基因组学——(一)简介

大家好!我是Honglei,欢迎大家来到基因组学专栏!

今天我们将对基因组学进行介绍。

什么是基因组学?

基因组学(Geonomics)是一门研究基因组(Genome)的科学。

什么是基因组?

我们每个人都是由上万亿个细胞构成的,每个细胞中都包含一套完整的生命密码,也就是DNA,而基因组就是指一个细胞中包含的所有的DNA。我们的DNA分布于23对(46条)染色体(Chromosome)上,其中一半来自父亲,一半来自母亲。

DNA是由A, T, C, G四种含氮碱基构成的脱氧核糖核酸序列。DNA上的特定部分,即基因(gene),通过转录(transcription)形成mRNA,而mRNA在通过翻译形成不同蛋白质,比如血红蛋白,酶蛋白,转运蛋白等,来实现生命的功能。

我们的基因组大约有30亿个碱基。这些DNA序列如果拉成直线,足以从地球表面往返月球6000次。DNA通过螺旋、缠绕和折叠形成复杂的二级结构,三级结构和四级结构等空间排列,来尽可能压缩空间,最终形成你看到的染色体的形状。

我们的DNA序列中,大约99.5%是和其他人一样的,大约有0.5%的DNA是你自己独有的。而正是这些不同的DNA部分,决定着你的性别,身高,眼睛和头发的颜色等等性状,让你成为独一无二的你。

令人惊讶的是,我们和其他动物的DNA序列有着很高的相似性,比如与黑猩猩(Chimpanzee)拥有99%的相似性,与老鼠(Mouse)有92%,与斑马鱼有71.4%,甚至于植物比如红酒葡萄都有24%的相似性。这既支持了达尔文进化论的观点,又使得人类可以通过动物实验,研究动物的基因组来开发相应的药物,治疗人类疾病。

人类基因组计划

正是基于人类之间基因组的相似性,1990年,人类开始了基因组计划(Human Genome Project),其目标就是测出人类的DNA序列。这个项目由美国NIH和能源部发起,多个国家(包括中国🇨🇳)共同参与测序,耗时13年,花费30亿美元,最终在2003年的Nature和Science的封面上,人类基因组的测序结果发表,并向全球公布序列数据。

此次测序大约测出了92.1%的基因组,即常染色质部分(Euchromatin,DNA较为松散),而剩余的7.9%未测出的部分则位于异染色质(Heterochromatin,结构较紧密,多位于中心粒和端粒区域,而且多为重复序列,较少基因位于此区域,即图中虚线附近或染色体两端区域)。

好奇的你如果想看看基因组长啥样,那么你可以在这里下载到基因组数据,是纯文本文件,大约3GB左右,大约长下图这个样子。

人类曾以为测出了全部DNA序列之后,就大功告成了,一切疾病等生物问题就都自然而然解决了。然而破译基因组的漫漫征程才刚刚开始。。

我们首先面临的问题就是如何在这天书一样的序列中找出真正发挥作用的基因部分。基因是DNA上的一小段区域,基因可以被转录和翻译而产生蛋白质(中心法则)。

蛋白质是构成和维持生命的最重要的物质之一,它们构成你的肌肉,心脏等重要器官,协助运输氧气(血红蛋白),抵抗病毒和细菌(抗体),帮助消化食物获取能量(酶)。

基因及其功能

因为基因的一点变动会造成蛋白的变化,从而引发所有可能的疾病,因此,研究基因的重要性不言而喻。然而识别基因并不容易,我们需要借助计算机的计算能力,并根据生物知识设计出算法才能找出它们。这一点,我们会在【生物信息学】专栏详细介绍。

在过去的20年里,我们找到了大改20000个编码蛋白的基因,给它们命了名并标注了它们的功能,你可以在GeneCards这个网站查看它们的功能。比如下面一个就是大名鼎鼎的致癌基因MYC,它发生突变很可能会引发癌症。

全基因组测序(Whole Genome Sequencing)

为了检测我们的基因突变,我们需要从血液或者皮肤等组织提取样本,分离出细胞中的DNA,并进行测序。幸运的是,经过若干年的测序技术发展,如今只需要24小时,几千美元,测序仪便可以完整地测出你的基因序列。

得到你个人的序列之后,我们可以通过生物信息学方法把你的序列与参考基因组(人类基因组等计划测出的序列)进行比较,检测哪个位置的碱基发生了变化,评估其潜在影响如何,你会不会有某些疾病风险等。

当然,疾病的风险还与你的生活方式(饮食,吸烟,酗酒等),运动习惯,压力情况等有关。

另外,分析DNA序列还可以告诉你,某种药💊是否对你管用,有多大副作用等,药物对每个人的效果是不同的,这个问题是药物基因组学(Pharmaco-genomics)的研究内容。

通过分析你的DNA序列信息,甚至可以告诉你你的祖先信息。比如下图是23andme测序公司给出的一个2号染色体的祖先信息样例,可以看出绝大部分区域上的序列都来自于非洲(红色),部分来自于英国和意大利(蓝色),有一小部分是土著美洲人(绿色)。

总结

正如介绍中所说,基因组学通过研究和分析基因组来研究基因的功能,以及基因突变等变化与疾病(如癌症)、衰老、胚胎发育等重要问题的关系。借助基因组学,我们可以更好的理解生命的密码,治愈疾病,甚至延长人类寿命!

学习和研究这一伟大而有挑战性的学科,我们可以帮助全人类更好地生活,挽救爱人,减少病痛,那么下次让我们一起正式走进基因组学殿堂吧。下次将分享测序技术的秘密。