DNA元件百科全書計畫

“DNA元件百科全書”計畫（encyclopedia of dna elements，encode）是繼“人類基因組計畫”後最大的國際合作計畫之一，於2003年9月由美國國立人類基因組研究所啟動，其目的是尋求新一代DNA研究技術對人類基因調控序列在全基因組的水平上研究的套用。這個計畫包括全世界11個國家80家科研機構35個小組的研究人員，當前已經產生了許多令人驚訝的發現，為未來進一步認識整個人類基因組的功能藍圖開闢了道路，對與人類疾病相關的基因序列研究產生重大的影響。

基本介紹

• 中文名：DNA元件百科全書計畫
• 組建時間：2003年9月
• 參與規模：11個國家80家科研機構
• 目的：尋求新一代DNA研究技術的套用

計畫內容

“DNA元件百科全書”計畫主要目標是對人類基因組功能元件進行鑑定和分析，主要包括以下幾個部分：

①運用人類基因組計畫中成熟的方法和手段進行研究；

②(小規模)試點研究；

③開發高通量篩選和檢測技術進行研究。

ENCODE團隊試點計畫目前已經基本完成 ，主要包括以下三方面的內容：

①對編碼的功能DNA 進行鑑定和分類；對已存在的幾種方法進行了測試和比較，嚴格分析了人類基因組序列中已被定義的序列。

②闡明人類生物學和疾病之 間的關 系 ；

③對大量鑑定基因特徵的方法、技術和手段進行檢測和評估。

ENCODE計畫的研究對象包括：編碼蛋白基因、非編碼蛋白基因、調控區域、染色體結構維持和調節染色體複製動力的 DNA元件。到目前為止，ENCODE計畫主要集中研究了44個靶標，共3000萬個DNA鹼基對。

計畫進展

ENCODE計畫主要分為三個階段進行 ：

①利用目前的技術進行小規模實驗 ( 試點研究階段 ) ，研究的重點主要是關於轉錄調節單元，轉錄調節序列 ，酶切位置，染色體修飾 ，複製起始原點的確定等方面。

②技術開發階段 ，這階段主要關注沒有被充分研究的功能基因。

③實際生產階段 ，該階段主要將前面兩個階段的研究成果套用到對整個基 因組的研究中 。

2007年6月，E NCODE團隊相繼在《自然*( Na t u r e)和《基因組研究》(Genome Research)上發表了29篇相關論文，報導了他們 4年來努力的成果，即通過建立一個目錄，詳盡地描述1%人類基因組的全部生理功能基礎。該結果高度肯定了鑑定和歸類人類基因組 功能元件的工程的成功 ，並且由於幾項新技術的興起 ，大量關於功能元件的數據被獲得，這標誌著技術發展階段也獲得了成功。隨著 ENCODE計畫初始階段的成功，NHGRI 在2 0 0 7年9月投入了新的資金使ENCODE工程規模化，擴大到實際生產階段對整個基因組進行研究，並伴隨有中試研究。生產階段中還具備數據整合中心和數據分析中心，數據整合中心用於追蹤、存儲和公布數據，而數據分析中心用於對數據進行綜合分析。ENCODE研究者們獲取的全部數據都會儘快公布到公共資料庫中，項目數據整合中心的數據也是公開的。

目前 EN COD E計畫的成果亮點包括 ：確定了許多之前不為人知的DNA轉錄啟動位點；推翻了傳統觀點的認識 ，調控區域也有可能位於DNA轉錄啟動位點的下游；確定了組蛋白( histones)變化的特定標記；加深了人們對組蛋白改變協調DNA複製的理解。

計畫意義

2003年人類基因組計畫的完成僅僅標誌著人類向著利用基因信息診斷、治療和預防疾病的目標邁出了重要的第一步。這就好比我們只得到了人體的“ 使用手冊”，但是如果要將這份手冊用於疾病診斷和治療，我們必須讀懂這份手冊。ENC0DE計畫首次 系統地研究了所有類型的功能元件的位點和組織方式，對基 因組計畫的實際套用具有劃時代的意義，為未來進一步認識整個人類基因組的功能藍圖開闢了道路。

首先 EN CODE計畫推翻了傳統的觀點：即我們的基因藍圖 ( genetic blueprint)作為一群獨立基因( independent genes) ，漂浮在“垃圾DNA”( junk DNA) 的大海上。事實上，人類基因藍圖的30億個化學“字母”組成了一個極 為複雜的網路 ，在這個網 絡中，基因、調控基序( regulatory elements) 和其它 DNA序列以 一種人們尚未了解的重疊方式相互作用，共同著控制人類的生理活動。美國國家人類基因組研究所主任弗朗西斯 柯林斯(Fr anc iSCO11ins) 將這些結果稱之為“ 這是人類生物學上的一個里程碑”。他表示：“這種令人印象深 刻的努力 ，已揭示出許 多激動人心的意外，並為未來探究整個人類基 因組功能 圖景開闢 了道路 。 ”

其次“DNA元件百科全書”加深了對哺乳動物基因組進化的認識。傳統理論認為，與生理功能相關的重要D N A 序列往往位於基因組中的“進化限制”(evolutionary constraint)區域，它們在物種進化過程中更容易保存下來。但是，最新 的研究表明，大約一半人類基因組 中的功能元件在進化過程中，不會受到很大限制 。科學家認為 ，哺乳動物缺乏 “ 進化限制”這一點很可能意味著，許多物種的基因組都囊括了大量的包括RNA 轉錄副本在內的功能元件，在進化過程中，這些功能元件成了基因“ 倉庫” 。

科學家預言，ENC0DE計畫的研究將導致藥物開發方面實質性的突破， 以使人類真正攻克癌症等頑疾。

總之，ENC0DE計畫產生了許多令人驚訝的發現，對於人類自身的生存和發展具有重大的意義，為未來進一步認識整個人類基因組的功能藍圖開闢了道路。ENCODE計畫破解人類疾病和生老病死之謎、解決人類健康問題 ，對生命科學的研究和生物產業的發展具有非常重要的意義，它為人類社會帶來的巨大影響是不可估量的 。科學共 同體有必要重新考慮長期以來對於基因和基因組功能的認識，這將對與人類疾病相關的基因序列研究產生重大的影響。

研究成果

到目前為止，ENCODE計畫主要集中研究了44個靶標，共3000萬個DNA鹼基對。負責該計畫數據整合和分析工作的歐洲分子生物學實驗室（European> Molecular> Biology> Laboratory）研究人員認為，“這些結論揭示了有關DNA功能元件構成的重要原理，為從DNA轉錄到哺乳動物進化的一切過程提供了新的認識。”

研究發現，人類基因組中的大多數DNA都會轉錄成RNA，這些副本會普遍交迭。因此，人類基因組實際上是一個非常複雜的網路，所謂的無用基因實際上非常少。基因只不過是眾多具有特定功能的DNA序列類型之一。科學家們在基因之外的調控區域新發現了4491個轉錄啟動位點，這一數字超過了已知基因的10倍。這些都挑戰了長期以來的觀點，即基因組中的基因是孤立的，同時，新的發現也支持了人類基因數量應該超過3萬個的看法。

ENCODE 計畫的另一個巨大成就就是對哺乳動物基因組進化的認識。傳統理論認為，與生理功能相關的重要DNA序列往往位於基因組中的“進化限制”(evolutionary> constraint)區域，它們在物種進化過程中更容易保存下來。但是，最新的研究表明，大約一半人類基因組中的功能元件在進化過程中，不會受到很大限制。科學家認為，哺乳動物缺乏“進化限制”這一點很可能意味著，許多物種的基因組都囊括了大量的包括RNA轉錄副本在內的功能元件，在進化過程中，這些功能元件成了基因“倉庫”。

ENCODE計畫的成果亮點還包括：確定了許多之前不為人知的DNA轉錄啟動位點；推翻了傳統觀點的認識，調控區域也有可能位於DNA轉錄啟動位點的下游；確定了組蛋白(histones)變化的特定標記；加深了人們對組蛋白改變協調DNA複製的理解。