程或反應(yīng)通路的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)概念對(duì)于生理和病理?xiàng)l件下的基因表達(dá)調(diào)控都是十分重要的。一方面,大多數(shù)細(xì)胞中基因的產(chǎn)物都是與其它基因的產(chǎn)物互相作用的;另一方面,在發(fā)育過(guò)程中大多數(shù)的基因產(chǎn)物都是在多個(gè)時(shí)間和空間表達(dá)并發(fā)揮其功能,形成基因表達(dá)的多效性。在一個(gè)意義上,每個(gè)基因的表達(dá)模式只有放到它所在的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的大背景下,才會(huì)有真正的意義。進(jìn)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(shù)。 2)蛋白質(zhì)組學(xué)研究
蛋白質(zhì)組學(xué)研究是要從整體水平上研究蛋白質(zhì)的水平和修飾狀態(tài)。目前正在發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化的二維蛋白質(zhì)凝膠電泳的工作體系。首先用一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)來(lái)提取人類細(xì)胞的蛋白質(zhì),繼而用色譜儀進(jìn)行部分分離,將每區(qū)段中的蛋白質(zhì)裂解,再用質(zhì)譜儀分析,并在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)特征分析來(lái)認(rèn)識(shí)產(chǎn)生的多肽。 蛋白質(zhì)組研究的另一個(gè)重要內(nèi)容是建立蛋白質(zhì)相互關(guān)系的目錄。生物大分子之間的相互作用構(gòu)成了生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。組裝基因組各成分間的詳盡作圖已在T7噬菌體(55個(gè)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(dòng)方法,認(rèn)識(shí)不同的生化通路,是值得探討的問(wèn)題。 3)生物信息學(xué)的應(yīng)用
目前,生物信息學(xué)已大量應(yīng)用于基因的發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)。然而,利用生物信息學(xué)去發(fā)現(xiàn)基因的蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能更為重要。模式生物體中越來(lái)越多的蛋白質(zhì)構(gòu)建編碼單位被識(shí)別,無(wú)疑為基因和蛋白質(zhì)同源關(guān)系的搜尋和家族的分類提供了極其寶貴的信息。同時(shí),生物信息學(xué)的算法、程序也在不斷改善,使得不僅能夠從一級(jí)結(jié)構(gòu),也能從估計(jì)結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)同源關(guān)系。但是,利用計(jì)算機(jī)模擬所獲得的理論數(shù)據(jù),還需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)的驗(yàn)證和修正。 基因組多樣性的研究
人類是一個(gè)具有多態(tài)性的群體。不同群體和個(gè)體在生物學(xué)性狀以及在對(duì)疾病的易感性與抗性上的差別,反映了進(jìn)化過(guò)程中基因組與內(nèi)、外部環(huán)境相互作用的結(jié)果。開(kāi)展人類基因組多樣性的系統(tǒng)研究,無(wú)論對(duì)于了解人類的起源和進(jìn)化,還是對(duì)于生物醫(yī)學(xué)均會(huì)產(chǎn)生重大的影響。
1)對(duì)人類DNA的再測(cè)序
可以預(yù)測(cè),在完成第一個(gè)人類基因組測(cè)序后,必然會(huì)出現(xiàn)對(duì)各人種、群體進(jìn)行再測(cè)序和精細(xì)基因分型的熱潮。這些資料與人類學(xué)、語(yǔ)言學(xué)的資料項(xiàng)結(jié)合,將有可能建立一個(gè)全人類的數(shù)據(jù)庫(kù)資源,從而更好地了解人類的歷史和自身特征。另外,基因組多樣性的研究將成為疾病基因組學(xué)的主要內(nèi)容之一,而群體遺傳學(xué)將日益成為生物醫(yī)藥研究中的主流工具。需要對(duì)各種常見(jiàn)多因素疾?。ㄈ?/span>高血壓、糖尿病和精神分裂癥等)的相關(guān)基因及癌腫相關(guān)基因在基因組水平進(jìn)行大規(guī)模的再測(cè)序,以識(shí)別其變異序列。 2)對(duì)其它生物的測(cè)序
對(duì)進(jìn)化過(guò)程各個(gè)階段的生物進(jìn)行系統(tǒng)的比較DNA測(cè)序,將揭開(kāi)生命35億年的進(jìn)化史。這樣的研究不僅能勾畫出一張?jiān)敱M的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),而且將顯示進(jìn)化過(guò)程中最主要的變化所發(fā)生的時(shí)間及特點(diǎn),比如新基因的出現(xiàn)和全基因組的復(fù)制。 認(rèn)識(shí)不同生物中基因序列的保守性,將能夠使我們有效地認(rèn)識(shí)約束基因及其產(chǎn)物的功能性的因素。對(duì)序列差異性的研究則有助于認(rèn)識(shí)產(chǎn)生大自然多樣性的基礎(chǔ)。在不同生物體之間建立序列變異與基因表達(dá)的時(shí)空差異之間的相關(guān)性,將有助于揭示基因的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
開(kāi)展對(duì)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,模式生物體的研究占有極其重要的地位。盡管模式生物體的基因組的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但是它們的核心細(xì)胞過(guò)程和生化通路在很大程度上是保守的。這項(xiàng)研究的意義是:1〕有助于發(fā)展和檢驗(yàn)新的相關(guān)技術(shù),如大規(guī)模測(cè)序、大規(guī)模表達(dá)譜檢驗(yàn)、大規(guī)模功能篩選等;2〕通過(guò)比較和鑒定,能夠了解基因組的進(jìn)化,從而加速對(duì)人類基因組結(jié)構(gòu)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(dá)機(jī)制提供了重要的線索。
目前對(duì)于基因組總體結(jié)構(gòu)組成方面的知識(shí),主要來(lái)源于模式生物體的基因組序列分析。通過(guò)對(duì)不同物種間基因調(diào)控序列的計(jì)算機(jī)分析,已發(fā)現(xiàn)了一定比例的保守性核心調(diào)控序列。根據(jù)這些序列建立的表達(dá)模式數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)破譯基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了必要的條件。
2)功能缺失突變的研究
識(shí)別基因功能最有效的方法,可能是觀察基因表達(dá)被阻斷后在細(xì)胞和整體所產(chǎn)生的表型變化。在這方面,基因剔除方法(knock-out)是一項(xiàng)特別有用的工具。目前。國(guó)際上已開(kāi)展了對(duì)酵母、線蟲(chóng)和果蠅的大規(guī)模功能基因組學(xué)研究,其中進(jìn)展最快的是酵母。歐共體為此專門建立了一個(gè)稱為EUROFAN(EuropeanFunctionalAnalysisNetwork)的研究網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)、加拿大和日本也啟動(dòng)了類似的計(jì)劃。 隨著線蟲(chóng)和果蠅基因組測(cè)序的完成,將來(lái)也可能開(kāi)展對(duì)這兩種生物的類似性研究。一些突變株系和技術(shù)體系建立后,不僅能夠成為研究單基因功能的有效手段,而且為研究基因冗余性和基因間的相互作用等深層次問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。小鼠作為哺乳動(dòng)物中的代表性模式生物,在功能基因組學(xué)的研究中展有特殊的地位。同源重組技術(shù)可以破壞小鼠的任何一個(gè)基因,這種方法的缺點(diǎn)是費(fèi)用高。利用點(diǎn)突變、缺失突變和插入突變造成的隨機(jī)突變是另一中可能的途徑。對(duì)于人體細(xì)胞而言,建立反義寡核苷酸和核酶瞬間阻斷基因表達(dá)的體系可能更加合適。蛋白質(zhì)水平的剔除術(shù)也許是說(shuō)明基因功能最有力的手段。利用組合化學(xué)方法有望生產(chǎn)出化學(xué)剔除試劑,用于激活或失活各種蛋白質(zhì)。 總之,模式生物體的基因組計(jì)劃為人類基因組的研究提供了大量的信息。今后,模式生物體的研究方向是將人類基因組8~10萬(wàn)個(gè)編碼基因的大部分轉(zhuǎn)化為已知生化功能的多成分核心機(jī)制。而要獲得酶一種人類進(jìn)化保守性核心機(jī)制的精細(xì)途徑,以及它們的紊亂導(dǎo)致疾病的各種途徑的知識(shí),將只能來(lái)自對(duì)人類自身的研究。 通過(guò)功能基因組學(xué)的研究,人類最終將將能夠了解哪些進(jìn)化機(jī)制已經(jīng)確實(shí)發(fā)生,并考慮進(jìn)化過(guò)程還能夠有哪些新的潛能。一種新的解答發(fā)育問(wèn)題的方法可能是,將蛋白質(zhì)功能域和調(diào)控順序進(jìn)行重新的組合,建立新的基因網(wǎng)絡(luò)和形態(tài)發(fā)生通路。也就是說(shuō),未來(lái)的生物科學(xué)不僅能夠認(rèn)識(shí)生物體是如何構(gòu)成和進(jìn)化的,而且更為誘人的是產(chǎn)生構(gòu)建新的生物體的可能潛力。
人類基因組計(jì)劃大事記
1990年10月,國(guó)際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。
1999年9月,中國(guó)獲準(zhǔn)加入人類基因組計(jì)劃。
1999年12月1日,人類首次成功地完成人體染色體基因完整序列的測(cè)定。 2000年4月底,中國(guó)科學(xué)家完成1%人類基因組的工作框架圖。
2000年5月8日,由德國(guó)和日本等國(guó)科學(xué)家組成的國(guó)際科研小組宣布,他們已基本完成了人體第21對(duì)染色體的測(cè)序工作。
2000年6月26日,六國(guó)科學(xué)家公布人類基因組工作框架圖。
2001年2月12日,人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果首次公布。 2001年8月26日,中國(guó)提前兩年完成1%人類基因組測(cè)序任務(wù)。
2003年4月15日,六個(gè)國(guó)家共同宣布人類基因組序列圖完成。