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《解码生命》(第二版)由“人类基因组计划及后续相关计划”“基因组计划引导生物技术的强劲发展”“当前对人类基因组的认识及其拓展”“基因组学的临床应用”“生命的合成、人工智能及其他”5篇共50章组成,涵盖了基因组学及其相关学科发展和应用的方方面面。
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第一篇 人类基因组计划及后续相关计划
1 人类基因组计划的始末 3
引言 3
1.1 HGP的起始 3
1.1.1 背景 3
1.1.2 国际化 4
1.2 技术目标与路线 6
1.2.1 讨论与启动 6
1.2.2 技术目标 7
1.2.3 技术路线 10
1.2.4 模式生物 11
1.3 HGP的完成及中国的贡献 12
1.3.1 HGP的完成 12
1.3.2 中国的贡献 13
1.4 HGP的意义和影响 14
1.4.1 开创了“合作”这一新文化 14
1.4.2 催生了“组学”这一新学科 15
1.4.3 发展了“测序”这一新技术 15
1.5 HGP的相关生命伦理问题(HELPCESS)15
1.5.1 H:将“人”字写在“天上”15
1.5.2 E:生命伦理是生命科学的准则 16
1.5.3 L:有法可依、无法则立、违法必究 16
1.5.4 P:科学决策与“鱼水之情”16
1.5.5 C:科学也是美丽的 17
1.5.6 E:“无形之手”与科学的未来 17
1.5.7 S:防患于未然 17
1.5.8 S:为了人类福祉与社会和谐 17
结语 18
2 承上启下的国际单体型图(HapMap)计划 19
引言 19
2.1 HapMap计划及形成背景 19
2.1.1 最常见变异——单核苷酸多态位点 19
2.1.2 单体型和标签SNP位点 19
2.1.3 遗传多态与复杂性疾病 20
2.1.4 应运而生的HapMap计划及其策略 21
2.1.5 人群和样本设计 21
2.1.6 遗传分型技术 22
2.2 HapMap计划的实施 23
2.2.1 国际协作组的周密准备及任务分工 23
2.2.2 严格规范的伦理设计和操作 24
2.2.3 中国样本的采集 24
2.2.4 HapMap中国卷 25
2.2.5 数据及方法的及时发布和应用 27
2.2.6 HapMap计划的分期和完成 28
2.3 人类基因组单体型图的构建 30
2.3.1 SNP挖掘和dbSNP库的扩充 30
2.3.25 kb-bins的划分和分型反应的终止规定 31
2.3.3 HapMap数据概况 31
2.3.4 数据的质量控制与评估(QC/QA)32
2.3.5 局部单体型详细分解和ENCODE Pilot区域 33
2.3.6 单体型图及其性质 34
2.3.7 SNP位点之间的关系及代表性 36
2.3.8 基于HapMap数据的标签SNP选择和评估 37
2.4 HapMap数据揭示的人类基因组 39
2.4.1 结构变异及其多态性 39
2.4.2 全基因组的重组率和LD的人群图谱 42
2.4.3 自然选择和人群演化信号 42
2.5 从HapMap到GWAS Catalog 47
2.5.1 HapMap掀起的GWAS大潮 47
2.5.2 GWAS的暗物质——遗传度缺失及其应对 49
2.5.3 GWAS Catalog及研究趋势 52
2.6 承上启下的国际单体型图计划 55
2.6.1 HapMap计划推动基因组科学和组学研究的发展 55
2.6.2 从HapMap进入基因组医学时代 56
2.6.3 再次打破基因专利威胁和巨大公益项目的典范 57
2.6.4 HapMap计划对于中国基因组科学的重要促进 59
结语 59
3 ENCODE计划的“野心”60
引言 60
3.1 背景资料 60
3.2 科学家们怎么做的 60
3.2.13 C、5 C、Hi-C及ChIA-PET技术 60
3.2.2 DNase-Seq、FAIRE-Seq、ATAC-Seq、ChIP-Seq和MNase-Seq技术 63
3.2.3 WGBS和RRBS技术 64
3.2.4 计算机生物学预测技术 67
3.2.5 RNA-Seq技术 68
3.3 在ENCODE计划中,科学家得到什么 70
3.3.180%的基因组与生化有关 70
3.3.2 建立转录因子网络:基因调控存在远程干预 70
3.3.3 作为人类基因组计划的延续 70
3.3.4 生物计算时代的来临 70
3.3.5 演化生物学壮大的蓝图 71
3.4 ENCODE计划的野心与未来 71
结语 72
4 全基因组关联分析的历史使命 73
引言 73
4.1 连锁分析 73
4.2 关联分析 74
4.3 GWAS 75
4.3.1 基本概念 75
4.3.2 研究设计 76
4.3.3 数据处理 78
4.4 GWAS与人类复杂疾病/性状研究的发展 79
4.4.1 年龄相关性黄斑变性:国际上首个复杂疾病的GWAS研究——开启GWAS研究序幕 79
4.4.2 银屑病:中国首个复杂疾病的GWAS研究——中国GWAS研究的里程碑 80
4.4.3 中国的GWAS研究总结 81
4.5 GWAS的深入研究 82
4.5.1 基因型填补 83
4.5.2 荟萃分析 83
4.5.3 基因水平的关联分析 83
4.6 GWAS的延伸应用及临床转化 84
4.6.1 筛选并确定与复杂性状相关联的基因和位点 84
4.6.2 高通量测序 84
4.6.3 表观基因组学研究 85
4.6.4 其他组学研究 86
4.6.5 调整遗传标志物的应用期望 86
4.6.6 药物基因组学研究 86
4.6.7 复杂性状/疾病的预测 87
4.6.8 药物开发 87
4.6.9 药物临床指导 87
4.6.10 药物不良反应预测 88
4.7 GWAS的瓶颈及解决方案 89
4.8 GWAS的展望——后GWAS时代 89
结语 90
5 千人基因组计划的起始与作用 91
引言 91
5.1 从人类起源到人类千人基因组计划 91
5.2 千人基因组计划的研究目的、内容、参与团队和各自分工 92
5.3 千人基因组计划的技术路线和重要研究成果 92
5.4 千人基因组计划的应用价值与研究意义 96
5.4.1 基因型估算 97
5.4.2 稀有多态性位点 98
5.4.3 演化遗传学和人口史 99
5.4.4 遗传变异对基因表达的影响 100
5.4.5 医学遗传学 101
5.4.6 其他应用 101
5.5 千人基因组计划的局限性和展望 102
结语 102
6 通过十万人和百万人基因组计划看人类基因组 103
引言 103
6.1 风起云涌的世界各国基因组计划 103
6.1.1 英国 103
6.1.2 美国 104
6.1.3 冰岛 104
6.1.4 日本 105
6.1.5 法国 105
6.1.6 新加坡 105
6.1.7 俄罗斯 106
6.1.8 荷兰 106
6.1.9 印度 106
6.1.10 亚洲人基因组计划 106
6.2 中国十万人基因组计划 107
6.2.110 万参比人群的确定与表型组、暴露组数据的收集与整合 107
6.2.210 万人群全基因组测序与基因组变异检测 108
6.2.3 中国人群基因、环境与表型关联关系的挖掘 110
6.2.4 中国十万人基因组计划的意义 111
6.3 人类泛基因组研究 111
6.4 百万人基因组计划展望 112
结语 112
7 美国癌症基因组图谱和精准医学计划的“企图”113
引言 113
7.1 TCGA计划的基本情况 113
7.1.1 TCGA计划的历史和对应的数据 113
7.1.2 TCGA计划的运作方式 115
7.1.3 TCGA计划产出的数据管理 116
7.1.4 TCGA数据的挖掘与再利用 116
7.2 TCGA计划的主要科学发现 116
7.2.1 典型癌症研究举例 117
7.2.2“泛癌症图谱”的主要发现 127
7.3 TCGA计划的意义和影响 135
7.4 精准医学计划的提出 136
7.5 精准医学计划的当前进展 137
7.5.1 围绕短期目标的进展 137
7.5.2 围绕长期目标的进展 139
结语 141
8 被HGP撬开的人类微生物组整合计划 143
引言 143
8.1 HGP的局限性与“人类微生物组计划”的启动 143
8.1.1 HGP的局限性 143
8.1.2 人类微生物组相关计划概况 144
8.1.3 HMP与HGP的关系 145
8.2 HMP主要成果 146
8.2.1 健康成人的人体共生微生物组的组成特点 146
8.2.2 人体共生细菌分离物的参考基因组测序和分析 148
8.2.3 元基因组数据及分析方法和工具 148
8.2.4 微生物群落生态关系 149
8.2.5 特定人群肠道、阴道和皮肤等部位的微生物组研究 150
8.3 人类微生物组整合计划(iHMP)主要成果和未来发展方向 151
8.3.1 人类微生物组整合计划(iHMP)开展的背景和简介 151
8.3.2 生殖道微生物组、怀孕及早产 152
8.3.3 肠道微生物组与炎症性肠病 153
8.3.4 糖尿病前期的多组学谱 154
8.3.5 宿主-微生物组的相互作用 155
8.3.6 iHMP提供的公共资源 155
8.3.7 微生物组多组学研究的未来 156
结语 156
9 我国单靶标基因组计划的更合理性 157
引言 157
9.1 中国先天性遗传缺陷现状 157
9.2 国内外相关研究计划 159
9.3 临床遗传咨询事业的需求 161
9.3.1 遗传病的异质性需要HGPST 161
9.3.2 HGPST有利于推进不同疾病遗传解读指南的建立 161
9.3.3 HGPST将推进中国人群高发遗传疾病和热点致病变异图谱的完备 161
9.3.4 HGPST有利于揭示特定复杂遗传病的致病机制并扩展其临床表型数据库 162
9.3.5 HGPST将有利于遗传咨询开展和公共政策制定 162
9.4 HGPST的原理(理论依据)162
9.4.1 HGPST将更全面地发现各种特定疾病具有临床应用价值的致病变异 163
9.4.2 HGPST将极大扩充中国人群遗传背景信息,为完善ACMG指南针对中国人群疾病进行精确诊断提供充分证据 163
9.4.3 通过HGPST获取中国人群特有的致病位点,提高对于序列变异在核苷酸及氨基酸水平上产生功能影响的预测可靠性,提升数据解读的效力 164
9.4.4 HGPST对特定疾病样本量的需求 164
9.4.5 各个HGPST数据集的资源充分共享可以促进遗传病的精准诊疗 165
9.5 关于HGPST具体操作的设想 165
9.6 中国儿童先天性心脏病单靶标基因组计划(HGPST-CHD)167
9.6.1 项目介绍 167
9.6.2 项目背景 168
9.6.3 项目目标 172
结语 173
10 用人类最大规模基因组聚集数据库(gnomAD)进行的“解码生命”分析 175
引言 175
10.1 遗传信息大数据的特征 175
10.2 遗传大数据采集和集成 176
10.2.1 遗传大数据的采集 176
10.2.2 基因组聚集数据库简介 177
10.2.3 遗传大数据分析和挖掘 179
10.2.4 遗传大数据注释、可视化展示和应用 183
结语 189
11 解码生命的结点究竟在哪里 190
引言 190
11.1 背景资料 190
11.2 GTEx绘制跨人类组织的遗传调控作用图集 191
11.2.1 数量性状位点的发现 192
11.2.2 遗传调控在人种和性别中的影响 192
11.2.3 精细定位cis-eQTL于各因果变异 192
11.2.4 QTL相关的功能机制 192
11.2.5 遗传调控作用介导的复杂性状 193
11.2.6 遗传调控作用的组织特异性 193
11.2.7 从组织到细胞类型 193
11.3 性别在人类组织基因表达中的重要作用 194
11.3.1 性别对基因组织特异性表达的影响 195
11.3.2 性别偏向基因的生物学功能 195
11.3.3 性别和疾病影响组织细胞组成 196
11.4 通过跨人类组织的转录组特征识别功能性罕见遗传变异 196
11.5 人类组织中细胞类型特异性的基因调控的基因表达 198
11.5.1 定位细胞类型互作QTL 198
11.5.2 细胞类型互作QTL与复杂性状 199
11.6 人类组织端粒长度的决定因素 199
11.6.1 影响相对端粒长度的因素 200
11.6.2 相对端粒长度和年龄相关疾病表型 201
结语 201
参考文献 202
第二篇 基因组计划引导生物技术的强劲发展
12 持续高歌猛进的DNA测序技术 227
引言 227
12.1 背景资料 227
12.2 劳苦功高的第一代DNA测序技术 229
12.2.1 从放射性标记到荧光标记 229
12.2.2 从平板电泳到毛细管电泳 229
12.2.3 难以突破的技术瓶颈 229
12.3“第二代”DNA测序技术的崛起 230
12.3.1 聚合酶法 231
12.3.2 连接酶法 231
12.3.3 流洗室、底物荧光标记和循环法测序 231
12.4 第三代单分子测序仪 232
12.4.1 基于ZMW的单分子测序仪 232
12.4.2 基于蛋白质孔的DNA测序仪 233
12.4.3 基于超分辨技术的DNA测序仪 233
12.4.4 RNA直接测序的可行性与必要性 233
12.5 核苷酸测序仪分代:核心技术与技术参数 233
12.5.1 需求体系、技术系统与技术要素 233
12.5.2 第一代到第三代测序仪技术参数详解 234
12.5.3 第四代需要新的飞跃 235
12.5.4 建立通用平台的重要性和技术难度 236
12.6 第四代测序技术参数的预期与技术汇聚 236
12.6.1 实现RNA直接测序与理想技术参数 237
12.6.2 RNA序列的直接测定:蛋白质纳米孔与固体纳米孔 238
12.6.3 组分测定:拉曼增强与其他结构分析技术 238
12.7 终极设计:BPU——高通量的精准片上实验室 239
12.7.1 DNA和RNA测序需求将永远存在 239
12.7.2 其他人体生化组分的检测 240
12.7.3 核心技术的发展和汇聚 240
12.7.4 一些助力思维 240
结语 242
13 芯片技术的经历与走势 243
引言 243
13.1 生物芯片的发展历程 243
13.2 生物芯片的分类 244
13.3 基因芯片 245
13.3.1 基因芯片的种类 245
13.3.2 DNA芯片的应用 245
13.4 蛋白质芯片 246
13.4.1 蛋白质芯片工作原理 247
13.4.2 蛋白质芯片的应用 247
13.5 细胞生物芯片 247
13.5.1 单细胞操控 248
13.5.2 单细胞分析 255
13.6 组织芯片 257
13.7 器官芯片 257
13.7.1 单器官OOC的构建 258
13.7.2 多器官OOC的整合 261
13.8 微流控芯片和芯片实验室 263
13.8.1 微流控芯片发展历程 263
13.8.2 微流控技术的优点 263
13.8.3 微流控芯片的应用 264
结语 269
14 蛋白质组学技术及我国的优势 270
引言 270
14.1 背景资料 270
14.2 蛋白质鉴定技术及其发展历程 270
14.2.1 基于双向电泳-质谱的蛋白质组研究策略 271
14.2.2 基于多维色谱-质谱的蛋白质组研究策略 273
14.2.3 蛋白质组学数据分析工具 276
14.3 定量蛋白质组学研究技术 279
14.3.1 荧光双向差异凝胶电泳技术 279
14.3.2 无标记定量技术 279
14.3.3 同位素辅助多重化学标记技术 280
14.3.4 细胞培养稳定同位素代谢标记技术 281
14.3.5 基于质谱和稳定性同位素标记辅助的绝对定量技术 282
14.4 翻译后修饰蛋白质组研究 283
14.4.1 蛋白质翻译后修饰的多样性及其复杂调控 283
14.4.2 翻译后修饰蛋白质组研究技术 283
14.5 人类染色体蛋白质组计划和人类基因组编码基因注释校准 286
14.5.1 高覆盖蛋白质组技术的发展 286
14.5.2 以 1 号染色体蛋白质组研究为例的国际人染色体蛋白质组研究 290
14.5.3 基于染色体的搜索引擎CAPER的研究进展 291
14.6 人类基因组漏注释编码基因的重新注释 293
14.6.1 基因组注释出现错误的原因 293
14.6.2 如何寻找被遗漏的注释基因 293
14.6.3 如何检测新基因的功能 294
14.7 中国人类蛋白质组学研究 295
14.7.1 人类肝脏蛋白质组计划的发展与成就 295
14.7.2 中国人类蛋白质组计划进展 297
结语 297
15 代谢组学技术的发展和作用 298
引言 298
15.1 代谢组学的特点及其技术发展 298
15.2 代谢组学促进疾病机制研究 299
15.2.1 代谢组学技术在疾病机制研究中的应用 299
15.2.2 代谢流技术在疾病机制研究中的应用 300
15.3 代谢组学推进精准医学的发展 301
15.3.1 代谢组学发现新的药物靶点 301
15.3.2 代谢组学促进发现疾病诊断标志物 301
15.3.3 药物代谢组推动实现临床个性化诊疗 302
15.4 代谢组学解析肠道微生物与人类健康的关系 304
15.4.1 肠道微生物的代谢物类型 305
15.4.2 肠道微生物与人类疾病 306
15.4.3 肠道微生物和代谢组的结合应用 307
15.5 代谢组学面临的技术挑战和未来发展趋势 308
15.5.1 代谢组学发展面临的技术挑战 308
15.5.2 代谢芯片的发展与应用 309
15.5.3 代谢组学在脑科学研究计划和表型组学研究中的应用 310
结语 310
16 其他组学技术及不同组学间的协同作用 311
引言 311
16.1 糖组学技术及研究进展 311
16.1.1 糖组学介绍 311
16.1.2 糖组学研究技术介绍 312
16.1.3 糖组学的应用 314
16.1.4 糖组学研究展望 314
16.2 离子组学 314
16.2.1 离子组学技术手段 315
16.2.2 植物中离子组学的研究 316
16.2.3 动物中离子组学的研究 318
16.2.4 疾病中离子组学的应用 318
16.2.5 展望 319
16.3 蛋白质相互作用组学 319
16.3.1 蛋白质相互作用组学简介 319
16.3.2 蛋白质相互作用组研究技术的发展 320
16.3.3 蛋白质相互作用组技术的应用 322
16.3.4 结论与展望 323
16.4 新兴组学技术的交叉融合 324
16.4.1 细胞组学 324
16.4.2 影像基因组学 326
16.4.3 免疫组学 328
16.5 主要组学间的协同作用 329
16.5.1 DNA和组蛋白甲基化的协同作用 329
16.5.2 微生物-宿主间的协同作用 330
16.5.3 多组学整合的重要性 331
16.5.4 多组学整合的挑战 331
16.6 多组学联合分析推动精准医学的发展 332
16.6.1 生命组学大数据是精准医学研究的基石 332
16.6.2 多组学联合分析策略及技术流程 332
16.6.3 多组学联合分析在癌症等疾病研究中的进展 333
16.6.4 我国基于多组学的精准医学研究进展 333
结语 334
17 生物信息学越来越趋于扮演主角 335
引言 335
17.1 生物信息学发展简史 335
17.1.1 前基因组时代:20世纪90年代以前 335
17.1.2 基因组时代:20世纪90年代到21世纪初期 335
17.1.3 高通量技术时代:21世纪初期至今 336
17.2 序列比对 336
17.2.1 动态规划算法 336
17.2.2 多重序列比对 337
17.2.3 序列数据库搜索 337
17.2.4 NGS短序列的基因组比对 337
17.2.5 常用序列数据库 338
17.3 基因组序列拼接 338
17.3.1 基于图谱的基因组组装 338
17.3.2 基于全基因组鸟枪法的组装 339
17.3.3 常用基因组数据库 340
17.4 序列功能注释 340
17.4.1 基于同源性的功能预测 340
17.4.2 蛋白质功能域注释 341
17.4.3 序列motif预测 342
17.4.4 常用序列功能注释数据库 343
17.5 基因表达谱分析 344
17.5.1 测序数据预处理和比对 345
17.5.2 差异表达基因和功能富集分析 345
17.5.3 样本聚类和分类 345
17.5.4 常用表达谱数据库 345
17.6 基因组变异和关联分析 347
17.6.1 基因组变异的检测 348
17.6.2 全基因组关联分析 348
17.6.3 常用基因组变异和疾病关联数据库 349
结语 350
18 基因编辑技术方兴未艾 351
引言 351
18.1 背景资料 351
18.2 基因编辑技术的发展历史 351
18.3 基于CRISPR/Cas系统的基因编辑工具及其衍生工具的发展和应用 353
18.3.1 CRISPR/Cas核酸酶 353
18.3.2 单碱基编辑器 353
18.3.3 Prime编辑器 355
18.3.4 CRISPR定点整合系统 355
18.3.5 其他衍生工具 355
18.4 基因编辑在疾病模型构建中的应用 357
18.4.1 基因敲除构建疾病模型 357
18.4.2 同源重组制备疾病模型 358
18.4.3 单碱基基因编辑工具制备点突变疾病模型 358
18.5 基因编辑在功能基因筛选中的应用 359
18.6 成体细胞基因编辑治疗研究 360
18.6.1 成体细胞基因编辑治疗遗传疾病 360
18.6.2 成体细胞基因编辑治疗肿瘤 362
18.6.3 成体细胞基因编辑治疗病毒感染 363
18.7 生殖细胞基因编辑的研究 364
结语 365
19 单细胞测序技术及其应用 366
引言 366
19.1 日新月异的单细胞测序技术 366
19.2 单细胞测序的技术手段 367
19.2.1 单细胞分离技术 367
19.2.2 单细胞基因组测序技术 369
19.2.3 单细胞转录组测序技术 371
19.2.4 单细胞表观基因组测序技术 372
19.2.5 单细胞蛋白质组测序技术 373
19.2.6 单细胞多组学联合测序技术 374
19.3 单细胞测序技术的应用 375
19.3.1 单细胞测序技术在生殖遗传和发育生物学中的应用 376
19.3.2 单细胞测序技术在癌症研究中的应用 377
19.3.3 单细胞测序技术在免疫研究中的应用 378
19.3.4 单细胞测序技术在微生物研究中的应用 378
19.3.5 单细胞测序技术在神经科学中的应用 379
19.4 单细胞测序技术的挑战 379
19.5 单细胞测序技术的前景 380
19.5.1 更大的细胞通量 380
19.5.2 更低的实验价格 380
19.5.3 更全的空间信息 381
19.5.4 更多的组学应用 381
结语 381
参考文献 382
第三篇 当前对人类基因组的认识及其拓展
20 目前我们眼中的人类基因组特征 403
引言 403
20.1 人类基因组的组成 403
20.1.1 基因与基因组 403
20.1.2 核基因组 404
20.1.3 线粒体基因组 405
20.2 人类基因组的表达 407
20.2.1 基因调控表达 407
20.2.2 基因的剪切 407
20.2.3 表观遗传学在基因表达中的重要作用 409
20.3 人类基因组DNA变异的平衡 409
20.4 人类基因组的演化 410
20.4.1 人类基因组与其他物种的比对 410
20.4.2 DNA序列多态性:人类个体间差异的基础 411
20.5 人类基因组的研究总结与展望 411
结语 412
21 人类基因组中的非编码区和RNA家族 413
引言 413
21.1 背景资料 413
21.2 基因组中的非编码区 414
21.3 RNA转录本的分类与描述 414
21.3.1 编码蛋白的mRNA 415
21.3.2 非编码RNA 415
21.4 非编码RNA的调控功能 421
21.4.1 非编码RNA发挥调控功能的方式 421
21.4.2 非编码RNA的生物学功能 423
21.4.3 非编码RNA与疾病 426
结语 433
22 转座子在生命过程中的精美调控作用 434
引言 434
22.1 背景资料 434
22.1.1 转座子沉默机制的研究 435
22.1.2 转座子的沉默与反沉默 436
22.1.3 转座子的改造与应用 436
22.2 转座子在早期胚胎和多能干细胞中的作用 436
22.2.1 转座子的功能特点 436
22.2.2 转座子ERV在早期胚胎和多能干细胞中的调控作用 438
22.2.3 转座子LINE在早期胚胎和多能干细胞中的调控作用 440
22.2.4 转座子在胎盘发育中的调控作用 444
22.2.5 转座子与体细胞核移植 444
22.2.6 转座子与干细胞多能性调控 445
22.2.7 转座子在诱导多能干细胞建立中的作用 447
22.2.8 胚胎发育过程中转座子研究面临的挑战 448
结语 449
23 模式生物在基因组学研究中的应用 450
引言 450
23.1 背景资料 450
23.2 利用模式生物研究基因功能 451
23.2.1 模式生物正向遗传学研究 451
23.2.2 模式生物反向遗传学研究 453
23.2.3 利用模式生物研究基因相互作用 454
23.2.4 模式生物基因组学研究 455
23.3 酵母在基因组学研究中的应用 455
23.3.1 酵母生物学 455
23.3.2 酵母遗传学研究 456
23.3.3 酵母对当代生命科学的贡献 456
23.3.4 酵母研究资源 457
23.4 线虫在基因组学研究中的应用 457
23.4.1 线虫生物学 457
23.4.2 线虫遗传学研究 458
23.4.3 线虫对当代生命科学的贡献 458
23.4.4 线虫研究资源 459
23.5 果蝇在基因组学研究中的应用 459
23.5.1 果蝇生物学 459
23.5.2 果蝇遗传学研究 460
23.5.3 果蝇对当代生命科学的贡献 461
23.5.4 果蝇研究资源 462
23.6 斑马鱼在基因组学研究中的应用 462
23.6.1 斑马鱼生物学 463
23.6.2 斑马鱼遗传学研究 463
23.6.3 斑马鱼对当代生命科学的贡献 463
23.6.4 斑马鱼研究资源 464
23.7 小鼠在基因组学研究中的应用 464
23.7.1 小鼠生物学 465
23.7.2 小鼠遗传学研究 465
23.7.3 小鼠对当代生命科学的贡献 467
23.7.4 小鼠研究资源 467
23.8 非人灵长类在基因组学研究中的应用 468
23.8.1 非人灵长类生物学 468
23.8.2 非人灵长类遗传学研究 468
23.8.3 非人灵长类对当代生命科学的贡献 469
23.8.4 非人灵长类研究资源 470
结语 470
24 比较基因组学的必要性 471
引言 471
24.1 比较基因组学的概念 471
24.2 比较基因组学的研究内容 472
24.2.1 基因组序列比较 474
24.2.2 基因组结构比较 475
24.2.3 基因组基因数量比较 475
24.3 比较基因组学在演化生物学研究中的应用 477
24.3.1 重建物种演化关系 477
24.3.2 解析物种适应性演化机制 478
24.4 比较基因组学在人类基因组研究中的应用 482
24.5 比较基因组学更多应用的展望 483
结语 484
25 致病基因定位的经典研究 485
引言 485
25.1 致病基因定位研究的历史回顾 485
25.2 单基因疾病致病基因定位研究 487
25.3 多基因疾病致病基因定位研究 492
结语 497
26 基因与环境间的相互“牵挂”498
引言 498
26.1 背景资料 498
26.2 环境和基因互作的生物学效应 499
26.2.1 环境对基因突变的选择作用 501
26.2.2 环境对基因转录的影响 503
26.2.3 环境因子影响基因的表观遗传学修饰 504
26.3 不健康的环境因素 506
26.3.1 化学因素 507
26.3.2 物理因素 509
26.3.3 生物因素 510
26.3.4 生活环境和生活方式 511
结语 512
27 表观遗传学增添了理解基因组的附加值 513
引言 513
27.1 表观遗传学基本概念 513
27.1.1 DNA甲基化 513
27.1.2 组蛋白修饰的基本概念和机制 515
27.1.3 非编码RNA 516
27.2 表观遗传学研究技术 517
27.2.1 DNA甲基化 518
27.2.2 组蛋白翻译后修饰 521
27.3 表观遗传调控与疾病 521
27.3.1 表观遗传调控与肿瘤 521
27.3.2 表观遗传调控与代谢类疾病 523
27.4 表观遗传调控与获得性性状的传递 523
27.4.1 获得性性状在线虫中的跨代遗传 523
27.4.2 获得性性状在果蝇中的跨代遗传 524
27.4.3 获得性性状在啮齿类动物中的跨代遗传 524
27.4.4 获得性性状在人类中的跨代遗传证据 526
结语 526
28 肠道菌群承担起平衡机体健康的作用 527
引言 527
28.1 肠道微生物组的结构及其影响因素 527
28.1.1 肠道菌群的结构组成 527
28.1.2 影响肠道菌群结构的因素 528
28.2 肠道菌群在维护宿主健康中的作用 529
28.2.1 肠道菌群与肠屏障功能 529
28.2.2 肠道菌群与免疫 530
28.2.3 肠道菌群与宿主代谢 532
28.3 肠道菌群与结直肠癌 534
28.3.1 结直肠癌患者的肠道菌群组成 534
28.3.2 肠道菌群与结直肠癌发生发展的关系 535
28.3.3 肠道菌群与化疗 536
28.4 肠道菌群与2型糖尿病 538
28.4.12 型糖尿病患者的菌群结构特征 538
28.4.2 肠道菌群与2型糖尿病发生发展的关系 538
28.4.3 肠道菌群在糖尿病药物改善糖尿病过程中的作用 539
28.4.4 肠道菌群在膳食干预改善糖尿病中的作用 542
28.4.5 以肠道菌群为靶点的干预在改善T 2 DM中的作用 544
28.4.6 科赫法则在肠道菌群研究中的应用 545
结语 546
29 对表型组学的新认识 547
引言 547
29.1 现状带给的思考 547
29.2 遗传学的辉煌和瓶颈 547
29.3 表型组学研究达成广泛共识 550
29.4 表型组学的基础 552
29.4.1 生命表型解析技术的进步推动表型组学从理论走向应用 552
29.4.2 表型组学标准体系的制定 559
29.4.3 队列研究方法 560
29.5 表型组学的国际环境 562
29.5.1 美国 562
29.5.2 英国 563
29.5.3 加拿大 564
29.5.4 欧洲 565
29.5.5 日本 566
29.5.6 澳大利亚 567
29.6 中国的表型组学发展 567
29.7 表型组学的应用和前景 569
29.7.1 健康参比图谱 570
29.7.2 亚健康边界图谱 570
29.7.3 疾病靶点图谱 571
29.7.4 特定才能筛选 572
结语 572
30 生物样本在生命解码中至关重要的地位 573
引言 573
30.1 生物样本库概况 573
30.1.1 生物样本库的定义 573
30.1.2 生物样本库的价值 574
30.1.3 生物样本库的发展历程 575
30.1.4 国内外生物样本库发展现状 576
30.2 我国生物样本标准化 583
30.2.1 中国医药生物技术协会组织生物样本库分会 583
30.2.2 全国生物样本标准化技术委员会 584
30.2.3 认可准则 585
30.2.4 国际交流 586
30.3 生物样本的应用 587
30.3.1 应用领域 587
30.3.2 应用合作 587
30.3.3 应用实例 588
结语 589
31 大数据的形成及其在生命科学中的应用 590
引言 590
31.1 大数据的形成和现状 590
31.1.1 大数据形成 591
31.1.2 大数据现状 591
31.1.3 小结 595
31.2 大数据在生命科学中的应用 595
31.2.1 大数据的检索 596
31.2.2 大数据的挖掘 597
31.2.3 大数据的人工智能 599
31.2.4 展望 605
结语 606
参考文献 607
第四篇 基因组学的临床应用
32 新医学的提出 657
引言 657
32.1 老医学越来越趋于走入“死胡同”657
32.1.1 人们对常见疾病的理解与认识 657
32.1.2“补充”医学的效能 658
32.2 新医学概念应运而生 660
32.2.1 问题的核心究竟在哪里?660
32.2.2 遗传学的根本作用 660
32.2.3 新医学的另一主要成分——遗传咨询 661
32.3 新医学横空出世 661
32.3.1 新医学出世的基础 661
32.3.2 新医学的形成及其基本公式 662
32.3.3 手心手背都很重要 664
32.4 新医学的核心组成 664
32.4.1 遗传咨询的广泛性与普遍性 664
32.4.2 成立中国的遗传咨询分会 664
32.4.3 摸索我国遗传咨询之路 664
32.5 新医学还有多少艰难路要走?666
32.5.1 的确不是一条易行之路 666
32.5.2 努力走通新医学的路 668
结语 668
33 遗传咨询之路无法替代 669
引言 669
33.1 遗传咨询在我国步履坎坷 669
33.1.1 遗传咨询是遗传病防控的关键 670
33.1.2 临床医生越来越难以对付当今的医疗形势 672
33.1.3 美国的遗传咨询体系 672
33.1.4 我国遗传咨询体系的差距和对策 674
33.2 产前诊断和遗传咨询 679
33.2.1 无创产前检测 679
33.2.2 介入性产前诊断 680
33.2.3 染色体核型分析技术 680
33.2.4 分子诊断检测技术 681
33.3 遗传诊断和遗传咨询 681
33.3.1 遗传诊断技术 681
33.3.2 遗传诊断的重要性日益突出 682
33.4 辅助生殖和遗传咨询 683
33.4.1 辅助生殖技术 683
33.4.2 辅助生殖启动前进行的遗传学检测 684
33.4.3 辅助生殖的遗传咨询 684
33.5 个体化治疗与遗传咨询 685
33.5.1 个体化治疗是循证医学的再发展 685
33.5.2 基于药物疗效的个体化治疗 686
33.5.3 药物不良反应的个体化治疗 686
33.5.4 个体化治疗存在的挑战与展望 687
33.6 基因治疗与遗传咨询 687
33.6.1 影响靶基因表达的基因治疗 688
33.6.2 基因治疗的常用载体 689
33.6.3 修复突变基因的基因治疗 689
结语 690
34 常见出生缺陷的遗传学探究 691
引言 691
34.1 背景资料 691
34.2 出生缺陷的遗传病因分类 691
34.2.1 染色体病 691
34.2.2 单基因疾病 692
34.2.3 线粒体疾病 693
34.2.4 基因组印记 693
34.2.5 复杂遗传病 693
34.3 常见染色体疾病所致出生缺陷的遗传学研究进展 694
34.3.121 三体综合征 694
34.3.2 DiGeorge综合征 696
34.3.3 Williams-Beuren综合征 699
34.4 常见单基因所致出生缺陷的遗传学研究进展 702
34.4.1 G6PD缺乏症 702
34.4.2 CHARGE综合征 703
34.4.3 IL10RA基因缺陷所致炎症性肠病 704
34.4.4 KCNQ2基因缺陷所致疾病 706
34.5 非经典孟德尔遗传疾病及其遗传学研究进展 708
34.5.1 Prader-Willi综合征 708
34.5.2 MELAS综合征 710
34.6 出生缺陷的治疗进展 712
34.6.1 罕见病相关药物的研发 712
34.6.2 器官移植 713
34.6.3 基因治疗 714
34.7 出生缺陷的预防 714
34.7.1 一级预防 714
34.7.2 二级预防 715
34.7.3 三级预防 715
结语 715
35 临床遗传检测的进展 716
引言 716
35.1 临床遗传检测的应用 716
35.1.1 新生儿筛查 716
35.1.2 临床疾病诊断 717
35.1.3 携带者检测 717
35.1.4 伴随诊断 718
35.2 临床遗传检测的技术及手段 718
35.2.1 细胞遗传学技术 718
35.2.2 生化遗传检测技术 725
35.2.3 分子遗传学技术 726
35.3 临床遗传检测中应注意的问题 741
35.3.1 临床遗传检测的利弊 741
35.3.2 知情同意书的签订 742
35.3.3 小结 742
结语 742
36 产前遗传学筛查和诊断 744
引言 744
36.1 出生缺陷在我国的问题 744
36.2 传统的产前遗传学筛查 744
36.2.1 基于孕妇血清生化指标的产前遗传学筛查 744
36.2.2 基于超声的产前遗传学筛查 746
36.3 遗传病的产前诊断 747
36.3.1 有创产前诊断的取材方法 747
36.3.2 染色体病的产前诊断 748
36.3.3 基因组拷贝数变异的产前诊断 748
36.3.4 单基因病的产前诊断 751
36.4 基于胎儿游离DNA的无创产前遗传学筛查与诊断 753
36.4.1 NIPT的最初行业指南 754
36.4.2 利用cffDNA进行非整倍体筛查的新观点 755
36.4.3 NIPT在普通和低危孕妇人群中的筛查效率 756
36.4.4 ACMG关于胎儿染色体非整倍体无创产前筛查的共识 756
36.4.5 ACOG关于胎儿染色体异常的筛查指南 757
36.4.6 我国对于NIPT的技术规范 758
36.4.7 NIPT的遗传咨询 760
36.4.8 单基因病无创产前检测 762
结语 764
37 辅助生殖的遗传把控 765
引言 765
37.1 反复流产/妊娠丢失的遗传筛查 765
37.2 生殖相关疾病的遗传筛查 766
37.2.1 多囊卵巢综合征 766
37.2.2 早发性卵巢功能不全 768
37.2.3 脆性X综合征 769
37.2.4 性别发育异常 770
37.2.5 特纳综合征 773
37.2.6 克氏综合征 775
37.2.7 47,XXX综合征 776
37.2.8 先天性肾上腺皮质增生 777
37.2.9 Prader-Willi综合征 779
37.2.10 天使综合征 779
37.3 辅助生殖前遗传相关疾病的筛查 781
37.3.1 染色体相关遗传疾病的遗传筛查 781
37.3.2 单基因相关遗传疾病的遗传筛查 782
37.4 辅助生殖过程中的胚胎遗传学筛查 783
37.4.1 非整倍体胚胎筛查 783
37.4.2 单基因遗传病胚胎植入前筛选 783
37.4.3 染色体结构异常携带者胚胎植入前筛选 784
37.5 辅助生殖过程中的核质置换技术 785
结语 785
38 ACMG遗传变异分类标准指南的指导作用 786
引言 786
38.1 背景资料 786
38.2 PVS1(极强致病性证据)787
38.3 PS1(与之前已经确定为致病性的变异有相同的氨基酸改变)789
38.4 PS2 或PM6(新发变异)789
38.5 PS3 BS3(功能研究)790
38.6 PS4 PM2 BA1 BS1 BS2变异频率及对照人群的使用 791
38.7 PM 1(热点突变和/或关键的、得到确认的功能域)793
38.8 PM3 BP2(等位基因数据)793
38.9 PM4 BP3(由于框内缺失/插入和终止密码子丧失导致的蛋白质长度改变)794
38.10 PM5(同一位置新的错义变异)795
38.11 PP1 BS4(共分离分析)795
38.12 PP2 BP1变异谱 796
38.13 PP3 BP4(生物信息分析数据)797
38.14 PP4(表型数据)797
38.15 PP5 BP6可靠的来源 797
38.16 BP5对共发变异的观察 798
38.17 BP7同义变异 798
38.18 ACMG指南的合理应用 798
结语 799
39 基因型影响的个体化用药 801
引言 801
39.1 基因型影响个体化用药的科学依据 801
39.1.1 药物基因组学的诞生 801
39.1.2 药物基因组学的发展 802
39.1.3 药物基因组学的应用 803
39.2 个体化用药的诊断和检测方法 804
39.2.1 个体化分型标本取样方法 804
39.2.2 临床常用个体化分型的基因检测技术 805
39.2.3 其他技术方法展望与要求 807
39.3 基因与药效 807
39.3.1 基因变异与药物代谢酶 807
39.3.2 基因变异与药物转运酶 808
39.3.3 基因变异与药物受体 809
39.4 基因与不良反应 809
39.4.1 抗感染药物的不良反应 809
39.4.2 肿瘤药物的不良反应 810
39.4.3 神经精神类药物的不良反应 811
39.4.4 心血管药物的不良反应 812
39.5 基因检测与癌症个体化医疗 813
39.5.1 癌症相关基因检测 813
39.5.2 癌症个体化医疗进展与挑战 814
结语 815
40 复杂性疾病发病风险的基因组早期预测 817
引言 817
40.1 基因组学研究揭示复杂性疾病的遗传易感因素 817
40.2 复杂性疾病多基因风险评分的构建 818
40.3 多基因风险评分在疾病风险预测和精准防治中的应用 819
40.3.1 疾病发病风险预测和分层 819
40.3.2 基于遗传风险评分的疾病治疗效果 821
40.3.3 遗传风险评分优化疾病筛查方案 822
40.3.4 基于遗传风险评分开展生活方式精准干预 823
40.3.5 面临的挑战 824
结语 824
41 干细胞在生命进程中的特别作用 825
引言 825
41.1 胚胎干细胞 825
41.1.1 胚胎干细胞研究历史 825
41.1.2 胚胎干细胞的分离培养与生物学特性 826
41.2 诱导多能干细胞 828
41.2.1 诱导多能干细胞的形成 828
41.2.2 诱导多能干细胞的多能性评估 829
41.2.3 诱导多能干细胞的重编程机制 829
41.2.4 诱导多能干细胞的应用及挑战 830
41.3 生殖干细胞 831
41.3.1 精原干细胞 831
41.3.2 雌性生殖干细胞 834
41.4 神经干细胞 837
41.4.1 神经干细胞概述及研究进展 837
41.4.2 获得神经干细胞的途径 838
41.4.3 神经干细胞在应用中存在的问题 840
41.5 间充质干细胞 840
41.5.1 间充质干细胞的概况 840
41.5.2 间充质干细胞的临床应用 842
41.6 肠道干细胞 842
41.6.1 肠道干细胞的位置及分子标记物 842
41.6.2 肠道干细胞的自我更新及命运决定 843
41.6.3 肠道干细胞的应用 844
结语 844
参考文献 845
第五篇 生命的合成、人工智能及其他
42 植物存活形式引发对多元生命的思考 877
引言 877
42.1 植物的起源和演化 877
42.2 植物生长发育和衰老的特殊规律 878
42.2.1 植物与动物发育模式的区别 878
42.2.2 植物发育的时序性 878
42.3 植物的营养和光合作用 883
42.3.1 植物的自养型本质及矿质营养 883
42.3.2 光合作用 885
结语 891
43 病毒与宿主:对抗还是共生?892
引言 892
43.1 背景资料 892
43.2 病毒的起源与演化 892
43.2.1 病毒的起源 892
43.2.2 病毒的演化 893
43.3 病毒入侵:开启宿主细胞的门户 896
43.3.1 病毒进入宿主细胞的路径 896
43.3.2 病毒的主要受体 897
43.3.3 病毒与宿主的博弈:进入细胞并逃逸先天免疫应答 899
43.4 病毒复制:登堂入室与子孙满堂 900
43.4.1 病毒基因组的表达和复制 900
43.4.2 病毒出胞 903
43.5 宿主免疫保护:驱逐入侵者 904
43.5.1 抗病毒固有免疫 905
43.5.2 抗病毒适应性免疫 908
43.6 疫苗研发:筑起防护的长城 910
43.6.1 疫苗的起源 910
43.6.2 疫苗的免疫效应 910
43.6.3 疫苗的分类 912
结语 914
44 解析蛋白,理解生命 915
引言 915
44.1 蛋白质是生命活动的执行者 915
44.1.1 多种蛋白质分工合作,实现复杂生命功能 915
44.1.2 基因编码蛋白质,决定生物的功能和性状 916
44.2 化学结构决定生物功能 917
44.2.1 结构决定功能:理解功能要从结构出发 917
44.2.2 蛋白质的结构层次:从一级结构到四级结构 918
44.2.3 蛋白质结构的研究简史 919
44.3 蛋白质结构研究的经典范例 920
44.3.1 血红蛋白 920
44.3.2 病毒 922
44.3.3 激酶 925
44.3.4 G蛋白偶联受体 926
44.4 蛋白质结构研究的技术及其发展 929
44.4.1 X射线晶体学 930
44.4.2 核磁共振 931
44.4.3 电子显微镜 932
44.4.4 蛋白质结构预测和分子动力学模拟 936
结语 936
45 国际基因工程生物模块合成及其竞赛 937
引言 937
45.1 生物模块概述 937
45.1.1 生物系统模块化的意义 937
45.1.2 生物模块的设计原则 939
45.1.3 生物模块的类型 940
45.1.4 生物模块的标准化及其组装策略 943
45.2 国际基因工程机器竞赛 946
45.2.1 iGEM的发展及社会意义 946
45.2.2 iGEM的赛制与评奖规则 947
45.2.3 iGEM与标准生物元件基金会 948
45.2.4 iGEM对中国创新教育的启示 948
45.3 上海交通大学iGEM团队介绍 949
45.4 上海交通大学iGEM优秀项目选介 952
45.4.1 稀有密码子开关 952
45.4.2 细胞膜蛋白支架 953
45.4.3 光控CRISPRi基因表达调节器 954
45.4.4 结直肠癌超声诊断系统 955
结语 957
46 人工化学合成核酸导致新生命的形成 958
引言 958
46.1 背景资料 958
46.2 生命起源与遗传密码 959
46.3 核酸的化学结构 960
46.4 核酸的生物合成 961
46.4.1 DNA的生物合成 961
46.4.2 RNA的生物合成 961
46.5 核酸的从头合成 961
46.5.1 寡核苷酸的化学合成 962
46.5.2 寡核苷酸的酶促拼接 963
46.5.3 基因组的体内组装 964
46.6 人造生命的诞生与发展 964
46.7 挑战演化法则 966
46.7.1 DNA改组技术 966
46.7.2 SELEX技术 967
46.8 拓展遗传密码 968
46.9 伦理问题的思考 970
结语 971
47 通过人造染色体构建真核细胞 972
引言 972
47.1“自下而上”合成真核生物基因组 972
47.2 人工基因组的设计 975
47.2.1 功能存活性 975
47.2.2 遗传稳定性 975
47.2.3 操作柔性 977
47.2.4 计算机辅助设计 979
47.3 构建——基因组模块化组装 980
47.3.1 模块化组装合成型基因组 980
47.3.2 短片段DNA的合成 980
47.3.3 中片段DNA组装 981
47.3.4 长片段DNA迭代替换 982
47.3.5 构建多条合成型染色体的单倍体酵母细胞 982
47.4 合成型基因组的检验 984
47.4.1 基因型检验 984
47.4.2 合成型染色体拷贝数变异的检验 987
47.4.3 表型检验 988
47.5 合成型染色体的纠错 990
47.5.1 基因型缺陷靶点定位技术 991
47.5.2 细胞生长缺陷的修复 991
47.5.3 染色体大片段拷贝数变异的修复 993
47.6 构建完美V号染色体 994
47.6.1 碱基变异位点的特异性PCR快速验证 995
47.6.2 同源重组介导的多位点共转化修复 995
47.6.3 CRISPR/Cas9介导的多位点共转化修复 995
47.6.4 双标定点修复 995
47.7 定制构建环形染色体 997
47.7.1 位点可控的染色体成环 997
47.7.2 环形染色体菌株的表型检验 998
47.7.3 环形染色体基因型检验 999
47.8 人工合成酵母基因组的应用 1001
结语 1001
48 生命周期中的人工智能 1002
引言 1002
48.1 背景资料 1002
48.2 基于核酸的分子计算 1002
48.2.1 经典的DNA穷举搜索算法 1002
48.2.2 基于逻辑门的核酸数字计算 1003
48.2.3 其他计算/信息处理模式 1006
48.3 基于核酸的信息存取 1007
48.4 核酸纳米技术用于生物计算 1009
48.4.1 核酸纳米结构的构建 1009
48.4.2 核酸纳米结构的功能化 1010
48.4.3 基于核酸纳米结构的智能系统 1011
48.5 核酸纳米结构与活细胞人工智能 1013
48.5.1 活细胞重编程与活细胞人工智能 1013
48.5.2 核酸纳米结构与活细胞的相互作用 1013
48.5.3 核酸纳米结构在生理环境下的合成 1014
48.5.4 核酸纳米结构的活细胞智能诊疗应用 1014
48.5.5 一般性概括 1015
结语 1016
49 专利意识的建立与自我保护 1017
引言 1017
49.1 什么是专利 1017
49.2 专利意识的建立 1018
49.3 专利的保护 1019
49.3.1 不可专利客体 1019
49.3.2 新颖性 1021
49.3.3 创造性 1022
49.3.4 实用性 1023
49.3.5 基因专利 1024
49.3.6 遗传资源来源披露义务 1026
结语 1029
50 人类基因组研究的伦理问题 1030
引言 1030
50.1 人类基因组研究与生命伦理学的关系 1030
50.1.1 生命伦理学的发展及其基本概念 1030
50.1.2 生命伦理学的三个重要原则 1032
50.2 人类基因组研究中的平等与隐私问题 1033
50.2.1 在人类基因组研究中反对基因决定论和基因歧视 1033
50.2.2 人类基因组研究中的基因隐私问题 1034
50.3 基因组研究技术的伦理考量 1034
50.3.1 基因编辑引起的关注 1034
50.3.2 如何对待基因组技术发展的不可预测与伦理学的不断发展 1036
50.4 基因诊断、辅助生殖与基因治疗的伦理考量 1037
50.4.1 遗传病和肿瘤基因诊断的伦理考量 1037
50.4.2 防止出生缺陷中的伦理考量 1038
50.4.3 辅助生殖中的伦理考量 1039
50.4.4 基因治疗的伦理考量 1040
50.5 从克隆、多能干细胞到合成生命的伦理考量 1041
50.5.1 动物克隆的伦理考量 1041
50.5.2 多能干细胞研究和运用的伦理考量 1041
50.5.3 合成生命的伦理考量 1041
50.6 人类基因组研究中的伦理审查:机构组成和审查重点 1042
结语 1045
参考文献 1046
索引 1071