1、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、能源和計算機等工業(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,開展基因組研究工作。Smith Kline 公司花1.25億美元加快測序的進(jìn)度,將藥物開發(fā)項目的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實業(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9億美元購入Eli Lilly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。Genzyme Transgenics 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,轉(zhuǎn)基因動物生產(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Deinococcus radiodurans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。 2、功能基因組學(xué)
人類基因組計劃當(dāng)前的整體發(fā)展趨勢是什么?一方面,在順利實現(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。人類基因組計劃已開始進(jìn)入由結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)過渡、轉(zhuǎn)化的過程。在功能基因組學(xué)研究中,可能的核心問題有: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。 ⑴基因組的表達(dá)及其調(diào)控
一個細(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。為了能夠全面地評價全部基因的表達(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)到檢測單細(xì)胞的能力。近年來發(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)鍵問題是要解析控制整個發(fā)育過程或反應(yīng)通路的基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的機制。網(wǎng)絡(luò)概念對于生理和病理條件下的基因表達(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)育過程中大多數(shù)的基因產(chǎn)物都是在多個時間和空間表達(dá)并發(fā)揮其功能,形成基因表達(dá)的多效性。在一個意義上,每個基因的表達(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)化和自動化的二維蛋白質(zhì)凝膠電泳的工作體系。首先用一個自動系統(tǒng)來提取人類細(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)庫中通過特征分析來認(rèn)識產(chǎn)生的多肽。 蛋白質(zhì)組研究的另一個重要內(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方法,認(rèn)識不同的生化通路,是值得探討的問題。 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。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。模式生物體中越來越多的蛋白質(zhì)構(gòu)建編碼單位被識別,無疑為基因和蛋白質(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,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結(jié)構(gòu),也能從估計結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)同源關(guān)系。但是,利用計算機模擬所獲得的理論數(shù)據(jù),還需要經(jīng)過實驗經(jīng)過的驗證和修正。 ⑵基因組多樣性的研究
人類是一個具有多態(tài)性的群體。不同群體和個體在生物學(xué)性狀以及在對疾病的易感性與抗性上的差別,反映了進(jìn)化過程中基因組與內(nèi)、外部環(huán)境相互作用的結(jié)果。開展人類基因組多樣性的系統(tǒng)研究,無論對于了解人類的起源和進(jìn)化,還是對于生物醫(yī)學(xué)均會產(chǎn)生重大的影響。
1)對人類DNA的再測序
可以預(yù)測,在完成第一個人類基因組測序后,必然會出現(xiàn)對各人種、群體進(jìn)行再測序和精細(xì)基因分型的熱潮。這些資料與人類學(xué)、語言學(xué)的資料相結(jié)合,將有可能建立一個全人類的數(shù)據(jù)庫資源,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。需要對各種常見多因素疾?。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)模的再測序,以識別其變異序列。 2)對其它生物的測序
對進(jìn)化過程各個階段的生物進(jìn)行系統(tǒng)的比較DNA測序,將揭開生命35億年的進(jìn)化史。這樣的研究不僅能勾畫出一張詳盡的系統(tǒng)進(jìn)化樹,而且將顯示進(jìn)化過程中最主要的變化所發(fā)生的時間及特點,比如新基因的出現(xiàn)和全基因組的復(fù)制。 認(rèn)識不同生物中基因序列的保守性,將能夠使我們有效地認(rèn)識約束基因及其產(chǎn)物的功能性的因素。對序列差異性的研究則有助于認(rèn)識產(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)。
⑶開展對模式生物體的研究
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)相對簡單,但是它們的核心細(xì)胞過程和生化通路在很大程度上是保守的。這項研究的意義是:1〕有助于發(fā)展和檢驗新的相關(guān)技術(shù),如大規(guī)模測序、大規(guī)模表達(dá)譜檢驗、大規(guī)模功能篩選等;2〕通過比較和鑒定,能夠了解基因組的進(jìn)化,從而加速對人類基因組結(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)機制提供了重要的線索。
目前對于基因組總體結(jié)構(gòu)組成方面的知識,主要來源于模式生物體的基因組序列分析。通過對不同物種間基因調(diào)控序列的計算機分析,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)庫對破譯基因調(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)是一項特別有用的工具。目前。國際上已開展了對酵母、線蟲和果蠅的大規(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稱為EUROFAN(European Functional Analysis Network)的研究網(wǎng)絡(luò)。美國、加拿大和日本也啟動了類似的計劃。
隨著線蟲和果蠅基因組測序的完成,將來也可能開展對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題奠定了基礎(chǔ)。小鼠作為哺乳動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基因,這種方法的缺點是費用高。利用點突變、缺失突變和插入突變造成的隨機突變是另一中可能的途徑。對于人體細(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8~10萬個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制。而要獲得酶一種人類進(jìn)化保守性核心機制的精細(xì)途徑,以及它們的紊亂導(dǎo)致疾病的各種途徑的知識,將只能來自對人類自身的研究。
通過功能基因組學(xué)的研究,人類最終將將能夠了解哪些進(jìn)化機制已經(jīng)確實發(fā)生,并考慮進(jìn)化過程還能夠有哪些新的潛能。一種新的解答發(fā)育問題的方法可能是,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,未來的生物科學(xué)不僅能夠認(rèn)識生物體是如何構(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。該計劃在人類科學(xué)史上又豎起了一座新的里程碑!這是一項改變世界,影響人類生活的壯舉,隨著時間的推移,它的偉大意義將愈顯昭彰。
人類基因組計劃之塞雷拉人類基因組計劃
在國際人類基因組計劃(以下簡稱“國際計劃”)啟動八年后的1998年,美國科學(xué)家克萊格·凡特創(chuàng)辦了一家名為塞雷拉基因組(Celera Genomics)的小私立公司,開展自己的人類基因組計劃。與國際人類基因組計劃相比,公司希望能以更快的速度和更少的投資(3億美元,僅為國際計劃的十分之一)來完成。塞雷拉基因組的另起計劃被認(rèn)為對人類基因組計劃是一件好事,因為塞雷拉基因組的競爭促使國際人類基因組計劃不得不改進(jìn)其策略,進(jìn)一步加速其工作進(jìn)程,使得人類基因組計劃得以提前完成。 塞雷拉采用了更快速同時更具風(fēng)險的技術(shù)全基因組霰彈槍測序法。霰彈槍測序法的思想是將基因組打斷為數(shù)百萬個DNA片斷,然后用一定的算法將片斷的序列信息重新整合在一起,從而得到整個基因組序列。為了提高這一方法的效率,1980年代,測序和片斷信息整合達(dá)到了自動化。這一方法雖然已被用于序列長達(dá)6百萬個堿基對的細(xì)菌基因組測序,但對于人類基因組中3千萬個堿基對的序列測定,這一技術(shù)能否成功在當(dāng)時還未有定論。
基因的智慧財產(chǎn)權(quán)之爭
塞雷拉基因組一開始宣稱只尋求對200至300個基因的專利權(quán)保護(hù),但隨后又修改為尋求對“完全鑒定的重要結(jié)構(gòu)”的總共100至300個靶基因進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。1999年,塞雷拉申請對6500個完整的或部分的人類基因進(jìn)行初步專利保護(hù);批評者認(rèn)為這一舉動將阻礙遺傳學(xué)研究。此外,塞雷拉建立之初,同意與國際計劃分享數(shù)據(jù),但這一協(xié)定很快就因為塞雷拉拒絕將自己的測序數(shù)據(jù)存入可以自由訪問的公共數(shù)據(jù)庫而破裂。雖然塞雷拉承諾根據(jù)1996年百慕達(dá)協(xié)定每季度發(fā)表他們的最新進(jìn)展(國際計劃則為每天),但不同于國際計劃的是,他們不允許他人自由發(fā)布或無償使用他們的數(shù)據(jù)。
2000年,美國總統(tǒng)克林頓宣布所有人類基因組數(shù)據(jù)不允許專利保護(hù),且必須對所有研究者公開,塞雷拉不得不決定將數(shù)據(jù)公開。這一事件也導(dǎo)致塞雷拉的股票價格一路下挫,并使倚重生物技術(shù)股的納斯達(dá)克受到重挫;兩天內(nèi),生物技術(shù)板塊的市值損失了約500億美元。 后人類基因組計劃
人類基因組計劃
后基因組計劃就是人類完成人類基因組計劃(結(jié)構(gòu)基因組學(xué))以后的若干領(lǐng)域,實際上是指完成順序后的進(jìn)一步計劃,其實質(zhì)內(nèi)容就是生物信息學(xué)與功能基因組學(xué)。其核心問題是研究基因組多樣性,遺傳疾病產(chǎn)生的原因,基因表示調(diào)控的協(xié)調(diào)作用,以及蛋白質(zhì)產(chǎn)物的功能。人類基因組研究的目的不只是為了讀出全部的DNA序列,更重要的是讀懂每個基因的功能,每個基因與某種疾病的種種關(guān)系,真正對生命進(jìn)行系統(tǒng)地科學(xué)解碼,從此達(dá)到從根本上了解認(rèn)識生命的起源、種間、個體間的差異的原因,疾病產(chǎn)生的得機制以及長壽、衰老等困擾著人類的最基本的生命現(xiàn)象目的。