第三章 人類基因組學

分子雜交技術檢測什麼

第三章 人類基因組學

基因組指一個生命體的全套遺傳物質。從基因組整體層次上研究各生物種群基因組的結構和功能及相互關係的科學即基因組學。基因組學的研究內容包括三個基本方面，即結構基因組學，功能基因組學和比較基因組學。

人類基因組計劃（HGP）是20世紀90年代初開始，由世界多個國家參與合作的研究人類基因組的重大科研專案。其基本目標是測定人類基因組的全部DNA序列，從而為闡明人類全部基因的結構和功能，解碼生命奧秘奠定基礎。人類基因組計劃的成果體現在人類基因組遺傳圖，物理圖和序列圖的完成，而基因圖的完成還有待大量的工作。

後基因組計劃（PGP）是在HGP的人類結構基因組學成果基礎上的進一步探索計劃，將主要探討基因組的功能，即功能基因組學研究。由此派生了蛋白質組學，疾病基因組學，藥物基因組學，環境基因組學等分支研究領域，同時也促進了比較基因組學的展開。後基因組計劃研究的進展，促進了生命科學的變革，可以預見會對醫學、藥學和相關產業產生重大影響。

HGP的成就加速了基因定位研究的進展，也提高了基因克隆研究的效率。基因的定位與克隆是完成人類的基因圖，進而解碼每一個基因的結構和功能的基本研究手段。

一、基本綱要

1。掌握基因組，基因組學，結構基因組學，功能基因組學，比較基因組學， 基因組醫學， 後基因組醫學的概念。

2。熟悉人類基因組計劃（HGP）的歷史，HGP的基本目標；瞭解遺傳圖，物理圖，序列圖，基因圖的概念和構建各種圖的方法原理。

3。瞭解RFLP，STR和SNP三代DNA遺傳標記的特點。

4。熟悉後基因組計劃（PGP）的各個研究領域即功能基因組學、蛋白質組學、疾病基因組學、藥物基因組學，比較基因組學、生物資訊學等的概念和意義。

5。瞭解基因定位的各種方法的原理。

6。瞭解基因克隆的三種研究策略。

7。 瞭解全基因組掃描的策略和方法。

8。 熟悉基因組醫學與遺傳病研究的關係。

9。 熟悉基因組醫學與個體化治療的關係。

二、習題

（一）選擇題（A型選擇題）

1。人類基因組計劃仍未完成的基因組圖為___________。

A。遺傳圖 B。物理圖 C。序列圖 D。連鎖圖 E。基因圖

2。下列不屬於基因組學分支學科的是____________。

A。基因組文庫 B。環境基因組學 C。疾病基因組學

D。藥物基因組學 E。比較基因組學

3。

HGP的任務是__________。

A。 構建遺傳圖 B。 物理圖 C。 確定DNA序列 D。 定位基因 E。以上都是

4。HGP是美國科學家在__________年率先提出的。

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

5。不屬於結構基因組學研究任務是__________。

A。基因圖 B。遺傳圖 C。物理圖 D。序列圖 E。三維轉錄圖

6。用作遺傳製圖的遺傳標記有一個發展的過程。第一代DNA遺傳標記是__________。

A。序列標記部位 B。表達序列標記 C。限制性片段長度多型性

D。短串聯重複序列 E。單核苷酸多型性

7。後基因組計劃不包括__________。

A。藥物基因組學 B。環境基因組學 C。蛋白質組學

D。比較基因組學 E。序列圖製作

8。基因定位研究不需用的技術是__________。

A。連鎖分析 B。放射雜種 C。原位雜交 D。YAC克隆 E。體細胞雜交

9。在基因組遺傳圖和物理圖的製作過程中，不需要的DNA特定結構是__________。

A。STR B。SNP C。CpG島 D。conting E。BAC

10。在基因組序列圖和基因圖的製作過程中，不需要的DNA特定結構是__________。

A。BAC B。Conting C。CpG島 D。EST E。RFLP

11。第一、二、三代遺傳標記分別是_______________。

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。定位候選克隆

D。候選克隆 E。cDNA策略

（二）空題

1。基因組學是從__________層次上研究生命體遺傳物質的結構和功能的科學。

2。 人類單倍體基因組DNA序列約含__________bp，其中約有_________萬個基因。

3。美國率先提出的人類基因組計劃於__________年啟動，至________年完成此計劃。

4。HGP的基本任務是建立人類基因組的結構圖譜，即_________，___________和__________，並在此基礎上，鑑定人類的每一個基因，繪出人類的基因圖。

5。人類基因組包括 __________基因組和 __________基因組。

6。兩個連鎖的基因位點在生殖細胞形成時，發生重組的機率為__________，其間距為1cM，相當於106bp（1Mb）。

7。隨著HGP的完成，科學家們又啟動了後基因組計劃。它主要研究__________，即__________。

8。人類基因組多樣性計劃是比較研究不同人種，民族，族群_________的差異，探討其含義。

9。基因定位研究的基本技術方法有_________、__________、________和________等。

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

（三）名詞解釋

1。基因組（genome）

2。基因組學（genomics）

3。比較基因組學（comparative genomics）

4。疾病基因組學（morbid genomics）

5。蛋白質組學（protomics）

6。生物資訊學（bioinformatics）

7。遺傳標記（genetic marker）

8。CpG島（CpG island）

9。表達序列標籤（EST）

10。基因定位（gene mapping）

11。連鎖分析（linkage analysis）

12。原位雜交（hybridization in situ）

13。基因克隆（gene cloning）

14。定位克隆（positional cloning）

15。 基因組醫學（genomic medicine）

16。 後基因組醫學（post-genome medicine）

（四）問答題

1。概述基因組學的研究內容。

2。說明HGP的科學目標和工作任務。

3。什麼是遺傳圖和物理圖？簡述構建原理。

4。基因定位的主要方法的特點是什麼？

5。說明基因克隆的三種研究策略。

6。 說明基因組醫學在遺傳病研究中的應用。

三、參考答案

（一）選擇題

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）填空題

1。基因組

2。 3。2×109、2～2。5

3。1990、2005

4。遺傳圖、物理圖、序列圖

5。細胞核、線粒體

6。1%

7。基因的功能、功能基因組學

8。基因組

9。連鎖分析、體細胞雜交、原位雜交、放射雜種

10。功能克隆、定位克隆、候選克隆

（三）名詞解釋

1。基因組指某生命體的全套遺傳物質。

2。基因組學是從基因組層次上系統地研究各生物種群基因組的結構和功能及相互關係的科學。

3。比較基因組學是在基因組層次上比較不同生物種群之間的異同，探討其含義。

4。疾病基因組學是從基因組中分離重要疾病的致病基因與相關基因，確定其致病機制。

5。蛋白質組學是研究組織細胞中基因組所表達的全部蛋白質，尤其是不同生命時期、不同生命狀態、及不同環境條件下全部蛋白質的變化及其功能。

6。生物資訊學是生物學與計算機科學和應用數學交叉的一門科學，對生物學實驗資料的獲取、加工、儲存、檢索與分析，進而達到揭示所含的生物學意義有重要作用。

7。遺傳標記可以是任何一種呈孟德爾式遺傳的性狀或物質形式，可以是基因，血型，血清蛋白等，特定DNA片段，確定其在基因組中的位置後，可作為參照標記用於遺傳重組分析。

8。CpG島是哺乳動物基因組DNA中長約1000bp的CG重複序列，在基因組中含量高，約佔基因組總量的1%。幾乎所有持家基因及約40%的組織特異性基因的5′端均有CpG島，它易於甲基化，從而影響基因的表達活性。

9。表達序列標籤（EST）是長約200～300bp的cDNA片段，它在基因組中的定位是不明確的。這是由特定組織細胞中提取到mRNA後，經反轉錄酶催化而合成的。由它可用不同方法獲得全長cDNA，再經FISH定位在染色體上。

10。基因定位是運用一定的方法將各個基因確定到染色體的實際位置。

11。連鎖分析是基因定位的一種方法。基因在染色體上呈線性排列，在減數分裂後，由於同源染色體重組，可結合家系分析進行不同座位的基因間重組的統計，依據待定位基因與已定位基因之間的重組值分析，可確定二者之間的連鎖關係和遺傳距離而達到基因定位。

12。原位雜交是核酸分子雜交技術在基因定位中的應用。用經放射性同位素標記的探針，同染色體標本載玻片上原位變性的染色體DNA進行分子雜交，透過放射自顯影來檢測與探針雜交結合的染色體DNA同源序列，依據探針放射性顆粒在某條染色體上的顯影位置進行基因定位。

13。基因克隆是從基因組中把某一基因用一定方法分離出來，以便進行單一基因精細結構和功能的研究。

14。定位克隆策略是先抓住目的遺傳性狀（包括疾病）與基因的聯絡，先進行定位，而後再鑑定分析目的性狀決定基因的表達產物及功能。

15。 基因組醫學就是將生命科學和臨床醫學結合，將人類基因組成果轉化應用到臨床實踐中去的科學。

16。 後基因組醫學是指後基因組時代的醫學實踐，通常與基因組醫學、分子醫學等互動使用。後基因組醫學涵蓋分子生物學理論、技術和方法，是現代分子生物學理論和技術向現代醫學領域的延伸。

（四）問答題

1。基因組學是從基因組整體層次上研究各生物種群基因組的結構和功能及相互關係的科學。其研究內容有：

結構基因組學要研究基因組內基因的數量，基因的定位和每個基因編碼區和基因間隔區DNA序列結構。繪製基因組遺傳圖、物理圖、序列圖和基因圖。

功能基因組學要在基因組層次上研究所有基因的表達，調控與功能。及基因表達在不同生命期、不同生理病理條件下和在不同環境因素下的變化。

當研究涉及不同領域時，又會產生一些學科分支。

2。人類基因組計劃（HGP）的科學目標是至2005年全部測定組成人類基因組的DNA序列，從而為闡明人類所有基因的結構和功能，解讀人類遺傳密碼奠定基礎。主要工作任務是認識人類基因組的整體結構，即完成基因組的遺傳圖、物理圖和序列圖，在此基礎上識別鑑定基因組的每一個基因，逐步完成人類的基因圖。

3。遺傳圖是指每條染色體上的遺傳標記的相對位置經連鎖分析確定後所構成的圖譜，遺傳標記間的距離用它們之間交換率來衡量，圖距單位1釐摩（cM）即為1%的交換率。染色體上不同遺傳標記間的距離可以相加。

物理圖是將染色體的隨機切割DNA片段的實際排列順序確定後所構成的圖。先用限制酶將染色體切成一個個DNA片段，插入YAC或BAC形成克隆，借這些DNA片段中所存在的STS路標，將之連線成重疊克隆群（contig），即可得出覆蓋整個基因組的DNA片段排列順序。

4。常用的基因定位方法：①連鎖分析以家系分析和重組值計算為依據，確定待定位基因與已定位基因之間的相對位置。②體細胞雜交法是利用人/鼠融合細胞中人類染色體丟失，僅剩少數乃至一條人類染色體，結合染色體顯帶技術，再結合細胞生化性狀分析實現基因定位。③原位雜交是用核酸探針同染色體標本載玻片上原位變性染色體DNA同源順序雜交結合，顯影定位。④放射雜種技術是利用整合有人類染色體隨機片段的人/鼠融合細胞克隆嵌板，進行基因定位。人類染色體的隨機片段是經人為輻射細胞造成的。

人類基因組計劃完成後，所提供的基因組圖譜儲存大量資訊資源，計算機序列識別技術的發展，結合上述基因定位實驗方法，大大提高了基因定位的速度和精度。

5。基因克隆有以下三種研究策略：①功能克隆：是先從目的遺傳性狀分析其決定基因的可能功能，從與功能相關的蛋白質入手，找出定位和克隆決定基因的方法。②定位克隆：是先將目的遺傳性狀用一定的方法定位在某一染色體區域，從該染色體區域的“鄰接克隆群”中篩選目的遺傳性狀的決定基因，從而獲得決定基因克隆。之後，再研究分析決定基因的產物和功能。③候選克隆：是已定位和克隆的基因越來越多的背景下，產生的一種新的基因克隆途徑。定位候選克隆是在已定位的染色體區域內，將已知基因都作為候選基因，逐一進行轉錄表分析和突變鑑定。從中篩選出目的遺傳性狀的決定基因克隆。功能候選克隆是根據目的遺傳性狀決定基因的可能功能，檢索生物資訊資料庫中相關基因的功能域，將接近功能域的基因都作為候選基因，從中篩選目的性狀的決定基因克隆。

6。單基因遺傳病的致病基因研究和基因診斷是基因組醫學研究的重要方向，也是目前國內外最為成功的研究領域。科學家透過不懈努力，現已發現了許多致病基因。

複雜性疾病的相關基因研究和疾病易感性分析是基因組醫學研究的另一個重要方面。複雜性疾病是由於基因的變異以及環境和生活習慣等因素的共同影響，使得每個人對不同的疾病的易感性不同。與單基因遺傳病相比，複雜性疾病的研究及治療顯然要困難得多。儘管這樣，人們還是找到了研究複雜性疾病的突破口：單核苷酸多型性（SNP），它是研究基因變異的重要指標。SNP研究為了解疾病的發病機理，疾病的診斷及疾病易感性研究提供了重要基礎。

人類基因組醫學將會推動臨床醫學研究，將從結構基因組，功能基因組和蛋白質組水平上認識疾病；從基因和環境相互作用水平上研究疾病；透過疾病基因組早期診斷、預防、治療疾病。基因組醫學的知識將不再侷限於遺傳醫學和基因組醫學的專家而是貫穿於所有醫生的醫療實踐，當然也融入了公眾和社會的日常生活。

（劉京昇 羅佳濱）