人类基因组计划简介课件

人类基因组计划人类基因组计划人类基因组测序计划-创议与实施1)1)第一阶段第一阶段:酝酿酝酿2)2)第二阶段第二阶段:论证论证3)3)第三阶段第三阶段:实施实施人类基因组计划的酝酿星星之火19841984年年1212月月,在美国犹他州盐湖城滑雪胜地阿在美国犹他州盐湖城滑雪胜地阿尔他尔他,由美国能源部资助的一次环境诱变和致由美国能源部资助的一次环境诱变和致癌物防护国际会议上癌物防护国际会议上,到会代表在讨论中提到会代表在讨论中提出了一个问题出了一个问题:有什么新办法可以非常有效地有什么新办法可以非常有效地,直接地检测出人类基因的突变直接地检测出人类基因的突变?或者说或者说,有没有没有新方法可在日本广岛有新方法可在日本广岛,长崎原子弹爆炸后的长崎原子弹爆炸后的幸存者及其子女的群体中直接测定基因突变幸存者及其子女的群体中直接测定基因突变?因为在受辐射伤害的人群中因为在受辐射伤害的人群中,能检测到突变的能检测到突变的比率与正常人群相同比率与正常人群相同,比预期低三分之二比预期低三分之二.这是生物科学家首次讨论人类基因组计划这是生物科学家首次讨论人类基因组计划.盐湖城盐湖城Alta会议会议起点起点,1984Alta is a ski area nestled among the Wasatch Mountains(note:Original text said Saguache Mountains)in Utah,Salt Lake City.From December 9 to 13,1984.The Alta meeting was sponsored by the Department of Energy(DOE)and the International Commission for Protection Against Environmental Mutagens and Carcinogens.It was initiated by David Smith of DOE and Mortimer Mendelsohn of the Lawrence Livermore National Laboratory.英雄所见略同英雄所见略同Walter Gilbert.A crucial early proponent,he later tried to set up a company to produce and sell genome data.Santa Cruz会议会议,California,1985 Robert L.Sinsheimer:The University of California,Santa Cruz,During a Critical Decade,1977-1987Sinsheimer was appointed chancellor(分校校长分校校长)by UC President David Saxon in June,1977.Formerly chairman of the division of biology at the California Institute of Technology(CIA)where his work as a molecular biologist had earned him a distinguished international reputation.推波助澜杜贝克宣言 1986年年,1975年医学和生理学诺贝尔奖得年医学和生理学诺贝尔奖得主主,美国美国Salk Institute研究所癌症研究员杜研究所癌症研究员杜贝可贝可(Renato Dulbecco)在在“Science”上发上发表题为表题为“癌症研究的转折点癌症研究的转折点:定出人类基因定出人类基因组序列组序列”一文一文,引起了美国社会大众的广泛引起了美国社会大众的广泛关注关注,并使基因组测序计划的支持者和反对并使基因组测序计划的支持者和反对者进行了一场为时数年的争论者进行了一场为时数年的争论.杜贝可提出了两条基因搜寻路线杜贝可提出了两条基因搜寻路线,即以测序即以测序 为核心的为核心的“DNA序列序列”探测和以作图为中心探测和以作图为中心 的的“基因地图基因地图”克隆克隆.Dubecco宣言宣言,1986In 1975 Dubcco was awarded the Noble prize for Physiology or Medicine with two of his associates David Baltimore and Howard Temin.In 1986 Dubecco proposed the“Human Genome Project”to map the entire genome and to identify some 100 thousand genes which make up the human genome strucrure.From 1988 to 1992,Dubecco served as the President of the Salk Institute.At present,Dubecco,who returned to Italy to work for CNR is supervisor of the“Human Genome Project”(the Iatlian part of the International Project).Dubecco提出了人类基因组计划提出了人类基因组计划作图和测序作图和测序同时进行的研究路线同时进行的研究路线.反对的声浪反对的声浪人类基因组计划虽然是一个极富创意的想法人类基因组计划虽然是一个极富创意的想法,但在当但在当时时的许多方面都超出了科学技术发展的实际水平的许多方面都超出了科学技术发展的实际水平,因而因而不不可避免遭到各方面的怀疑与反对可避免遭到各方面的怀疑与反对,其中包括像其中包括像Jacob这样大名鼎鼎的生理学这样大名鼎鼎的生理学Noble 奖得主奖得主,MIT和和NIH(美美国国家健康研究所国国家健康研究所)等著名单位等著名单位.主要原因在以下几点主要原因在以下几点:1)科学上的依据科学上的依据:基因编码序列仅占人类基因组总量基因编码序列仅占人类基因组总量的的2%,是否值得花很多钱去测序整个基因组是否值得花很多钱去测序整个基因组.以当以当时的技术测序费用太高时的技术测序费用太高.2)技术上不成熟技术上不成熟:按当时测序水平按当时测序水平,一个人每天最多一个人每天最多只能完成只能完成1000 bp测序测序,30亿对碱基仅测序需要亿对碱基仅测序需要1000个人工作个人工作3000年年.3)大量的投入将挤占其它领域的研究经费大量的投入将挤占其它领域的研究经费.政府介入1987年春年春,美国能源部健康和环境研究顾问委员会在听取个种美国能源部健康和环境研究顾问委员会在听取个种意见后写了一份报告意见后写了一份报告“Human Genome Initiation”,肯定人类肯定人类基因组测序计划的重要性基因组测序计划的重要性,并表示愿意独立承担这一计划并表示愿意独立承担这一计划.与此同时与此同时,美国科学院生命科学学部基础生物委员会指定美国科学院生命科学学部基础生物委员会指定15名名科学家组成科学家组成“全国研究委员会全国研究委员会”,经过经过14个月的努力写出一份个月的努力写出一份报报告告“人类基因组的作图与测序人类基因组的作图与测序”.报告认为报告认为在开展人类基因组在开展人类基因组测测序的同时序的同时,平行开展模式生物大肠杆菌平行开展模式生物大肠杆菌,酵母酵母,线虫线虫,果蝇和小鼠果蝇和小鼠基因组测序研究基因组测序研究.美国国会和商业委员会也委托所属技术评估美国国会和商业委员会也委托所属技术评估办公室对人类基因组计划进行调查办公室对人类基因组计划进行调查,后者提供了一份报告后者提供了一份报告“Mapping Our Genes,The Genome Projects:How Big,How Fast”,其其态态度也是度也是支持这一计划支持这一计划.美国国立卫生研究院美国国立卫生研究院(NIH)复杂基因组特复杂基因组特别顾问委员会别顾问委员会1988年也提出报告年也提出报告支持人类基因组计划支持人类基因组计划.美国国会的态度 1988年美国国会正式批准拨出专款资助能年美国国会正式批准拨出专款资助能 源部和国立卫生研究院同时负责实施人类源部和国立卫生研究院同时负责实施人类 基因组计划基因组计划.一般以一般以1989年为起始执行年年为起始执行年.人类基因组计划的实施人类基因组计划的实施负责人负责人 第一任首席科学家第一任首席科学家:James Watson 因因DNA顺序专利争论顺序专利争论 于于1992年辞职年辞职.第二任首席科学家第二任首席科学家 Francis Collins 人类基因组测序的耗费人类基因组测序的耗费The overall budget needs for the effort are still anticipated to be the same as those identified by the OTA and the NRC,namely about$200 million per year for approximately 15 years.(引自引自:The First Five Years:Fiscal Years 1991-1995,published April 1990.DOE/ER-0452P,NIH Publication No.90-1590.)预计预计:2002年年:Sequence 500 Mb/year at 1,400 Mb/year at$0.09 per finished base.白宫宣布人类基因组测序计划白宫宣布人类基因组测序计划草图顺序完成草图顺序完成June 25,2000.PRESIDENT CLINTON ANNOUNCES THE COMPLETION OF THE FIRST SURVEY(初步测序初步测序)OF THE ENTIRE HUMAN GENOME.June 26,2000White House 召开记者招待召开记者招待 Venter Collins会庆贺这一具有历史意义的重要成就会庆贺这一具有历史意义的重要成就.人类基因组测序计划参加国家人类基因组测序计划参加国家(1)共共16个单位个单位,6个国家参加个国家参加:1)United State 1.Baylor College of Medicine,Houston,Texa 2.Genome Therapeutics Corporation,Waltham,MA 3.Joint Genome Institute,U.S.Department of Energy,Walnut Creek,CA 4.Stanford DNA Sequencing and Technology Development Center,Palo Alto,CA 5.University of Washington Genome Center,Seattle,WA 6.University of Washington Multimegabase Sequencing Center,Seattle,WA 7.Whitehead Institute for Biomedical Research,MIT,Cambridge,MA 8.Washington University Genome Sequencing Center,St.Louis,MO 2)United Kingdom 9.The Sanger Centre,Hinxton 人类基因组测序计划参加国家人类基因组测序计划参加国家(2)3)Germany 10.Max Planck Institute for Molecular Genetics,Berlin 11.Gesellschaft fur Biotechnologische,Forschung mbH,Braunschweig 12.Institute for Molecular Biotechnology,Jena4)France 13.Genoscope,Evry 5)Japan 14.Keio University,Tokyo 15.RIKEN Genomic Sciences Center,Saitama6)China 16.中国华大基因中心中国华大基因中心:于于1998年申请参加人类基因组年申请参加人类基因组3号染色体端部约号染色体端部约1%基基 因组的测序因组的测序.人类基因组测序计划总的耗费人类基因组测序计划总的耗费人类基因组计划于人类基因组计划于1988年实施，原定年实施，原定15年年于于2003年完成全部顺序测序。实际花了年完成全部顺序测序。实际花了13年，于年，于2001年初宣布完成草图顺序。为完年初宣布完成草图顺序。为完成此项研究，美国能源部（成此项研究，美国能源部（DOE）和美国）和美国国家健康研究所（国家健康研究所（NIH）共化费共化费3,452.9百百万美元，其中万美元，其中DOE为为2,484.7百万美元为百万美元为NIH为为968.2。引自：引自：NIH NEWS，Monday,April 14,2003人类基因组的测序与解读人类基因组的测序与解读1)遗传图与物理图遗传图与物理图2)人类基因组的测序与序列组装人类基因组的测序与序列组装3)人类基因组草图与完成图人类基因组草图与完成图4)人类基因组序列解读人类基因组序列解读结构基因组的研究策略遗传图与物理图遗传图与物理图 1）遗遗传传作作图图（Genetic mapping）采采用用遗遗传传学学分分析析方方法法将将基基因因或或其其它它DNA顺顺序序标标定定在在染染色色体体上上构构建建连连锁锁图图。这这一一方方法法包包括括杂杂交交实实验验，家家系系分分析析。遗遗传传图图距距单单位位为为厘厘摩摩(cM),每每单单位位厘厘摩摩定定义义为为1%交换率。交换率。2）物物理理作作图图（Physical mapping）采采用用分分子子生生物物学学技技术术直直接接将将DNA分分子子标标记记、基基因因或或克克隆隆标标定定在在基基因因组组实实际际位位置置。物物理理图图的的距距离离依依作作图图方方法法而而异异，如如辐辐射射杂杂种种（radiation hybrid）作作图图的的计计算算单单位位为为厘厘镭镭(cR),限限制制性性片片段段作作图图与与克克隆隆作作图图的的图距为图距为DNA的分子长度，即碱基对的分子长度，即碱基对(bp,kb)。为何要用分子标记进行为何要用分子标记进行基因组作图基因组作图基因组测序的基本策略是将整个基因组分基因组测序的基本策略是将整个基因组分割成一些小的片段分别测序割成一些小的片段分别测序,然后将测序然后将测序的的片段进行组装片段进行组装,使其回归到原来的位置使其回归到原来的位置.为了确保分散的基因片段正确归位组装为了确保分散的基因片段正确归位组装,必必须寻找一批标记须寻找一批标记,它们在染色体上的位置是它们在染色体上的位置是已知的、唯一的、确定的已知的、唯一的、确定的,并位于不同的并位于不同的测测序片段之中序片段之中.基因组路标(landmarker)标记1标记2标记3 染色体上的基因和DNA顺序 均可作为路标,路标具有 物理属性,他们由特定的 DNA顺序组成.路标位于 染色体上的位置是固定的,唯一的,不会更改的,因而 提供了作图的依据遗传作图标记遗传作图标记 1)1)第一代分子标记第一代分子标记,单一顺序多态性单一顺序多态性:RFLP,AFLP,RAPD RFLP,AFLP,RAPD 2)2)第二代分子标记第二代分子标记,重复顺序多态性重复顺序多态性:Simple sequence length polymorphisrns,SSLPs Simple sequence length polymorphisrns,SSLPs Variable number of tandem repeats,VNTR Variable number of tandem repeats,VNTR Simple tandem repeats,STR Simple tandem repeats,STR Single sequence repeats,SSR Single sequence repeats,SSR3)3)第三代分子标记第三代分子标记,单核苷酸多态性单核苷酸多态性:Single nucleotide polymorphisms,SNP Single nucleotide polymorphisms,SNP 基因组测序计划的重要技术1)大分子大分子DNA分离技术分离技术-脉冲交变电场脉冲交变电场 电泳电泳2)大分子大分子DNA克隆技术克隆技术-YAC,BAC,PAC等人工染色体等人工染色体3)大规模大规模DNA测序技术测序技术-毛细管电泳毛细管电泳4)超级计算机用于超级计算机用于DNA序列的组装序列的组装脉脉冲冲交交变变电电场场电电 Charles Cantor and David Schwartz of Columbia University develop pulsed field electrophoresis(Cell).细菌人工染色体BAC指纹重叠群构建毛毛细细管管电电泳泳测测序序鸟枪法测序与序列组装-由下至上的测序2 kb小片段小片段两端顺序两端顺序测序后，测序后，可搭建一可搭建一系列的叠系列的叠连群连群.由两由两端顺序组端顺序组建的重叠建的重叠群可以进群可以进一步归并一步归并搭建大跨搭建大跨支架，再支架，再根据分子根据分子标记锚定标记锚定到染色体到染色体连锁图上连锁图上.人类基因组测序样品人类基因组草图顺序1)1)国际联合体的测序结果国际联合体的测序结果:总长总长:2 692 Mb:2 692 Mb 基因数基因数:26 383:26 3832)Cerela Genomics 2)Cerela Genomics 的测序结果的测序结果:总长总长:2 847 Mb:2 847 Mb 基因数基因数:31 778:31 778基因组计划的意义基因组计划的意义基因组学已经成为现代生命科学的核心领域基因组学已经成为现代生命科学的核心领域,催生催生了许多新兴的生命科学的学科分支与交叉科学了许多新兴的生命科学的学科分支与交叉科学组组学学(-omics):(-omics):1)1)所有生命现象的基本原因均与基因组的结构与所有生命现象的基本原因均与基因组的结构与顺序组成有关顺序组成有关.2)2)基因组的结构与顺序组成决定了基因的表达与基因组的结构与顺序组成决定了基因的表达与调控的模式调控的模式.3)3)基因组顺序的多态性是生物进化与生物多样性基因组顺序的多态性是生物进化与生物多样性产生的根源产生的根源.4)4)基因组结构与功能的解读可为医学基因组结构与功能的解读可为医学,健康健康,农农业业,林业林业,畜牧业畜牧业,医药工业的发展和技术创医药工业的发展和技术创新提供理论依据新提供理论依据.个人基因组时代已经来临20062006年年1010月月4 4日美国日美国X X奖基金会宣布设立一项金额高奖基金会宣布设立一项金额高达达10001000万美元的奖金，激励科学家万美元的奖金，激励科学家“多快好省多快好省”地绘制出人类基因图谱。地绘制出人类基因图谱。X X奖基金会希望这笔钱能奖基金会希望这笔钱能激励科学家在激励科学家在1010天内绘制出天内绘制出100100个人的基因图谱。个人的基因图谱。基金会还提供了一笔基金会还提供了一笔100100万美元的额外奖金，只要有万美元的额外奖金，只要有人能为人能为100100个名人、科学家和亿万富翁破译基因密个名人、科学家和亿万富翁破译基因密码，就能得到这笔奖金。这码，就能得到这笔奖金。这100100个人包括微软公司个人包括微软公司创始人之一保罗创始人之一保罗艾伦与搜索引擎谷歌艾伦与搜索引擎谷歌（googlegoogle）的合作创始人之一拉里）的合作创始人之一拉里佩奇等佩奇等.这一举措表明社会希望人类基因组测序能进入个性这一举措表明社会希望人类基因组测序能进入个性化服务时代化服务时代.两份私人基因组图问世两份私人基因组图问世20072007年年5 5月月3131日，在美国休斯日，在美国休斯敦贝勒医学院举行的一场仪敦贝勒医学院举行的一场仪式上，沃森收到了一张记载式上，沃森收到了一张记载着自己基因组数据的光盘。着自己基因组数据的光盘。为为DNADNA双螺旋结构的发现者双螺旋结构的发现者之一沃森测序的活动是由之一沃森测序的活动是由454454生命科学公司和贝勒医生命科学公司和贝勒医学院共同发起的。这是学院共同发起的。这是“首首个以少于个以少于100100万美元的费用万美元的费用测定的个人基因组测定的个人基因组”。基因。基因组测序的先驱组测序的先驱Craig VenterCraig Venter的个人基因组也已经测序的个人基因组也已经测序.他们两人的基因组数据都已他们两人的基因组数据都已存入公开的基因数据库存入公开的基因数据库GenBankGenBank中。中。人类个体基因差异远超预期 马里兰洲马里兰洲JC.文特尔研究所的研文特尔研究所的研 究人员文特尔个人的基因组顺究人员文特尔个人的基因组顺 序已完成测序序已完成测序.将其与已发表的将其与已发表的 两份人类基因组图比较发现两份人类基因组图比较发现,文文 特尔的基因组草图有特尔的基因组草图有410万个位万个位 点不同于点不同于”参照参照”的图譜的图譜,远高远高于于 预期预期.研究发现研究发现,文特尔有三个据信可降低心脏病风险文特尔有三个据信可降低心脏病风险的基因的基因,但也有增大心脏病风险的变异基因但也有增大心脏病风险的变异基因.-美国美国,2007,9人类基因组序列用于追踪人类的起源Out of Africa走出非洲假说走出非洲-线粒体夏娃假说线粒体线粒体基因组基因组DNA多多态性聚态性聚类分析类分析表明表明,16万年前万年前现代人现代人的祖先的祖先首次走首次走出非洲出非洲并迁徙并迁徙至世界至世界各地各地,线粒体基因组讲述史前人类的故事线粒体基因组讲述史前人类的故事160000万年前万年前,非州东部现代人的祖先向西非州东部现代人的祖先向西,向南向南,向西北迁徙向西北迁徙.史前人类走出非州-南进路线80000-75000年前年前史前人类跨越红海南部海峡进入欧亚大陆史前人类跨越红海南部海峡进入欧亚大陆.红海南部海峡宽红海南部海峡宽25 km,深深137m.冰川期海平面下降冰川期海平面下降80m.现代欧洲人来自现代欧洲人来自7位母亲位母亲1.英国牛津大学人类遗传学家通过英国牛津大学人类遗传学家通过10多年的人类线粒体基因多年的人类线粒体基因 组组DNA高变区碱基顺序组成研究发现高变区碱基顺序组成研究发现,97%的现代欧洲人的现代欧洲人线线 粒体基因组的基因型组成可以归纳为粒体基因组的基因型组成可以归纳为7种类型种类型.换句话说换句话说,他他 们都是源自们都是源自1万自万自4.5万年前万年前7个女性的后代个女性的后代.这这7位远祖位远祖“外外 婆婆”是欧洲人的是欧洲人的“宗族母亲宗族母亲”.2.2.西基斯教授称，欧洲人的西基斯教授称，欧洲人的“宗族母亲宗族母亲”是冰河时代的是冰河时代的7名女名女 性，而性，而全世界的人口则分别繁衍自全世界的人口则分别繁衍自36个不同的个不同的“宗族亲宗族亲”。而所有这些而所有这些“宗族母亲宗族母亲”都是都是15万年前到万年前到20万年前非洲大万年前非洲大陆陆 上一个科学家起名为上一个科学家起名为“线粒体夏娃线粒体夏娃”的女人的后代的女人的后代。尽管。尽管 “夏娃夏娃”不是当时惟一活着的女性，然而她却是惟一一个将不是当时惟一活着的女性，然而她却是惟一一个将 血脉延续繁衍到今天的原始女人。血脉延续繁衍到今天的原始女人。3.线粒体线粒体DNA进化树研究表明进化树研究表明,现代欧洲人和现代欧洲人和3万年前消失的万年前消失的 尼安得特人没有血缘上的联系尼安得特人没有血缘上的联系.思思 考考 题题1)基因组遗传图与物理图的差别基因组遗传图与物理图的差别.2)什么是克隆叠连群什么是克隆叠连群?如何绘制克隆叠连如何绘制克隆叠连 群群?3)基因组鸟枪法测序是怎么回事基因组鸟枪法测序是怎么回事?4)简述人类起源的简述人类起源的“走出非洲走出非洲”假说假说.