功能基因組學(xué)研究進(jìn)展

馬強(qiáng)

【摘要】隨著人類基因組計(jì)劃（HGP）的順利進(jìn)行，生物醫(yī)學(xué)研究已進(jìn)入后基因組時(shí)代（post-genome era）。基因組學(xué)的研究發(fā)生了翻天覆地的變化，已從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomics）過(guò)渡到功能基因組學(xué)（functional genomics）。功能基因組學(xué)以揭示基因組的功能及調(diào)控機(jī)制為目標(biāo)，對(duì)于基因功能的研究也由單一基因轉(zhuǎn)向大規(guī)模、批量分析。功能基因組學(xué)的研究是21世紀(jì)國(guó)際研究的前沿，也是最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。

【關(guān)鍵詞】功能基因組學(xué)；研究?jī)?nèi)容；研究方法

目前，人類基因組計(jì)劃的實(shí)施在對(duì)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)進(jìn)行沖刺的同時(shí)，一個(gè)以功能基因組學(xué)為標(biāo)志的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。生物學(xué)家們的研究重心已經(jīng)從揭示生命的所有遺傳信息轉(zhuǎn)移到從整體水平對(duì)生物功能的探究，方法是采用新技術(shù)結(jié)合生物信息學(xué)同時(shí)對(duì)成千上萬(wàn)個(gè)基因結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析和比較，力圖從整體水平對(duì)基因的活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行全面分析。

人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project，HGP）經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家的共同努力已取得了巨大的成績(jī)[1]。人類基因組的完整順序估計(jì)將在21世紀(jì)初提前完成，但僅僅是一個(gè)參考基因組完整順序。人類是一個(gè)具有多態(tài)性的群體，不同群體和個(gè)體在生物學(xué)性狀以及在疾病易感性/抗性上的差別，反映了進(jìn)化過(guò)程中基因組與內(nèi)、外環(huán)境相互作用的結(jié)果。可以想象，人類第一個(gè)基因組測(cè)序完成之后必然會(huì)出現(xiàn)對(duì)各種人種、群體再測(cè)序和精細(xì)基因分型的熱潮。這些資料與人類學(xué)、語(yǔ)言學(xué)資料相結(jié)合，將有可能建立一個(gè)全人類的數(shù)據(jù)庫(kù)資源，從而更好地了解人類的歷史和自身特征[2]。

1功能基因組學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容

1.1基因的表達(dá)及時(shí)空調(diào)控的研究。一個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平能精確而特異地反映其類型、發(fā)育階段以及反應(yīng)狀態(tài)。因此，功能基因組學(xué)的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容就是比較不同組織和不同發(fā)育階段、正常狀態(tài)和疾病狀態(tài)，以及體外培養(yǎng)的細(xì)胞中基因表達(dá)的差異[3]。

1.2蛋白質(zhì)組及蛋白質(zhì)組學(xué)。大部分細(xì)胞生命活動(dòng)發(fā)生在蛋白質(zhì)水平而不是RNA水平，轉(zhuǎn)錄不是基因表達(dá)的最終結(jié)果，基因在生物體整體的功能最終是由其編碼的蛋白質(zhì)在細(xì)胞水平上體現(xiàn)的。因此，功能基因組學(xué)也重視對(duì)蛋白質(zhì)表達(dá)及其功能的研究。蛋白質(zhì)組（proteome）是由澳大利亞學(xué)Wasinger等于1995年提出的，是指由基因組編碼的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics）就是指研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的科學(xué)，研究不同時(shí)間和空間發(fā)揮功能的特定蛋白質(zhì)群體，從蛋白質(zhì)水平為探索蛋白質(zhì)作用模式、功能機(jī)理、調(diào)節(jié)控制、藥物開(kāi)發(fā)、新陳代謝途徑等提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)[4]。

1.3 基因組多樣性的研究。生物多樣性是普遍存在的自然現(xiàn)象，人和動(dòng)植物是具有多態(tài)性的生物群體，不同群體和個(gè)體在對(duì)疾病的易感性、抗性及其他生物學(xué)性狀（如對(duì)同一藥物的反應(yīng)性）方面的差異，反映了進(jìn)化過(guò)程中基因組與內(nèi)、外環(huán)境相互作用的結(jié)果。因此，基因組多樣性的研究不僅對(duì)了解人和動(dòng)植物的起源、進(jìn)化、人和動(dòng)物的遷徒等具有重要意義，而且對(duì)整個(gè)生物醫(yī)學(xué)都將產(chǎn)生重要的影響[5]。

2 功能基因組的研究方法

2.1 基因剔除。基因剔除（gene knock out）是基因打靶（gene targeting）的一種方法。鑒定基因功能最有效的方法可能就是利用基因剔除技術(shù)在模型生物如小鼠或秀麗新桿線蟲(chóng)進(jìn)行功能喪失（loss of function）分析，即觀察基因表達(dá)被阻斷后在細(xì)胞和整體水平所產(chǎn)生的表型變化。應(yīng)用同源重組技術(shù)，國(guó)際上已實(shí)現(xiàn)對(duì)酵母所有基因缺失突變體的構(gòu)建。同理，應(yīng)用近年來(lái)發(fā)展的條件化基因剔除技術(shù)，已達(dá)到對(duì)任何基因在不同發(fā)育階段和不同器官、組織的選擇性剔除。但這一技術(shù)亦存在一些問(wèn)題，如費(fèi)用太高、周期較長(zhǎng)，而且許多基因在剔除后并未產(chǎn)生明顯的表型改變，可能是這些基因的功能為其他基因代償所致。

2.2 轉(zhuǎn)基因研究。轉(zhuǎn)基因研究（transgenic study）始于20世紀(jì)80年代初，包括轉(zhuǎn)基因動(dòng)物及轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)，并形成了一門(mén)新的學(xué)科即轉(zhuǎn)基因?qū)W（transgenics）。通過(guò)在模型生物中高效表達(dá)某一基因，以觀察對(duì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的影響，也是研究基因功能的重要手段之一。

2.3 基因誘變。基因誘變技術(shù)是遺傳學(xué)研究中最重要的手段之一，亦是研究基因功能的方法之一。用于功能基因組學(xué)研究的基因誘變技術(shù)包括定向誘變、表型誘變及克隆DNA的體外定點(diǎn)誘變。定向誘變：定向誘變是利用同源重組技術(shù)，使胚胎干細(xì)胞內(nèi)目的基因產(chǎn)生定點(diǎn)突變。這些突變可進(jìn)一步用于基因敲除、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、顯性負(fù)突變等研究。定向誘變技術(shù)是反向遺傳學(xué)研究最常用的方法。所謂反向遺傳學(xué)是在已知基因序列的基礎(chǔ)上研究基因的生物學(xué)功能。一般是通過(guò)創(chuàng)造功能喪失突變體并研究突變所造成的表型效應(yīng)來(lái)研究基因的功能。

2.4 RNA干涉。是一種研究基因功能的新方法。它通過(guò)導(dǎo)入的雙鏈RNA的介導(dǎo)，特異性地降解內(nèi)源相應(yīng)序列的mRNA從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默（post transcriptional gene silencing），迄今已在繼在植物、真菌、線蟲(chóng)、錐蟲(chóng)、渦蟲(chóng)、果蠅、水螅、小鼠和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)存在這一基因沉默機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，RNAi作用機(jī)制中存在一個(gè)正反饋的過(guò)程，該過(guò)程與一種叫RNA依賴性RNA聚合酶有關(guān)。

3 展望

功能基因組的研究還處于發(fā)展的初期，雖然許多高效率、大通量的基因功能平行分析技術(shù)不斷提出和發(fā)展，但許多技術(shù)手段及其配套應(yīng)用還不太成熟[6]。因此，功能基因組研究的技術(shù)體系的建立、優(yōu)化、改進(jìn)和創(chuàng)新成為功能基因組學(xué)目前研究的主要內(nèi)容之一。自人類基因組工作框架圖完成以來(lái)，科學(xué)家都開(kāi)始把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向基因功能剖析及應(yīng)用，許多生物的功能基因組計(jì)劃也開(kāi)始啟動(dòng)，我們相信，隨著研究的不斷深入，在揭示諸如生物生長(zhǎng)、生育、代謝調(diào)控等生命活動(dòng)規(guī)律，在對(duì)人類重大疾病的發(fā)生機(jī)理、疾病防治和新藥開(kāi)發(fā)等研究方面將會(huì)有新突破；重要農(nóng)作物功能基因組的研究，在鑒定并克隆重要的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性相關(guān)的基因，闡述作物雜種優(yōu)勢(shì)形成的機(jī)理以及生長(zhǎng)、發(fā)育等規(guī)律方面，也將取得重大的進(jìn)展；同時(shí)也必將大大推動(dòng)發(fā)育生物學(xué)、生理學(xué)和遺傳學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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