人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)自1990年正式启动以来，经过全球科学共同体的努力，提前完成了遗传和物理作图，于2000年春天获得了基因组序列的工作草图，预计在2003年获得完成序列图。届时，人类10万个基因的信息以及相应的染色体位置将被阐明，成为医学和生物制药产业知识和技术创新的源泉。这是人类自实现登月以来的又一伟大科学创举。目前HGP已揭开了新的一页：从基因组与环境相互作用的高度阐明基因组的功能，亦即功能基因组学。为此，需要发展能够在基因组整体水平获取功能信息的大规模、并行化分析技术，如生物芯片，以及对数据进行储存、分析、加工和传输的生物信息学。HGP对医学的巨大贡献，是通过“定位克隆”和“定位候选基因”策略发现了一大批重要人类疾病的致病基因，当前研究的重点已转向多基因疾病。HGP相关的伦理问题也受到学术界和社会的关注。我国HGP启动六年多来，基因组科学界结合国情，勇于创新，团结协作，充分发挥遗传资源优势，在人类基因组多样性、疾病相关基因克隆和功能基因的大批量识别、分离方面均取得了一批具有国际水平的成果。最近我国又承担了国际公共领域人类基因组测序1%的任务，已顺利完成了工作草图的阶段目标。我国在微生物基因组测序方面也出现了很好的势头。当前我国HGP面临的重要任务是进一步加强协调，科学地确立今后5-10年的战略目标，重点发展功能基因组学，带动生命科学整体水平的提高，为我国在新世纪医学和生物制药产业的发展奠定坚实的基础。

诺贝尔奖获得者提出人类基因组计划

人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)是美国科学家于1985年在能源部(DOE)的一次会议上讨论酝酿，诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco于1986年在《科学(Science)》杂志上发表的一篇短文中率先提出的^［1］，旨在阐明人类基因组DNA长达3×10⁹碱基对(base pair,bp)的序列，发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，从而在整体上破译人类遗传信息。美国于1990年正式启动HGP，计划于15年内提供30亿美元的资助，在2005年完成人类基因组全部序列的测定。欧共体、日本等发达国家和巴西、印度、中国等发展中国家也相继提出了各自的基因组研究计划。在过去的十年中，由于各国政府、科学界和工业界的共同努力，HGP作为全球性的合作项目已取得重大进展，一批重要模式生物的全基因组序列相继完成，2000年春天即获得了人类基因组序列的工作草图，而最终完成序列图可望在2002-2003年实现。同时，功能基因组学的研究已经全面展开，将极大地推动生命科学、医学、生物技术和制药工业的进步。回顾HGP的历史，分析其现状，展望其未来，对于我国生物医学及相关产业的发展，必将产生重要的启迪。

基因组作图和DNA测序

(一)基因组作图(分解基因组)

人类基因组的DNA序列分布于22条常染色体和2条性染色体。染色体不能直接用来进行测序，故HGP的第一阶段是要将基因组这一巨大的研究对象进行分解，使之成为较易操作的小的结构区域，这个过程简称为作图。根据使用的标志和手段不同，作图可分为两种类型：(1)遗传连锁图，即通过计算连锁的遗传标志之间的重组频率，确定它们的相对距离，一般用厘摩(cM,即每次减数分裂的重组频率为1%)来表示；(2)物理图，即确定各遗传标志之间物理距离［bp或千碱基(kb)或兆碱基(Mb)］的图谱。

遗传图绘制需要应用多态性标志。80年代中期最早应用的标志是限制性酶切片段长度多态性(RFLP)。此类标志的数量较少，多态性信息也较低。80年代后期发展的短串联重复序列(short tandem repeat,STR;又称微卫星，microsatellite,MS)标志，主要是二核苷酸重复序列如(CA)n，其染色体分布和信息含量明显优于RFLP，成为遗传连锁分析极其有用的标志。1994年法国和美国科学家共同努力，完成了由RFLP和MS组成的包括5，826个标志、分辨率高达0.7cM的遗传图谱，提前和超额完成了原定的分辨率为2-5cM的遗传作图计划。同时，MS也成为物理图上的标志，从而促进了遗传图与物理图的整合。近来，第三代的多态性标志，即单个碱基的多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)标志又被大量产生，其意义已超出了遗传图的范围，而成为研究基因组多样性和识别、定位疾病相关基因的一种新型手段。

物理图包含了两层意义，一是获得分布于整个基因组的序列标签位点(sequence tagged site,STS,其定义为染色体定位明确、而且可用PCR扩增的单拷贝序列)，使每隔一定距离就有一个标志；二是在此基础上构建覆盖每条染色体的大片段DNA连续克隆系出(Contig)。确定两个相邻STS间的物理联系，通常用的工具是由人类家系细胞株组成的遗传作图板、人类DNA与啮齿类细胞的辐射杂种细胞板(radiation hybrid,RH)和YAC/BAC。1998年底的物理图已包括52，000个STS，大大超过了原定30，000个STS的目标^［3］。另一方面，构建覆盖人类基因组的大片段DNA连续克隆系也取得了如期进展，1995年法国科学家利用“指纹”法和STS构建YAC连续克隆系，覆盖了人类基因组75%的区域；此后，美国、欧洲和日本的科学家又利用更加稳定和易于操作的BAC构建了覆盖各条人类染色体的连续克隆系。因此，物理图构建的成功，不仅为大规模测序奠定了基础，而且还绘制出了人类基因组转录图(或基因图)的雏形。(二)全世界联手大规模测序基因组DNA

1.大规模测序的策略

(1)基于BAC连续克隆系的测序

通过精细物理作图，排出对应于特定染色体区域的重叠度最小的BAC连续克隆系后，就可以对其中的BAC逐个进行测序。这是由各国政府及非赢利机构(如英国的Wellcome Trust基金)所支持的公共领域测序计划在90年代中期所确定的策略。其基本工作步骤是：(1)将待测BAC克隆随机切成小片段(约1.5-2kb)，(2)将小片段克隆入测序载体，(3)对小片段DNA进行8-10倍左右覆盖率的测序，(4)将相互重叠的读出序列(reads)组装成连续的重叠线，(5)从质量最高的读出序列中取得序列，(6)利用引物延伸或其他方法对BAC克隆中还存在的缝隙(gap)进行填补(gap filling)。由美国国立健康研究院(NIH)和DOE制定的最终完成序列精度标准有三条：①错误率低于1/10000，②序列必须是连贯的，即没有缺口，③测序所用的克隆能忠实地代表基因组结构^［2］。但在HGP的过程中，又提出了工作草图(Working draft)的概念，其定义为：通过对染色体位置明确的BAC连续克隆系4-5倍覆盖率的测序(在BAC克隆水平的覆盖率不应低于3倍)，获得基因组90%以上的序列；其错误率应低于1%。工作草图虽然离最终完成图还有相当大的距离，但是已具有很高的科学价值，对于基因组模体结构的认识、基因的识别、疾病基因的定位克隆、SNP的发现，基因基本结构的解析等都非常有用⁽⁴⁾。在工作草图基础上加大测序覆盖率，并填补缝隙，就逐步逼近最后完成序列：就一个BAC而言，其内部所有缝隙被填补之后的序列称为结束序列；而对一段染色体区域或一条染色体来说，如果BAC连续克隆系之间的缝隙被填补则称为完成序列。当然，基因组中间的某些部分，主要是着丝粒区域和端着丝粒染色体的短臂部分，因存在大量高度重复序列而非常不稳定，是目前还难以克隆的部分。因此，基因组的最后完成序列并不包括这部分的序列。

(2)全基因组的“鸟枪法”测序

这是一个十分大胆的构思，即在获得一定的遗传和物理图信息的基础上，绕过BAC克隆逐个排序的过程，直接将基因组DNA分解成2Kb左右的小片段进行随机测序，辅之以一定数量的10Kb克隆和BAC克隆的末端测序，利用超级计算机进行序列组装。由Craig Venter领导的私营研究所TIGR于1995年首先将这一策略应用于微生物基因组的测序并获得成功，但该方法能否用于高级生物的复杂基因组测序一直有疑问。1999年，由TIGR和PE公司组建的Celera公司，与加州大学伯克利果蝇计划(BDGD)合作，仅用了4个月时间，就用全基因组鸟枪法完成了果蝇基因组120Mb的全序列测定和组装，证明了这种新的技术路线的可行性，成为采用同一路线进行人类基因组全序列测定的一个成功的预实验⁽⁵⁾。

2.高精度的先进自动化测序技术

DNA测序技术在90年代中后期出现了革命性的突破。首先，80年代发展的以薄板凝胶电泳为基础的自动测序技术，实现了高通量(high throughput)运作。例如，一台PE-ABI377测序仪每天可测2-3轮序，每条序列的平均长度可达500-750bp，每轮可以产生96条序列。继而，高通量的毛细管阵列电泳仪在90年代末问世，代表性的仪器如MD公司的Megabace和PE-ABI的3700测序仪，每天可测10轮，每轮可产96条序列。3700测序仪还可进行自动加样。近年来各发达国家的测序中心都大量装备和使用了这类先进仪器。高质量的聚合酶及高度敏感的荧光染料相继出现，使得序列的质量和精度不断提高。同时，数据质量评估和组装的软件(如phrad/phrap/Consed)等不断改进和完善。为了将作图、测序和信息学技术形成高度自动化的大规模生产线并进行全过程的质量监控，实验室信息管理(Laboratoy information management system,LIMS)应运而生，该系统可以跟踪测序克隆制备的过程和从克隆中产生的数据，记录试剂、方法、机器性能等参数，对于测序效率的维持和高质量数据的生产起着至关重要的作用。现在，某些特大型的测序中心或公司拥有数百台自动测序仪和大批机器人，每天可产生数十万条读出序列，形成了生命科学领域中大科学工程的壮观景象。需要指出的是，随着微电子技术和显微制造技术的突飞猛进，今后测序技术的发展方向是仪器的微型化，这样可以极大地减少成本和提高效率。