人类基因组计划简介.ppt

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主年医学和生理学诺贝尔奖得主,美国美国Salk Institute研究所癌症研究员杜贝可研究所癌症研究员杜贝可(Renato Dulbecco)在在“Science”上发表题为上发表题为“癌症研究的转折点癌症研究的转折点:定出人类基因组序列定出人类基因组序列”一文一文,引起了美国社会大众的广泛关注引起了美国社会大众的广泛关注,并使并使基因组测序计划的支持者和反对者进行了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,但在当时但在当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,因而不因而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报个月的努力写出一份报告告“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测在开展人类基因组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”,其态其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人类基因组测序计划进展 Human Chr.20,completed,February,2002 Human Chr.14,completed,January,2003 Human Chr.Y,completed,October,2003 Human Chr.7,completed,October,2003 Human Chr.6,completed,October,2003 Human Chr.13,completed,March,2004 Human Chr.19,completed,March,2004 Human Chr.9,completed,May,2004 Human Chr.10,completed,May,2004 Human Chr.X,completed,March,2005 Human Chr.2-4,completed,April,2005 Human Chr.1,completed,May,2006 截止截止2006年年5月月,人类基因组计划已完成人类基因组计划已完成22条常染色体和条常染色体和X,Y性染色体的精确测序与性染色体的精确测序与解读解读.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.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.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,然后将测序的然后将测序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,并位于不同的测并位于不同的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 AFLP(amplified fragment lenth AFLP(amplified fragment lenth polymorphism,polymorphism,放大的片段长度多态性放大的片段长度多态性)1)这是一种筛选这是一种筛选RFLP分子标记的方法分子标记的方法.先将先将DNA样品采用选定的限制性内切酶样品采用选定的限制性内切酶(如如EcoRI,Sau3A)消化消化,然后加上接头然后加上接头PCR引物引物.2)接头接头PCR引物设计引物设计:根据限制酶接头添加数个根据限制酶接头添加数个向外延伸的碱基向外延伸的碱基,然后向然后向3方向延伸方向延伸1-3个不同个不同的碱基的碱基.3)选择不同的引物对扩放样品选择不同的引物对扩放样品DNA,经聚丙烯胺经聚丙烯胺凝胶电泳分离标记的凝胶电泳分离标记的PCR产物产物.酵母人工染色(YAC)细菌人工染色体BAC 指纹作图3种指纹指纹重叠群构建酵母基因组遗传图与物理图的整合毛毛细细管管电电泳泳测测序序克隆重叠群测序与组装人类基因组测序样品