第5章-5 人类基因组计划简介[教学校园]

1、1教资优选 1)1)第一阶段第一阶段: : 酝酿酝酿 2)2)第二阶段第二阶段: : 论证论证 3)3)第三阶段第三阶段: : 实施实施 2教资优选 19841984年年1212月月, ,在美国犹他州盐湖城滑雪胜地阿在美国犹他州盐湖城滑雪胜地阿 尔他尔他, ,由美国能源部资助的一次环境诱变和致由美国能源部资助的一次环境诱变和致 癌物防护国际会议上癌物防护国际会议上, , 到会代表在讨论中提到会代表在讨论中提 出了一个问题出了一个问题: :有什么新办法可以非常有效地有什么新办法可以非常有效地, , 直接地检测出人类基因的突变直接地检测出人类基因的突变? ?或者说或者说, ,有没有没 有新方法可在

2、日本广岛有新方法可在日本广岛, ,长崎原子弹爆炸后的长崎原子弹爆炸后的 幸存者及其子女的群体中直接测定基因突变幸存者及其子女的群体中直接测定基因突变? ? 因为在受辐射伤害的人群中因为在受辐射伤害的人群中, ,能检测到突变的能检测到突变的 比率与正常人群相同比率与正常人群相同, ,比预期低三分之二比预期低三分之二. . 这是生物科学家首次讨论人类基因组计划这是生物科学家首次讨论人类基因组计划. . 3教资优选 Alta is a ski area nestled among the Wasatch Mountains (note: Original text said Saguache Mou

3、ntains) in Utah, Salt Lake City. From December 9 to 13, 1984. The Alta meeting was sponsored by the Department of Energy (DOE) and the International Commission for Protection Against Environmental Mutagens and Carcinogens. It was initiated by David Smith of DOE and Mortimer Mendelsohn of the Lawrenc

4、e Livermore National Laboratory. 4教资优选 Walter Gilbert. A crucial early proponent, he later tried to set up a company to produce and sell genome data. 5教资优选 Robert L. Sinsheimer: The University of California, Santa Cruz, During a Critical Decade, 1977-1987Sinsheimer was appointed chancellor(分校校长分校校长)

5、 by UC President David Saxon in June, 1977. Formerly chairman of the division of biology at the California Institute of Technology (CIA )where his work as a molecular biologist had earned him a distinguished international reputation. 6教资优选 1986年年, 1975年医学和生理学诺贝尔奖得主年医学和生理学诺贝尔奖得主, 美国美国Salk Institute研究

6、所癌症研究员杜贝研究所癌症研究员杜贝 可可(Renato Dulbecco)在在“Science”上发表题上发表题 为为“癌症研究的转折点癌症研究的转折点:定出人类基因组序定出人类基因组序 列列”一文一文, 引起了美国社会大众的广泛关注引起了美国社会大众的广泛关注, 并使基因组测序计划的支持者和反对者进并使基因组测序计划的支持者和反对者进 行了一场为时数年的争论行了一场为时数年的争论. 杜贝可提出了两条基因搜寻路线杜贝可提出了两条基因搜寻路线,即以测序即以测序 为核心的为核心的“DNA序列序列”探测和以作图为中探测和以作图为中 心心 的的“基因地图基因地图”克隆克隆. 7教资优选 In 197

7、5 Dubcco was awarded the Noble prize for Physiology or Medicine with two of his associates David Baltimore and Howard Temin. In 1986 Dubecco proposed the “Human Genome Project” to map the entire genome and to identify some 100 thousand genes which make up the human genome strucrure. From 1988 to 199

8、2, Dubecco served as the President of the Salk Institute. At present, Dubecco, who returned to Italy to work for CNR is supervisor of the “Human Genome Project”(the Iatlian part of the International Project). Dubecco提出了人类基因组计划提出了人类基因组计划作图和测序作图和测序同时进行的研究路线同时进行的研究路线. 8教资优选 人类基因组计划虽然是一个极富创意的想法人类基因组计划虽然

9、是一个极富创意的想法, 但在当时但在当时 的许多方面都超出了科学技术发展的实际水平的许多方面都超出了科学技术发展的实际水平, 因而不因而不 可避免遭到各方面的怀疑与反对可避免遭到各方面的怀疑与反对, 其中包括像其中包括像Jacob 这样大名鼎鼎的生理学这样大名鼎鼎的生理学Noble 奖得主奖得主, MIT和和NIH(美美 国国家健康研究所国国家健康研究所)等著名单位等著名单位. 主要原因在以下几点主要原因在以下几点: 1) 科学上的依据科学上的依据: 基因编码序列仅占人类基因组总量基因编码序列仅占人类基因组总量 的的2%, 是否值得花很多钱去测序整个基因组是否值得花很多钱去测序整个基因组.以当

10、以当 时的技术测序费用太高时的技术测序费用太高. 2) 技术上不成熟技术上不成熟: 按当时测序水平按当时测序水平, 一个人每天最多一个人每天最多 只能完成只能完成1000 bp测序测序, 30亿对碱基仅测序需要亿对碱基仅测序需要1000 个人工作个人工作3000年年. 3) 大量的投入将挤占其它领域的研究经费大量的投入将挤占其它领域的研究经费. 9教资优选 1987年春年春, 美国能源部健康和环境研究顾问委员会在听取个种美国能源部健康和环境研究顾问委员会在听取个种 意见后写了一份报告意见后写了一份报告“Human Genome Initiation”, 肯定人类肯定人类 基因组测序计划的重要性

11、基因组测序计划的重要性, 并表示愿意独立承担这一计划并表示愿意独立承担这一计划. 与此同时与此同时,美国科学院生命科学学部基础生物委员会指定美国科学院生命科学学部基础生物委员会指定15名名 科学家组成科学家组成“全国研究委员会全国研究委员会”, 经过经过14个月的努力写出一份个月的努力写出一份 报报 告告“人类基因组的作图与测序人类基因组的作图与测序”. 报告认为报告认为在开展人类基因组在开展人类基因组 测测 序的同时序的同时,平行开展模式生物大肠杆菌平行开展模式生物大肠杆菌,酵母酵母,线虫线虫,果蝇和小鼠果蝇和小鼠 基因组测序研究基因组测序研究.美国国会和商业委员会也委托所属技术评估美国国会

12、和商业委员会也委托所属技术评估 办公室对人类基因组计划进行调查办公室对人类基因组计划进行调查,后者提供了一份报告后者提供了一份报告 “Mapping Our Genes, The Genome Projects: How Big, How Fast”, 其态其态 度也是度也是支持这一计划支持这一计划.美国国立卫生研究院美国国立卫生研究院(NIH)复杂基因组特复杂基因组特 别顾问委员会别顾问委员会1988年也提出报告年也提出报告支持人类基因组计划支持人类基因组计划. 10教资优选 1988年美国国会正式批准拨出专款资助能年美国国会正式批准拨出专款资助能 源部和国立卫生研究院同时负责实施人类源部和

13、国立卫生研究院同时负责实施人类 基因组计划基因组计划. 一般以一般以1989年为起始执行年年为起始执行年. 11教资优选 第一任首席科学家第一任首席科学家: James Watson 因因DNA顺序专利争论顺序专利争论 于于1992年辞职年辞职. 第二任首席科学家第二任首席科学家 Francis Collins 12教资优选 Human Chr.20, completed, February, 2002 Human Chr.14, completed, January, 2003 Human Chr.Y, completed, October, 2003 Human Chr.7, comple

14、ted, October, 2003 Human Chr.6, completed, October, 2003 Human Chr.13, completed, March, 2004 Human Chr.19, completed, March, 2004 Human Chr.9, completed, May, 2004 Human Chr.10, completed, May, 2004 Human Chr.X, completed, March, 2005 Human Chr.2-4, completed, April, 2005 Human Chr.1, completed, Ma

15、y, 2006 截止截止2006年年5月月, 人类基因组计划已完成人类基因组计划已完成22 条常染色体和条常染色体和X,Y性染色体的精确测序与性染色体的精确测序与 解读解读. 13教资优选 The overall budget needs for the effort are still anticipated to be the same as those identified by the OTA and the NRC, namely about $200 million per year for approximately 15 years. (引自引自:The First Five

16、Years: Fiscal Years 1991-1995, published April 1990. DOE/ER-0452P, NIH Publication No. 90-1590.) 预计预计: 2002年年: Sequence 500 Mb/year at 1,400 Mb/year at $0.09 per finished base. 14教资优选 共共16个单位个单位, 6个国家参加个国家参加: 1) United State 1. Baylor College of Medicine, Houston, Texa 2. Genome Therapeutics Corpora

17、tion, Waltham, MA 3. Joint Genome Institute, U.S. Department of Energy, Walnut Creek, CA 4. Stanford DNA Sequencing and Technology Development Center, Palo Alto, CA 5. University of Washington Genome Center, Seattle, WA 6. University of Washington Multimegabase Sequencing Center, Seattle, WA 7. Whit

18、ehead Institute for Biomedical Research, MIT, Cambridge, MA 8. Washington University Genome Sequencing Center, St. Louis, MO 2) United Kingdom 9. The Sanger Centre, Hinxton 15教资优选 3) Germany 10. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin 11. Gesellschaft fur Biotechnologische, Forschung mbH

19、, Braunschweig 12. Institute for Molecular Biotechnology, Jena 4) France 13. Genoscope, Evry 5) Japan 14. Keio University, Tokyo 15. RIKEN Genomic Sciences Center, Saitama 6) China 16. 中国华大基因中心中国华大基因中心: 于于1998年申请参加人类基因组年申请参加人类基因组3号染色体端部约号染色体端部约1%基基 因组的测序因组的测序. 16教资优选 June 25, 2000 .PRESIDENT CLINTON

20、 ANNOUNCES THE COMPLETION OF THE FIRST SURVEY (初步测序初步测序) OF THE ENTIRE HUMAN GENOME. June 26, 2000 White House 召开记者招待召开记者招待 Venter Collins 会庆贺这一具有历史意义的重要成就会庆贺这一具有历史意义的重要成就. 17教资优选 人类基因组计划于人类基因组计划于1988年实施，原定年实施，原定15年年 于于2003年完成全部顺序测序。实际花了年完成全部顺序测序。实际花了13 年，于年，于2001年初宣布完成草图顺序。为完年初宣布完成草图顺序。为完 成此项研究，美国能

21、源部（成此项研究，美国能源部（DOE）和美国）和美国 国家健康研究所（国家健康研究所（NIH）共化费共化费3,452.9 百百 万美元，其中万美元，其中DOE为为2,484.7百万美元为百万美元为 NIH为为968.2。 引自：引自：NIH NEWS，Monday, April 14, 2003 18教资优选 1) 遗传图与物理图遗传图与物理图 2) 人类基因组的测序与序列组装人类基因组的测序与序列组装 3) 人类基因组草图与完成图人类基因组草图与完成图 4) 人类基因组序列解读人类基因组序列解读 19教资优选 20教资优选 1）遗传作图（遗传作图（Genetic mapping） 采用遗传学

22、采用遗传学 分析方法将基因或其它分析方法将基因或其它DNA顺序标定在染色体顺序标定在染色体 上构建连锁图。这一方法包括杂交实验，家系分上构建连锁图。这一方法包括杂交实验，家系分 析。遗传图距单位为厘摩析。遗传图距单位为厘摩(cM), 每单位厘摩定义每单位厘摩定义 为为1%交换率。交换率。 2）物理作图（物理作图（Physical mapping） 采用分子生采用分子生 物学技术直接将物学技术直接将DNA分子标记、基因或克隆标分子标记、基因或克隆标 定在基因组实际位置。物理图的距离依作图方法定在基因组实际位置。物理图的距离依作图方法 而异，如辐射杂种（而异，如辐射杂种（radiation hyb

23、rid）作图的计）作图的计 算单位为厘镭算单位为厘镭(cR), 限制性片段作图与克隆作图限制性片段作图与克隆作图 的图距为的图距为DNA的分子长度，即碱基对的分子长度，即碱基对(bp, kb)。 21教资优选 基因组测序的基本策略是将整个基因组分基因组测序的基本策略是将整个基因组分 割成一些小的片段分别测序割成一些小的片段分别测序, 然后将测序的然后将测序的 片段进行组装片段进行组装, 使其回归到原来的位置使其回归到原来的位置. 为了确保分散的基因片段正确归位组装为了确保分散的基因片段正确归位组装, 必必 须寻找一批标记须寻找一批标记,它们在染色体上的位置是它们在染色体上的位置是 已知的、唯一的、确定的已知的、唯一的、确定的, 并位于不同的测并位于不同的测 序片段之中序片段之中. 22教资优选 标记1 标记2 标记3 染色体上的基因和DNA顺序 均可作为路标, 路标具有 物理属性,他们由特定的 DNA顺序组成. 路标位于 染色体上的位置是固定的, 唯一的,不会更改的,因而 提供了作图的依据 23教资优选 1) 1) 第一代分子标记第一代分子标记, ,单一顺序多态性单一顺序多态性: : RFLP, AFLP, RAPD RFLP, AFL