關鍵詞：生物醫學

21世紀科學技術的特征之一是多學科綜合和跨學科交叉，其典型的實例是人類基因組計劃的被執行和提前完成，這對生物醫學工程學的發展將會產生深遠的影響，因為生物醫學工程學包含了上述諸多特征。在今天，信息技術深刻地改變著生物科學乃至醫學的面貌，Moore’s定律正有效地影響著生命科學變革的進程。人類基因組計劃的國際合作和國家級研究機構和民間商業公司既合作又競爭的機制改變著傳統科研的單一模式，充分體現了21世紀科學技術迅猛發展的多學科交叉的特點，其中包括科研與應用既分工又緊密結合的特征。

基因亦稱遺傳因子，它是決定遺傳性狀的因子，早在孟德爾時代的定律中就把它作為基本概念推斷相應的各個遺傳性狀的單位。1909年丹麥學者W.L.Johannsen建議將它稱為基因（Gene），它通過自我增殖及通過細胞總線世代相傳。各個基因雖然是相互獨立的單位，但在物理上并不獨立存在，在細胞分裂增殖間期內出現的染色體上各自占有固定的位置，并以線性順序排列的方式形成穩定的長鏈結構，可受環境因素的影響發生突變，并在以后的世代中變異的基因就會傳遞下去。

基因的概念模型經歷了提出、放棄、修改和精煉等漫長的歷程，使基因學取得巨大進展，但在很大程度上還是基于遺傳研究為主。每一個新模型的提出都帶來一系列問題，隨后對基因的本質又產生新的和比較好的理解。1986年美國科學家和人類遺傳學家Roderick.T和Mckusick提出基因組學（Genomics）名稱，這是指一個物種的全部遺傳基因的總和。

自從1953年J.D.Watson和F.H.Crick提出DNA雙螺旋結構模型以后，在較長時期內由于找不到分別降解腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）等四種脫氧核糖核酸的專一酶而使DNA測序無法開展，直到1977年英國Fred Sanger和美國的Alan Maxam及Walter Gilbert兩個研究小組在差不多時間內發展了不同的DNA測序方法，使基因研究工作推向前進。在最初階段，研究者都是從具體目標生物體基因組中分離和研究相關基因。1986年諾貝爾獎獲得者R.Dullbecco在Scieme上提出有必要對人類基因組進行全面測序，不能滿足于零打碎敲地個別研究目標基因。

在經歷了一場大爭論之后，在1988年，美國技術評估局（OTA）應美國能源和貿易住房委員會的要求開展了關于基因組計劃的可行性研究。OTA的研究報告把開展基因組研究時的數據管理列為執行基因組計劃的首要任務，并提出幾個與之相關的目標:（1）創建、維護和加強生物數據庫，其中包含DNA序列數據、DNA標記和基因位點，標識基因以及其它有關的數據。（2）繪制由DNA標記組成的人類染 色體圖譜，這將使科學家可以迅速地確定基因的位置。（3）創建研究材料的數據庫，其中包括DNA片段順序集，在人類染色體上完整地表達DNA。（4）發展其他生物體，即模式生物的類似資源，以便于生物醫學研究和其他可能的研究。（5）確定人類基因組和其他生物有機體大片段的DNA序列。（6）要面對許多支持基因組研究機構參與帶來很多管理上的復雜性，要解決好許多涉及資源分配和共享的問題。

1988年美國國家科學院十分明確的提出，人類基因組研究的許多代價都與生物數據的獨特管理有關。因為有大量數據要從定序和測繪工作產生出來，所以要有效地集中、存儲、分析和提供，如果象目前全球范圍內一般研究單位那種常規方式處理數據，那么人類基因組計劃是沒有什么使用價值的。因此需要數百萬美元創建新的基因圖譜和序列數據庫，尤其強調要設計成滿足基因研究的需要。

這樣，在美國能源部（DOE）和美國人類基因組研究中心（NCHGR）支持人類基因組計劃正式實施以前，來自美國高層的咨詢委員會的明確建議，為合適的數據管理和數據分析策略對后來人類基因組計劃的成功執行起著十分關鍵的作用。這些明顯的建議，使許多投資機構調撥重要資源，為創建、運行和維護相應的系統軟件和設備奠定了基礎。

1990年10月美國能源部（DOE）與美國衛生研究院（NIH）共同啟動人類基因組計劃，原定投入30億美元，15年完成，估計可測定基因5萬到10萬個。后來，英、日、法、德、中等國相繼參加這一史無前例的獲取人類生命基本數據的宏偉工程。

1998年5月一批多國科學家在馬里蘭州羅克維爾成立了私營塞萊拉基因組技術（Celera Genomics）公司，董事長克萊格·文特爾宣稱用3億美元和一臺超級計算機在3年內用“霰段法的測序策略”完成人類基因組測序。這是史無前例地由美國私營公司向美國國家科研機構公開的競爭和挑戰。正由于這種既競爭又合作的機制，使原訂2005年完成的人類基因組的測序和分析計劃進度一再提前，總的方面得益于世界上1000多名科學家的全心投入和通力合作，以及符合Moore定律的大規模基因測序技術的不斷完善，并降低了成本，這與以美國Celera公司為首的私營公司的參與挑戰直接有關。這確實是一種在市場經濟條件下合作與競爭機制的典范。

1998年10月美國人類基因組研究所在“Science”雜志上發表聲明說，人類基因組計劃的全部基因測序工作將提前到2003年完成。

1999年3月英國韋爾科姆基金會宣布，由于科學家加快工作節奏，人類基因組工作草圖將提前到2000年完成。

2000年4月美國Celera公司宣布破譯出一名實驗者的完整遺傳密碼，但不少歐美科學家對此表示懷疑，認為該公司“未提供有關基因序列的長度和完整的可靠數據”是疑點所在。不過，同年6月該公司后來接著宣布已將人類23對染色體上35億個堿基對按照自然順序排列出來，并在該公司號稱“全球第三”的超級計算機上進行了480億億次計算。美國國家衛生研究院院長認為:“數據是正確和完整的”。

2000年6月26日，多國合作的人類基因組計劃的官方機構和私營Celera公司共同宣布人類基因組工作草圖基本繪制完成，測定出人類90%以上的DNA堿基序列，終于提前完成了劃時代的測定基因組的宏偉工程。

1 基因組學

自從1924年提出基因組的概念用來描述生物染色體上的全部基因之后，科學家經歷了漫長歲月對基因進行了個別研究，直到1986年才提出基因組學的系統概念，這涉及包含所有基因的基因組作圖、核苷酸序列分析、基因定位和功能分析，其中基因組作圖由遺傳圖譜、物理圖譜和序列圖譜組成。人類基因組計劃的核心就在于獲得23對染色體完整的DNA序列圖。

前已述及，兩個性質完全不同的研究組織使用不同的測序策略，在既合作又競爭的條件下爭先恐后地很好完成了人類基因組的測序計劃，他們現在都達到了預定目標，而且大大提前了執行時間表，使原定15年的測序計劃竟提前了5年完成。以美國政府資助為首的研究計劃是建立在作圖產生人類基因組工作草圖的策略，而私營公司Celera卻采用完全不同的做法，他們把完整基因組先打碎，稱為霰段法（Shotgun），然后測定人類基因組序列。這樣一來，通過這二種不同的測序方法獲得的序列數據大大提高了數據的有效率，并減輕了整個科學界解釋基因數據的難度。最終繪制的三種圖譜使人類基因組序列能夠用作“工具”開展生命科學和醫學的深入研究，這是具有劃時代意義的。

1.1 人類基因組測序策略 前已述及，由美國政府資助，后來由多國科學家參加的測序計劃是采用標記的物理圖譜中含有大量人類DNA大片段的作圖策略，并利用了局部的細菌人工染色體（BACs）。在理論上說，這種測序策略是先復制人類基因組序列，因此是在不斷克隆基礎上完成的，每次獲得最短的一段BAC，它具有最少的重疊部分，并且使處在整個基因組中的這段長度展直，再粘貼起來，將它們繪制到基因組的適當區域。由于染色體不能直接用來測序，故第一步必須將整個基因組序列進行分解，使之成為容易處理的小結構，根據所使用的標記和方法不同，繪成上述三張圖，雖然在工作草圖上會有某些空白區域和一些不明確的部分，但它在探索生命奧秘和確定與疾病有關的基因等方面將是非常有用的。

Celera公司的理想策略是為了深入開展作圖階段避免受到次級克隆人類基因組產生隨機片段的影響，以及在長度不同的片段庫中，兩種片段的測序結果便于整理，對于保存時間和一開始的研究計劃，Celera方法使組裝過程相當獨立，不受算法和計算機時間的影響。Celera公司的霰段法是一個高度應用計算機的方法，它是先把基因組隨機地分成已知長度的片段（2000個堿基對、1萬個堿基對和5萬個堿基對），然后用線性排序算法將這些片段連接成大片 段，并確定它們在人類基因組上的正確位置。

進一步比較兩種測序策略，由美國等國家出資的測序工作，工作人員在一開始要把較多的時間和精力放在克隆和繪制草圖上面，而Celera公司的方法在后期則需要做大量的計算機工作。為了更好地達到他們各自的研究計劃，理想的策略應該發展混合策略，其中HGP需要人為地選擇更多的克隆，Celera公司使需要使用BAC圖譜和由HGP產生的序列。兩者的測序工藝流程圖如圖1所示。

1.2 染色體基因分區 人類基因組是由許多序列的特性構成的復雜體，例如，高GC區和低GC區的內容、編碼序列、調控因子和其他多種無編碼的功能因子、基因族、許多不同類型的重復序列和重復族等，這些序列的差異和分布能夠闡明基因組的進化。人類基因序列的最初分析表明，在這些特性密度引人注意的范圍內，它們的組織結構對機制研究提供了新的思路，產生當前基因材料。