人体的第二张解剖图
你也许知道格雷(H．Gray) 绘制了第一张人体解剖图，解开了许多人体奥秘，为近代医学的发展奠定了基础。人类基因组计划将最终绘制出人体的第二张解剖图，从基因水平上揭示出人体的奥秘，奠定21世纪医学和生物学飞跃发展的基础。当然，这张图将是集体智慧和劳动的结晶，属于全世界。
这张解剖图将包括4张小图，包括了人类基因组计划的全部主要内容，它们分别是遗传图（连锁图）、物理图、序列图和转录图。下面，让我们来逐个地阅读一下这4张图吧。
HGP计划所从事的 4张图谱遗传图第一张图是遗传图，又叫连锁图。它是以在某个遗传位点上具有多个等位基因的遗传标记作为"路标"，以遗传学上的距离即两个遗传位点之间进行交换、重组的百分率cM作为"图距"，反映基因遗传效应的基因组图。建立人类遗传图的关键是要有足够的高度多态的遗传标记。但是，目前所知的具多态性的性状不多，等位基因的数目有限，信息量不足。这样，就限制了人类基因组的遗传分析工作。所幸DNA重组技术的建立提供了新一代的遗传标记。
第一代的DNA标记是RFLP（限制性片段长度多态性）分析。这些RFLP片断可被某些限制性内切酶特异识别并切割。DNA序列的改变甚至是一个碱基的改变，将会改变限制性内切酶酶切片段的长度变化，并可通过一种称为凝胶电泳的方法来方便地显示这种长度的"多态性"。RFLP在整个基因组中都存在，根据对RFLP片段的多态性分析，可对某些疾病进行诊断并将与疾病有关的基因进行定位。但RFLP提供的信息量有限，在检测RFLP片段时需用到放射性同位素，不太安全。
第二代遗传标记是被称为简短串联重复片段的STR。在检测RFLP的过程中，人们发现有一种类型是由于DNA重复序列造成的。这些DNA重复序列在人类基因组中有很多拷贝，它们可以头对头或头对尾地串联成一簇，分布于基因组的各个位点。在某一位点上，不同数量的重复序列（VNTR）也可以提供不同的长度片断。有的VNTR重复单位长度为6－12个碱基，称为小卫星；有的VNTR重复单位为2－6个碱基，称为微卫星或简短串联重复（STR）。STR具有高度多态性，同一遗传位点数目变化很大，在群体中也可形成多达几十种的等位基因，这是其他遗传标记所不能比拟的；此外，还可以利用PCR的DNA体外扩增技术，
实现操作机器自动化。至1996年初，所建立的遗传图已含有6000多个以STR为主体的遗传标记，平均分辨率即两个遗传标记间的平均距离为0.7分摩，这个距离大致对应于0.7Mb的物理距离。人类的遗传图一直落后于其他物种的遗传图，今天，人类终于也有了自己的一张较为详尽的遗传图。想一想，有6000多个遗传标记作为路标，把基因组分成6000多个区域，只要以连锁分析的方法，找到某一表现型的基因与其中一种遗传标记邻近（即紧密连锁）的证据，就可以把这一基因图定位于这一标记所界定的区域内。这样，如果想确定与某种已知疾病有关的基因，即可根据决定疾病性状的位点与选定的遗传标记间的遗传距离，来确定与疾病相关的基因在基因组中的位置。
物理图物理图是基因组计划的第二张图。物理图以一个"物理标记"作为路标，以Mb、Kb、bP作为图距的基因组图。物理图与遗传图相互参照就可以把遗传学的信息转化为物理学信息。如某一区域的大小为多少CM可以基本折算为某一区域大小为多少Kb。物理图的绘制需要筛选大量的物理标记以及进行大量复杂和繁琐的分析。1995年，第一张以称为序列标签位点STS为物理标记的物理图谱问世，它包括了94％的基因组和1500多个标记位点，平均间距为200Kb（这就是所谓的分辨率）。这样，物理图就把人类庞大基因组分成具有界标的1500个小区域。
那么，物理图是怎样绘制的呢？首先，科学家从人类的DNA中鉴定出1500种单一的遗传标记--序列标签位点STS。通过筛选含有人基因组DNA片段的酵母人工染色体库（YAC）来确定这些STS标记在基因组上的顺序。YAC库就是一个含有人类染色体约1MbP大小片段的酵母人工染色体克隆群，约三万个克隆。如果2个STS标记间距小于1Mb，它们将可能存在于同一个YAC克隆中。这样，利用自动的机器，分别以STS片段为标记探针对每个YAC染色体DNA进行PCR扩增，鉴定出阳性克隆，然后将结果输人数据库中，利用计算机软件分析就可确定这些STS的顺序。如果要更精确地确定STS之间的准确距离，还可结合利用称之为BAC和MAC的技术。BAC是细菌人工染色体的简称，确定距离较近的STS标志。MAC则是以哺乳动物细胞作为宿主细胞的人工染色体技术，作为异源DNA片段的载体，比YAC容量大，间隔较大的STS标记间的距离也可以确定了。最终，以STS为物理标志的物理图谱就绘制成功了。
人类基因组物理图的问世是基因组计划中的一个重要里程碑，被遗传学家誉为20世纪的"生命（生物学）周期表"。利用一张遗传图，研究人员可将一种特定的遗传病的遗传模式同标记顺序的遗传模式进行比较，迅速确定引起该遗传病的基因的位置。然后，计算机把数据固定在物理图框架内。遗传图与物理图结合在一起，就能迅速确定与疾病有联系的基因。物理图的问世标志着离人类基因组全序列测定仅有一步之遥了。
序列图
第三张图是序列图，可以说它是人类基因组在分子水平上最高层次、最为详尽的物理图。测定总长为1米、由30亿对核昔酸组成的基因组全部DNA序列，是基因组计划中最为明确、最为艰巨的定时、定量、定质的硬任务。怎样测定基因组的序列呢？
首先让我们来了解一下DNA序列分析的原理和基本技术。目前，主要采用桑格（Sanger）于对年代发明的"双脱氧核糖核酸链末端终止法"进行测定。测序反应事实上就是一个在DNA聚合酶作用下的DNA复制过程。以一条链为模板，在一个测序引物的牵引下，新的DNA链得以不断延伸。但如果加人一些双脱氧核糖核苷酸即ddNTPs，就不能使延伸反应继续下去，最终随机产生许多大小不等的末端是双脱氧核苷酸的DNA片段，这些片段之间大小相差一个碱基，在电压驱动下，从一种由聚丙烯酰胺做成的凝胶上可间接地读出这些有差异的代表其末端终止位置处碱基种类的片段，那么一系列的连续片段就代表了整个模板DNA的全部序列。用机器进行自动测序，一次可读400－800个碱基。尽管全自动测序较为方便省时，但由于测定的序列长度有一定限制，相对于庞大的人类基因组来说可谓"老虎吃天，无从下口"。因此，测序的策略问题就被提出来了。
目前，常用的测序策略是"鸟枪法"。形象地说，就是将较长的基因片段打断，构建一系列的随机亚克隆，然后测定每个亚克隆的序列，用计算机分析以发现重叠区域，最终对大片段的DNA定序。科学家利用物理图中已定位的STS位点作为序列分析的起始位点，大大减少了序列重叠部分的测定，提高了测序效率，使一些实验室可在一年内测定几个兆的碱基序列。
测序技术也在不断地发展和提高。过去两年内，通过在一个测序的电泳胶上增加电泳泳道和测序胶的长度，使自动测序仪的通读水平提高了2－3倍。此外，一些不依赖于电泳技术来分离DNA片段的方法如质谱分析也正在或已经建立。杂交测序也是一项非电泳类方法。目前还有一种可用电子显微镜直接观察的方法。
近几年，由于DNA测序策略的日趋成熟，以及自动测序仪的改进，序列测定速度和准确率大为提高。美国人类基因组研究中心主任柯林斯（CollinS）自信地说，即便没有新的技术突破，在2005年这一最后期限前完成准确率达99.9％的人类基因组定序毫无问题，或许还能提前两年即在2003年以前完成。现在几乎每个星期都要鉴别出医学上具有重要意义的一个DNA片段，最后，可能每个小时将会有一种新的基因被测定出DNA序列。
转录图
第四张图是转录图。
我们知道，生物性状是由结构或功能蛋白决定的，功能蛋白是由信使RNA（mRNA）编码的，mRNA又是由编码蛋白功能基因转录而来的。转录图就是测定这些可表达片段（EST）的标记图。事实上，整个人类基因组中有97％的部分由不被转录的DNA组成，只有2％－3％的DNA序列具有编码蛋白质的功能。在人体某一特定的组织中仅有10％的基因被表达。也就是说，只有不足1万个不同类型的RNA分子（只有在胎儿的脑组织中，可能有30％－60％）的基因被表达。如果将这些mRNA通过一种反转录的过程构建成CDNA文库，然后再测定这些DNA的序列，最终绘制成一张可表达基因图--转录图。
研究人类基因组计划所从事4张图谱的常规策略首先，要不断地丰富EST数据库。DbEST是目前最大的一个公共功能性序列数据库，至1996年夏天，它已收集到40万种EST序列。其中大多数序列是在默尔克（Merck）公司资助下由华盛顿大学的序列测定项目提供的。这个数目并不代表人类基因组中可表达基因的数目（6000到l00000个基因克隆），因为一个全长的CDNA可能产生几个不重叠的EST片段。美国人类基因组科学公司据称已得到了超过850000个EST片段的库，与人类基因组的全部基因数已相差不多了。现在，国际数据库中所贮存的EST的数量正以每日1000多个的速度增加着。
下一步就是将EST片段在人的基因组中定位。即将这些EST片段与某些疾病的易感位点联系起来，许多国家正在寻求合作，通过对这些EST片段进行染色体定位，绘制一个真正的"转录图谱"。这样，一旦确定了与某个疾病有关联的位点，转录图就可以告诉你在这个区域有哪些基因。是否所有的基因都能以EST片段的形式在染色体上得以定位呢？不是的。我们前面就已经知道EST片段是由mRNA经过反转录而来，不包括RNA的结构基因。此外，由于某些低水平表达的基因在构建CDNA文库时可能不包括于其中，因而EST中也不能代表这些低水平表达的基因。这样，RNA的结构基因以及低水平表达的基因就不能以EST的方式被定位到转录图上。这个悬而未决的问题将随着整个基因组序列的完成而得以解决。
有了一张总的转录图，我们就可以了解某基因在不同的时间、不同组织的表达情况；可以了解不同组织中不同基因的表达；还可以了解正常条件下与异常状况下基因表达的差异。因为一个EST本身就是某一特定具编码功能的基因的部分序列，提供了克隆、分析功能基因的一个起点。它本身可作为基因诊断和基因克隆的一种工具，可用于发现一些新的细胞因子、新的受体和其他具有商业用途的蛋白质。关于EST的序列是否应公布于众，EST序列能否申请专利问题的争论也近乎白热化。但无论如何，转录图将同其他三张图一起成为奠定ZI世纪医学的基石，为破译"基因"这部天书，认识和了解生命的真谛带来一个质的飞跃。
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