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17.4: 应用基因组学

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    培养技能

    • 解释药物基因组学
    • 定义多基因

    DNA测序和全基因组测序项目的引入，特别是人类基因组项目，扩大了DNA序列信息的适用性。 基因组学现在被应用于各种领域，例如宏基因组学、药物基因组学和线粒体基因组学。 基因组学最常见的应用是了解和寻找疾病的治疗方法。

    预测个人层面的疾病风险

    预测疾病风险涉及通过个体层面的基因组分析筛选目前健康的个体。 在疾病发作之前，可以建议通过改变生活方式和药物进行干预。 但是，当问题出在单一基因缺陷中时，这种方法最适用。 在发达国家，此类缺陷仅占疾病的5％左右。 大多数常见疾病，例如心脏病，都是多因素或多基因的，这是一种涉及两个或更多基因的表型特征，还涉及饮食等环境因素。 2010年4月，斯坦福大学的科学家发表了对一个健康个体的基因组分析（斯坦福大学科学家斯蒂芬·奎克，他的基因组测序）；该分析预测了他患各种疾病的倾向。 进行了风险评估，以分析雷神之锤在55种不同疾病中的风险百分比。 发现了一种罕见的基因突变，这表明他有突然心脏病发作的风险。 据预测，他患前列腺癌的风险为23％，患阿尔茨海默氏症的风险为1.4％。科学家们使用数据库和几份出版物来分析基因组数据。 尽管基因组测序变得越来越便宜，分析工具也变得越来越可靠，但在人群层面上围绕基因组分析的伦理问题仍有待解决。

    艺术连接

    PCA3 测试分三个步骤进行。 在第一步中，PCA3 mRNA退火至附着在珠子上的互补DNA引物。 在第二步中，使用逆转录酶聚合酶链反应扩增mRNA。 在第三步中，使用化学发光探针检测mRNA。
    图\(\PageIndex{1}\)：PCA3 是一种在前列腺上皮细胞中表达并在癌细胞中过度表达的基因。 尿液中高浓度的 PCA3 表明存在前列腺癌。 与众所周知的PSA测试相比，PCA3 测试被认为是更好的癌症指标，后者测量血液中PSA（前列腺特异性抗原）的水平。

    2011年，美国预防服务工作队建议不要使用PSA测试来筛查健康男性的前列腺癌。 他们的建议基于筛查并不能降低前列腺癌死亡风险的证据。 前列腺癌的发展通常非常缓慢，不会引起问题，而癌症治疗可能会产生严重的副作用。 PCA3 测试被认为更准确，但筛查仍可能导致不会受到癌症本身伤害的男性因治疗而出现副作用。 你觉得怎么样？ 是否应该使用 PCA3 或PSA测试对所有健康男性进行前列腺癌筛查？ 一般而言，是否应该对人们进行筛查，以确定他们是否有患癌症或其他疾病的遗传风险？

    药物基因组学和毒理基因组学

    药物基因组学，也称为毒理基因组学，涉及根据来自个体基因组序列的信息来评估药物的有效性和安全性。 在开始对人类进行研究之前，可以使用实验动物（例如实验室大鼠或小鼠）或实验室中的活细胞来研究对药物的基因组反应。 研究基因表达的变化可以提供有关药物存在下的转录谱的信息，这可以用作潜在毒性作用的早期指标。 例如，参与细胞生长和控制细胞死亡的基因在受到干扰时可能导致癌细胞的生长。 全基因组研究还可以帮助发现与药物毒性有关的新基因。 个人基因组序列信息可用于根据个体患者的基因型开出最有效、毒性最小的药物。 基因特征可能不完全准确，但在病理症状出现之前可以进一步检测。

    微生物基因组学：宏基因组学

    传统上，教授微生物学的观点是，最好在纯培养条件下研究微生物，这包括分离单一类型的细胞，然后在实验室培养。 由于微生物可以在几个小时内经历几代人，因此它们的基因表达谱很快就会适应新的实验室环境。 此外，绝大多数细菌物种都无法单独培养。 大多数微生物不是作为孤立的实体生活，而是生活在被称为生物膜的微生物群落中。 出于所有这些原因，纯培养并不总是研究微生物的最佳方法。 宏基因组学是对在环境利基中生长和相互作用的多个物种的集体基因组的研究。 宏基因组学可用于更快地识别新物种和分析污染物对环境的影响（图\(\PageIndex{2}\)）。

    在宏基因组学中，来自特定环境的所有基因组DNA都被切成片段并连接成克隆载体。 对可能来自几种不同物种的碎片进行了测序。 重叠区域表明两个碎片来自同一个物种。 因此，可以确定存在的每个物种的基因组。
    图\(\PageIndex{2}\)：宏基因组学涉及从环境利基中的多个物种中分离出DNA。

    微生物基因组学：创造新的生物燃料

    对微生物基因组学的了解被用来寻找更好的方法来利用藻类和蓝细菌中的生物燃料。 当今的主要燃料来源是煤炭、石油、木材和其他植物产品，例如乙醇。 尽管植物是可再生资源，但仍然需要寻找更多的替代可再生能源，以满足我们人口的能源需求。 微生物世界是编码新酶和产生新有机化合物的基因的最大资源之一，而且在很大程度上仍未开发。 微生物用于制造产品，例如用于研究的酶、抗生素和其他抗微生物机制。 微生物基因组学正在帮助开发诊断工具、改进的疫苗、新的疾病治疗方法和先进的环境净化技术。

    线粒体基因组学

    线粒体是含有自身DNA的细胞内细胞器。 线粒体DNA快速突变，通常用于研究进化关系。 使研究线粒体基因组变得有趣的另一个特征是，大多数多细胞生物中的线粒体DNA是在受精过程中从母亲那里传下来的。 因此，线粒体基因组学通常用于追踪家谱。

    从犯罪现场发现的脱氧核糖核酸样本中获得的信息和线索已被用作法庭案件的证据，遗传标记也被用于法医分析。 基因组分析在该领域也变得很有用。 2001 年，首次发布了基因组学在法医中的应用。 这是学术研究机构和联邦调查局为解决通过美国邮政局传达的神秘炭疽病例而共同尝试的。 研究人员利用微生物基因组学确定所有邮件中都使用了特定的炭疽菌株。

    农业中的基因组学

    基因组学可以在一定程度上减少科学研究中涉及的试验和失败，从而提高农业作物产量的质量和数量。 将性状与基因或基因特征联系起来有助于改善作物育种，从而产生具有最理想品质的杂种。 科学家使用基因组数据来确定理想的特征，然后将这些特征转移到不同的生物体中。 科学家们正在发现基因组学如何提高农业生产的质量和数量。 例如，科学家可以利用理想的特性来创造有用的产品或增强现有产品，例如使对干旱敏感的作物更耐旱季。

    摘要

    想象力是基因组学应用的唯一障碍。 基因组学被应用于大多数生物学领域；它被用于个体化医学、预测个人层面的疾病风险、在进行临床试验之前研究药物相互作用，以及研究环境中而不是实验室中的微生物。 它也被应用于开发新的生物燃料、使用线粒体的系谱评估、法医学的进步和农业的改善。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{1}\)：2011年，美国预防服务工作队建议不要使用PSA测试对健康男性进行前列腺癌筛查。 他们的建议基于筛查并不能降低前列腺癌死亡风险的证据。 前列腺癌的发展通常非常缓慢，不会引起问题，而癌症治疗可能会产生严重的副作用。 PCA3 测试被认为更准确，但筛查仍可能导致不会受到癌症本身伤害的男性因治疗而出现副作用。 你觉得怎么样？ 是否应该使用 PCA3 或PSA测试对所有健康男性进行前列腺癌筛查？ 一般而言，是否应该对人们进行筛查，以确定他们是否有患癌症或其他疾病的遗传风险？

    回答

    这些问题没有正确或错误的答案。 尽管前列腺癌治疗本身确实可能有害，但许多男性宁愿意识到自己患有癌症，这样他们就可以监测疾病并在疾病进展后开始治疗。 尽管基因筛查可能有用，但价格昂贵，可能会引起不必要的担忧。 有某些危险因素的人可能永远不会患上这种疾病，预防性治疗弊大于利。

    词汇表

    宏基因组学
    研究在环境利基中生长和相互作用的多个物种的集体基因组
    药物基因组学
    研究药物与基因组或蛋白质组的相互作用；也称为毒物基因组学
    多基因
    由两个或多个基因引起的表型特征
    纯文化
    实验室中单一类型细胞的生长