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基因组学是从系统的角度研究生命体全部遗传信息的学科，自诞生以来只有20年的历程，但是发展非常迅猛，这与基因组学技术的飞速进步是分不开的。《基因组学方法》重点从方法学的角度阐述了基因组学的发展脉络和未来路线。首先介绍了基因组学的基本概念、历史发展。之后重点阐述了基因组学根本的测序技术和生物信息分析技术的前沿进展，并着重讨论了几个对本领域研究具有重大意义的技术问题。接下来，《基因组学方法》综述了一些应用基因组前沿技术获得的科学研究成果，并进一步讨论了基因组学技术创新发展的策略和途径，特别是我国在这一学科的目标、方向和重点任务。

前言

章 基因组学的发展历程

节 基因组学的研究内涵

一、双螺旋模型对遗传信息储藏方式的启示

二、动态变化中的染色体/染色质是遗传信息的载体

三、中心法则——遗传信息的使用

四、基因组和基因组学

第二节 基因组学的发展历程

一、基因组学的催生婆:“人类基因组计划”

二、测序技术的发展

三、基因组学研究领域的拓展

四、从解读生命到书写生命

第二章 基因组学主要创新方法

节 测序技术

一、测序技术的基本原理

二、测序的操作流程(以Illumina/HiSeq2000测序仪为例)

三、现有测序技术的优点和不足

四、测序技术改进的方向和途径

第二节 测序技术的应用

一、全基因组测序

二、目标序列的捕获:芯片技术和测序技术的结合

三、转录组

四、数字化表达谱

五、表观遗传学

六、小RNA分析

七、调控组

八、翻译组

九、宏基因组学

十、DNA鉴定

第三节 序列的组装和解读:生物信息学

一、基因组测序的策略

二、序列的组装

三、序列的解读

四、序列数据库

五、软硬件配置

第四节 本领域当前急待解决的关键技术问题

一、大基因组de novo组装算法设计与软件开发

二、大基因组注释核心技术开发

三、比较基因组与进化分析核心技术开发

四、大基因组重测序数据分析核心技术的开发

五、RNA分析

第三章 基因组学的应用与成果

节 基因组学研究成果

一、人类基因组学研究成果

二、动植物基因组学研究成果

第二节 基因组学现状

一、癌症基因组研究

二、复杂疾病和孟德尔疾病基因组研究

三、动物基因组及进化与分子育种研究

四、植物基因组及进化与分子育种研究

五、微生物基因组研究

第四章 基因组学方法创新的发展策略与途径

节 基因组学发展趋势

一、由单一组学向多组学研究过渡

二、由基础型研究向应用型研究过渡

第二节 我国基因组学方法创新发展的需求

一、技术需求

二、产业需求

第三节 我国基因组学方法创新的目标、方向和重点

一、主要目标

二、研究重点

参考文献

杨焕明、冯小黎

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章

基因组学的发展历程

节　基因组学的研究内涵

一、双螺旋模型对遗传信息储藏方式的启示

　　人们都知道生物具有代代相传的特性，这种遗传的物质基础就是基因组（genome） ，每

一种生物的基因组都包含着相应的遗传信息，这些信息决定了它们的个体建立和生物学特

征。绝大多数基因组，包括人的基因组，都是由脱氧核糖核酸（DNA）组成的，但是也有一些

病毒基因组由核糖核酸（RNA）组成。DNA 和RNA 是由核苷酸（nucleotide）单体组成的多

聚分子。组成DNA 的核苷酸都由三部分组成，1 个戊糖基、1 个含氮的碱基和1 个磷酸基

团。含氮碱基包含4 种，分别为胞嘧啶（cytosine ，C） 、胸腺嘧啶（thymine ，T） 、腺嘌呤（ade-

nine ，A）和鸟嘌呤（guanine ，G）（图1.1） 。

DNA 双螺旋结构被认为是20 世纪重要的科学发现之一。1953 年，Watson 和Crick

在综合碱基比值和X 射线衍射图谱的基础上，运用模型构建的方法推导出了DNA 的双螺

旋结构。根据Watson 和Crick 的双螺旋结构模型（图1.2 左） ，DNA 就像一个右手螺旋的

楼梯，它由两条反向互补的多核苷酸单链相互缠绕而成。磷酸与核糖在外侧通过3′ ，5′-磷

酸二酯键相连接形成楼梯的骨架，而位于内侧的两条多聚核苷酸上的碱基通过氢键互补配

对原则形成楼梯的阶梯。碱基配对形成的氢键和相邻碱基间疏水作用形成的碱基堆积力

是维持这个楼梯稳定性的主要因素。碱基配对由于具有非常重要的生物学意义而显得更

加重要。根据碱基互补配对原则（图1.2 右） ，即A 仅与T ，G 仅与C 互补配对，任何一个亲

本DNA 可以准确地产生出子代分子来，这也是细胞通用的DNA 复制法则。此外，碱基间

的配对在转录、翻译和调控等遗传信息流动过程中也至关重要。

二、动态变化中的染色体/染色质是遗传信息的载体

作为遗传物质的DNA 在生物体中具有一定的组织形式，这就是染色质，包括DNA 和

蛋白质两部分。染色质（图1.3）上的蛋白质包括组蛋白和非组蛋白。组蛋白可以看成染色

质的结构蛋白。当细胞进行分裂时，DNA 紧密装配收缩成棒状，被称为染色体。细胞分裂

完成后，染色体结构疏松呈线性排列，同时非组蛋白在一定的调控机制下与DNA 结合，基

因开始行使功能。染色质/染色体上DNA 和蛋白质之间持续发生着互动，这对于基因的表

达调控（即DNA 的遗传信息）读取起着至关重要的作用。

三、中心法则――遗传信息的使用

一个物种的遗传信息可以看做是一本书，书中的文字就是DNA 序列。我们已经知道

基因组（DNA）序列的每三个核苷酸对应一种氨基酸（终止密码子除外） ，氨基酸组成蛋白

质，后蛋白质行使生命的功能。总的来看，核苷酸序列的顺序决定了蛋白质的结构和功

能，其根本上又是由核苷酸和氨基酸的对应关系实现的，这种对应关系被称为遗传密码（图

1.4） ，每三种核苷酸被称为一个密码子。成千上万的密码子按照一定顺序排列在DNA 上，

还需要一些其他的功能序列来影响和决定其组织的方式以及何时何地被使用，这些功能序

列和包含着密码子的编码序列一起决定了这个物种全部可能的生命活动。

　我们已经了解了生命之书是如何在生命的代代之

间传递的，那么，作为生命的基本单位――细胞，又是

如何使用这本生命之书的呢？ 这需要通过一个被称为

“中心法则”的过程（图1.5） ，首先在细胞核内以DNA

的一条链为模板合成RNA ，这个过程被称为转录，

RNA 的序列与模板链互补配对，在碱基组成上将T（胸

腺嘧啶）换成了U（尿嘧啶） 。RNA 经过剪接和修饰后

进入细胞质中，再于核糖体上通过密码子规则指导合

成蛋白质，这个过程被称为“翻译” 。“翻译”出的蛋白

质还需经过一系列的折叠和修饰才能行使生命功能。后来科学家发现RNA 也可以被反转

录为DNA ，同时RNA 也可以自我复制，这就形成了“中心法则”理论现在的形式，细胞（生

命体）正是通过它将“书”上的生命“剧本”转化实现为了丰富多彩的生命“舞剧” 。

四、基因组和基因组学

基因组指单倍体细胞中的编码序列和非编码序列在内的全部DNA 分子。基因组

DNA 序列编写着一切生命体活动基本的生物信息，这些信息是生物体个体建立和维持

其生物学特征所必需的。基因组学就是通过分析基因组DNA 序列或其表达中间过程或产

物等来解读这些信息的学科。在技术上，基因组学通过测序和解读两个相对独立的环节来

达到这一目标。

生命是序列的，如何获取序列成为基因组学的首要问题，测序技术也就成为基因组学

核心的技术。1977 年，Gilbert 等人报道了通过化学降解测定DNA 序列的方法，同年，

Sanger 建立了双脱氧链终止法。测序技术的发展给基因组学研究带来了革命性的改变。

20 世纪80 年代末，测序技术在分子实验室的日常化促使了“人类基因组计划”的诞生；到20

世纪90 年代末，Sanger 测序法高通量、自动化的实现促使了“人类基因组计划”的完成，并

奠定了21 世纪基因组学和医学发展的格局；2006 年以来，第二代测序技术的出现更使“万

物基因组”和“个体基因组”推上议事日程；在未来几年内，我们将有幸看到下一代测序技术

的通用和以基因组学为基础的生命科学时代的到来。

解读基因组序列中的遗传信息是基因组学研究的根本目标。定位、注释基因组序列中

功能元件是解读基因组序列的重要内容。这是一个以生物信息为导向、与实验相结合的过

程。对于多数功能元件来说，可以直接通过特征序列的寻找和同源分析进行定位和功能注

释，也可以用基于转录的高通量实验分析达到目的。

基因组学研究的终目的就是，通过测序和解读基因组为一切以生物学为基础的产业

和应用提供基本的遗传信息。20 世纪70 年代，基因重组技术的诞生使得分子生物学家借

到了“上帝之手” ，可以通过改造单个基因而获得相应的性状。基因组学的发展使遗传工程

领域有了较快的发展，它为这种“上帝之手”提供了基本的素材――物种所有基因序列。

小鼠基因敲除计划就是一个例子。

然而，由于重组技术本身的缺陷，仅仅对单个基因改造，并不能与基因组学发展的规模

和速度相称。一个全新的概念诞生了――“合成生物学” ，即人为地从通路和基因组水平设

计和制造新的生物部件、装置和系统；或重新设计已有的天然生物系统为人类的特殊目的

服务。合成生物学需要两个基本的条件：一个是合成基因组序列的技术；一个是人为地设

计能产出所需产物的代谢通路。而后一个完全依赖于大规模基因组测序所得的基因和代

谢网络数据库。另外，近也诞生了能快速改造整个代谢通路的技术。如果说“碱基序列”

是基因组这本大书的基本字符，基因组的“解读”为我们提供了基本的语法和素材，那么，我

们“书写”基因组的时代指日可待！

第二节　基因组学的发展历程

一、基因组学的催生婆：“人类基因组计划”

　　“人类基因组计划”（ Human Genome Project ，HGP）是一项规模宏大的科学计划，其旨

在测定组成人类染色体（指单倍体）中所包含的30 亿个核苷酸序列的碱基组成，从而绘制出

人类基因组图谱，且辨识并呈现其上的所有基因及其他功能元件。“人类基因组计划”是人

类为了解自身的奥秘所迈出的重要一步，是继曼哈顿计划和阿波罗登月计划之后，人类科

学史上的又一个伟大工程。

经历长达10 年的酝酿，“人类基因组计划”于1990 年正式启动，计划投资30 亿美元，预期

在15 年内完成。该计划由美国能源部和国家卫生研究院率先启动，随后，英国、日本、法国、德

国和中国先后加入。中国承担并完成“人类基因组计划”的1 % 任务（简称“1 % 项目”） 。

“人类基因组计划”的主要内容包括基因组的全序列测定，建立遗传图谱、物理图谱、序

列图谱、转录图谱；进行人类基因的鉴定；建立基因组研究技术、人类基因研究的模式生物；

建立信息系统。此外，“人类基因组计划”还包括对社会、法律与伦理问题的研究，交叉学科

的技术训练，技术的转让，研究计划的外延等九方面内容。自1990 年正式启动后，“国际人

类基因组协作组（International Human Genome Consortium）”先后完成了平均分辨率为

0.7cM 的遗传图谱（ Murray ，et al.1994）和平均分辨率为100kb 的物理图谱的绘制工作

（Schuler ，et al.1996） ，并于2001 年发表了人类基因组草图（ HGP Consortium 2001） ，于

2004 年发表了常染色质完成序列（ HGP Consortium 2004） 。从1999 年完成22 号染色体序

列分析到2006 年完成1 号染色体序列分析，全部24 条染色体（22 条常染色体和2 条性染

色体X 、Y）的序列都已被全部解析。至此，基因组序列图整合了由7000 个标记组成、分辨

率为0.7cM 的遗传图谱（ Murray ，et al.1994 ；Dib ，et al.1996）和由36 000 个标记组成、分辨

率为100kb 的物理图谱（ Hudson ，et al.1995 ；Schuler ，et al.1996） ，序列全长28.1 亿碱基

对，覆盖99 % 常染色质区，全基因组仅剩341 个空洞，注释了20 000～25 000 个蛋白质编码

基因。至此，“人类基因组计划”终于完美谢幕了。

人类基因组学的启动标志着基因组学作为生物学的一个分支学科的诞生，而它的顺利完成

标志着基因组学走向独立和成熟。可以说“人类基因组计划”就是基因组学的催生婆（图1.6） 。

“人类基因组计划”终勾画出人类基因组的共有的“参考性”图谱。但是，实际上每个

人的基因组序列都是有着部分的差异，虽然比重不大，但从全部的30 亿对碱基来看总的改

变数目仍是不容忽视的。其中常见的变异是单核苷酸多态性（single nucleotide polymor-

phism ，SNP） 。为了描述这些SNP 在DNA 上存在的位置、在同一群体内部和不同人群间

的分布状况，“人类基因组单体型图计划（ HapMap 计划）”于2003 年启动。中国负责10 %

的工作，所产生的全部数据与“人类基因组计划”一样免费向公众开放（IHGSC 2005 ；IHG-

SC 2007） 。HapMap 集合了频率高于5 % 的SNPS 和包括插入、缺失、拷贝数变异、结构变

化等其他形式的人类遗传变异。随后中国深圳华大基因研究院、英国Sanger 研究所（ Well-

come Trust Sanger Institute）和美国国家人类基因组研究所（National Human Genome Re-

search Institute ，NHGRI）于2008 年1 月启动了“千人基因组计划” ，旨在提供详尽的人类

遗传变异图谱，鉴别出所有在人群中出现频率高于1 % 的突变，以支持疾病的研究。

随着测序技术的发展，“ENCODE 计划” 、“癌症基因组计划” 、“千种动植物基因组计划”

等一系列重大计划相继启动，开启了人类解读生命密码的新征程。

二、测序技术的发展

测序技术是基因组学的核心技术。正是近年来测序技术突飞猛进的发展带来了基因

组学今天的繁荣。没有毛细管电泳自动测序仪（Sanger 测序法）的应用，“人类基因组计划”

不可能于本世纪初完成。在此之后，测序技术的发展更是日新月异。首先公布的是焦磷酸

测序技术，由Roche 公司推出了相应的测序仪器454 。之后，Illumina 公司推出基于“边合

成边测序（Sequencing by Synthesis ，SBS）”的Solexa 测序技术，ABI 公司推出的“边连接边

测序（Sequencing by Ligation ，SBL）”的SOLiD 测序技术已经发展成熟，并在不断改进化学

和光学技术以提高通量。这三种测序技术的成本只有毛细管电泳测序方法的1/10 000 ~

1/100 ，这使得大规模重测序和更多物种的从头测序成为可能。

图1.7 　新一代测序技术：提供新一代测序仪产品的

　　部分公司

今天，新的测序技术仍然不断涌现，虽

然还没有商业化的推广，但已为今后基因

组学的发展提供了有力的信心（图1.7） 。

代表性的有HeliScope 测序技术，上机前

不需要对文库进行任何扩增，是台真

正意义上的单分子测序仪（ true Single

Molecular Sequencing ，tSMS） 。还有杂交

测序技术（ Sequencing By Hybridization ，

SBH） ，美国的Complete Genomics 公司使

用高通量的芯片（单张芯片达到上亿通量）

在芯片表面纳米球上扩增DNA 片段，使

用“ 组合探针锚定连接（ Combinational

Probe-anchored Ligation）”技术对片段两

端的35 个碱基进行双向测序。除此以外，Pacific Bioscience 公司和Visigen 公司分别开发

的单分子实时测序技术也有广阔的前景。当然，有可能真正实现1000 美元/人基因组测

序的是纳米孔（nanopore）测序技术，是近年来发展快、热门的领域，是纳米技术和生物

技术的完美结合。

三、基因组学研究领域的拓展

（一） 基因表达与转录组学

　　随着越来越多的基因组被测序，接下来的问题是这些基因的功能是什么、不同的基因

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书籍介绍

《基因组学方法》重点从方法学的角度阐述了基因组学的发展脉络和未来路线。首先介绍了基因组学的基本概念、历史发展。之后重点阐述了基因组学最根本的测序技术和生物信息分析技术的前沿进展，并着重讨论了几个对本领域研究具有重大意义的技术问题。接下来，《基因组学方法》综述了一些应用基因组前沿技术获得的科学研究成果，并进一步讨论了基因组学技术创新发展的策略和途径，特别是我国在这一学科的目标、方向和重点任务。