长篇综述：人类基因组计划（中） |
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小】 www.ebiotrade.com 时间：2000年11月09日 来源： ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ |
摘要： |
二、功能基因组学
人类基因组计划将在历史上第一次揭示人类全部基因的序列信息，但是，要全面了解基因的功能，破解人类的全部遗传信息，还需要从基因组水平对各个基因进行功能分析，揭示整个基因组的功能及调控机制。功能基因组学（Functional Genomics）这一在基因组水平上研究基因功能的学科应运而生51·52。功能基因组学的核心问题主要包括：基因组的多样性研究，基因组的表达及其时间、空间调控；模式生物体基因组研究等。在美国人类基因组计划 1998－2003年的五年目标中，就包括了人类基因组DNA序列的变异，全长cDNA克隆，发展全基因组水平功能分析的技术及模式生物体研究等属于功能基因组学范畴的内容28。
（一）基因组多样性的研究
人类是一个具有多态性的群体。不同的群体和个体在生物学性状（如对疾病的易感性／抗性）上的差别，是进化过程中基因组与环境相互作用的结果。对人类基因组多样性的系统研究，对于了解人类的起源、进化和迁徙，以及促进现代生物医学的发展都将产生重大的影响。人类基因组DNA序列中最常见的变异形式是单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism, SNP），在全基因组中约有3－10×106个SNP53。与罕见的单碱基突变（Mutation）不同，SNP等位位点出现的频率等于或高于1％。位于基因的编码序列中的SNP称为cSNP，如果cSNP引起蛋白质重要部位氨基酸的变异，则可能导致其功能发生改变。位于基因调控序列中的SNP则可能影响基因的表达调控。这两种SNP的生物学意义因而更为显著，是基因组中决定人类表型多样性的重要原因54。SNP因连锁不平衡（LD）所形成的单倍型，可用于关联研究（Association studies），从而确定与之联锁的生物学性状相关序列55。SNP的应用范围十分广泛，包括连锁分析与基因定位；疾病的关联研究；多基因疾病的基因定位；个体识别和亲子鉴定；发病机理的研究；以及研究生物进化和生物间相互关系等。目前，已发展了多种自动化和批量化检测SNP的技术。截止2000年9月26日，在dbSNP数据库中已经登录有1,463,574个SNP。
但是，目前已发现的大多数SNP都属于全球人群中随机频率较高的一部分，即人类进化早期阶段的“老”的SNP，这些SNP的LD程度较低。在进化过程中出现的SNP，在不同人群间出现的频率会有相当大的差别，某些SNP甚至呈现群体专一性，选择这些更为“年轻”的、具有群体特异性的SNP进行基于LD的关联分析，可能会揭示许多与人类的进化、起源和迁徙有关的问题56·57。
（二）基因组的表达及其调控
功能基因组学的主要研究内容之一，是全方位的研究生物体的基因在不同条件，不同状态下的表达水平及形成这种特定的表达状况的调控机理。近年来发展起来的DNA芯片和cDNA微阵列技术能够在细胞水平上检测基因组的表达情况，通过比较不同生理条件下，不同发育阶段的基因组表达水平，可以从宏观上研究基因组的表达和调控规律58。随着检测技术的不断发展，不久的将来，这些技术应该可以检测到1个拷贝／细胞的表达水平，区分基因的不同剪接方式，甚至达到检测单个细胞的基因组表达特征的能力。
基因组的复杂性不仅表现在基因表达的组织差异性和时空特异性，它还表现为基因的蛋白产物的翻译和修饰状态的高度复杂性。从生物体或细胞的整体水平上研究蛋白质的表达和修饰状态，目前一般采用的技术路线是提取细胞的蛋白质，利用双向凝胶电泳分离后，用质谱仪对各个蛋白点进行分析，根据多肽的特征分析，并与蛋白质数据库进行比较，鉴别蛋白质的类型并检测其修饰状态（如磷酸化和糖基化）59。此外，也有人在设计和制作各种蛋白生物芯片60。另外一种常用手段是利用大规模化的酵母双杂交体系，建立蛋白质相互作用的系统目录（Catalog）61。
（三）模式生物体作为功能基因组学工具
1．比较基因组研究
模式生物体的研究在人类基因组的研究中占有非常重要的地位。尽管模式生物体的基因组结构相对简单，但由于它们的许多生理、生化过程具有很大程度的保守性，因而可以通过对不同模式生物体的基因组信息的比较，加深对人类基因组结构和功能的了解45·62·63。从整体上看，从原核生物到真核生物，从单细胞生物到多细胞生物，基因组呈现出明显的由简单到复杂的趋势64。基因组的信息含量由小到大，基因的数量由少到多，基因的平均长度由1 Kb到30－70 Kb。其中，基因的平均长度可能是衡量基因组功能复杂度最重要的指标。例如，线虫大约有18,000个基因，而果蝇的细胞数要比线虫多十倍以上，基因数目却只有约13,600个，仅从基因数目上看很难理解这种现象。但是，比较两种生物基因的平均长度，可以看出线虫基因的平均长度为5.3 Kb，而果蝇基因的平均长度为10 Kb，显示出两者在进化上的差别。
2．功能缺失突变和转基因的研究
识别基因功能的一种有效的方法，是观察当基因的正常表达被阻断后，在细胞和生物整体水平上所产生的表型变化。由于模式生物体与人类基因在功能上的保守性，在模式生物体上进行基因剔除（knockout），可以为研究人类基因的功能提供线索65。目前，国际上已构建了酵母所有基因的缺失突变体。随着线虫和果蝇基因组测序的完成，对这两种生物的类似研究也将开始。虽然基因剔除的研究已经在对许多基因功能的研究中取得了进展，但这种方法也存在着许多限制因素。由于大多数基因的功能可以被别的基因代偿，许多基因在被剔除后并未产生明显的表型改变。近年来发展起来的条件性基因剔除（Conditional Knockout），可以根据需要对基因在不同发育阶段或不同组织器官中进行选择性剔除，因而得到日益广泛的应用66。
除了用同源重组技术制造基因剔除模型，也可以利用化学诱变剂或插入突变等方法随机诱导产生基因突变，再对表型发生变化的个体利用快速基因定位法识别突变基因67。德国科学家率先应用突变诱导剂ENU对斑马鱼和小鼠胚胎干细胞（ES细胞）进行大规模随机致突变和表型筛查，取得了很大成功68·69·70。近年来，也有人尝试利用组合化学方法对蛋白质进行化学“剔除”，即利用化学试剂激活或失活一种蛋白质，从而研究它的生理功能。由于生物体存在着广泛的功能冗余或代偿，上述的几种功能缺失突变分析手段都受到限制。因此，在模式生物中提高基因的表达水平，观察其表型变化，也是研究基因功能的一种重要手段。
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