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(yī)學研究已進入后基因組時代（post-genome era）?；蚪M學的研究發(fā)生了翻天覆地的變化，已從結(jié)構(gòu)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(diào)控機制為目標，對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。功能基因組學的研究是21世紀國際研究的前沿，也是最熱門的研究領(lǐng)域之一。

【關(guān)鍵詞】功能基因組學；研究內(nèi)容；研究方法

目前，人類基因組計劃的實施在對結(jié)構(gòu)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(jīng)到來。生物學家們的研究重心已經(jīng)從揭示生命的所有遺傳信息轉(zhuǎn)移到從整體水平對生物功能的探究，方法是采用新技術(shù)結(jié)合生物信息學同時對成千上萬個基因結(jié)構(gòu)和功能進行分析和比較，力圖從整體水平對基因的活動規(guī)律進行全面分析。

人類基因組計劃（Human Genome Project，HGP）經(jīng)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(tài)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(nèi)、外環(huán)境相互作用的結(jié)果?？梢韵胂螅祟惖谝粋€基因組測序完成之后必然會出現(xiàn)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(jié)合，將有可能建立一個全人類的數(shù)據(jù)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(nèi)容

1.1基因的表達及時空調(diào)控的研究。一個細胞的轉(zhuǎn)錄表達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，功能基因組學的一個主要研究內(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)的細胞中基因表達的差異[3]。

1.2蛋白質(zhì)組及蛋白質(zhì)組學。大部分細胞生命活動發(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)在細胞水平上體現(xiàn)的。因此，功能基因組學也重視對蛋白質(zhì)表達及其功能的研究。蛋白質(zhì)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(zhì)。蛋白質(zhì)組學（proteomics）就是指研究細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其動態(tài)變化規(guī)律的科學，研究不同時間和空間發(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、功能機理、調(diào)節(jié)控制、藥物開發(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，人和動植物是具有多態(tài)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(yīng)性）方面的差異，反映了進化過程中基因組與內(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(yī)學都將產(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(chǎn)生的表型變化。應(yīng)用同源重組技術(shù)，國際上已實現(xiàn)對酵母所有基因缺失突變體的構(gòu)建。同理，應(yīng)用近年來發(fā)展的條件化基因剔除技術(shù)，已達到對任何基因在不同發(fā)育階段和不同器官、組織的選擇性剔除。但這一技術(shù)亦存在一些問題，如費用太高、周期較長，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80年代初，包括轉(zhuǎn)基因動物及轉(zhuǎn)基因植物技術(shù)，并形成了一門新的學科即轉(zhuǎn)基因?qū)W（transgenics）。通過在模型生物中高效表達某一基因，以觀察對調(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?；蛘T變技術(shù)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(shù)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(shù)，使胚胎干細胞內(nèi)目的基因產(chǎn)生定點突變。這些突變可進一步用于基因敲除、轉(zhuǎn)基因動物、顯性負突變等研究。定向誘變技術(shù)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(chǔ)上研究基因的生物學功能。一般是通過創(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(nèi)源相應(yīng)序列的mRNA從而導致轉(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、錐蟲、渦蟲、果蠅、水螅、小鼠和哺乳動物細胞中都發(fā)現(xiàn)存在這一基因沉默機制。研究發(fā)現(xiàn)，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(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、改進和創(chuàng)新成為功能基因組學目前研究的主要內(nèi)容之一。自人類基因組工作框架圖完成以來，科學家都開始把研究重點轉(zhuǎn)向基因功能剖析及應(yīng)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(diào)控等生命活動規(guī)律，在對人類重大疾病的發(fā)生機理、疾病防治和新藥開發(fā)等研究方面將會有新突破；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)勢形成的機理以及生長、發(fā)育等規(guī)律方面，也將取得重大的進展；同時也必將大大推動發(fā)育生物學、生理學和遺傳學等學科的發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳竺，黃薇，付剛，等.人類基因組計劃的現(xiàn)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(zhì)組學及其技術(shù)發(fā)展[J].生物技術(shù)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(yī)學進展，2004，27（1）：33-35.