功能基因組學研究進展

馬強

【摘要】隨著人類基因組計劃（HGP）的順利進行，生物醫學研究已進入后基因組時代（post-genome era）。基因組學的研究發生了翻天覆地的變化，已從結構基因組學（structural genomics）過渡到功能基因組學（functional genomics）。功能基因組學以揭示基因組的功能及調控機制為目標，對于基因功能的研究也由單一基因轉向大規模、批量分析。功能基因組學的研究是21世紀國際研究的前沿，也是最熱門的研究領域之一。

【關鍵詞】功能基因組學；研究內容；研究方法

目前，人類基因組計劃的實施在對結構基因組學進行沖刺的同時，一個以功能基因組學為標志的時代已經到來。生物學家們的研究重心已經從揭示生命的所有遺傳信息轉移到從整體水平對生物功能的探究，方法是采用新技術結合生物信息學同時對成千上萬個基因結構和功能進行分析和比較，力圖從整體水平對基因的活動規律進行全面分析。

人類基因組計劃（Human Genome Project，HGP）經過各國科學家的共同努力已取得了巨大的成績[1]。人類基因組的完整順序估計將在21世紀初提前完成，但僅僅是一個參考基因組完整順序。人類是一個具有多態性的群體，不同群體和個體在生物學性狀以及在疾病易感性/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。可以想象，人類第一個基因組測序完成之后必然會出現對各種人種、群體再測序和精細基因分型的熱潮。這些資料與人類學、語言學資料相結合，將有可能建立一個全人類的數據庫資源，從而更好地了解人類的歷史和自身特征[2]。

1功能基因組學的主要研究內容

1.1基因的表達及時空調控的研究。一個細胞的轉錄表達水平能精確而特異地反映其類型、發育階段以及反應狀態。因此，功能基因組學的一個主要研究內容就是比較不同組織和不同發育階段、正常狀態和疾病狀態，以及體外培養的細胞中基因表達的差異[3]。

1.2蛋白質組及蛋白質組學。大部分細胞生命活動發生在蛋白質水平而不是RNA水平，轉錄不是基因表達的最終結果，基因在生物體整體的功能最終是由其編碼的蛋白質在細胞水平上體現的。因此，功能基因組學也重視對蛋白質表達及其功能的研究。蛋白質組（proteome）是由澳大利亞學Wasinger等于1995年提出的，是指由基因組編碼的全部蛋白質。蛋白質組學（proteomics）就是指研究細胞內所有蛋白質及其動態變化規律的科學，研究不同時間和空間發揮功能的特定蛋白質群體，從蛋白質水平為探索蛋白質作用模式、功能機理、調節控制、藥物開發、新陳代謝途徑等提供理論依據和基礎[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象，人和動植物是具有多態性的生物群體，不同群體和個體在對疾病的易感性、抗性及其他生物學性狀（如對同一藥物的反應性）方面的差異，反映了進化過程中基因組與內、外環境相互作用的結果。因此，基因組多樣性的研究不僅對了解人和動植物的起源、進化、人和動物的遷徒等具有重要意義，而且對整個生物醫學都將產生重要的影響[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在模型生物如小鼠或秀麗新桿線蟲進行功能喪失（loss of function）分析，即觀察基因表達被阻斷后在細胞和整體水平所產生的表型變化。應用同源重組技術，國際上已實現對酵母所有基因缺失突變體的構建。同理，應用近年來發展的條件化基因剔除技術，已達到對任何基因在不同發育階段和不同器官、組織的選擇性剔除。但這一技術亦存在一些問題，如費用太高、周期較長，而且許多基因在剔除后并未產生明顯的表型改變，可能是這些基因的功能為其他基因代償所致。

2.2 轉基因研究。轉基因研究（transgenic study）始于20世紀80年代初，包括轉基因動物及轉基因植物技術，并形成了一門新的學科即轉基因學（transgenics）。通過在模型生物中高效表達某一基因，以觀察對調控網絡的影響，也是研究基因功能的重要手段之一。

2.3 基因誘變。基因誘變技術是遺傳學研究中最重要的手段之一，亦是研究基因功能的方法之一。用于功能基因組學研究的基因誘變技術包括定向誘變、表型誘變及克隆DNA的體外定點誘變。定向誘變：定向誘變是利用同源重組技術，使胚胎干細胞內目的基因產生定點突變。這些突變可進一步用于基因敲除、轉基因動物、顯性負突變等研究。定向誘變技術是反向遺傳學研究最常用的方法。所謂反向遺傳學是在已知基因序列的基礎上研究基因的生物學功能。一般是通過創造功能喪失突變體并研究突變所造成的表型效應來研究基因的功能。

2.4 RNA干涉。是一種研究基因功能的新方法。它通過導入的雙鏈RNA的介導，特異性地降解內源相應序列的mRNA從而導致轉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、錐蟲、渦蟲、果蠅、水螅、小鼠和哺乳動物細胞中都發現存在這一基因沉默機制。研究發現，RNAi作用機制中存在一個正反饋的過程，該過程與一種叫RNA依賴性RNA聚合酶有關。

3 展望

功能基因組的研究還處于發展的初期，雖然許多高效率、大通量的基因功能平行分析技術不斷提出和發展，但許多技術手段及其配套應用還不太成熟[6]。因此，功能基因組研究的技術體系的建立、優化、改進和創新成為功能基因組學目前研究的主要內容之一。自人類基因組工作框架圖完成以來，科學家都開始把研究重點轉向基因功能剖析及應用，許多生物的功能基因組計劃也開始啟動，我們相信，隨著研究的不斷深入，在揭示諸如生物生長、生育、代謝調控等生命活動規律，在對人類重大疾病的發生機理、疾病防治和新藥開發等研究方面將會有新突破；重要農作物功能基因組的研究，在鑒定并克隆重要的產量、品質、抗性相關的基因，闡述作物雜種優勢形成的機理以及生長、發育等規律方面，也將取得重大的進展；同時也必將大大推動發育生物學、生理學和遺傳學等學科的發展。

參考文獻：

[1]陳竺，黃薇，付剛，等.人類基因組計劃的現狀與展望[J].自然雜志，2000，22（3）：125-133.

[2]吳學軍，柴建華.比較基因組學和人類基因組研究[J].生物工程進展，2000，20（1）：57-59.

[3]Woychik RP，Klebig ML，Justice MJ，et al.Functional genomics in the post-genomeera[J].

Mutation Research，1998，400（1-2）：3-14.

[4]王英超，黨源，李曉艷，等.蛋白質組學及其技術發展[J].生物技術通訊，2010，21（1）：139-144.

[5]常敬禮，郭玉雙，楊德光，等.植物功能基因組學研究進展[J].玉米科學，2008，16（2）：56-59.

[6]莊金秋，賈杏林.功能基因組學研究進展[J].動物醫學進展，2004，27（1）：33-35.