人類基因組計劃

人類基因組計劃被認為是人類基因組計劃成功的里程碑。大多數政府資助的測序是在美國，英國，日本，法國，德國和中國的20所大學和研究中心進行。國際人類基因組計劃.國際人類基因組計劃的啟動的重要原因是美國能源部的推動。1984年，在美國猶他州的Alta，由美國政府資助的旨在討論日益發展的DNA重組技術的會議上，科學家們第一次討論了人類基因組測序的價值。而首次對於人類基因組測序的可行性進行認真的探討是在1986年由羅伯特·辛舍梅的最終目標是瞭解人類基因組”，“就像瞭解人類身體構造對於目前醫學發展的貢獻，對人類基因組的瞭解將對醫學和其他健康科學研究提供必不可少的支援”。隨後，美國健康與環境研究專案主任查爾斯·德利斯決定對人類基因組啟動計劃進行資助，用於發展關鍵性技術與資源。1988年，人類基因組計劃再次得到顯著的推動，DNA雙螺旋結構的發現者和諾貝爾生理學或醫學獎的獲得者詹姆斯·沃森領導著美國國家衛生研究院中新成立的研究中心，加入了這個計劃。對於人類基因組計劃，沃森的評價是：“不盡快將它跨越到人類基因組是我的榮幸”。但1992年沃森於該計劃的領導角色被弗朗西斯·柯林斯取代。1990年，人類基因組計劃由美國能源部和國家衛生研究院投資，預期在15年內完成。隨後，該計劃擴充套件為國際合作的計劃，英國、日本、法國、德國、中國和印度先後加入，形成了國際基因組測序聯盟。為了協調各國人類基因組研究，1988年在維克多·馬克庫斯克等科學家的倡導下，國際人類基因組組織宣告成立。塞雷拉人類基因組計劃.在國際人類基因組計劃來完成此項工程。塞雷拉基因組的另起計劃被認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其策略，進一步加速其工作程序，使得人類基因組計劃得以提前完成。特點.基於對基因結構的瞭解及對電子機具的認識，陳奕雄博士的團隊採用了更快速同時更具風險的技術全基因組霰彈槍測序法，進而創造出全世界第一臺全自動定序儀ABI3600。霰彈槍測序法的思想是將基因組打斷為數百萬個DNA片段，然後用一定的演算法將片段的序列資訊重新整合在一起，從而得到整個基因組序列。為了提高這一方法的效率，1990年代，測序和片段資訊整合達到了自動化。這一方法雖然已被用於序列長達6百萬個鹼基對的細菌基因組測序，但對於人類基因組中3十億鹼基對的序列測定，這一技術能否成功在當時還未有定論。基因的智慧財產權之爭.塞雷拉基因組一開始宣稱只尋求對200至300個基因的專利權保護，但隨後又修改為尋求對“完全鑑定的重要結構”的總共100至300個靶基因進行智慧財產權保護。1999年，塞雷拉申請對6500個完整的或部分的人類基因進行初步專利保護；批評者認為這一舉動將阻礙遺傳學研究。此外，塞雷拉建立之初，同意與國際計劃分享資料，但這一協定很快就因為塞雷拉拒絕將自己的測序資料存入可以自由訪問的公共資料庫GenBank而破裂。雖然塞雷拉承諾根據1996年每季度發表他們的最新進展，但不同於國際計劃的是，他們不允許他人自由釋出或無償使用他們的資料。2000年，經美國國家衛生研究院院長科林斯與賽雷拉公司集團協調後，由美國總統克林頓牽著兩個團隊領導人的手，宣佈人類基因體計劃完成，其所有人類基因組資料為人類共同財富，不允許專利保護，且必須對所有研究者公開，塞雷拉最後決定將資料公開。但這一事件也導致塞雷拉的股票價格一路下挫，並使倚重生物技術股的納斯達克指數受到重挫。目標.人類基因組計劃的分階段目標如下：完成方式.資金國際計劃的資金主要美國國家衛生研究院和英國慈善機構威康信託基金會，後者資助了位於英國的和其他一些國家的研究機構。基因組捐獻者.國際人類基因組測序聯盟的所用於測序的基因組取樣於一大批捐獻者的血液和精子。只有少量的樣品被用做DNA測序，又由於捐獻者的身份是保密的，因此無論是捐獻者或是科學家都不知道用於測序的DNA是來自哪些人。來自不同文庫的DNA被克隆後用於整個計劃，大多數文庫由彼得·楊。塞雷拉基因組計劃使用的DNA樣品五名捐獻者。塞雷拉基因組的首席科學家克萊格·凡特在一篇寫給《科學》雜誌的公開信中承認他本人是捐獻者之一。測序手段.在國際計劃中，基因組被分割成多個片斷以及其他許多定位資料重新組裝在一起從而獲得完整的基因組。這一手段是先將基因組分成相對較大的片斷，並且在對片斷進行測序前將其定位到每條染色體對應位置，所以被稱為“分級霰彈槍測序法”。塞雷拉基因組嘗試用全基因組霰彈槍測序法並且沒有使用附加的定位拼接。但他們由於利用了少量的公共資料來完成計劃而招致他人詬病。人類基因組測序“完成”了嗎？.關於如何界定人類基因組測序完成，有多種定義。根據不同的定義，人類基因組的測序是否完成有不同的看法。曾有多個大眾媒體報道人類基因組計劃“完成”，而且由國際人類基因組計劃所採用的定義，基因組的測序已經完成。有統計資料顯示，截至2003年底，絕大部分的人類基因組已獲得測定；但基因組中仍有許多的區域未獲得測序。這其中的首要原因是在每條染色體的中心區域同樣含有高度重複的DNA序列。而且在46條染色體中，其末端大都不完整，因此無法精確地知道在端粒前還有多少序列；與著絲粒的情況類似，目前的技術很難測定這些序列。第三個原因是在每個人的基因組中都含有多個包含多基因家族成員的位點，這些位點的測序問題用霰彈槍測序法難以解決，而包含於這些位點中的多基因家族成員往往編碼具有重要免疫功能的蛋白質。對於前兩個原因，可以透過發展新的技術來解決測序問題。除了以上區域，還有一些間隙散佈於基因組中，部分間隙較大，但有希望在數年內解決。總而言之，對於全基因組的大小的估計顯示了92％的基因組已經獲得測定，餘下的高度重複的DNA序列不大可能含有基因，但在完成所有的測序之前，沒有什麼是確定無誤的。該專案無法對所有人類細胞中發現的DNA進行測序。它只對基因組的真染色質區域進行測序，這些區域佔人類基因組的92.1%。其他的區域稱為異染色質，發現於著絲粒和端粒中，而該計畫並未對此測序。人類基因組計劃(HGP)於2003年4月宣佈完成。人類基因組的初步草圖於2000年6月問世，到2001年2月完成並發表了工作草案，隨後在2003年4月14日完成了人類基因組的最終測序。雖然有報導稱，該方法覆蓋了99%的全色人類基因組，準確率為99.99%，但2004年5月27日發表的一份對人類基因組序列的主要質量評估顯示，超過92%的樣本的準確率超過了99.99%，達到了預期目標。關於HGP的進一步分析和論文不斷出現。2009年3月，基因組參考聯盟(GRC)發布了一個更精確的人類基因組版本，但仍有300多個漏洞。截至2019年6月，GRC仍指出89個“未解決”的漏洞，其中大多數被標註為“暫停”或“正在調查/審查中”。意義.破譯人類遺傳資訊，將對生物學，醫學，乃至整個生命科學產生無法估量的深遠影響。目前基因組資訊的註釋工作仍然處於初級階段。隨著將來對基因組的理解更加深入，新的知識會使醫學和生物技術領域發展更為迅速。基於DNA載有的資訊在細胞生命活動中的指導作用，在分子生物學水平上深入瞭解疾病的產生過程將大力推動新的療法和新藥的開發研究。對於癌症、老年痴呆症等疾病的病因研究也將會受益於基因組遺傳資訊的破解。事實上，在人類基因組計劃完成之前，它的潛在使用價值就已經表現出來。大量的企業，例如開始提供價格合宜，而且容易使用的基因檢測，其聲稱可以預測包括乳腺癌、凝血、纖維性囊腫、肝臟疾病在內的很多種疾病。。此外，人類基因組計劃將促成醫學界的“個人化製藥”的發展。對病人的整個基因序列的瞭解有助於醫療人員相應地提供最適合有效的幫助。的確，發展DNA科技將使得複製病人的基因組成本降低，相應的檢查費用也會大大減少。人類基因組計劃對許多生物學研究領域有切實的幫助。例如，當科研人員研究一種癌症時，透過人類基因組計劃所提供的資訊，可能會找到某個，或些相關基因。如果在網際網路上訪問由人類基因組資訊而建立的各種資料庫，可以查詢到其他科學家相關的文章，包括基因的DNA，cDNA鹼基順序，蛋白質立體結構、功能，多型性，以及和人類其他基因之間的關係。也可找到和小鼠、酵母、果蠅等對應基因的進化關係，可能存在的突變及相關的訊號傳導機制。人類基因組計劃對與腫瘤相關的癌基因，腫瘤抑制基因的研究工作，起到了重要的推動作用。分析不同物種的DNA序列的相似性會給生物進化和演變的研究提供更廣闊的路徑。事實上，人類基因組計劃提供的資料揭示了許多重要的生物進化史上的里程碑事件。如核糖體的出現，器官的產生，胚胎的發育，脊柱和免疫系統等都和DNA載有的遺傳資訊有密切關係。人類遺傳資訊也為考古學，犯罪學以及社會執法提供了極大的幫助。例如，分子人類學家透過母系遺傳的線粒體DNA以及父系遺傳的染色體Y確定了非洲確實是人類起源的搖籃。DNA證明了早在6萬年前人類始祖便從非洲大陸遷徙到其他大洲的事實；大陸之間數列的異同也使得分子系統學家瞭解家族及個人的家譜關係。此外，透過收錄已知犯人的DNA序列，有關政府加速了判別及震懾罪犯的措施。此執法方式被證明十分有成效但也常因迅速誤判無辜嫌疑人而飽受爭議。