参考资料：

https://ngdc.cncb.ac.cn/education/courses/genomics/

【基因组学 - 中国科学院大学 2024】https://www.bilibili.com/video/BV1KE421g7kT?vd_source=1a36db16e3fec3ccbe040303ff015aab

基因组学发展史

第一章: 基因组学发展史

1. 基本概念

• 基因: 核苷酸序列，编码蛋白或RNA产物。是遗传信息的物质基础，控制生物体的性状和功能。
• 基因组: 生物体所有遗传物质的总和，包含所有编码和非编码的DNA序列。
  • 核基因组: 存在于细胞核中，主要负责生物体大多数功能。
  • 线粒体基因组和叶绿体基因组: 负责细胞能量代谢及光合作用。
• 基因组学: 以生物体全部基因为研究对象，研究基因组的结构、功能、演化、组装、编辑等方面的学科。目标是系统解析所有基因的功能及其相互作用，揭示基因调控生物发育及演化的规律。
• 基因组学和遗传学的区分：基因组学是全基因组水平，遗传学是单个基因水平；基因组学是研究基因相互作用关系及其环境影响，遗传学是研究基因从父代到子代的遗传机制；基因组学是研究多基因导致的复杂疾病，基因组学是研究单基因遗传及其性质。

2. 人类基因组计划 (Human Genome Project, HGP)

2.1 背景与启动

• 提出背景: 人类基因组计划（HGP）是20世纪末最具影响力的国际科学合作项目之一。1985年提出，1990年正式启动。项目旨在确定人类基因组中所有的基因序列，揭示人类基因的功能及其对健康和疾病的影响。
• 合作国家: 美国、英国、法国、德国、日本和中国。中国负责其中1%的任务，具体是测定人类3号染色体短臂上的30Mb区域。

2.2 HGP的目标

• 总体目标: 在15年内（1990-2005年）完成人类基因组的测序，包含24条染色体的30亿个核苷酸序列分析。
• 主要任务:
  • 测定所有基因的序列，绘制基因图谱。
  • 分析序列的功能，揭示基因与疾病的关联。
  • 完成其他模式生物（大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠）的基因组测序，为人类基因组研究提供参照。

2.3 重大里程碑

• 1985年: 提出HGP的设想，探讨测定人类全基因组序列的可能性。
• 1990年: 人类基因组计划正式启动，资金投入预计达30亿美元。
• 1999年: 中国加入计划，负责测定3号染色体短臂上的基因组区域。
• 2000年6月26日: 美国总统克林顿宣布人类基因组的“工作框架图”绘制完成。这标志着全球基因组测序工作进入尾声，覆盖了基因组的90%以上。
• 2001年: 科学家在《Nature》和《Science》期刊上分别发表了人类基因组草图。
• 2003年: 人类基因组计划提前两年完成，生成了“完成图”，覆盖了人类基因组的99%以上。

2.4 技术突破

• DNA测序技术:
  • 桑格法（Sanger sequencing）是早期DNA测序的基础技术，为人类基因组测序奠定了基础。
  • 吴瑞（Ray Wu）等科学家发展了早期的测序方法，为解决DNA序列解析问题做出了重要贡献。

2.5 数据共享原则

• 1997年: HGP制定了“百慕大原则”（Bermuda Principles），要求测序数据在生成后24小时内公开。这一原则确保了基因组数据迅速应用于研究和医疗领域。

2.6 HGP的科学与社会影响

• 科学影响:
  • 解码生命的本质: 通过基因组序列，揭示了人类遗传信息的结构及功能，为理解生命现象（如生长、发育、疾病和衰老等）提供了全新的视角。
  • 推动学科发展: 基因组学的快速发展，推动了与其相关的多个新兴学科如生物信息学、分子医学和精准医学。
  • 模式生物的测序: 除了人类基因组，HGP还测序了多种模式生物（如大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇、小鼠），这些数据为生命科学研究提供了重要的比较分析基础。
• 社会与经济影响:
  • 医疗创新: 基因组数据被广泛应用于疾病诊断、药物研发和基因疗法。精准医学的兴起，使得基于个体基因信息的个性化医疗成为现实。
  • 经济效益: 研究显示，从1988年到2010年间，HGP为美国带来了7960亿美元的经济回报。每1美元的联邦投资，带来了141美元的经济回报。

2.7 持续的影响

• 后基因组时代: 随着HGP的完成，基因组学进入了“后基因组时代”。科学家不仅着眼于解码基因序列，更注重基因组功能的理解、基因调控网络的研究以及复杂疾病的遗传机制。
• 1000 Genome Project: 2008年启动，目标是研究全球不同人群的遗传变异，为个性化医疗提供数据支持。
• 单倍型图计划: 2003年启动，致力于绘制人类基因组的单倍型图谱，帮助揭示基因变异与疾病的关系。

3. 基因与基因组的历史

• 1831-1859年: 查尔斯·达尔文通过《物种起源》奠定了生物进化论的基础。
• 孟德尔遗传定律: 孟德尔通过豌豆杂交实验，提出了遗传因子（基因）的概念，建立了遗传学的基础。
• 基因的发现: 丹麦遗传学家威廉·约翰逊（Wilhelm Johannsen）在1909年提出“基因”一词，用以描述遗传的基本单位。
• 摩尔根的贡献: 美国生物学家托马斯·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）通过果蝇实验，描绘了基因在染色体上的位置图，奠定了现代遗传学的基础。

4. DNA的发现与结构

• 1953年: 詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出了DNA的双螺旋结构模型。
• DNA结构的影响: DNA双螺旋结构揭示了基因如何通过复制和传递进行遗传信息的传递，为后续的分子生物学研究铺平了道路。

5. 基因组学的兴起

• 1986年: 美国遗传学家托马斯·罗德里克（Thomas Roderick）首次提出“基因组学”一词，标志着该学科的正式诞生。
• 基因组学与遗传学的区别:
  • 基因组学: 研究整个基因组的结构、功能、演化及其相互作用，探索复杂疾病的遗传机制。
  • 遗传学: 更注重单个基因的功能、从父代到子代的遗传机制以及单基因遗传疾病。

6. 中国在基因组学中的贡献

• 1999年: 中国正式加入人类基因组计划，负责测定人类基因组1%的序列。
• 华大基因: 1999年成立的北京华大基因中心在基因组学研究中占据重要地位。2003年中国科学院北京基因组研究所的成立也标志着国内基因组学研究进入了新的阶段。

7. 总结

• 基因: 是产生蛋白或RNA的核苷酸序列，是遗传信息的基本单位。
• 基因组: 包含了生物体所有的遗传物质，是控制生物发育和功能的核心。
• 基因组学: 伴随人类基因组计划的开展而兴起，推动了生命科学的革命性进展，已成为21世纪生命科学研究的核心领域之一。
• HGP的影响: 人类基因组计划不仅促进了基因组学的快速发展，还推动了精准医学、药物开发、生物信息学等多个相关领域，对全球社会和经济产生了深远影响。