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人類基因組遠比基因更復雜
發布日期：2012-09-11 瀏覽次數：2021
由美國人類基因組研究所資助的一個規模巨大的性項目，稱為DNA元素百科全書（ENCODE），9月5日，有6篇論文在《自然》、24篇論文在《基因組研究和基因組生物學》、2篇論文在《科學》發表。32個機構和442個研究人員，參加了這個項目的研究。該項目發現：人類基因組DNA，包括略少于21000個蛋白質編碼基因，8800個小RNA分子，9600個長非編碼RNA分子，11224個假基因。只有不到3%的基因組的基因，能夠編碼蛋白質。約有80%的基因組是具有生物活性的。基因組DNA的76%轉錄成多種RNA。部分堿基，轉變成RNA鏈，執行基因調控等功能。許多堿基在人類生物學中起作用，如有助于決定一個基因的起動和終止。許多堿基僅落在化學修飾的位置，成為染色體的一些沉默片段。絕大多數堿基，沒有什么用處。400萬個位點是控制基因活性的開關，給每一類型細胞以*的基因組標識。創建的ENCODE圖譜，可以放大查看自染色體到單個堿基和開關，那些堿基是否產生RNA，或是在哪些地方與DNA調控蛋白相結合。一些科學家，正在利用ENCODE的信息于多種疾病和表觀遺傳學的研究。ENCODE的研究結果，將改變人們對人類基因組的思維方式
伊利莎白·派尼茜（ElizabethPennisi），美國科學促進協會，2012年9月5日
一個規模巨大的項目已經發現，人類基因組——1個人遺傳信息的總和——在學校學習的青少年的基因組，含有比編碼蛋白質的基因多得多的遺傳信息。20世紀90年代后期，研究人員決定對人類基因組進行序列測定，那時，他們專注于發現那些傳統意義上的基因，以便鑒定出生命必須的全部蛋白質。每一個基因，被認為是一個離散的DNA片段；它的DNA堿基的順序——大家所熟悉的“字母”分子是構建DNA片段的元素——認為是用于編碼一種特定的蛋白質。但是，破譯人類基因組的科學家們發現，令他們驚訝的是，只有不到3%基因組的基因，能夠編碼蛋白質。其中，其他的數十億堿基，幾乎是沒有用處的。
現在，一個美資項目，稱為DNA元素百科全書（ENCODE），不管怎么說，他們已經發現了許多堿基，在人類生物學中起著作用：例如，它們有助于決定一個基因的啟動和終止。例如，它可以調節一個腎細胞或另一個腦細胞。耶魯大學的生物信息學家馬克·格斯坦（MarkGerstein）說：“基因組遠比基因更復雜。”
來自這個項目的真知灼見，有助于研究人員了解疾病和遺傳之間的關系。位于英國辛克斯頓的歐洲生物信息學研究所的生物信息學家伊萬·伯尼（EwanBirney）說：“我們正被告知研究疾病的一種方法，除此之外，這將是非常困難的。”
作為ENCODE的組成部分，32個機構做計算機分析、生化測試和142個細胞類型的測序研究——6個是相當廣泛地——找出30億個堿基中的每一個堿基的功能。ENCODE的442個研究人員，今天（2012年9月5日）在《自然》雜志報告，約有80%的基因組是具有生化活性的。其他的堿基，轉變成RNA鏈，執行它們自己的功能，例如基因調控。（RNA通常被認作有助于制造蛋白質的起中介作用的信使分子，但ENCODE指出，更多的RNA是一種終端產品，并不用于制造蛋白質。）而許多堿基僅僅落在化學修飾的位置，用作我們染色體的一些沉默片段。
科學家們關于基因的認識，在ENCODE的結果中，是如何不斷變化的。該項目發現，約有基因組DNA的76%，被轉錄成一種或另一種樣子的RNA，比研究人員原初預計的更多。人類基因組DNA包括，略少于21000個蛋白質編碼基因（一些研究人員曾經估計我們有超過10萬個這樣的基因）；8800個小RNA分子和9600個長非編碼RNA分子，這些“基因”中的每一個至少有200個堿基的長度；以及11224個DNA片段被歸類為假基因，目前已知這種“不運行”的基因，在某些類型細胞或單個細胞中，事實上是具有活性的。此外，定義這些基因的起始端和編碼區的努力，顯示了這些基因可以重疊，并有多個起始端和終末端。
該項目在我們的DNA中，發現了400萬個位點，作為控制基因活性的開關。這些開關離基因既可以遠也可以近，它們在不同類型細胞的不同組合中，調節和發揮作用，給每一類型細胞以*的基因組標識。此外，至少由基因組產生的一些RNA鏈，也有助于控制由特定基因活動產生的幾個蛋白質。因此，基因的調控，不斷證明要比曾經預期的復雜得多。
這些和其他的研究結果，今天有6篇論文發表在《自然》，以及有24篇論文發表在《基因組研究和基因組生物學》。另外的2篇論文在線發表于今天的《科學》。在一個數據庫中，ENCODE創建了一份圖譜，顯示出所有不同堿基所起的作用。位于馬里蘭州貝塞斯達的資助ENCODE的國家人類基因組研究所的一個項目主管，愛麗絲·法因戈爾德（EliseFeingold）說：“對人類基因組來說，這份圖譜好像谷歌地圖一樣。”人們可以在谷歌地圖上，選擇不同的視圖，來觀察地球表面某一景觀的不同方面。同樣，在這份ENCODE圖譜中，例如，人們可以放大自染色體水平到單個堿基和開關，來查看那些堿基是否產生RNA，或是在那些地方與DNA調控蛋白相結合。
位于西雅圖的華盛頓大學的一個ENCODE研究人員約翰·A.斯泰馬圖延那泡勒斯（JohnA.Stamatoyannopoulos）說，這份圖譜的目錄“將改變人們關于對這個人類基因組的思維方式和其實際的應用。”
他和其他的一些人，正在利用這種信息——這種信息中的許多已公開地可以利用——用以了解關于遺傳對疾病的影響。許多大型的研究，已發現一些特定的堿基，與自糖尿病到關節炎范圍內疾病的較高或較低風險有關聯。現在，研究人員可注意觀察那些變異，是否涉及某些種類的調控，如果是這樣的話，是哪些基因受到了調控。與ENCODE沒有關聯的加拿大多倫多大學分子生物學家馬修·拉品茵（MathieuLupien）說，對他的癌癥和表觀遺傳學的研究而言，“ENCODE的數據是十分重要的。”
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