“人類(lèi)基因組不再是一個(gè)空殼了。”國(guó)際科學(xué)界5日宣布，“DNA元素百科全書(shū)”計(jì)劃(簡(jiǎn)稱ENCODE)獲得了迄今最詳細(xì)的人類(lèi)基因組分析數(shù)據(jù)，以30篇論文的形式同時(shí)發(fā)表在英國(guó)《自然》雜志等多份學(xué)術(shù)刊物上。
人類(lèi)基因研究再突破
這是“人類(lèi)基因組計(jì)劃”之后國(guó)際科學(xué)界在基因研究領(lǐng)域取得的又一重大進(jìn)展。人類(lèi)基因組計(jì)劃讓我們得到了人類(lèi)基因組圖譜，但其中許多基因過(guò)去都不知道有什么功能。研究者最常關(guān)注的是與編碼蛋白質(zhì)相關(guān)的基因，但它們只占整個(gè)基因組的約2%。一個(gè)聚集了422位科學(xué)家的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，完成了解析基因組剩余部分(非編碼區(qū)域)的工作，人類(lèi)基因組中約80%的基因都有某種確定的功能。
參與這項(xiàng)計(jì)劃的英國(guó)桑格研究所研究人員珍妮弗·哈羅說(shuō)，如果說(shuō)人類(lèi)基因組計(jì)劃提供了一張地圖，那么ENCODE計(jì)劃就在這張地圖上標(biāo)出了各個(gè)基因的功能信息。
這兩個(gè)計(jì)劃之間也有承上啟下的關(guān)系，在人類(lèi)基因組計(jì)劃基本完成的2003年，國(guó)際科學(xué)界創(chuàng)建了ENCODE計(jì)劃。這也是一個(gè)大型國(guó)際合作項(xiàng)目，來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、西班牙、日本和新加坡五國(guó)32個(gè)研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家參與了此次項(xiàng)目，耗資1.5億美元。他們獲得并分析了超過(guò)15萬(wàn)億字節(jié)的原始數(shù)據(jù)，目前已經(jīng)全部公布。研究對(duì)147個(gè)組織類(lèi)型進(jìn)行了分析，以確定哪些能打開(kāi)和關(guān)閉特定的基因，以及不同類(lèi)型細(xì)胞之間的“開(kāi)關(guān)”存在什么差異。
中科院北京基因組研究所副研究員嚴(yán)江偉認(rèn)為，如果說(shuō)人類(lèi)基因組序列只是確定了字典里的字，現(xiàn)在ENCODE計(jì)劃等于為這些字加了注釋。“比如說(shuō)研究先天性心臟病就可以去查心臟方面的基因。但目前人類(lèi)基因功能的研究成果還是基礎(chǔ)研究，離應(yīng)用研究還有一段距離。”
“垃圾DNA”并非垃圾
基因是遺傳的基本單位，到上世紀(jì)60年代，科學(xué)家認(rèn)為基因是用以制造蛋白的DNA編碼。人類(lèi)基因組中2.1萬(wàn)個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因只占了整個(gè)基因組的1.2%，那么，其余98.8%的基因是做什么的？1972年，日本遺傳學(xué)家大野干給這些不能編碼蛋白質(zhì)的DNA片段起了個(gè)名字，叫做“垃圾DNA”。
ENCODE項(xiàng)目的一個(gè)主要目的就是去分析那些“垃圾”的功能。經(jīng)過(guò)ENCODE合作項(xiàng)目的初步努力，現(xiàn)在科學(xué)家們可以說(shuō)“80%的基因組是有功能的”。
其余的20%也不是垃圾，該項(xiàng)目的首席分析員伊萬(wàn)·伯尼解釋說(shuō)，雖然ENCODE只分析了147種不同類(lèi)型的細(xì)胞，但總數(shù)上千。如果還檢測(cè)其他類(lèi)型的細(xì)胞，功能可能會(huì)出現(xiàn)比例分化。“這就像是從80%到100%，”伊萬(wàn)·伯尼說(shuō)，“我們真的沒(méi)有任何多余的大區(qū)域DNA。這個(gè)‘垃圾’的比喻沒(méi)有多大用處。”
開(kāi)關(guān)調(diào)控基因活性
人類(lèi)基因組中的“垃圾DNA”實(shí)際上是一個(gè)龐大的控制面板，能調(diào)控?cái)?shù)以百萬(wàn)計(jì)基因的活性。如果沒(méi)有這些開(kāi)關(guān)調(diào)控，基因?qū)⒉荒苷９ぷ?，而這些區(qū)域也許會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)患上疾病。
從遺傳學(xué)角度來(lái)看，同卵雙生的孿生子具有完全相同的基因組。但是雙胞胎即使在同樣的生活環(huán)境下也會(huì)表現(xiàn)不同的性格，這是因?yàn)榛蚧钚允遣煌?，同樣的基因，有些基因活性大，有些活性小?/p>
比如一種叫柳穿魚(yú)的花卉，大多是對(duì)稱的白色花瓣，有一些卻長(zhǎng)成黃色五角星。這兩種花是同一種植物，樣子不同并不是因?yàn)樗鼈兊幕蛴胁町?，而是因?yàn)镈NA甲基化模式讓一些基因“閉嘴”，這個(gè)基因活躍的時(shí)候花就是左右對(duì)稱的，如果它沉默，花朵就變成軸對(duì)稱。
這樣的例子在植物中很多，在動(dòng)物中也被發(fā)現(xiàn)不少，甚至可以幫助了解癌癥起源。長(zhǎng)久以來(lái)，人們了解到，當(dāng)DNA發(fā)生變異時(shí)細(xì)胞很容易發(fā)生癌變。最近的一些研究表明，當(dāng)表觀遺傳標(biāo)記被干擾時(shí)，細(xì)胞也會(huì)更容易發(fā)生癌變，因?yàn)槟切┲陵P(guān)重要的基因被關(guān)閉了，而那些應(yīng)當(dāng)被關(guān)閉的基因卻被打開(kāi)了。
正如同人類(lèi)基因組計(jì)劃帶給生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的革新意義，ENCODE項(xiàng)目也將推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)的前進(jìn)，開(kāi)辟研究新道路。這份基因組功能圖譜，其中包含有400萬(wàn)基因的“開(kāi)關(guān)”，這一重要的參考數(shù)據(jù)將有助于研究人員找到與人類(lèi)疾病密切相關(guān)的區(qū)域。
專家訪談
人類(lèi)基因“天書(shū)”有了注解
——專訪中科院北京基因組研究所曾長(zhǎng)青研究員
記者：ENCODE計(jì)劃的成果對(duì)人類(lèi)有何意義？
曾長(zhǎng)青：意義非常重大。完成了人類(lèi)基因組計(jì)劃和國(guó)際單體型圖計(jì)劃，相當(dāng)于讓我們知道了我們的基因組的DNA排序與個(gè)體之間的差異。而ENCODE計(jì)劃則是分析在DNA序列上的各種功能信息，例如了解除了編碼蛋白的序列之外，在基因上或基因周邊還有哪些序列促進(jìn)或抑制一個(gè)基因的表達(dá)，以及這些功能元件各自以什么樣的方式發(fā)揮作用。這相對(duì)于在全基因組范圍內(nèi)，即在人類(lèi)基因組這本天書(shū)上，加上了對(duì)于重要字詞、句式的注解，使我們能夠解讀天書(shū)中這些字句的含義。
記者：了解基因的功能有什么作用？對(duì)人類(lèi)治療某些疾病有幫助嗎？
曾長(zhǎng)青：ENCODE對(duì)于DNA上調(diào)控基因表達(dá)的體系做了詳細(xì)和深入的解析，這些知識(shí)結(jié)合其它研究所獲得的大量疾病相關(guān)基因，就可能幫助科學(xué)家針對(duì)這些基因的關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)藥物靶點(diǎn)，或者針對(duì)不同個(gè)體易感基因上功能元件的多態(tài)性設(shè)計(jì)個(gè)體化治療方案，達(dá)到有的放矢的治療目的。另外，很多基因產(chǎn)物，例如多種有分解作用的酶蛋白參加藥物的代謝，了解了這些基因的功能元件，就可以根據(jù)這些元件上的遺傳多樣性檢測(cè)不同個(gè)體對(duì)于藥物的反應(yīng)和代謝能力，從而設(shè)計(jì)個(gè)體特異的用藥方案，使藥物治療更加合理和準(zhǔn)確有效。
記者：我國(guó)人類(lèi)基因組學(xué)研究有哪些進(jìn)展？
曾長(zhǎng)青：我國(guó)雖然沒(méi)有直接參加ENCODE計(jì)劃，但像全球其他研究人員一樣，很多中國(guó)學(xué)者也在進(jìn)行類(lèi)似的探索。只是大家多是針對(duì)某一類(lèi)型的功能元件或是某一區(qū)域的元件進(jìn)行的研究，而ENCODE的研究則非常全面和系統(tǒng)，在整個(gè)基因組范圍研究所有功能元件的類(lèi)型、特點(diǎn)與機(jī)制。所有這些工作同ENCODE計(jì)劃的結(jié)果都對(duì)于徹底讀懂、讀通人類(lèi)基因組這本天書(shū)有重要意義。此外，我國(guó)參加貢獻(xiàn)了1%和10%的人類(lèi)基因組計(jì)劃和國(guó)際單體型圖計(jì)劃，這兩個(gè)計(jì)劃所獲得的對(duì)于基因組序列和多態(tài)性的信息正是ENCODE得以開(kāi)展的基礎(chǔ)。（北京日?qǐng)?bào)）