人類基因組
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人類基因組（英語：Human genome）是智慧人種（Homo sapiens）的基因組。共組成24個染色體，分別是22個體染色體、X染色體與Y染色體。含有約30億個DNA鹼基對（以氫鍵相結合的兩個含氮鹼基），其中一部分的鹼基對組成了大約20000到25000個基因。
全世界的生物學與醫學界在人類基因組計畫中，調查人類基因組中的真染色質基因序列。發現人類的基因數量比原先預期的更少，其中的外顯子，也就是能夠製造蛋白質的編碼序列，只佔總長度的1.5%[1]。
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[编辑] 特色
[编辑] 染色體
人類擁有24種不同的染色體，其中有22個屬於體染色體，另外還有能夠兩個決定性別的性染色體，分別是X染色體與Y染色體。1號到22號染色體的編號順序，大致符合他們由大到小的尺寸排列。在人類個體的體細胞中，通常含有來自親代的1到22對體染色體，再加上來自母親的X染色體，以及來自父親的X或Y染色體，總共是46個（23對）染色體。
[编辑] 基因
人體內估計約有20000到25000個蛋白質編碼基因。原本這個估計的數目超過100000，在更好的基因組序列品質與基因識別技術出現之後，才逐漸向下修正為現在的數字。
雖然人類的基因數量比起某些較為原始的生物更少，但是在人類細胞中使用了大量的選擇性剪接，這使得一個基因能夠製造出多種不同的蛋白質，且人類的蛋白質組規模也較前述的兩個物種更龐大。
| 物種 | 鹼基對數量 | 基因數量 |
|---|---|---|
| Mycoplasma genitalium 黴漿菌（生殖器支原體） |
580,000 | 500 |
| Streptococcus pneumoniae 肺炎雙球菌 |
2,200,000 | 2,300 |
| Haemophilus influenzae 流感嗜血桿菌 |
4,600,000 | 1,700 |
| Escherichia coli 大腸桿菌 |
4,600,000 | 4,400 |
| Saccharomyces cerevisiae 釀酒酵母 |
12,000,000 | 5,538 |
| Caenorhabditis elegans 秀麗隱杆線蟲 |
97,000,000 | 18,250 |
| Arabidopsis thaliana 阿拉伯芥（擬南芥） |
125,000,000 | 25,500 |
| Drosophila melanogaster 黑腹果蠅 |
180,000,000 | 13,350 |
| Oryza sativa 亞洲稻 |
466,000,000 | 45,000-55,000 |
| Mus musculus 家鼠 |
2,500,000,000 | 29,000 |
| Homo sapiens 人類 |
2,900,000,000 | 27000 |
大多數人類基因擁有許多的外顯子，且人類的內含子比位在其兩端的外顯子更長。這些基因參差不齊地分佈在染色體中，每一個染色體皆含有一些基因較多的區段與基因較少的區段。這些區段的差異，則與染色體帶（chromosome bands）及GC含量相關。基因密度所顯現的非隨機模式之涵義與重要性尚未明瞭。
除了蛋白質編碼基因之外，人類的基因組還包含了數千個RNA基因（由RNA組成），其中包括轉運RNA（tRNA）、核糖體RNA（rRNA）與信使RNA（mRNA），以及其他非編碼RNA基因。
[编辑] 調控序列
人類基因組含有許多不同的調控序列，並以此來控制基因表現。這些序列是典型的短序列，會出現在靠近基因的位置。由於高通量表達（high-throughput expression；指利用電腦與機器輔助以進行大量的序列分析）技術與比較基因組學研究的出現，人們開始系統性地了解這些調控序列，以及它們共同構成的基因調控網路（gene regulatory network）。
人們之所以能夠辨認哪些基因序列是調控序列，是因為生物在演化過程中對基因的保留。以大約7千萬年前到9千萬年前分支的人類與老鼠為例[4]：若以電腦比較兩者的基因序列，並且將兩者皆保有的非編碼序列辨識出來，就可以知道哪些基因序列可能對於基因調控來說相當重要[5]。
人類所擁有的調控序列所在位置，可以利用河豚的基因定位出來。因為河豚與人類擁有相同的基因，同時也擁有和人類相同的調控序列，但是「垃圾」基因比人類更少。如此較為簡潔的DNA序列，使得調控基因的位置較容易定位[6]。
[编辑] 其他DNA
蛋白質編碼序列（也就是外顯子）在人類基因組中少於1.5%[1]。在基因與調控序列之外，仍然有許多功能未知的廣大區域。科學家估計這些區域在人類基因組中約占有97%，其中許多是屬於重複序列（repeated sequence）、轉位子（transposon）與偽基因（pseudogene）。除此之外，還有大量序列不屬於上述的已知分類。
這些序列大多數可能是演化的產物，現在已經沒有作用，也因此有時會被稱作是「垃圾DNA」（junk DNA）[7]。不過有一些跡象顯示，這些序列可能會經由某些仍然未知的方式產生作用。最近一些使用微陣列技術所作的實驗發現，大量非基因DNA事實上會被轉錄成為RNA[8]，這顯示轉錄作用背後可能還存在一些未知的機制。此外，不同種類的哺乳動物在演化的過程中共同保留了這些序列，也顯示基因組中還有很多作用未知的部分[9]。人類基因組內大量功能未知的序列，是目前科學研究的重點之一。
[编辑] 變異
大多數對於人類遺傳變異的研究集中在單一核苷酸多型性（single nucleotide polymorphisms；SNPs），也就是染色體中，個別鹼基（DNA序列的組成單位）的變換。科學家分析估計，在人類的真染色質（富含基因的染色質）中，平均每100到1000個鹼基中，會出現1個SNPs，不過並沒有均勻的密度。由於SNPs的存在，大多數遺傳學家對於如「所有人類的基因有99%都是相同的」一般的聲稱，皆會有所保留。國際人類基因組單體型圖計劃（International HapMap Project），便是爲了要將人類基因組中的SNP變異作編錄，而組成的一個大規模合作計畫。
基因組中有一些小型的重複序列，它們所擁有的基因座與基因長度，在不同的人類個體之間有很大的變異性。這也是DNA指紋（DNA fingerprinting）與親子鑑定（paternity testing）技術得以應用的基礎。異染色質（heterochromatin）是人類基因組的一些部分，總共包括有數百萬個鹼基對，這些鹼基對在人類族群之中的變異性也相當大。而且由於異染色質的重複性很高而且長度很長，因此目前的技術仍然無法精確地解出它們的序列。此外異染色質不含基因，對於表現型也沒有顯著的作用。
配子細胞中大多數的基因組突變，可能會造成胚胎不正常發育，而人類的一些疾病也與大尺度的基因組異常有關。例如唐氏症、透納氏症（Turner Syndrome），以及許多其他疾病，是染色體的不分離（nondisjunction）現象所造成。在癌細胞中的染色體，則是頻繁地出現非整倍性（aneuploidy）現象，不過這種現象與癌症之間的關係仍然不明。
2006年一篇發表在《自然》的研究報告中[10]，研究人員發現在人類與其他哺乳類DNA序列中的拷貝數變異（copy number variation；CDV），可能非常重要。拷貝數變異又稱為拷貝數多型性（copy number polymorphisms；CNPs），是刪除、插入（insertion）、複寫（duplication），以及複雜多位置變異（complex multi-site variants）的合稱，在所有人類以及其他已測試的哺乳動物中皆可發現。
[编辑] 遺傳疾病
- 关于此话题更进一步的细节，參見遺傳疾病。
當一個或多個基因發生不正常表現時，便可能會使某個相對應的表型產生一些症狀。遺傳異常的原因包括了基因突變、染色體數目異常，或是三聯體擴張重複突變（triplet expansion repeat mutations）。如果受損的基因會從親代遺傳到子代，那就會成為一種遺傳性疾病。目前已知有大約4000種遺傳疾病，囊腫性纖維化是其中最普遍的疾病之一。
科學家通常會以群體遺傳學的方法進行遺傳疾病的研究，對於疾病的治療，則是由一些經過臨床遺傳學訓練，且同時也是遺傳學家的醫生來進行。人類基因組計畫的成果，使遺傳檢測技術能夠更有效地檢查出一些與基因有關的疾病，並且改進治療方法。父母能夠透過遺傳諮詢來偵詢一些遺傳症狀的嚴重性、遺傳的機率，以及如何避免或是改善這些症狀。
基因劑量（Gene dosage）會對人類的表現型產生龐大的影響，對於染色體中造成疾病的複寫、省略與分裂等現象的形成擁有一定的角色。例如唐氏症患者（21號染色體為三體）有較高的比率得到阿茲海默症，可能是因為與阿茲海默症有關的類澱粉前趨蛋白基因（位在21號染色體上）的過度表現所致[11]。而且相對而言，唐氏症患者中則有較低的比率得到乳癌，可能是因為腫瘤抑制基因（tumor-suppressor gene）的過度表現[12]。
[编辑] 演化
- 参见：人類演化
比較基因組學（Comparative genomics）對於哺乳類基因組的研究顯示，人類與大約兩億年前就已經分化的各物種相比，有大約5%的比例在人類基因組中保留了下來，其中包含許多的基因與調控序列。而且人類與大多數已知的脊椎動物間，也享有了一些相同的基因。
黑猩猩的基因組與人類的基因組之間，有98.77%是相似的。而平均每一個屬於人類的標準蛋白質編碼基因，只與屬於黑猩猩的同源基因相差兩個氨基酸；並且有將近三分之一的人類基因與黑猩猩的同源基因，能夠轉譯出相同的蛋白質。人類的2號染色體，是人類與黑猩猩基因組之間的主要差異，這一條染色體是由黑猩猩的染色體12號與13號融合而成[13]。
人類在晚近的演化過程中失去了嗅覺受器基因，這解釋了為何人類比起其他的哺乳動物來說，擁有較差的嗅覺。演化上的證據顯示，人類與某些靈長類所擁有的彩色視覺，降低了這些物種對於嗅覺能力的需求[14]。
[编辑] 粒線體基因組
大多數的基因是存在細胞核中，但是除此之外，細胞中的另一個稱為粒線體的胞器，也擁有自己的基因。通常在提到人類基因組的時候，並不包括粒線體基因組。不過遺傳學家對於這些基因仍然相當感興趣，因為粒線體基因組在粒線體疾病（mitochondrial disease）中具有一定的重要性。而且這些基因也可以用來研究人類的演化，舉例而言，若分析人類粒線體基因組的變異情況，將能夠使科學家描繪出人類的共同祖先，稱為「粒線體夏娃」（Mitochondrial Eve）。之所以稱為夏娃，是因為粒線體是位於細胞質中，而人類的精子與卵子結合時，源自母親（女性）的卵子提供了絕大多數的細胞質，因此人類細胞中的粒線體基因皆是來自母親。
由於粒線體缺乏用來檢查複製錯誤的能力，因此粒線體DNA（mDNA）的變異速率比細胞核DNA（一般所指的DNA）更快。粒線體的突變速率快了20倍，這使mDNA能夠用來較為精確地追溯出母系祖先。研究族群中的mDNA，也能使人們得知此族群過去的遷移路徑，例如來自西伯利亞的美洲原住民；以及來自東南亞的波里尼西亞人。更有甚者，mDNA研究顯示在歐洲人的基因中並無參雜尼安德塔人的DNA[15]。
[编辑] 參見
| 人類基因組 |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | X | Y |
[编辑] 參考文獻
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- ↑ Meunier·Monique - Genoscope and Whitehead announce a high sequence coverage of the Tetraodon nigroviridis genome （English） Genoscope - 於2006-09-12zh-tw:造;zh-cn:采訪。
- ↑ 生命之鑰----人類基因體計畫
- ↑ "...a tiling array with 5-nucleotide resolution that mapped transcription activity along 10 human chromosomes revealed that an average of 10% of the genome (compared to the 1 to 2% represented by bona fide exons) corresponds to polyadenylated transcripts, of which more than half do not overlap with known gene locations.Claverie J (2005). "Fewer genes, more noncoding RNA.". Science 309 (5740): 1529-30. PMID 16141064.
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- ↑ Sykes·Bryan （2003-10-09） - Mitochondrial DNA and human history （English） The Human Genome - 於2006-09-19zh-tw:造;zh-cn:采訪。
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[编辑] 外部連結
- The National Human Genome Research Institute
- National Library of Medicine human genome viewer .
- UCSC Genome Browser.
- Human Genome Project.
- Sabancı University School of Languages Podcasts What makes us different from chimpanzees? by Andrew Berry (MP3 file)
- The National Office of Public Health Genomics
