人類基因組工程(human genome project)

--------- 人類生命的起源 --------

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起始碼

A 轉成 T 鐮刀形貧血

------- 基因歷史 -------

---1866 年孟德爾的發現 : --- 一致性定律 --- 等位基因分離定律 --- 等位基因的獨立分離定律---1888 年德國解剖學家發現染色體 .---1889 年在細胞內發現ＤＮＡ ---1909 年首度使用基因一詞，並發現ＤＮＡ的化學成份 --- 1920 年提出基因）是由染色體傳遞的見解 --- 1944 年首次發現ＤＮＡ和遺傳有關 --- 1951 年首次取得ＤＮＡ的繞射圖 --- 1953 年克里克與華森解析ＤＮＡ的結構 --- 1956 年完成人造ＤＮＡ --- 1966 年發現ＤＮＡ也存在於腺粒體 --- 1969 年首度將單一基因隔離出來。 --- 1970 年完成第一枚人造基因

---1973 年開始轉植基因物質的基因工程 ---1976 年把人造基因轉植到細菌內，首次沒有異狀 --- 1977 年病毒的ＤＮＡ首度被完全解碼 --- 1978 年對細菌施以基因轉植以製造胰島素 --- 1981 年把某一動物的基因轉植到另外一物種內 --- 1983 年完成人造染色體 --- 1984 年了解ＤＮＡ因人而異，開啟ＤＮＡ比對的序幕 --- 1988 年「人類基因圖譜組織」準備拼出ＤＮＡ完整的序列 --- 1989 年「國家人類基因組研究中心」成立 , 華生為該單位主管--- 1990 年「人類基因體計劃」開始進行。首度在一名四歲女孩身上，

進行基因療法實驗 --- 1993 年利用基因療法成功治癒白鼠的囊胞性纖維症 --- 1996 年經過六年努力，成功解出啤酒酵母的基因組 --- 1998 年破解多細胞動物的基因組

--- 2000 年 --- 科學研究中最常被利用的果繩和老鼠完成基因組排序；

法國科學家首次針對因免疫系統不全，而須居住在無菌塑膠帳內的泡泡兒提出有效基因療法

--6 月 26 日第一份人類基因組草圖宣告完成。公營 " 人類基因組計畫 " 表示完成百分之九十七的圖譜，其中百分之八十五已準確定序。民營 " 塞雷拉公司 " 表示完成百分之九十九，且全部準確定序。

兩者均尚未完成人類全部的基因圖譜，剩餘幾個缺口可能很難填補，科學家認為這些缺口並不含基因，多數是屬於去氧核醣中重複或並無已知功能的部分。

人類基因組(human genome project)

--- 於 1990 年正式開始 , 是一個為期 13 年的研究計劃 , 由美國國家能源部門及國家衙生研究所主理

該計劃原本預計需花費最少 15 年的時間 , 但由於科技的進步 , 計劃提早在 2000 年完成 .

--- 計劃目的是在人類基因中辨認大約 20,000-25,000 個基因 ,並為

30 億對的人類基因的鹼基對進行定序 , 儲存在基因資料庫 .

--- 為了要改善分析工具的質素 , 政府將技術與私人機構合作 , 在不理會道德

倫理及法律上的爭議 , 計劃開始 .

--- 為了令研究的準確性提高 , 研究員先用果蠅 /E.coil 及實驗用老鼠等等的基因進行 , 因此衍生出線蟲計劃等等 .

背景 :

--- 「人類基因體計劃」（ Human Genome Project ）是由美國、英國、法國、德國、中國與日本等六國科學家所組成的的 16 個機構，各不同的實驗室負責不同的部分。以一天 24小時一星期７天的方式，如接力賽跑的方式進行，並且保持百分之 99.9 的精確性 .其中三分二由美國的大學及政府單位執行 .

公營 :---聯邦政府的「國家衛生研究院」（ NIH ） 私營 :--- 「賽雷拉公司」（ Celera Genomics ）經費 :

美國聯邦政府的「國家衛生研究院」（ NIH ）與英國的「衛爾康基金會」（Wellcome Trust ）。「賽雷拉公司」（ Celera Genomics ）

源起 :

--- 從 1977 年病毒的ＤＮＡ首度被完全解碼 ,再加上 DNA 定序的技術被發明

, 到八十年代初 , 基因定序的工程已變得容易得多 , 發展到這個地步 , 美國政府能源部中 , 開始有人認為將人類那 10萬個

基因從那四十六條的基因中找出來 , 對人類的貢獻會比在二次大戰的曼哈頓計劃中所發明的原子彈更正面 .

在 1988 年 , 一位名為辛舒默爾 (Robert Sinsheimer) 的科學家 在美國邀請所有研究基因分子 學的專家開一個全國性會議 , 並在 會議中提議對人 類基因組進行研究 , 此提議獲得大部份的科學家支持 . 於是 , 解開人類基因密碼的想法 出現 ,亦為人類基因組計劃拉開序幕 ...

主辦人

(公營 )--- 華生 ·詹姆士 (James Watson) 1928 年生於芝加哥 1943 年進入芝加哥大學就讀 21 歲即為博士 1953 年 4 月 25日華生與克拉克於

<<自然 >> 雜誌刊登出一篇關於

DNA雙螺旋 結構的論文 1962 年華生與克拉克因此而得到諾貝爾醫學獎

1988 年 5月擔任美國國家衛生院副院長 ,負責人

類基因組研究 1992 年 4月辭職

---柯林斯 (Francis Collins)

1950 年 4月出生 二十四歲取得物理化學的博士學位 1985 年發現某血紅蛋白的變異 ,引

致 胚胎型地中海貧血 1993 年 3月接任國家衛生院基因研

究 計劃主管一職 ,繼續華生的

工作

( 私營 )

--- 凡特 (Craig Venter)

1946 年 10 月 14日生於鹽湖 1967 年在越戰中擔任醫護兵 為生物化學的學士和藥理學的博士 1984 年就職於國家神經疾病及中風 研究所 1992 年捲入為基因申請專利的風波 而聲名大噪

解碼技術

當開始計劃 ,他們決定先建立基因詳圖 , 圖譜有兩種 ,

基因圖及實體圖 .基因圖 : 基因與標記帳 ( 圖中以小旗表示 )

之間的距離是用”重組頻率” ( 圖左的數據 ) 來測定 ,這是基因和 標記在減數分裂中分裂的機率實體圖 :同樣的特徵可以被確定在經染色識 別的區域 ,這種圖的距離可以用 鹼基對測定

基因和標記都會在兩輻圖上定位

抗胰島素的糖尿病基因

用化學染色辨別的染色體區域

溶血性貧血的基因

肌強直性營養不良病的基因

製圖

基因標記

染色體

順序圖 : 染色體被切成 大的碎片 , 分步 指定標記 , 形成 一幅詳細的圖 譜 .

BAC

逆序 , 步驟 1: 染色髒 被切

成大 的碎片 ,

用細菌複製每 一個碎片製造 出人造細 菌性 DNA.

(bacterial artificial chromosome ,BAC)

相鄰區

BAC交疊構成的相鄰區

順序圖中的標記可以與BAC相聯繫

選出來供排序的 BAC

逆序 , 步驟 2: 經整齊排列的 BAC, 有些則被

選出來供順序排列 , 原則是其 相鄰區要被覆蓋得沒有任何 空間 , 並且所有的 BAC 要盡可 能少一些

逆序 , 步驟 3: 把各 BAC都隨便弄

成碎片 , 將所有的碎 片順序排好 ,通過對 交疊序列的區域進 行比較 ,就可以將 BAC 的序列 , 以及

全 部的相鄰區統計出 來

順序排好的碎片

交疊區

排好序的相鄰區

相鄰區之間的空間

用標記做關聯點按順序排列的相鄰區

被緊密相鄰的標記分開的染色體圖

整合 : 為了得到最 終的序列 , 得 把相鄰區的序 列 ( 經逆序繪 圖而成 ) 用高 解像度的基因 標記圖組合起 來 .

--- 但對於私營機構 , 此方法的速度仍是十分慢 , 於是凡特及基同士亞當斯

(Mark Adams)採用一種著名的DNA碎片於表現型得到表現的排序標籤技術 (EST 的基因碎片的技術 )

DNA碎石

染色體

攪碎 : 一個染色體被隨意 切成數千個碎片 ,

然後被排序整合 : 用電腦來比 較碎片序列 ,可以通過調 整這些碎片 的交疊區而 將它順序排 列

排序好的 DNA碎片

碎片之間的交疊

這個方法比第一個方法相對地簡單 ,平均一個月可解讀 1000 個序列

為了將 DNA碎片分離 ,

會使用以下的技術 :

為了將所有 DNA派送至其他的研究中心 ,NIH 將 DNA用以下的方法複製 :

爭戰史詩

---6 月 26日美國總統柯林頓及英國首相布萊爾與美、英、日本、德國、法國及中國大陸的科學家共同宣布歷時十年的「人類基因組計畫」－人體基因排序草圖已經完成，柯林頓宣稱今天是「歷世歷代輝煌之日」同時，官方贊助的「人類基因組計畫」與從事同一研究的民營賽雷拉公司也在今天承諾，共同發布他們的基因定序研究成果。

表面上兩個機構是處於一個友好的關係 , 但實際上 ,兩個機構均視對方為敵人 ,這主要是源自於基因專利事件 ,亦是這個計劃最令人津津樂道的地方 .

---凡特 (Venter) 於 1984 年於國家神經疾病及中風研究所的受體生化組工作 , 目的是尋找一種位於心肌細胞的表面 , 能夠偵測腎上腺素的蛋白質

計劃雖然成功 ,卻花費好幾年的時間及將近一千萬美元 ,他不由得自問 :" 這值得嗎 ?”

為了解決這個問題 , 在 1986 年 ,他飛往加州與新型 DNA自動定序儀的設計人之一杭克匹勒 (Michael Hunkapiller) 會面 ,新機種的方法是為四種不同的鹼基加上不同色的營光標誌再以電腦儀器讀取 ,可同時讀取 24個標本 .雖然速度已是最快的 , 但凡特此終對自己的工作不滿意 , 因為他

當時的工作是尋找萎縮性肌強直病及亨汀頓舞蹈症的基因 .

他想做的是為人類 X 染色體上長臂的一段 ,稱為 Xq28 的基因進行定序 ,

因為當時有幾種遺傳病的起源的矛頭都指向這段 .

--- 為了他的理想 ,凡特必須找尋一種更簡單及快捷的方法去為 DNA 定序 ,

在一次從日本飛回美國的旅程中 ,互補 DNA (c-DNA) 的想法在他的腦海

中出現 ,

這個方法能令工作速度增加 , 但這個提議卻被華生擱置 . 於是 ,1991年 4月凡特抽回他的計劃 . 並將目標轉移至人類基因組上 ,

在 1991 年 6 月 12日凡特在 <<science>> 上發表一篇名為《互補DNA 定序 :表現序列標幟與人類基因組計劃》的文章 ,在文章中展示了超過330 個在人腦中活化的新基因 .

---凡特的報告引起了人類基因組計劃的參與者的不滿 , 以華生為首的人堅持 c-DNA 是不能取代基因分析的工作 , 對於這個想法凡特是贊成的 , 因為這合方法只可算是人類基因組計劃的互補的部分 , 而不是取代 .

---就算凡特已臭名遠播 , 但最後都被捲入申請專利的事件中 ......

--- 一項發明能否申請專利是取決於三個原則” --- 全新 ---非顯而易見 --- 有用--- 為了在全球申請專利中取得優先 , 美國國家衛生研究院轉移辦公室主

管阿德勒 (Reid Adler) 於 1991 年得知凡特所發表的文章 ,就將上面所展示的序列全部申請專利 ,這引起科學家們的忿怒 ,他們指責凡特的做法好比為週期表上的元素申請專利一樣荒謬 . 但美國國家衛生研究院院長肴利相信申請專利是正確的 ,那只是一個防衛的方法 , 不是為賺錢是鼓勵及推動產品的發展及商品化 , 以惠社會大眾 .

---1992 年 8 月 20日專利局退回申請 , 因為這些申請不符合任何一個條件 .這些申請模糊 , 不確定 ,描述有誤 , 不完整 , 不正確 , 不夠詳細 .

--- 因為此事 , 華生及凡特離開美國國家衛生研究院 .

---1992 年 4月華生辭職 , 並由柯李斯成為繼任人---1992 年 7 月 10日凡特辭職 , 並成立 TIGR, 一間全球最大規模的 DNA

定序中心 ,他先建立完整的人類 EST 資料庫 . 並與 HGS (Human Genome Sciences)這間製藥公司合作 .

---1998 年 5月凡特宣佈與帕金 -艾瑪股份有限公司 (Perkin Elmer

Corporation) 組建一間公司 ------ 「賽雷拉公司」（ Celera Genomics ） . 並決定以 3 億美元的成本 ( 比政府的便宜一千倍 )獨立對人類基因組進行排序 .艾瑪的工作是提供 300台新式的排序儀器 ,這些儀器比舊有的儀器能更準確及快速地為 DNA 定序 .

--- 為了回應凡特的挑戰 , 政府宣佈新的計劃完成時間 ----2003 年 , 但始終比凡特慢了兩年

---1999 年 10月賽雷拉宣佈它已破讀 10 億個人類基因組的鹼基 .

--- 對於這個宣佈 , 人類基因組工程反擊說賽雷拉沒有將數據給科學家評估 , 並在 11月為自己的 10 億個鹼基舉行生日會 .

---2000 年 1月凡特宣佈他已對 95% 的人類基因組進行排序 , 而政府的專案組亦在 5月走過 20 億個鹼基的里程碑 .

---2000 年 6 月 26日他們在白宮舉行了聯合發表會 , 大家笑容滿面 , 但實際上存在很大的敵意 , 人類基因組工程認為賽雷拉若沒有他們的圖譜作基礎 , 是沒有可能那麼快完成 , 而賽雷拉則指出它的版本比人類基因組工程的註釋更仔細 .

成果

--- 解開各遺傳病的起因 , 並加以研究治療方法 e.g. 1993 年利用基因療法成功治癒白鼠的囊胞性纖維症 1990 年「人類基因體計劃」開始進行。首度在一名四歲女 孩身上，進行基因療法實驗 .

2000 年 而須居住在無菌塑膠帳內的泡泡兒提出有效基因 療法---尋找出突變對人的影響 e.g.芬蘭的越野滑血健將曼提阮塔因突變而令血液中的紅血球數

目比正常的多出 25~50%, 但亦因此突變令他對愛滋病有免疫.

--- 衍生的技術有助於治療 e.g. 1978 年對細菌施以基因轉植以製造胰島素

--- 基因改造食物出現 , 改變食物的質素--- 基因碼被破解 , 一些瀕臨絕種 /已絕種的生物可藉殘骸上的基因重現 .

---複製生物出現 ,可以防止動物糧食不足--- 由於可複製組織 , 人可移植一些和自己的基因相同的器官 , 不必再受 因身體排斥器官引起的痛苦 ,

---可以靠解讀細菌 / 病毒的基因 , 研究出一些消滅細菌 / 病毒的方法

隱憂

倫理 ? 人道 ? 法律 ?宗教 ?

--- 基因資料的使用權 :

e.g. 學校 vs. 學生 監獄 vs. 囚犯 雇主 vs. 雇員 如何才可以公平地使用這些資料 ?

---誰可以擁有及控制基因資料 ?

這涉及基因資料的私隱權及保密性--- 基因資料對個人 /社會的影響 e.g. 因為該人的遺傳特性而令該人在社會中被歧視 .

--- 基因診斷是否可靠 ?

---每個人的基因都有不同 , 一個醫生要如何去判斷基因是正常抑或異常 ?

---強行操作基因的安全性及道德規範 ?

---當控制基因成為家常便飯 , 人類基因庫的多樣性會否被影響 ?

---當了解基因後 , 是否就可以預測一個人的性格 , 而那人是否需要因此而

抑制 /控制自我性格 ?

--- 基因變得商業化 e.g. 一間跨國企業為一種農作物的基因 (印度的一種稻米 )申

請專利 , 因此當農民要種植該植物 ,必須向企業購買 ,藉此 獲得暴利 .

--- 基因改造食物所引起的問題---複製生物--- 人可以藉基因控制變得更優良 ,” 人的意義”會否改變 ?

--- 人的角色會否在出世前被決定 ?

--- 生命是否仍是無價 ?

參考

http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/timeline.shtml

基因大狂潮 by 牛頓雜誌 Cracking the Genome by Kevin David

The human genome by Jeremy Cherfas

~ 完 ~

--- 位於白血球表面的 CCR5受體所存在的一種自然突變 ,使得 HIV 少了方便立足之地 , 也就不容易對主細胞造成破壞 ,還有一部份人的 CCR5 基因有所損壞 ,其中少了三十二個字母 , 以致無法合成該受體 .

這些人無論如何接觸愛滋病毒 , 也不會被感染 .

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