第四節(jié)　人類基因組

一、人類基因組和染色體

基因組（genome）在不同學(xué)科中有不一樣的定義。在細(xì)胞遺傳學(xué)領(lǐng)域，基因組指的是一個(gè)生物體內(nèi)的所有染色體的總和，譬如人類體內(nèi)的22條常染色體以及2條性染色體（X+X或X+Y）；在分子遺傳學(xué)領(lǐng)域，基因組指的是一個(gè)生物體內(nèi)所有DNA分子的綜合。而人類基因組，通常指代的是人體的核基因組，即22條常染色體及2條性染色體。但從更完整的角度看，還包含了線粒體基因組及人體內(nèi)的微生物組群。本章主要針對的是人體的核基因組。

人類基因組包含多個(gè)組成部分：即編碼基因、假基因、非編碼RNA、重復(fù)序列等。編碼基因是基因組中最具生物學(xué)功能的部分。進(jìn)一步細(xì)分，還可以將蛋白質(zhì)編碼基因細(xì)分為：

基因表達(dá)調(diào)控序列（包括TATA框、CAAT框、CpG島、啟動子等），轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，5'非翻譯區(qū)（5'-UTR），內(nèi)含子與外顯子（包含翻譯起始密碼識別序列、起始密碼子、翻譯終止密碼子等），3'非翻譯區(qū)（3'-UTR），轉(zhuǎn)錄終止信號、加A信號與隨后的加A位點(diǎn)等。

假基因，是一類與編碼基因序列非常相似的非功能性序列。根據(jù)Ensembl數(shù)據(jù)庫2020年8月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，已在人類基因組中發(fā)現(xiàn)19961個(gè)假基因。

非編碼RNA（ncRNA），占人類基因組的大部分區(qū)域（＞ 75%），是一類能夠轉(zhuǎn)錄，卻無法被翻譯成蛋白質(zhì)的序列。ncRNA可分為rRNA、tRNA、miRNA等類型，能夠精準(zhǔn)調(diào)控基因的表達(dá)、細(xì)胞的增殖和分化、個(gè)體的生長發(fā)育等過程。

重復(fù)序列，是指在同一區(qū)域，或不同區(qū)域重復(fù)出現(xiàn)的相同或相似序列，是人類基因組的重要特征之一，包括了微衛(wèi)星DNA（microsatellite DNA）和轉(zhuǎn)座因子（transposable element）等。

人類基因組總計(jì)包含30億堿基對（約3Gb），蘊(yùn)含有個(gè)體生長、發(fā)育、衰老等全部遺傳信息，對應(yīng)著人體46條染色體。人類染色體根據(jù)大小進(jìn)行編號，但其中21號和22號染色體因?yàn)闅v史原因而例外。每條染色體都由對應(yīng)的DNA分子與蛋白質(zhì)組合形成。最長的1號染色體DNA，長約250Mb占全基因組的8%；21號染色體最小，長約48Mb占全基因組的1.5%。

DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體（chromosome）。這一包裝結(jié)合，對于細(xì)胞而言，具有非常重要的生理意義：

（1）壓縮：

DNA通過與組蛋白（histone，一種小型堿性蛋白）有規(guī)律地結(jié)合，形成核小體，從而將線性DNA壓縮至原有長度的萬分之一。再通過后續(xù)多級壓縮，使得染色體DNA能夠容納進(jìn)10～15μm的人細(xì)胞核中（單倍體核基因組的DNA若完全開展相連，總長度可達(dá)1m）。

（2）調(diào)控：

與染色體DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)，包括組蛋白和非組蛋白。兩者均含有大量的DNA結(jié)合蛋白，用于調(diào)控細(xì)胞DNA的轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、修復(fù)和重組。染色體DNA與包裝蛋白結(jié)合，會影響DNA的可接近性，從而影響蛋白質(zhì)與DNA的相互作用。包括介導(dǎo)DNA復(fù)制、修復(fù)、重組等功能的蛋白質(zhì)，都會受到DNA可接近性變化的影響，其中轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白受到的影響尤其明顯。利用這一抑制特性，實(shí)現(xiàn)對DNA相關(guān)生命活動的調(diào)控。

（3）保護(hù)：

DNA與包裝蛋白的結(jié)合，能夠提高DNA在細(xì)胞中穩(wěn)定性，避免DNA受到損傷。

（4）分裂：

DNA包裝成染色體后，能夠提高分離效率，有助于在細(xì)胞分裂時(shí)，將DNA準(zhǔn)確傳遞至2個(gè)子代細(xì)胞。

二、細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂

細(xì)胞分裂涉及染色體的復(fù)制、染色體分離至子代細(xì)胞、胞質(zhì)分裂等過程。細(xì)胞完成一輪分裂的過程，被稱為細(xì)胞周期（cell cycle）。在細(xì)菌細(xì)胞中，染色體的復(fù)制和分離是同步進(jìn)行的。而在人類等真核細(xì)胞中，染色體的復(fù)制和分離，發(fā)生在分裂過程的不同時(shí)期。根據(jù)分裂后子代細(xì)胞染色體數(shù)目情況的不同，人體細(xì)胞的分裂可分為：有絲分裂（mitotic cell division），子代細(xì)胞染色體數(shù)目與母細(xì)胞一致；減數(shù)分裂（meiotic cell division），子代細(xì)胞染色體數(shù)目僅有母細(xì)胞的1/2。

（一）有絲分裂

有絲分裂的細(xì)胞周期包含4個(gè)階段：即G₁期、S 期、G₂期、M 期。其　中 M 期（mitosis，M phase），為有絲分裂期；S 期（synthesis，S phase），為合成期；而 G₁、S 和 G₂期，又被統(tǒng)稱　為間期（interphase）。在整個(gè)細(xì)胞周期中，染色體主要有兩種存在狀態(tài)：分裂期，經(jīng)過染色體凝聚（chromosome condensation）過程，染色體處于最壓縮的狀態(tài)，有助于染色體的分離；間期，染色體處于解聚狀態(tài)，為有絲分裂進(jìn)行準(zhǔn)備。染色體DNA進(jìn)行復(fù)制時(shí)，要求與染色體結(jié)合的蛋白質(zhì)幾乎全部解離和重裝。

G₁期/G₂期：G₁期位于 DNA 合成前，G₂期位于S期和M期之間，主要作用有兩個(gè)：一是檢查，確認(rèn)上一階段工作是否正確完成；二是準(zhǔn)備，為下一階段工作提供時(shí)間上的準(zhǔn)備。譬如，若細(xì)胞大小及蛋白質(zhì)合成水平未能達(dá)到要求水平，無法滿足DNA合成的蛋白質(zhì)及營養(yǎng)所需；或發(fā)現(xiàn)細(xì)胞含有損傷DNA等情況，都會在細(xì)胞周期檢查點(diǎn)（cell cycle checkpoint），停止細(xì)胞周期，并提供時(shí)間，以便細(xì)胞完成下一階段的準(zhǔn)備工作。

S期：真核染色體上存在指導(dǎo)染色體DNA復(fù)制的重要DNA元件——復(fù)制起始位點(diǎn)（origins of replication）。通過復(fù)制起始位點(diǎn)，每條染色體DNA完成復(fù)制，并得到相互配對的兩條染色單體（chromatid），被稱為姐妹染色體單體（sister chromatid）。姐妹染色體單體在復(fù)制完成后，就立刻通過黏粒（cohesin）聚攏在一起。這一過程，即為姐妹染色單體的附著（sister chromatid cohesin）。該附著狀態(tài)會一直維持至姐妹染色單體的相互分離。

M期：有絲分裂過程，可細(xì)分為4個(gè)階段：

1.分裂前期（prophase）

染色體在凝聚蛋白和拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的作用下，通過螺旋化、折疊、包裝等過程，凝聚成高度緊密的結(jié)構(gòu)（染色體高度凝集，在光鏡下可見），為后續(xù)分離打好基礎(chǔ)。在前期結(jié)束時(shí)，核膜破裂。

2.分裂中期（metaphase）

在這一階段，會形成一個(gè)重要的連接：二價(jià)聯(lián)會（bivalent attachment）。染色體DNA為保證復(fù)制后姐妹染色單體的準(zhǔn)確分離，存在1個(gè)DNA必需元件——著絲粒（centromere）。著絲粒，能夠指導(dǎo)形成一個(gè)精細(xì)的蛋白質(zhì)復(fù)合體——?jiǎng)恿＃╧inetochore）。這一復(fù)合體能夠與著絲粒DNA以及蛋白纖維（即微管，microtubule，紡錘體的基本組成元件）結(jié)合。在有絲分裂過程中，位于細(xì)胞兩側(cè)的中心粒（centrosome）會形成“兩極”，介由細(xì)胞內(nèi)的有絲分裂紡錘體（mitotic spindle）與染色單體粘連，并提供分別指向兩極的拉張力，在后續(xù)牽引染色體單體分離，分別進(jìn)入子代細(xì)胞。二價(jià)聯(lián)會，即為一對姐妹染色單體的2個(gè)動粒，分別與相對的中心粒發(fā)出的紡錘體形成的連接。只有當(dāng)所有姐妹染色單體都完成二價(jià)聯(lián)會，染色體才會開始分離。二階聯(lián)合，保證了每對姐妹染色單體會被分別牽引向相反的兩極，保證了每個(gè)子代細(xì)胞獲得每個(gè)復(fù)制染色體的一個(gè)拷貝。

值得一提的是，不同于復(fù)制起始位點(diǎn)，每個(gè)染色體上僅有1個(gè)著絲粒。當(dāng)著絲粒缺失，染色單體會隨機(jī)分離，導(dǎo)致子代細(xì)胞的染色體重復(fù)或缺失；當(dāng)著絲粒增多，染色單體則會在分離過程中發(fā)生斷裂。

3.分裂后期（anaphase）

姐妹染色體單體在復(fù)制完成后，就在黏粒的作用下，維持聚攏狀態(tài)，并對有絲分裂紡錘體的拉張力進(jìn)行抵抗。在分裂中期，姐妹染色單體之間來自黏粒的黏附力，以及來自紡錘體兩極，二價(jià)聯(lián)會產(chǎn)生的拉張力，相互抵消，使得所有染色體排列在細(xì)胞中部，位于兩個(gè)中心粒之間（此位置被稱為中期板或赤道板）。當(dāng)黏粒被蛋白質(zhì)水解破壞，姐妹染色單體間的黏附力消失，平衡打破，染色體的分離過程被觸發(fā)。

4.分裂末期（telophase）

核膜重新形成，并包裹分離的兩套染色體。同時(shí)，細(xì)胞質(zhì)發(fā)生物理分離，細(xì)胞分裂完成，即胞質(zhì)分裂（cytokinesis）。

（二）減數(shù)分裂

減數(shù)分裂，產(chǎn)生的子代細(xì)胞，僅含有母細(xì)胞半數(shù)染色體。與有絲分裂最大的不同在于，DNA復(fù)制后，進(jìn)行了兩輪染色體分離。減數(shù)分裂的細(xì)胞周期包含：G₁期，S期，漫長的G₂期，以及兩輪分裂期。

人體細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，分別遺傳自父親和母親。來源于父母雙方，形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)一致的一對染色體，被稱為同源染色體（homologs）。在減數(shù)分裂Ⅰ期，與有絲分裂的二價(jià)聯(lián)會不同，每個(gè)姐妹染色單體對的兩個(gè)動粒，與同一極的微管紡錘體連接，形成單價(jià)聯(lián)會（monovalent attachment）。此時(shí)，通過配對的同源染色體間的相互作用，抵抗紡錘體的拉張力。減數(shù)分裂Ⅰ期后期（后期Ⅰ），同源染色體相互釋放并分離，而姐妹染色單體間的黏附力仍存在，保持配對狀態(tài)。

減數(shù)分裂Ⅱ期，與有絲分裂非常類似，但在本次分裂前，并無DNA復(fù)制環(huán)節(jié)。在中期Ⅱ，紡錘體與前一階段分離的姐妹染色單體對的兩個(gè)動粒連接，形成二價(jià)聯(lián)會。在姐妹染色單體間的黏附力水解消失后，牽引染色單體分離。

至此，細(xì)胞內(nèi)分離形成4套染色體，每套僅包含母細(xì)胞每條染色體的1個(gè)拷貝。而后，每套染色體外形成核膜，構(gòu)成4個(gè)細(xì)胞核，胞質(zhì)分裂后，形成4個(gè)單倍體細(xì)胞。單倍體細(xì)胞經(jīng)過交配，重新形成新的二倍體細(xì)胞。

三、人類基因組計(jì)劃

（一）人類基因組計(jì)劃的提出

人類基因組計(jì)劃（human genome project，HGP）作為生命科學(xué)領(lǐng)域的“登月計(jì)劃”，被譽(yù)為可與“曼哈頓原子彈計(jì)劃”“阿波羅登月計(jì)劃”相媲美的偉大系統(tǒng)工程，是人類第一次系統(tǒng)、全面地解讀和研究人類遺傳物質(zhì)的全球性合作計(jì)劃。

人類基因組計(jì)劃最早是美國科學(xué)家于1985年在能源部（Department Of Energy，DOE）的一次會議上討論，1986年諾貝爾獎(jiǎng)得主杜比柯（Dulbecco）在1986年3月7日出版的Science雜志上發(fā)表了一篇題為“腫瘤研究的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)：人類基因組的全序列分析”的短文，提出包括癌癥在內(nèi)的人類疾病的發(fā)生都與基因直接或間接有關(guān)，呼吁科學(xué)家們聯(lián)合起來，從整體上研究和分析人類的基因組序列。一些有遠(yuǎn)見卓識的科學(xué)家們集體提出一次性解讀人類基因組全部DNA序列。1990年美國國會批準(zhǔn)這一項(xiàng)目，并決定由美國國立衛(wèi)生 研 究 院（National Institutes of Health，NIH）和能源部組織實(shí)施，標(biāo)志人類基因組計(jì)劃正式啟動。HGP計(jì)劃得以啟動并實(shí)施完成主要由三個(gè)方面因素決定，第一是DNA測序技術(shù)和相關(guān)分子生物學(xué)技術(shù)日趨成熟，如DNA測序、寡聚核苷酸合成、DNA雜交、分子克隆、聚合酶鏈反應(yīng)（polymerase chain reaction，PCR）等。尤其是 20世紀(jì)80年代初熒光標(biāo)記法DNA測序儀的研發(fā)和接近問世。第二是生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的迫切需求，未知基因序列的不斷解讀，遺傳疾病相關(guān)變異的定位克隆，新轉(zhuǎn)錄因子和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的不斷發(fā)現(xiàn)，都使DNA測序技術(shù)和需求被推到了科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。大家都在爭取基金，計(jì)劃測定自己感興趣的基因時(shí)，一個(gè)重要觀點(diǎn)的提出贏得了廣泛的支持——與其各測各的基因，不如集中攻關(guān)測定全基因組序列。集中攻關(guān)的特點(diǎn)是可以使操作專業(yè)化和規(guī)模化。第三是啟動國際合作，調(diào)動全球各方資源的必要性。如人類基因組研究會涉及世界各國的人類遺傳資源，與其說在美國集中收集，不如讓這些國家直接參與到合作項(xiàng)目中，同時(shí)參與國還可以給予資金的支持。

國際“人類基因組計(jì)劃”聯(lián)合體最終由美、英、法、德、日、中6個(gè)國家的16所實(shí)驗(yàn)室（主要是大學(xué)實(shí)驗(yàn)室）逾千名科學(xué)家實(shí)際參與，用時(shí)15年，耗資數(shù)十億美元共同完成。

（二）HGP的目標(biāo)和任務(wù)

HGP的主要任務(wù)是對人類基因組（22條常染色體和X、Y性染色體）3Gb的堿基對進(jìn)行測序，繪制人類基因組全序列作為“參考文本”，即構(gòu)建詳細(xì)的人類基因組遺傳圖譜和物理圖譜、序列圖和轉(zhuǎn)錄圖，確定人類DNA的全部核苷酸序列，定位約10萬個(gè)基因，并對其他生物進(jìn)行類似研究。進(jìn)而破譯人體遺傳物質(zhì)DNA上堿基對的生物學(xué)含義，弄清人類各種疾病與基因的關(guān)系。從根本上預(yù)防人類疾病的發(fā)生，有效治療疾病及為人類歷史的研究提供有力工具。

（三）我國的人類基因組計(jì)劃

1993年，國家自然科學(xué)基金委員會設(shè)立“中華民族基因組中若干位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)的研究”，標(biāo)志我國HGP正式啟動。從1998年開始，國家將在3年內(nèi)加大對HGP項(xiàng)目的投資力度，3年投資總額達(dá)到3億元。我國HGP工作主要在基因組多樣性和疾病基因的識別方面開展工作。中國科學(xué)家通過自己的實(shí)力爭取到測定人類基因組序列1%的份額，即3號染色體上3 000萬bp的測序任務(wù)，估計(jì)有750～1 000個(gè)基因，雖然只有1%，但意義重大。目前，由于HGP項(xiàng)目的實(shí)施，已在世界范圍內(nèi)引起了一場“基因爭奪戰(zhàn)”。作為世界上最大的人口大國，我國加入HGP的國際合作具有特殊的意義。我國的人類基因組計(jì)劃于1994年啟動，由國家自然科學(xué)基金委員會、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）共同資助。在中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部和上海市、北京市的大力支持下，成立了國家人類基因組南方和北方研究中心。在中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部和中國科學(xué)院的支持下，由中科院遺傳所基因組中心、國家人類基因組南方和北方研究中心共同承擔(dān)了全球人類基因組測序計(jì)劃的1%。

（四）HGP的完成

2003年4月25日，美國、英國、法國、德國、日本和中國政府首腦宣布這一計(jì)劃落下帷幕，人類基因組序列圖繪制成功，人類基因組計(jì)劃的所有目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)，提前2年實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。HGP的成功并不是偶然，它不僅是科學(xué)發(fā)展的必然，也是科學(xué)要素具備和時(shí)機(jī)逐漸成熟的體現(xiàn)。基因組學(xué)屬于分子生物學(xué)范疇，其學(xué)科的真正起點(diǎn)，是1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和20世紀(jì)70年代初期DNA序列解讀技術(shù)的發(fā)明。因此，也可以說HGP是50年來生命科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的最重要結(jié)晶。隨著人類基因組測序計(jì)劃的完成和后基因組時(shí)代的到來，國際上基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組乃至表型組工作相繼開展，主要包括：①人類基因的識別和鑒定：即采用生物信息學(xué)、計(jì)算機(jī)生物學(xué)技術(shù)、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手段及兩者相結(jié)合的方法，收集并不斷擴(kuò)充現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)庫，研制、建立更多樣化的數(shù)據(jù)庫和信息處理軟件；②基因功能信息的提取和鑒定：即利用改進(jìn)的定量PCR技術(shù)、原位雜交技術(shù)、微點(diǎn)陣技術(shù)和基因表達(dá)的連續(xù)分析方法繪制基因表達(dá)圖譜，同時(shí)包括對人類基因突變體的系統(tǒng)鑒定；③蛋白質(zhì)組學(xué)的研究：即蛋白質(zhì)譜的建立與基因的相互作用關(guān)系的研究。