《自然》：重新认识人类基因组

发布时间：2007-06-15 10:53 原文链接：《自然》：重新认识人类基因组

“DNA元件百科全书”首批成果出炉，人类生物学再树里程碑

继“人类基因组计划”后最大的国际合作计划之一——“DNA元件百科全书”计划（Encyclopedia of DNA Elements，简称ENCODE）日前发表了一系列重要文章，挑战了关于人类基因组的传统理论，即人类基因蓝图不是由孤立的基因和大量“垃圾DNA片段”组成的，而是一个复杂的网络系统，单个基因、调控元件以及与编码蛋白无关的其他类型的DNA序列一道，以交叠的方式相互作用，共同控制着人类的生理活动。

ENCODE计划产生了许多令人惊讶的发现，为未来进一步认识整个人类基因组的功能蓝图开辟了道路。科学共同体有必要重新考虑长期以来对于基因和基因组功能的认识，这将对与人类疾病相关的基因序列研究产生重大的影响。

ENCODE团队是由美国国立人类基因组研究所（National Human Genome Research Institute，简称NHGRI）组织成立的，包括全世界11个国家80家科研机构35个小组的研究人员。该团队在6月14日的《自然》发表一篇重要论文，并在6月的《基因组研究》（Genome Research）上发表了28篇相关论文，报道了他们4年来努力的成果，即通过建立一个目录，详尽地描述1%人类基因组的全部生理功能基础。NHGRI 主任Francis S. Collins表示，“这是人类生物学上的一个里程碑。”

不过，这部分工作是整个ENCODE计划的一个试验项目，目的是考察建立整个人类基因组生物功能详细目录的可行性。

2003年人类基因组计划的完成仅仅标志着，人类向着利用基因信息诊断、治疗和预防疾病的目标迈出了重要的第一步。这就好比我们只得到了人体的“使用手册”，但是如果要将这份手册用于疾病诊断和治疗，我们必须读懂这份手册。

近年来基因研究已经取得了巨大进展。不过，到现在为止，这些研究主要还集中在编码蛋白的特定基因上，而它们所占的比例不到整个人类基因组的2%。ENCODE计划首次系统地研究了所有类型的功能元件的位点和组织方式。

ENCODE计划的研究对象包括：编码蛋白基因、非编码蛋白基因、调控区域、染色体结构维持和调节染色体复制动力的DNA元件。

到目前为止，ENCODE计划主要集中研究了44个靶标，共3000万个DNA碱基对。负责该计划数据整合和分析工作的欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory）主任Ewan Birney说，“我们的结论揭示了有关DNA功能元件构成的重要原理，为从DNA转录到哺乳动物进化的一切过程提供了新的认识。”

研究发现，人类基因组中的大多数DNA都会转录成 RNA，这些副本会普遍交迭。因此，人类基因组实际上是一个非常复杂的网络，所谓的无用基因实际上非常少。基因只不过是众多具有特定功能的DNA序列类型之一。科学家们在基因之外的调控区域新发现了4491个转录启动位点，这一数字超过了已知基因的10倍。这些都挑战了长期以来的观点，即基因组中的基因是孤立的，同时，新的发现也支持了人类基因数量应该超过3万个的看法。

ENCODE计划的另一个巨大成就就是对哺乳动物基因组进化的认识。传统理论认为，与生理功能相关的重要DNA序列往往位于基因组中的“进化限制”（evolutionary constraint）区域，它们在物种进化过程中更容易保存下来。但是，最新的研究表明，大约一半人类基因组中的功能元件在进化过程中，不会受到很大限制。科学家认为，哺乳动物缺乏“进化限制”这一点很可能意味着，许多物种的基因组都囊括了大量的包括RNA转录副本在内的功能元件，在进化过程中，这些功能元件成了基因“仓库”。

此次ENCODE计划的成果亮点还包括：确定了许多之前不为人知的DNA转录启动位点；推翻了传统观点的认识，调控区域也有可能位于DNA转录启动位点的下游；确定了组蛋白（histones）变化的特定标记；加深了人们对组蛋白改变协调DNA复制的理解。