功能基因组学研究进展

马强

【摘要】随着人类基因组计划（HGP）的顺利进行，生物医学研究已进入后基因组时代（post-genome era）。基因组学的研究发生了翻天覆地的变化，已从结构基因组学（structural genomics）过渡到功能基因组学（functional genomics）。功能基因组学以揭示基因组的功能及调控机制为目标，对于基因功能的研究也由单一基因转向大规模、批量分析。功能基因组学的研究是21世纪国际研究的前沿，也是最热门的研究领域之一。

【关键词】功能基因组学；研究内容；研究方法

目前，人类基因组计划的实施在对结构基因组学进行冲刺的同时，一个以功能基因组学为标志的时代已经到来。生物学家们的研究重心已经从揭示生命的所有遗传信息转移到从整体水平对生物功能的探究，方法是采用新技术结合生物信息学同时对成千上万个基因结构和功能进行分析和比较，力图从整体水平对基因的活动规律进行全面分析。

人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）经过各国科学家的共同努力已取得了巨大的成绩[1]。人类基因组的完整顺序估计将在21世纪初提前完成，但仅仅是一个参考基因组完整顺序。人类是一个具有多态性的群体，不同群体和个体在生物学性状以及在疾病易感性/抗性上的差别，反映了进化过程中基因组与内、外环境相互作用的结果。可以想象，人类第一个基因组测序完成之后必然会出现对各种人种、群体再测序和精细基因分型的热潮。这些资料与人类学、语言学资料相结合，将有可能建立一个全人类的数据库资源，从而更好地了解人类的历史和自身特征[2]。

1功能基因组学的主要研究内容

1.1基因的表达及时空调控的研究。一个细胞的转录表达水平能精确而特异地反映其类型、发育阶段以及反应状态。因此，功能基因组学的一个主要研究内容就是比较不同组织和不同发育阶段、正常状态和疾病状态，以及体外培养的细胞中基因表达的差异[3]。

1.2蛋白质组及蛋白质组学。大部分细胞生命活动发生在蛋白质水平而不是RNA水平，转录不是基因表达的最终结果，基因在生物体整体的功能最终是由其编码的蛋白质在细胞水平上体现的。因此，功能基因组学也重视对蛋白质表达及其功能的研究。蛋白质组（proteome）是由澳大利亚学Wasinger等于1995年提出的，是指由基因组编码的全部蛋白质。蛋白质组学（proteomics）就是指研究细胞内所有蛋白质及其动态变化规律的科学，研究不同时间和空间发挥功能的特定蛋白质群体，从蛋白质水平为探索蛋白质作用模式、功能机理、调节控制、药物开发、新陈代谢途径等提供理论依据和基础[4]。

1.3 基因组多样性的研究。生物多样性是普遍存在的自然现象，人和动植物是具有多态性的生物群体，不同群体和个体在对疾病的易感性、抗性及其他生物学性状（如对同一药物的反应性）方面的差异，反映了进化过程中基因组与内、外环境相互作用的结果。因此，基因组多样性的研究不仅对了解人和动植物的起源、进化、人和动物的迁徒等具有重要意义，而且对整个生物医学都将产生重要的影响[5]。

2 功能基因组的研究方法

2.1 基因剔除。基因剔除（gene knock out）是基因打靶（gene targeting）的一种方法。鉴定基因功能最有效的方法可能就是利用基因剔除技术在模型生物如小鼠或秀丽新杆线虫进行功能丧失（loss of function）分析，即观察基因表达被阻断后在细胞和整体水平所产生的表型变化。应用同源重组技术，国际上已实现对酵母所有基因缺失突变体的构建。同理，应用近年来发展的条件化基因剔除技术，已达到对任何基因在不同发育阶段和不同器官、组织的选择性剔除。但这一技术亦存在一些问题，如费用太高、周期较长，而且许多基因在剔除后并未产生明显的表型改变，可能是这些基因的功能为其他基因代偿所致。

2.2 转基因研究。转基因研究（transgenic study）始于20世纪80年代初，包括转基因动物及转基因植物技术，并形成了一门新的学科即转基因学（transgenics）。通过在模型生物中高效表达某一基因，以观察对调控网络的影响，也是研究基因功能的重要手段之一。

2.3 基因诱变。基因诱变技术是遗传学研究中最重要的手段之一，亦是研究基因功能的方法之一。用于功能基因组学研究的基因诱变技术包括定向诱变、表型诱变及克隆DNA的体外定点诱变。定向诱变：定向诱变是利用同源重组技术，使胚胎干细胞内目的基因产生定点突变。这些突变可进一步用于基因敲除、转基因动物、显性负突变等研究。定向诱变技术是反向遗传学研究最常用的方法。所谓反向遗传学是在已知基因序列的基础上研究基因的生物学功能。一般是通过创造功能丧失突变体并研究突变所造成的表型效应来研究基因的功能。

2.4 RNA干涉。是一种研究基因功能的新方法。它通过导入的双链RNA的介导，特异性地降解内源相应序列的mRNA从而导致转录后水平的基因沉默（post transcriptional gene silencing），迄今已在继在植物、真菌、线虫、锥虫、涡虫、果蝇、水螅、小鼠和哺乳动物细胞中都发现存在这一基因沉默机制。研究发现，RNAi作用机制中存在一个正反馈的过程，该过程与一种叫RNA依赖性RNA聚合酶有关。

3 展望

功能基因组的研究还处于发展的初期，虽然许多高效率、大通量的基因功能平行分析技术不断提出和发展，但许多技术手段及其配套应用还不太成熟[6]。因此，功能基因组研究的技术体系的建立、优化、改进和创新成为功能基因组学目前研究的主要内容之一。自人类基因组工作框架图完成以来，科学家都开始把研究重点转向基因功能剖析及应用，许多生物的功能基因组计划也开始启动，我们相信，随着研究的不断深入，在揭示诸如生物生长、生育、代谢调控等生命活动规律，在对人类重大疾病的发生机理、疾病防治和新药开发等研究方面将会有新突破；重要农作物功能基因组的研究，在鉴定并克隆重要的产量、品质、抗性相关的基因，阐述作物杂种优势形成的机理以及生长、发育等规律方面，也将取得重大的进展；同时也必将大大推动发育生物学、生理学和遗传学等学科的发展。

参考文献：

[1]陈竺，黄薇，付刚，等.人类基因组计划的现状与展望[J].自然杂志，2000，22（3）：125-133.

[2]吴学军，柴建华.比较基因组学和人类基因组研究[J].生物工程进展，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，党源，李晓艳，等.蛋白质组学及其技术发展[J].生物技术通讯，2010，21（1）：139-144.

[5]常敬礼，郭玉双，杨德光，等.植物功能基因组学研究进展[J].玉米科学，2008，16（2）：56-59.

[6]庄金秋，贾杏林.功能基因组学研究进展[J].动物医学进展，2004，27（1）：33-35.