第三章 人类基因组学

基因组指一个生命体的全套遗传物质。从基因组整体层次上研究各生物种群基因组的结构和功能及相互关系的科学即基因组学。基因组学的研究内容包括三个基本方面，即结构基因组学，功能基因组学和比较基因组学。

人类基因组计划（HGP）是20世纪90年代初开始，由世界多个国家参与合作的研究人类基因组的重大科研项目。其基本目标是测定人类基因组的全部DNA序列，从而为阐明人类全部基因的结构和功能，解码生命奥秘奠定基础。人类基因组计划的成果体现在人类基因组遗传图，物理图和序列图的完成，而基因图的完成还有待大量的工作。

后基因组计划（PGP）是在HGP的人类结构基因组学成果基础上的进一步探索计划，将主要探讨基因组的功能，即功能基因组学研究。由此派生了蛋白质组学，疾病基因组学，药物基因组学，环境基因组学等分支研究领域，同时也促进了比较基因组学的展开。后基因组计划研究的进展，促进了生命科学的变革，可以预见会对医学、药学和相关产业产生重大影响。

HGP的成就加速了基因定位研究的进展，也提高了基因克隆研究的效率。基因的定位与克隆是完成人类的基因图，进而解码每一个基因的结构和功能的基本研究手段。

一、基本纲要

1.掌握基因组，基因组学，结构基因组学，功能基因组学，比较基因组学, 基因组医学, 后基因组医学的概念。

2.熟悉人类基因组计划（HGP）的历史，HGP的基本目标；了解遗传图，物理图，序列图，基因图的概念和构建各种图的方法原理。

3.了解RFLP，STR和SNP三代DNA遗传标记的特点。

4.熟悉后基因组计划（PGP）的各个研究领域即功能基因组学、蛋白质组学、疾病基因组学、药物基因组学，比较基因组学、生物信息学等的概念和意义。

5.了解基因定位的各种方法的原理。

6.了解基因克隆的三种研究策略。

7. 了解全基因组扫描的策略和方法。

8. 熟悉基因组医学与遗传病研究的关系。

9. 熟悉基因组医学与个体化治疗的关系。

二、习题

（一）选择题（A型选择题）

1.人类基因组计划仍未完成的基因组图为___________。

A.遗传图 B.物理图 C.序列图 D.连锁图 E.基因图

2.下列不属于基因组学分支学科的是____________。

A.基因组文库 B.环境基因组学 C.疾病基因组学

D.药物基因组学 E.比较基因组学

3. HGP的任务是__________。

A. 构建遗传图 B. 物理图 C. 确定DNA序列 D. 定位基因 E.以上都是

4.HGP是美国科学家在__________年率先提出的。

A. 1970 B. 1985 C. 1990 D. 2005 E. 以上都不是

5.不属于结构基因组学研究任务是__________。

A.基因图 B.遗传图 C.物理图 D.序列图 E.三维转录图

6.用作遗传制图的遗传标记有一个发展的过程。第一代DNA遗传标记是__________。

A.序列标记部位 B.表达序列标记 C.限制性片段长度多态性

D.短串联重复序列 E.单核苷酸多态性

7.后基因组计划不包括__________。

A.药物基因组学 B.环境基因组学 C.蛋白质组学

D.比较基因组学 E.序列图制作

8.基因定位研究不需用的技术是__________。

A.连锁分析 B.放射杂种 C.原位杂交 D.YAC克隆 E.体细胞杂交

9.在基因组遗传图和物理图的制作过程中，不需要的DNA特定结构是__________。

A.STR B.SNP C.CpG岛 D.conting E.BAC

10.在基因组序列图和基因图的制作过程中，不需要的DNA特定结构是__________。

A.BAC B.Conting C.CpG岛 D.EST E.RFLP

11.第一、二、三代遗传标记分别是_______________。

A.RFLP，EST，SNP B.EST，STS，SNP C.EST，STR，SNP

D.RFLP，STR，SNP E.VNTR，STS，SNP

12.基因克隆研究策略不包括__________。

A.功能克隆 B.定位克隆 C.定位候选克隆

D.候选克隆 E.cDNA策略

（二）空题

1.基因组学是从__________层次上研究生命体遗传物质的结构和功能的科学。

2. 人类单倍体基因组DNA序列约含__________bp，其中约有_________万个基因。

3.美国率先提出的人类基因组计划于__________年启动，至________年完成此计划。

4.HGP的基本任务是建立人类基因组的结构图谱，即_________，___________和__________，并在此基础上，鉴定人类的每一个基因，绘出人类的基因图。

5.人类基因组包括 __________基因组和 __________基因组。

6.两个连锁的基因位点在生殖细胞形成时，发生重组的几率为__________，其间距为1cM，相当于106bp（1Mb）。

7.随着HGP的完成，科学家们又启动了后基因组计划。它主要研究__________，即__________。

8.人类基因组多样性计划是比较研究不同人种，民族，族群_________的差异，探讨其含义。

9.基因定位研究的基本技术方法有_________、__________、________和________等。

10.基因克隆的研究策略包括__________，__________，和__________。

（三）名词解释

1.基因组（genome）

2.基因组学(genomics)

3.比较基因组学（comparative genomics）

4.疾病基因组学（morbid genomics）

5.蛋白质组学（protomics）

6.生物信息学（bioinformatics）

7.遗传标记（genetic marker）

8.CpG岛（CpG island）

9.表达序列标签（EST）

10.基因定位（gene mapping）

11.连锁分析（linkage analysis）

12.原位杂交（hybridization in situ）

13.基因克隆（gene cloning）

14.定位克隆（positional cloning）

15. 基因组医学（genomic medicine）

16. 后基因组医学（post-genome medicine）

（四）问答题

1.概述基因组学的研究内容。

2.说明HGP的科学目标和工作任务。

3.什么是遗传图和物理图？简述构建原理。

4.基因定位的主要方法的特点是什么？

5.说明基因克隆的三种研究策略。

6. 说明基因组医学在遗传病研究中的应用。

三、参考答案

（一）选择题

1.E 2.A 3. E 4.C 5.E 6.C 7.E 8.D 9.C 10.E 11.D 12.E

（二）填空题

1.基因组

2. 3.2×109、2～2.5

3.1990、2005

4.遗传图、物理图、序列图

5.细胞核、线粒体

6.1%

7.基因的功能、功能基因组学

8.基因组

9.连锁分析、体细胞杂交、原位杂交、放射杂种

10.功能克隆、定位克隆、候选克隆

（三）名词解释

1.基因组指某生命体的全套遗传物质。

2.基因组学是从基因组层次上系统地研究各生物种群基因组的结构和功能及相互关系的科学。

3.比较基因组学是在基因组层次上比较不同生物种群之间的异同，探讨其含义。

4.疾病基因组学是从基因组中分离重要疾病的致病基因与相关基因，确定其致病机制。

5.蛋白质组学是研究组织细胞中基因组所表达的全部蛋白质，尤其是不同生命时期、不同生命状态、及不同环境条件下全部蛋白质的变化及其功能。

6.生物信息学是生物学与计算机科学和应用数学交叉的一门科学，对生物学实验数据的获取、加工、存储、检索与分析，进而达到揭示所含的生物学意义有重要作用。

7.遗传标记可以是任何一种呈孟德尔式遗传的性状或物质形式，可以是基因，血型，血清蛋白等，特定DNA片段，确定其在基因组中的位置后，可作为参照标记用于遗传重组分析。

8.CpG岛是哺乳动物基因组DNA中长约1000bp的CG重复序列，在基因组中含量高，约占基因组总量的1%。几乎所有持家基因及约40%的组织特异性基因的5′端均有CpG岛，它易于甲基化，从而影响基因的表达活性。

9.表达序列标签（EST）是长约200～300bp的cDNA片段，它在基因组中的定位是不明确的。这是由特定组织细胞中提取到mRNA后，经反转录酶催化而合成的。由它可用不同方法获得全长cDNA，再经FISH定位在染色体上。

10.基因定位是运用一定的方法将各个基因确定到染色体的实际位置。

11.连锁分析是基因定位的一种方法。基因在染色体上呈线性排列，在减数分裂后，由于同源染色体重组，可结合家系分析进行不同座位的基因间重组的统计，依据待定位基因与已定位基因之间的重组值分析，可确定二者之间的连锁关系和遗传距离而达到基因定位。

12.原位杂交是核酸分子杂交技术在基因定位中的应用。用经放射性同位素标记的探针，同染色体标本载玻片上原位变性的染色体DNA进行分子杂交，通过放射自显影来检测与探针杂交结合的染色体DNA同源序列，依据探针放射性颗粒在某条染色体上的显影位置进行基因定位。

13.基因克隆是从基因组中把某一基因用一定方法分离出来，以便进行单一基因精细结构和功能的研究。

14.定位克隆策略是先抓住目的遗传性状（包括疾病）与基因的联系，先进行定位，而后再鉴定分析目的性状决定基因的表达产物及功能。

15. 基因组医学就是将生命科学和临床医学结合，将人类基因组成果转化应用到临床实践中去的科学。

16. 后基因组医学是指后基因组时代的医学实践，通常与基因组医学、分子医学等交互使用。后基因组医学涵盖分子生物学理论、技术和方法，是现代分子生物学理论和技术向现代医学领域的延伸。

（四）问答题

1.基因组学是从基因组整体层次上研究各生物种群基因组的结构和功能及相互关系的科学。其研究内容有：

结构基因组学要研究基因组内基因的数量，基因的定位和每个基因编码区和基因间隔区DNA序列结构。绘制基因组遗传图、物理图、序列图和基因图。

功能基因组学要在基因组层次上研究所有基因的表达，调控与功能。及基因表达在不同生命期、不同生理病理条件下和在不同环境因素下的变化。

当研究涉及不同领域时，又会产生一些学科分支。

2.人类基因组计划（HGP）的科学目标是至2005年全部测定组成人类基因组的DNA序列，从而为阐明人类所有基因的结构和功能，解读人类遗传密码奠定基础。主要工作任务是认识人类基因组的整体结构，即完成基因组的遗传图、物理图和序列图，在此基础上识别鉴定基因组的每一个基因，逐步完成人类的基因图。

3.遗传图是指每条染色体上的遗传标记的相对位置经连锁分析确定后所构成的图谱，遗传标记间的距离用它们之间交换率来衡量，图距单位1厘摩（cM）即为1%的交换率。染色体上不同遗传标记间的距离可以相加。

物理图是将染色体的随机切割DNA片段的实际排列顺序确定后所构成的图。先用限制酶将染色体切成一个个DNA片段，插入YAC或BAC形成克隆，借这些DNA片段中所存在的STS路标，将之连接成重叠克隆群（contig）,即可得出覆盖整个基因组的DNA片段排列顺序。

4.常用的基因定位方法：①连锁分析以家系分析和重组值计算为依据，确定待定位基因与已定位基因之间的相对位置。②体细胞杂交法是利用人/鼠融合细胞中人类染色体丢失，仅剩少数乃至一条人类染色体，结合染色体显带技术，再结合细胞生化性状分析实现基因定位。③原位杂交是用核酸探针同染色体标本载玻片上原位变性染色体DNA同源顺序杂交结合，显影定位。④放射杂种技术是利用整合有人类染色体随机片段的人/鼠融合细胞克隆嵌板，进行基因定位。人类染色体的随机片段是经人为辐射细胞造成的。

人类基因组计划完成后，所提供的基因组图谱储存大量信息资源，计算机序列识别技术的发展，结合上述基因定位实验方法，大大提高了基因定位的速度和精度。

5.基因克隆有以下三种研究策略：①功能克隆：是先从目的遗传性状分析其决定基因的可能功能，从与功能相关的蛋白质入手，找出定位和克隆决定基因的方法。②定位克隆：是先将目的遗传性状用一定的方法定位在某一染色体区域，从该染色体区域的“邻接克隆群”中筛选目的遗传性状的决定基因，从而获得决定基因克隆。之后，再研究分析决定基因的产物和功能。③候选克隆：是已定位和克隆的基因越来越多的背景下，产生的一种新的基因克隆途径。定位候选克隆是在已定位的染色体区域内，将已知基因都作为候选基因，逐一进行转录表分析和突变鉴定。从中筛选出目的遗传性状的决定基因克隆。功能候选克隆是根据目的遗传性状决定基因的可能功能，检索生物信息数据库中相关基因的功能域，将接近功能域的基因都作为候选基因，从中筛选目的性状的决定基因克隆。

6.单基因遗传病的致病基因研究和基因诊断是基因组医学研究的重要方向，也是目前国内外最为成功的研究领域。科学家通过不懈努力，现已发现了许多致病基因。

复杂性疾病的相关基因研究和疾病易感性分析是基因组医学研究的另一个重要方面。复杂性疾病是由于基因的变异以及环境和生活习惯等因素的共同影响，使得每个人对不同的疾病的易感性不同。与单基因遗传病相比，复杂性疾病的研究及治疗显然要困难得多。尽管这样，人们还是找到了研究复杂性疾病的突破口：单核苷酸多态性（SNP），它是研究基因变异的重要指标。SNP研究为了解疾病的发病机理，疾病的诊断及疾病易感性研究提供了重要基础。

人类基因组医学将会推动临床医学研究，将从结构基因组，功能基因组和蛋白质组水平上认识疾病；从基因和环境相互作用水平上研究疾病；通过疾病基因组早期诊断、预防、治疗疾病。基因组医学的知识将不再局限于遗传医学和基因组医学的专家而是贯穿于所有医生的医疗实践，当然也融入了公众和社会的日常生活。

（刘京昇 罗佳滨）