第3章 基因组学.doc

第二章 基因组学 2．1 基因组学的概念及意义 基因组学(genomics)最初是由Thomas Roderick于1986年提出的,其内容是指基因组作图(mapping)和测序(sequencing)。近年来，这个概念有新的发展。现在人们倾向于将基因组学分为结构基因组学(Structural genomics)、功能基因组学(functional genomics)、比较及进化基因组学等部分。 功能基因组学和比较及进化基因组学是建筑在结构基因组学基础上的，因此，结构基因组学是第一阶段的工作。它的目标是构建出高分辨率的遗传图(genetic map)和物理图(physical map)；图内又可包含转录图(transcript map)。这里没有将测定的基因组DNA序列单独列出，因为基因组DNA序列就是最高分辨率的物理图，其分辨率为1个核苷酸。功能基因组学是基因组分析的更进一步阶段。它的主要内容是：利用结构基因组学所提供的生物材料和信息，全基因组或全系统(global，genome wide、system wide)地理解某种生物的遗传体系。功能基因组学的研究必须结合统计学和计算机科学，应用所谓高通量(high throughput)和大规模、自动化的实验技术得以实现。虽然，科学界现在越来越热烈地谈论功能基因组学，并开始有关这方面的研究工作，但实际上，目前还处在结构基因组学的阶段。 功能基因组学的主要研究方法： 比较及进化基因组学 在结构基因组学中，基因组测序是最基本的研究领域。因为，只有完成了这一阶段的研究，才有可能在分子(核苷酸)的水平上破译生物的遗传之谜。在人类基因组计划的带动下，迄今已完成近50个不同生物的基因组DNA序列的测定，其中包括多个病原微生物和模式生物基因组的测序。流感嗜血杆菌(haemophilus influenzae)是能独立复制的小基因组，而大肠杆菌是多年来在生物学上极为频繁使用的、也是被研究得十分深入的实验室“工具”。啤酒酵母是基因组序列被测定的第一个真核生物，秀丽线虫则是第—个基因组序列被测定的多细胞动物。 自1990年开始大规模展开基因组DNA测序以来，进展非常迅速，参与这类研究的国家也不断增多。通过基因组DNA测序，已经揭示和正在揭示出许多过去人们所未知的遗传信息。 在10年前，还有不少人怀疑基因组DNA测序的意义，现在情况已有了根本的扭转。基因组学的发展必将给生物学和人类社会带来巨大的冲击，引起深刻的变化，这一点已是确定无疑的了。 从1995年7月第一个有细胞形态的生物（流感嗜血菌）的基因组全序列发表到今年2月人类基因组工作框架图初步分析结果发表，已有近40种原核生物和7种真核生物的基因组全序列被测出，还有400多种生物的基因组全序列测序工作正在进行。模式生物基因组测序工作结束后，基因组研究的重点已由以测序为主向以结构和功能为主的后基因组研究转移。整个生物学研究也进入了一个新的被称为基因组生物学（genome biology）的时代，即从基因组水平上研究生命现象和生命过程的规律，除基因组学的核心分支——结构基因组学、功能基因组学、比较及进化基因组学、蛋白质组学、转录组学外，还不断产生着新的分支学科群，如药物基因组学、环境基因组学、疾病基因组学、生理基因组学等。 到目前为止，声势浩大的基因组学在理论上并未给生物学带来革命性的变化，但却为生物学研究的现代化、生物学理论的突破和生物技术产业化奠定了基础。首先，基因组学改变了传统生物学的研究方式和方法。基因组生物学注重从整体性和综合性角度进行研究，并以大规模、高通量、自动化的工业流水线形式进行。这样生物学家的日常工作便从在实验室获得数据转移到理论假设和数据分析上。那种倾尽毕生精力研究一个基因、一条代谢途径、一种生理现象的时代已经过去。其次，模式生物基因组全序列数据为生物学理论的突破奠定了基础。生物学家希望在弄清生物基因组所有基因及其产物在生物发生、发育和进化中的所起的作用和时空联系后，能建立类似于化学元素周期表的“生物学周期表”，以解释、预测甚至制造生命体。第三，已完成及目前正在进行测序的400多种生物基因组全序列将为人们提供海量序列数据，这些序列包含了三十多亿年来生物演化所积累的精华——几十万个具有各种各样功能的基因，这些基因将为生物技术中基因和蛋白质操作提供原材料。第四，基因组学将改变生命科学的研究范式。由于生物所有的基因将被知晓，今后生物学研究项目的起点将是理论的，即从理论假设开始，首先通过生物信息学的方法在计算机上进行大量模拟分析，然后才转向实验室检验假设。 综观目前生物学的发展趋势，除上面介绍的基因组生物学外，分子生物学、系统生物学、发育生物学、神经生物学、生物技术也将是21世纪生物学的重点领域。所有这些学科，无论是理论还是