人類基因組計劃（human genome project,HGP）旨在闡明人類基因組的結構、組成、全部3×109核苷酸的序列以及基因在染色體上的定位及其功能，從而破譯人類全部遺傳信息。美國于1990年正式啟動HGP，估計到2003年完成人類基因組全部序列的研究。目前，HGP已成為范圍的合作項目。本文就HGP以及由HGP延伸而來的后基因組計劃（post-genome project）的發展現狀作一綜述。

　　關鍵詞：人類基因組 基因克隆 基因組學 結構基因組 功能基因組

　　人類基因組計劃（human genome project,HGP）是由美國科學家、諾貝爾獎獲得者Renato dulbecco于1986年在雜志《Science》上發表的文章中提出的，旨在闡明人類基因組脫氧核糖核酸（DNA）3×109核苷酸的序列，闡明所有人類基因并確定其在染色體的位置，從而破譯人類全部遺傳信息。美國于1990年正式啟動人類基因組計劃，估計到2003年完成人類基因組全部序列測定。歐共體、日本、加拿大、巴西、印度、中國也相繼提出了各自的基因組研究計劃[1]。由于各國政府和科學家的共同努力，HGP目前已在為范圍的合作項目；隨著數理化、信息、材料等學科的滲透和工業化管理模式的引進，HGP已真正成為生命科學領域的科學工程，基因組（genomics）作為一門新興學科也應運而生。

　　與此同時，科學界也在思索人類基因組計劃完成后的下一步工作，因此就有了“后基因組計劃”（post-genome project）的提法。大多數科學家認為原定于2003年所完成的人類基因組計劃只是一個以測序為主的結構基因組學（structural genomics）研究，而所謂的“后基因組計劃”應該是對基因功能的研究，即所謂的功能基因組學（functional genomics）。此外，一些新的概念如：“蛋白質組（proteome）”、“環境基因組學（environmental genomics）”和“腫瘤基因組解剖學計劃（cancer genome anatomy project,CGAP）”等等也在不斷向外延伸。

　　一、結構基因組學

　　（一）人類基因組作圖

　　人類基因組作圖根據使用的標記和手段不同，初期的作圖有二種：一是通過計算連鎖的遺傳標記之間重組頻率而確定它們相對距離的遺傳連鎖圖，一般用厘摩（cM）來表示；二是確定各遺傳標記之間物理距離的物理圖，一般用堿基（bp）或千堿基（kb）或兆堿基（Mb）來表示。1cM的遺傳距離大致上相當于1Mb的物理距離。隨著研究工作的進展，遺傳圖和物理圖逐漸發生整合，在此基礎上大量引入基因標記，從而形成了新一代的轉錄圖[1]。

　　1.遺傳連鎖圖 遺傳連鎖圖（genetic map）繪制需要遺傳標記，早期的遺傳標記主要為生化標記，20世紀80年代中期以限制性片段長度多態性（RFLP）、串聯重復序列拷貝多態性和小衛星重復順序等遺傳標記為主，這類標記的數量較少，信息也較低；20世紀80年代后期發展的短串聯重復序列（short tandem repeat,STR）也稱微衛星（microsalite,MS）標記，主要為二核苷酸重復序列，如：（CA）n，它們在染色體上分布較均勻，信息含量明顯高于RFLP，因而成為遺傳連鎖分析極為有用的標記；近年來，單個堿基的多態性（single nucleotide polymorphism,SNP）標記又被大量使用，其意義已超出了遺傳作圖的范圍，而成為研究基因組多樣性和識別、定位疾病相關基因的一種新標記。

　　2.物理圖 物理圖（physical map）包含了兩層意義，一是獲得分布于整個基因組的30000個序列標簽位點（sequence tagged site,STS），這可使基因組每隔100kb距離就有一個標記；二是在此基礎上構建覆蓋每條染色體的大片段DNA克隆，如：酵母人工染色體（yeast artificial chromosome,YAC）或細菌人工染色體（bacterial artificial chromosome,BAC）、人工附加染色體（human artificial episomal chromosome,HAEC）和人工噬菌體染色體（P1 bacteriophage artificial chromosome,PAC）等連續克隆。這些圖譜的制作進一步定位其它基因座提供了詳細的框架[2]。

　　3.轉錄圖 構建轉錄圖的前提條件是獲得大量基因轉錄本即信使核糖核酸（mRNA）的序列，人類基因組中的基因數目約在10萬左右，構建轉錄圖首先需要獲得人類基因的表達序列標簽（expressed sequence tag,EST），以此建立一張人類的轉錄圖，并與遺傳圖的交叉參照。

　　4.DNA序列的生物信息學 HGP一開始就與信息高速公路和數據庫技術形成了同步發展。迄今，上四個大的生物信息中心即美國的國家生物技術信息中心（NCBI）、基因組序列數據庫（GSDB）、歐洲分子生物實驗室（EMBL）和日本DNA數據庫（DDBJ）已經建立和維持了源自數百種生物的互補DNA（cDNA）和基因組DNA序列的大型數據庫。這些中心和的基因組研究實驗室通過網點、電子郵件或者直接與服務器和數據庫而獲得的搜尋系統，使得研究者可以在多種不同的分析系統中對序列數據庫提出質詢，這些分析包括基因的發現、蛋白質模體的鑒別、調控元件的分析、重復序列的鑒別、相似性的分析、核苷酸組成的分析以及物種間的比較等。

　　（二）基因組的基本結構和進化

　　人類基因組研究的目的，不僅為了單純地積累數據，而且要提示數據中所蘊藏的內在規律[3]，從而更好地認識生命體。近年來，隨著模式生物體測序的相繼完成和人類基因組測序速度的加快（到1999年12月已宣布完成人類第22號染色體的*測序），特別是生物信息所提供的強有力的分析和綜合手段，使人人能夠逐漸透過浩瀚的基因組序列信息，去探索一些更為本質的問題，如：基因組的復雜度與生物進化、基因組編碼序列的結構、基因和蛋白家族、基因家族的大小及其進化。

　　（三）疾病的基因組學

　　HGP的直接始動因素是要解決包括腫瘤在內的人類疾病的分子遺傳學問題[4]，因此與人類健康密切相關。另一方面，8000多種單基因遺傳病和多種大面積危害人群健康的多基因疾病（如：腫瘤、心血管病、代謝性疾病、神經疾病、精神疾病、免疫性疾病）的致病基因和疾病相關基因占人類基因組中相當大的一部分。因此，疾病基因的定位、克隆和鑒定是HGP的核心部分。

　　20世紀90年代之前，絕大多數人類遺傳性疾病的原發生化基礎尚不清楚，無法用表型-蛋白質-基因的傳統途徑進行研究。在HGP的遺傳和物理作圖帶動下，出現了zui初被稱為“反求遺傳”、90年代初又改稱為“定位克隆法”的全新思路。該思路的關鍵內容是：應用細胞遺傳學定位和家第連鎖分析方法，首先將疾病基因定位于染色體的特定位置，然后通過進一步的遺傳和物理作圖，使相關區域壓縮至1Mb之內，此時即可構建YAC、BAC、PAC、HAEC或粘粒（comid）等克隆重疊樣，從中分離基因，并在正常人和患者的DNA中進行結構比較，zui終識別出疾病基因。包括囊性纖維化、Huntington舞蹈病、遺傳性結腸癌、乳腺癌等一大批重要疾病的基因是通過“定位克隆”發現的，從而為這些疾病的基因診斷和未來的基因治療奠定了基礎。隨著人類基因圖的日臻完善，一旦某個疾病位點被定位，即可從局部的基因圖中遴選出結構、功能相關的基因進行分析，將大大提高疾病基因發現的效率。

　　目前，人類疾病的基因組學研究，已深入到多基因疾病這一難點。多基因疾病難以用一般的家系遺傳連鎖分析取得突破，需要在人群和遺傳標記的選擇、數學模型的建立、統計方法的改進等方面進行不斷的探索。

　　二、功能基因組學

　　HGP當前的整體發展使功能基因組學提到了議事日程[5]，出現了結構和功能基因組學向功能基因組學過渡、轉化的過程。一般認為，在功能基因的組研究中可能的核心科學問題有基因組的多樣性和進化規律；基因組的表達及其調控；模式生物體基因組研究等。

　　（一）基因組多樣性

　　人類是一個具有多樣性的群體，不不同群體和個體在生物學性狀以及在對疾病的易感性/抗性上的差別，反映了進化過程中基因組與內、外環境相互作用的結果。開展人類基因組多樣性的系統研究，無論是對于了解人類的起源和進化，還是對于醫學均會產生重大的影響。各種常見多因素疾病（如：高血壓、糖尿病和精神分裂癥等）相關基因的研究將成為功能基因組時代的研究熱點。除了利用多態性遺傳標記進行精細定位這一傳統途徑，也將采用基因組水平再測序的方法直接識別變異序列，即選取一定數量的受累和未受累個體，對所有疾病相關或候選基因的全序列（或其編碼區）進行再測序，準確定位其變異相關標記位點。同樣，腫瘤研究也需要對腫瘤相關基因進行大規模的再測序。

　　（二）識別人類基因的共同變異

　　已知大多數人類基因的等位基因數量是有限的，常僅有2～3種。形成這種遺傳多樣性局限性的原因，很有可能是因為現代人類來源于一個相當小的群體，這有助于揭開許多疾病敏感性的奧秘。如：載脂蛋白E基因有三種主要變型（E2、E2和E4），可以解釋老年癡呆癥和心血管疾病的風險性；血管緊張素原轉換酶（ACE）與心血管疾病一定相關性；化學趨化因子受體CKR-5在一定程度上影響對人類免疫缺陷病毒（HIV）的敏感性等。非編碼區對評價疾病風險也是重要的，定位非編碼區變異的方法可以是對調控區域變異的系統性篩查，也可利用精密遺傳圖在人類群體中識別祖先染色體節段。

　　三、藥物基因組學

　　基因組多樣性也在一定程度上決定了人體對藥物的反應，通過對影響藥物代謝或效應通路有關基因的編碼序列的再測序，有可能提示個體對藥物反應差異的遺傳學基礎，這就是“藥物基因組學”（pharmacogenomics）的主要內容[6]；以此作為延伸，提示個體對環境反應差異的遺傳學基礎的環境基因組學也已露端倪。

　　四、蛋白質組學

　　蛋白質組學是要從整體上研究蛋白質及其修飾狀態。目前正在發展標準化和自動化的二維蛋白質凝膠電泳的工作體系，包括用一個自動系統來提取人類細胞的蛋白質，繼而用色譜儀進行部分分離，再用質譜儀檢測二維修飾，如：磷酸化和糖基化。此外，也有人在設計和制作各種蛋白質生物芯片；蛋白質的另一個重要工作內容是建立蛋白質相互作用的系統目錄。生物大小即蛋白-蛋白和蛋白-核酸之間的互作構成了生命活動的基礎，這些互作有可能以通用的或特殊的“陷井”（如：酵母雙雜交系統）加以識別[7]。

　　總之，基因組學正方興未艾，其現實意義和深遠意義已得到全體人類的共識，預期在不遠的將來，人類基因組學將對人類的健康、計劃生育、優生優育產生重大影響。