基因组学发展范文
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篇1
［关键词］西方民族音乐学；民族主义；人类学；比较音乐学；后现代主义
［中图分类号］J607 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-3115（2011）06-0088-03
一、早期酝酿
从文艺复兴开始出现了民族音乐学的滥觞，历时300年。自15世纪哥伦布发现新大陆开始欧洲发达资本主义国家的传教士、殖民官员以及人类学家、文化学家等相继进入了拉丁美洲、非洲、亚洲等殖民地，其中一些对音乐感兴趣的人开始用西方音乐学家的观点和方法记录当地人的音乐和舞蹈。如法国作家蒙田的《食人的蛮族部落》、德国博物学家基歇尔的《世界音乐》、法国民族学家拉菲陶的《美洲蛮族部落习俗――原始时代习俗比较》法国传教士钱德明的《中国音乐古今录》。这些著作的创作者虽不是音乐学家，但他们以局外人的眼光观察非欧音乐，创造了一个全新的“他者”概念，即非欧世界，有着不同于欧洲的历史与文化。他们将欧洲音乐与非欧音乐加以比较，产生了对音乐进行比较研究的方法。
归根结底，比较音乐学的产生和发展是欧洲殖民主义兴起和扩张的产物。它动摇了西方音乐文化的主宰地位，在欧洲的音乐话语中为非欧洲音乐确立了一席之地；同时也丰富了欧洲的文化内涵。
二、比较音乐学的崛起
（一）比较音乐学的代表人物
在比较音乐学崛起的同时，民族主义、人类学的研究也初现端倪。为了更好地了解这一文化历史背景，首先应该了解几个代表人物：
其一，阿德勒。1885年，阿德勒的《音乐学的范围、方法及目标》一文运用了比较解剖学、地理学的方法，比较音响产品，尤其是比较了各民族、国家、地区的民歌，并按其不同特点分类整理。阿德勒以这种比较的概念创立了一门新学科――比较音乐学。
其二，埃利斯。作为实证主义音乐学，比较音乐学研究的工具除了爱迪生唱机外，就是埃利斯的音分制，这种研究方法使音乐研究领域内对各民族音乐体系进行精确比较得以实现，使研究者对多民族的音乐在物理声学方面有了更精确的认识，为以后的进一步研究奠定了科学的基础。
其三，具有代表性的比较音乐学家还有被称为“德国学派”的施图普夫、霍恩博斯特尔、萨克斯等。施图普夫、霍恩博斯特尔的研究领域主要是音响收集及其音体系测定方面；萨克斯的研究领域主要是乐器学方面，创立了乐器分类法。
其四，巴蒂斯安、格雷布纳。地理学也为比较音乐学提供了重要思想来源。1860年，德国人类学家巴蒂斯安首先提出了“地理区”概念。受这一思想的影响，20世纪初，德国人类学家格雷布纳由此提出了“文化圈”、“文化层”以及“传播论”的说法。他认为，具有相似物质、精神文化的民族同属于一个文化圈，圈与圈的相叠就构成了文化层，每种文化现象都是某一地方产生并向四周传播的。这就为音乐文化的研究提供了研究线索和方法。
（二）民族主义的兴起
比较音乐学在西欧兴起之时，随着东欧掀起的民族独立运动，东欧各国民族音乐的代表人物，为了对抗德奥音乐的主宰地位，纷纷开始搜集民歌。他们不但改编民歌，而且研究民歌和其他民间音乐作品，为民族音乐学的形成和建设做出了巨大贡献。
民族主义的兴起亦与以下几个代表人物息息相关：
其一，匈牙利作曲家巴托克。他把西欧作曲技法和匈牙利民歌音乐语言相结合，形成了自己独特的风格，他一生搜集、整理了近万首各民族歌曲，写出了许多卓越的论文和专著，为匈牙利民间音乐研究做出了不可磨灭的贡献。
其二，罗马尼亚的布勒伊洛尤。他在搜集和整理罗马尼亚民歌的同时，批判柏林学派的比较音乐学家不注重欧洲的民间音乐，而只专注于“非欧音乐”。他强调研究“原始的、未开化的自然节奏体系和音体系”，主张“原汁原味”的传统特征。但从总的方面来看，布勒伊洛尤并没有摆脱柏林学派的樊篱，虽有一些贡献，但还是没有形成气候，二战后逐渐汇入西方民族音乐的潮流之中。
（三）美国人类学的发展
在柏林学派和东欧音乐民俗学发展的同时，美国比较音乐学也有了长足的发展。
在美国，以博阿斯为代表的一批人类学家、音乐学家开始更多地从文化背景中去研究非欧洲地区及其各民族的音乐传统，他们重视实地考察和音乐与社会、经济及文化方面的联系，从强调音乐文化意义的角度，为这一学科的发展做出了贡献。
博阿斯受到自然史博物馆标本系列的影响，引入了“文化区” 的概念，他的学生霍尔措格将这一区域划分方法应用于音乐风格的划分中，并有了进一步的发展，鉴于这种在研究方法和思路上表现出的新特点，民族音乐学家把他们称之为“美国学派”。
美国音乐学界在思想上受美国民族学鲍亚士学派的影响很大。此学派主张文化相对论，认为各种族一律平等，没有优劣之分，任何一个民族或部落都有自己的逻辑、社会理想、世界观和道德观；人们不应该用自己的一套标准去衡量其他民族的文化，必须研究每一个民族的特点，并尊重每一个民族的文化，这些思想对以后民族音乐学的建立有很大的影响。
由于二战的爆发，柏林学派的许多著名学者，如萨克斯、考林斯基、巴托克等都移居美国，促成了柏林学派和美国学派的融合。同时，由于音响、录音和摄影技术的进步，促进了比较音乐学的发展，为民族音乐学的产生打下了基础。
孔斯特的《民族音乐学》是一本具有划时代意义的著作，他在这本书中建议用“民族音乐学”取代“比较音乐学”，因为取代以后对学科的发展有以下益处：
首先，它打破了只研究非欧音乐的局限，把研究范围扩大到欧洲音乐；其次，它打破了仅偏重音乐自身特点的局限，在研究方法上更多地注意从音乐的文化背景和成长环境入手去观察的其特征；再次，它以文化相对论为基础，反对“欧洲音乐中心论”，主张把各民族、各地区的音乐文化当作不同的、独特的音乐区来尊重和对待，并按其自身发展规律去研究、探讨。
由于民族音乐学是民族学和音乐学的交叉学科，所以自形成之后就有两种不同的倾向：一部分人更强调其音乐学的方面，另一部分人却侧重民族学即文化人类学的性质。在美国，孔斯特强调前者，而梅里亚姆却强调文化人类学的性质。
20世纪50年代，胡德成为美国民族音乐学的学科带头人，他的最大贡献就是创造了“双重音乐能力”理论，他认为，只有通过实践，才能了解音乐本身，才能对这种音乐进行描述和研究。因此，他要求学生能够演奏一种音乐文化中的乐器，这样才可以更深刻地了解音乐文化。胡德把美国民族音乐学从人类学倾向引向音乐学的方向，这也引起了美国人类学家的不满。
梅里亚姆认为：“民族音乐学可从两个方向来研究，人类学和音乐学，最终目标是融合二者。”但看看以往民族音乐学的文献，大多数著述都仅研究音乐本身，没有提及音乐所产生的文化背景，只强调音乐学的因素，而不顾人类学的因素，民族音乐学的人类学方面不够发达。因此，梅里亚姆作了《音乐人类学》一书，“试图填补民族音乐学中的这一空白，提供研究作为人类行为的音乐的理论框架，说明来自人类学并有助于音乐学的几种行为过程，增加对行为研究的知识”，在书中其提出了三分模式认为音乐的概念与价值观指导人们的行为（包括身体―社会―语言行为），这些行为产生音乐产品，而音乐产品――乐音反过来又影响人们的概念与价值观；若产品成功，则音乐传统由此得以维持，若人们对产品持否定态度，则概念与行为都会变化，产生出不同的产品，音乐传统发生变化。梅里亚姆的实证主义和文化相对主义是以田野工作为基础的，他尤其强调田野工作。
三、语言学的倾向
20世纪60年代，美国音乐学界兴起了以结构主义――符号学为分析模式的潮流，这一潮流在70年代达到高峰，一直延续到80年代。
民族音乐学的结构主义――符号学分析模式源自结构主义语言学， 20世纪50年代末法国人类学家列维•施特劳斯借鉴语言学的理论开创了这一学派。列维•施特劳斯认为，以前人类学研究的主要缺点是只看到文化现象的内容，而没有看到它的结构。他在《结构人类学》一书中指出，语言中的词汇、语法等是语言符号的系统，而人类的习俗、仪式与社会行为则是文化上的系统；语言过程反映了人类文化的形式，而这种文化形式正是人类本性的反映。
在民族音乐学研究中运用了结构主义――符号学分析方法中的两种不同的语言学方法：一是音位学――分布主义的方法，即先将音乐结构分割成最小的形式单元，再检验这些单元的异同，并加以归类，从而得出音乐的分布情况；二是生成转换法，即先找出旋律骨架或旋律构成原则，进而找出音乐的语法，并转换成旋律的即兴演唱、演奏方式及各种变体。概括来讲，美国民族音乐学从博阿兹到胡德再到梅里亚姆，建立了一个否定之否定的发展过程，即人类学―音乐学―人类学。与其说是两种学科的对立还不如说是相互磨合和渗透。博阿兹以人类学起家，但他的弟子为该学派注入了不少音乐学因素，而这些因素的增长又导致了民族音乐学的诞生。胡德的民族音乐学虽有人类学因素，但毕竟是音乐学学科，二者仍然不平衡。梅里亚姆又提出了音乐人类学，欲求得二者的平衡，但结果却促进了人类学在学科内大发展。
四、受后现代主义思潮影响的音乐人类学
从形式上讲，后现代主义是一股源自现代主义但又反叛现代主义的思潮，它与现代主义之间是一种既继承又反叛的关系。从内容上看，后现代主义是一种源于工业文明、对工业文明的负面效应的思考与回答，是对现代化过程中出现的剥夺人的主体性、感觉丰富性的死板僵化、机械划一的整体性、同一性等相关内容的批判与解构，也是对西方传统哲学的本质主义、基础主义、“形而上学”、“逻各斯中心主义”等的批判与解构。从实质上说，后现代主义是对西方传统哲学和西方现代社会的纠正与反叛，是一种在批判与反叛中未免会走向另一极端――怀疑主义和虚无主义的一种思想潮流。
20世纪60年代以来，随着经济、科技、政治的发展，现代西方社会进入了后工业阶段，现代西方的文化也推进到了后现代主义。这是一个多种思想碰撞杂交的时代，这一时期的思潮主要有：第一，法国哲学家德里达多元性思维方式，这一思想称为解构主义；第二，法国思想家福柯提出的后结构主义思想；第三，西方思潮。但最引人注目的是西方文化霸权的批判和思潮的兴起。
后现代主义思潮进入民族音乐学可分为两个阶段：20世纪80年代的女权主义音乐研究以及20世纪80年代末期以音乐民族志“反思性写作”为契机的新历史主义文化整体批判模式。
女权主义音乐研究反对研究中的男性中心偏见，在文化内重新界定妇女的地位，专门研究社会性别与音乐行为的关系。这是女权运动和人类学结合的产物。
20世纪80年代后半期的文化人类学反思性写作成为后现代思潮更大规模介入民族音乐学的导火线，学者们开始反思从殖民扩张时代所继承下来的对世界音乐文化的表述方法及政治动机。批判西方制度、思想体系、欧洲中心论“权威，重建学科”这一思潮所涉及的学科主要有音乐的认同作用、他者的音乐文化、音乐传统的变化、音乐工业与大众媒体、城市民族音乐学与流行音乐等。
五、民族音乐学发展脉络
综上所述，民族音乐学的发展脉络如下：
［参考文献］
［1］汤亚汀.音乐人类学：历史思潮与方法论［M］.上海：上海音乐学院出版社，2008.
［2］马尔库斯，费彻尔，陆晓禾译. 结构人类学［M］.上海：上海译文出版社，1995.
［3］董维松，沈洽编. 民族音乐学译文集［M］.北京：中国文联出版社，1985.
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[关键词] 精准医学；基因组学；医学研究生；培养
[中图分类号] R394；G642 [文献标识码] A [文章号] 1673-7210（2017）01（a）-0113-04
[Abstract] Precision medicine is the development trend of medical science. The ability to practice precision medicine is dependent on genomics. The genomics research of common diseases and rare diseases， as well as the pharmacogenomics have been widely used in the era of precision medicine. To help the postgraduate students master the basic knowledge of genomics and understanding the latest genomics development and application， it is necessary to keep pace with the development of discipline. By learning genomics， the medical postgraduates can improve the ability and level of scientific research， and lay a good found a tion for their clinical work in future. To adapt to the requirements of the rapid development of genomics， some elements of teaching mode should bead just to meet the requirements of rapid development of genomics in the era of precision medicine， which can expand the basic knowledge of medical postgraduates and train medical talents with interdisciplinary background.
[Key words] Precision medicine； Genomics； Medical postgraduates； Cultivation
精准医学是以个体化医疗为基础、随着基因组测序技术快速进步以及生物信息与大数据科学的交叉应用而发展起来的新型医学概念与医疗模式。2015年1月20日，美国总统奥巴马发表讲话，呼吁美国要增加医学研究经费，推动个体化基因组学研究，依据个人基因信息为癌症及其他疾病患者制订个体医疗方案，拉开了精准医学的大幕。精准医学体现了医学科学发展趋势，也代表了临床实践发展的方向，必将在不远的将来惠及国民健康及疾病防治。基因组学研究是实现精准医学的重要手段。本文就精准医学时代培养医学研究生利用基因组学进行科研工作和疾病诊疗的重要性以及基因组学教学模式的调整进行初步探讨。
1 精准医学的本质
精准医学是通过基因组、蛋白质组等组学技术和其他前沿科技，依据患者内在生物学信息及临床特点，在分子学水平为疾病提供更加精细的分类及诊断，从而对患者进行个性化精准治疗，以期达到治疗效果最大化和副作用最小化的一门订制医疗模式[1]。精确、准时、共享、个体化是精准医学的四要素。
精准医学研究的主要目的是通过标准化的各种大型的队列研究和多种组学研究，寻找疾病的新的生物标志物以完善疾病分类；完善后的新疾病分型通过药物基因组学等手段进行临床转化，达到个体化的精准医疗[2]。如何将精准医学基础研究成果转化，服务于临床实践，将是精准医学模式下需要着重思考的问题。
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关键词: 基因组学 教学实践 教学模式
人类基因组计划的成功实施与完成标志着基因组学的诞生,她是一门新兴起的生命科学边缘学科。以人类基因组测序完成为标志,基因组生物学的研究重点由结构基因组学转向以蛋白质组学为重要研究领域之一的功能基因组学。基因组学与蛋白质组学研究的实施与发展又孕育了生物信息学这一新兴交叉学科的产生与发展。基因组学、蛋白质组学、生物信息学是基因组生物学的非常重要的研究领域,它们的发展息息相关,相辅相成,且与人类起源、疾病(如癌症、肌营养不良症、家族遗传病等)预测诊断治疗、新药物新疫苗开发、生物武器鉴定、长寿与衰老死亡等许多方面有着重要关系,成为当今生命科学的热点与前沿。广义上,基因组学包含了结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学、生物信息学等方面的内容。因此,该课程是一门生物学前沿课程和交叉课程,对于丰富生物技术等相关专业学生知识面,完善知识结构和提高创新能力都有着重要影响。我就近几年来关于基因组学的教学实践谈几点体会,并对革新课堂教学模式进行了初步尝试。
一、教材
教材是一门课程的主要教学参考书,是确保教学过程系统性、规范性的关键,对教学效果有重要影响。基因组学是一门新兴起的生命科学边缘学科,我国许多高校的生物技术等相关专业课程设置中都将其设为专业限选课或选修课,如华中农业大学、天津医科大学、重庆邮电大学等。本课程也是我校生物技术专业的一门专业限选课。在考察了有关基因组研究的众多参考资料和兄弟院校的开课实际后,我们选了结构体系比较完整、内容深浅适宜、覆盖面较全的复旦大学杨金水编著的《基因组学(第二版)》(高等教育出版社,2007年)为主要教材。此外,选用了袁建刚等翻译的、BrownTA编著的《基因组2》(科学出版社,2006年)及其英文版原著Genomes2(BIOS Scientific Publishers Ltd)为重要参考教材。中英文对应的参考教材的使用更方便了学生对专业名词的理解和把握,有助于学生对专业英文文献的查阅和利用,便于跟踪学科前沿,扩充知识面,丰富学生视野。
二、教学内容
基因组学是从整体上对生物基因组中所有DNA进行测序、拼装和序列分析的一门科学,其研究对象涉及包括原核生物和真核生物在内的所有生命体。基因组测序的前提是进行基因组作图,包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱制作。测序后核苷酸序列分析主要是进行序列阐释,包括基因预测、各种类型重复序列鉴定与功能性MicroRNA的预测,等等。最后是进行各种功能性元件如基因、MicroRNA等功能分析。因此,基因组学的主要教学内容包括基因组的基本结构及组成,遗传图谱与物理图谱制作,基因组测序,基因组序列解读,基因组内基因的表达和调控,染色质的结构与基因表达调控,基因组活性的调控,不同生物基因组比较序列分析,基因组进化,等等,并结合当今基因组学研究的前沿进行有选择性的、重点的专题介绍,使学生不但能系统学习基因组学的必备知识,而且能对本学科发展方向及目前重大研究与突破有所了解,以丰富学生的相关知识并拓宽学生的知识面,为今后的就业与创业打下良好的基础。
三、教学方法
近年来我国多数高校本科各专业培养方案普遍采取的是多课程、少学时的模式,使多数课程学时严重不足[1-2]。就基因组学课程来讲,多数内容是生命科学研究的前沿与热点,而且对于多数本科生来说不容易理解和接受,这客观上需增加学时进行详细阐述。一方面教学大纲规定的学时严重不足,而另一方面教学实践上又确实需要增加学时来完成“解惑”的任务,怎样解决这一棘手的矛盾呢?这就需要根据学生已经学过的相关课程,对课程内容进行精选而且课程骨架知识体系又不被破坏,制定详细的教学计划,讲课方法根据内容进行有针对性选取,教学手段以多媒体辅助教学为主,并辅以必要的板书。
我在讲课实践中采取的是重点内容(如基因组作图与测序、功能基因组学中的表观遗传学部分、基因组进化中的端粒复制与基因组稳定性及基因组进化的机制与模式等)以讲授法为主,特别重要的知识点上辅以启示法、讨论法教学,如在讲到表观遗传学的座位控制区LCR(Locus Control Region)功能的内容时,我设计了图片(图1、2),在讲解时PPT演示按图1、2所示分步骤一一显示的,之后进行讨论,最后推而广之――研究一段待测DNA的功能时大都可以采取类似的方法。这样边讲解、边启示、边讨论,最后让学生自己总结出共性的东西的综合教学法,极大地提高了学生课堂参与的积极性、主动性和创造性,取得了很好的教学效果。期末,学生的成绩较好,而且学生对教学效果评价很高,达到优秀等次。
对于基因组学课程和分子生物学、生物化学等相关课程相交叉的内容,则以提问法为主要讲课手段,以将知识点前后贯通为主要目标进行教学,并适当加快教学进度。对于一些次要的、扩充性内容则以课堂讲授法为主,点到为止,但要求学生课下自读。对于一些最近发展起来的新技术、新方法、新领域,则以专题的形式进行教学,以1―4学时的时间为宜,并以国内外权威期刊杂志如《科学通报》、《中国农业科学》、Nature、Science、PNAS、Plant Cell等近几年尤其是近2年刊登的相关文章主要教学参考资料,确保专题教学的新颖性、权威性。
四、教学模式
教学模式是围绕教学目标在一定的教育思想指导下形成的相对稳定的教学范型,是人们在长期的教学实践中不断总结、改进而逐步形成的,对教学效果有着重要影响。[3]近些年来,随着新的教育教学思想不断涌现,以及人们对教育教学认识的不断深化,许多新的教学模式产生了,如愉快教学模式、自学辅导教学模式、探究研讨教学模式、主体性教学模式等。[4]虽然这些教学模式体现了新时期素质教育的要求,但仍拘泥于固定场所的课堂教学模式。
1969年,美国的神经病学教授Barrows在加拿大的McMaster大学创立了PBL教学模式,即以问题为学习基础(Problem-Based Learning,PBL)的教学模式[5]。PBL教学模式以具体疾病为基础,紧密结合临床实践,提倡以学生为中心、教师为引导的小组讨论式教学。其核心问题由多学科教学人员和相关临床专科人员共同设计,建立完善的学习模块,制定出某一病例的PBL手册,提供给各讨论小组。根据讨论的问题与学习深度的不同将教学分为初级、中级、高级三个水平,初级水平的病例为模拟的标准病人(Standard Patient,SP),中高级的病例则为真实病人(Real Patient,RP)。在教室或医院,由教师、学生、模拟病人(或真实病人)组成学习的虚拟或真实场景,进行三段讨论式教学,即提出问题,讨论自学建立假设,讨论自学解疑,论证假设。每一模块学习结束后进行测试、考核,最后进行总评。不难看出,与传统的知识传授型教学模式相比,PBL教学模式调动了学生主动学习的积极性,有利于提高学生的表达能力、沟通技巧和人际交流能力;有利于培养学生团队精神和协作能力;有利于培养学生的临床思维;PBL教学模式使实用性知识的传授更加得到重视;由于评估体系科学,能准确评估教学效果。目前,该教学模式已被世界上许多大学的医学专业教育所广泛采纳。
受该教学模式启发,我认为基因组学少部分教学内容可以进行专题讨论式教学模式探讨。具体来讲,就是首先与相关教师一块儿设计每一个专题的核心问题,并提出应达到的目标要求,带到课堂让学生讨论、发表意见,确定问题;之后,学生通过利用图书馆、网络、知识讲座等进行自学解疑,整理并写出问题的解决方法,再进行课堂交流、讨论;最后,通过讨论进行归纳总结。当通过课堂讨论提出核心问题之后,学生甚至可以分组到相关实验室参观学习,有条件的可以让学生参与部分科研工作,这样既可以让学生将理论与实践相结合,直接接触前沿课题研究实际,又可以减轻教师科研中一些简单的重复性劳动,提高科研设备的使用率。
五、结语
基因组学是伴随着人类基因组计划而诞生的一门新兴学科,是当今生命科学研究的前沿,与人类重大疾病分子机理、生物起源演化、新药物新疫苗开发等许多重要问题息息相关,对人类社会生活的许多方面都有重要影响。在我国许多高校的生物技术及其相关专业中基因组学是必开的一门课程,我就近几年来的基因组学授课实践经验进行了概括介绍,并就教学模式创新、改革提出了建议,希望能对兄弟院校相关专业学生的培样及相关课程的任课老师有所裨益。
参考文献:
[1]张琛.酶工程课程的教学方法的探讨与体会[J].科教文汇(上旬刊),2009,(1):223.
[2]梁红波,钟卫,熊磊.高分子物理课程的教学体会[J].高教论坛,2009,(1):80-81.
[3]方展勇.浅论课堂教学模式[J].广西教育学院学报,2001,(3):35-39.
[4]刁维国.当代教学模式理论与实践的新进展[J].内蒙古师范大学学报(教育科学版),2008,(11):42-45.
篇4
药物基因组学是伴随人类基因组学研究的迅猛发展而开辟的药物遗传学研究的新领域，主要阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性及药物作用包括疗效和毒副作用之间关系的学科。
基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响物的作用。
基因多态性对药代动力学的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面。与物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。基因多态性对药效动力学的影响主要是受体蛋白编码基因的多态性使个体对药物敏感性发生差异。
苯二氮卓类药与基因多态性：咪唑安定由CYP3A代谢，不同个体对咪唑安定的清除率可有五倍的差异。地西泮是由CYP2C19和CYP2D6代谢，基因的差异在临床上可表现为用药后镇静时间的延长。
吸入与基因多态性：RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应。
神经肌肉阻滞药与基因多态性：丁酰胆碱酯酶是水解琥珀酰胆碱和美维库铵的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，与用药后长时间窒息有关。
镇痛药物与基因多态性：μ-阿片受体是阿片类药的主要作用部位，常见的基因多态性是A118G和G2172T。可待因和曲马多通过CYP2D6代谢。此外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。
局部与基因多态性：罗哌卡因主要由CYP1A2和CYP3A4代谢。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A，可能影响药物代谢速度。
一直以来麻醉科医生较其它专业的医疗人员更能意识到不同个体对药物的反应存在差异。的药物基因组学研究将不仅更加合理的解释药效与不良反应的个体差异，更重要的是在用药前就可以根据病人的遗传特征选择最有效而副作用最小的药物种类和剂型，达到真正的个体化用药。
能够准确预测病人对麻醉及镇痛药物的反应，一直是广大麻醉科医生追求的目标之一。若能了解药物基因组学的基本原理，掌握用药的个体化原则，就有可能根据病人的不同基因组学特性合理用药，达到提高药效，降低毒性，防止不良反应的目的。本文对药物基因组学的基本概念和常用的药物基因组学研究进展进行综述。
一、概述
二十世纪60年代对临床麻醉过程中应用琥珀酰胆碱后长时间窒息、硫喷妥钠诱发卟啉症及恶性高热等的研究促进了药物遗传学（Pharmacogenetics）的形成和发展,可以说这门学科最早的研究就是从麻醉学开始的。
药物基因组学(Phamacogenomics)是伴随人类基因组学研究的迅猛发展而开辟的药物遗传学研究的新领域，主要阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性及药物作用包括疗效和毒副作用之间的关系。它是以提高药物的疗效及安全性为目标，研究影响药物吸收、转运、代谢、消除等个体差异的基因特性，以及基因变异所致的不同病人对药物的不同反应，并由此开发新的药物和用药方法的科学。
1959年Vogel提出了“药物遗传学”,1997年Marshall提出“药物基因组学”。药物基因组学是药物遗传学的延伸和发展，两者的研究方法和范畴有颇多相似之处，都是研究基因的遗传变异与药物反应关系的学科。但药物遗传学主要集中于研究单基因变异，特别是药物代谢酶基因变异对药物作用的影响；而药物基因组学除覆盖药物遗传学研究范畴外，还包括与药物反应有关的所有遗传学标志，药物代谢靶受体或疾病发生链上诸多环节，所以研究领域更为广泛[1,2,3]。
二、基本概念
1．分子生物学基本概念
基因是一个遗传密码单位，由位于一条染色体(即一条长DNA分子和与其相关的蛋白)上特定位置的一段DNA序列组成。等位基因是位于染色体单一基因座位上的、两种或两种以上不同形式基因中的一种。人类基因或等位基因变异最常见的类型是单核苷酸多态性(single-nucleotidepolymorphism,SNP)。目前为止，已经鉴定出13000000多种SNPs。突变和多态性常可互换使用，但一般来说，突变是指低于1%的群体发生的变异，而多态性是高于1%的群体发生的变异。
2．基因多态性的命名法：
(1)数字前面的字母代表该基因座上最常见的核苷酸(即野生型)，而数字后的字母则代表突变的核苷酸。例如：μ阿片受体基因A118G指的是在118碱基对上的腺嘌呤核苷酸(A)被鸟嘌呤核苷酸(G)取代，也可写成118A/G或118A>G。
(2)对于单个基因密码子导致氨基酸转换的多态性编码也可以用相互转换的氨基酸的来标记。例如：丁酰胆碱酯酶基因多态性Asp70Gly是指此蛋白质中第70个氨基酸－甘氨酸被天冬氨酸取代。
三、药物基因组学的研究内容
基因多态性是药物基因组学的研究基础。药物效应基因所编码的酶、受体、离子通道及基因本身作为药物作用的靶，是药物基因组学研究的关键所在。这些基因编码蛋白大致可分为三大类:药物代谢酶、药物作用靶点、药物转运蛋白等。其中研究最为深入的是物与药物代谢酶CYP45O酶系基因多态性的相关性[1,2,3]。
基因多态性可通过药物代谢动力学和药物效应动力学改变来影响药物作用，对于临床较常用的、治疗剂量范围较窄的、替代药物较少的物尤其需引起临床重视。
（一）基因多态性对药物代谢动力学的影响
基因多态性对药物代谢动力学
的影响主要是通过相应编码的药物代谢酶及药物转运蛋白等的改变而影响药物的吸收、分布、转运、代谢和生物转化等方面[3,4,5,6]。
1、药物代谢酶
与物代谢有关的酶有很多，其中对细胞色素-P450家族与丁酰胆碱酯酶的研究较多。
（1）细胞色素P-450（CYP45O）
物绝大部分在肝脏进行生物转化，参与反应的主要酶类是由一个庞大基因家族编码控制的细胞色素P450的氧化酶系统，其主要成分是细胞色素P-450（CYP45O）。CYP45O组成复杂，受基因多态性影响，称为CYP45O基因超家族。1993年Nelson等制定出能反应CYP45O基因超家族内的进化关系的统一命名法：凡CYP45O基因表达的P450酶系的氨基酸同源性大于40%的视为同一家族（Family），以CYP后标阿拉伯数字表示，如CYP2；氨基酸同源性大于55%为同一亚族（Subfamily），在家族表达后面加一大写字母，如CYP2D；每一亚族中的单个变化则在表达式后加上一个阿拉伯数字，如CYP2D6。
（2）丁酰胆碱酯酶
麻醉过程中常用短效肌松剂美维库铵和琥珀酰胆碱，其作用时限依赖于水解速度。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是水解这两种药物的酶，它的基因变异会使肌肉麻痹持续时间在个体间出现显著差异。
2、药物转运蛋白的多态性
转运蛋白控制药物的摄取、分布和排除。P-糖蛋白参与很多药物的能量依赖性跨膜转运，包括一些止吐药、镇痛药和抗心律失常药等。P-糖蛋白由多药耐药基因（MDR1）编码。不同个体间P-糖蛋白的表达差别明显，MDR1基因的数种SNPs已经被证实，但其对临床麻醉的意义还不清楚。
（二）基因多态性对药物效应动力学的影响
物的受体（药物靶点）蛋白编码基因的多态性有可能引起个体对许多药物敏感性的差异，产生不同的药物效应和毒性反应[7,8]。
1、蓝尼定受体-1（Ryanodinereceptor-1，RYR1）
蓝尼定受体-1是一种骨骼肌的钙离子通道蛋白，参与骨骼肌的收缩过程。恶性高热（malignanthyperthermia,MH）是一种具有家族遗传性的、由于RYR1基因异常而导致RYR1存在缺陷的亚临床肌肉病，在挥发性吸入和琥珀酰胆碱的触发下可以出现骨骼肌异常高代谢状态，以至导致患者死亡。
2、阿片受体
μ-阿片受体由OPRM1基因编码，是临床使用的大部分阿片类药物的主要作用位点。OPRM1基因的多态性在启动子、内含子和编码区均有发生，可引起受体蛋白的改变。吗啡和其它阿片类药物与μ-受体结合而产生镇痛、镇静及呼吸抑制。不同个体之间μ-阿片受体基因的表达水平有差异，对疼痛刺激的反应也有差异，对阿片药物的反应也不同。
3、GABAA和NMDA受体
γ-氨基丁酸A型（GABAA）受体是递质门控离子通道，能够调节多种物的效应。GABAA受体的亚单位（α、β、γ、δ、ε和θ）的编码基因存在多态性（尤其α和β），可能与孤独症、酒精依赖、癫痫及精神分裂症有关，但尚未见与物敏感性有关的报道。N-甲基-D-天门冬氨酸（NMDA）受体的多态性也有报道，但尚未发现与之相关的疾病。
（三）基因多态性对其它调节因子的影响
有些蛋白既不是药物作用的直接靶点，也不影响药代和药效动力学，但其编码基因的多态性在某些特定情况下会改变个体对药物的反应。例如，载脂蛋白E基因的遗传多态性可以影响羟甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂（他汀类药物）的治疗反应。鲜红色头发的出现几乎都是黑皮质素-1受体（MC1R）基因突变的结果。MC1R基因敲除的老鼠对的需求量增加。先天红发妇女对地氟醚的需要量增加，热痛敏上升而局麻效力减弱。
四、苯二氮卓类药与基因多态性
大多数苯二氮卓类药经肝脏CYP45O代谢形成极性代谢物，由胆汁或尿液排出。常用的苯二氮卓类药物咪唑安定就是由CYP3A代谢，其代谢产物主要是1-羟基咪唑安定，其次是4-羟基咪唑安定。在体实验显示不同个体咪唑安定的清除率可有五倍的差异。
地西泮是另一种常用的苯二氮卓类镇静药，由CYP2C19和CYP2D6代谢。细胞色素CYP2C19的G681A多态性中A等位基因纯合子个体与正常等位基因G纯合子个体相比，地西泮的半衰期延长4倍，可能是CYP2C19的代谢活性明显降低的原因。A等位基因杂合子个体对地西泮代谢的半衰期介于两者之间。这些基因的差异在临床上表现为地西泮用药后镇静或意识消失的时间延长[9,10]。
五、吸入与基因多态性
到目前为止，吸入的药物基因组学研究主要集中于寻找引起药物副反应的遗传方面的原因，其中研究最多的是MH。药物基因组学研究发现RYR1基因变异与MH密切相关，现在已知至少有23种不同的RYR1基因多态性与MH有关。
与MH不同，氟烷性肝炎可能源于机体对在CYP2E1作用下产生的氟烷代谢产物的一种免疫反应，但其发生机制还不十分清楚[7,11]。
六、神经肌肉阻滞药与基因多态性
神经肌肉阻滞药如琥珀酰胆碱和美维库铵的作用与遗传因素密切相关。血浆中丁酰胆碱酯酶(假性胆碱酯酶)是一种水解这两种药物的酶，已发现该酶超过40种的基因多态性，其中最常见的是被称为非典型的（A）变异体，其第70位发生点突变而导致一个氨基酸的改变，与应用肌松剂后长时间窒息有关。如果丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性杂合子(单个等位基因)表达，会导致胆碱酯酶活性降低，药物作用时间通常会延长3～8倍；而丁酰胆碱酯酶Asp70Gly多态性的纯合子(2个等位基因)表达则更加延长其恢复时间，比正常人增加60倍。法国的一项研究表明，应用多聚酶链反应（PCR）方法，16例发生过窒息延长的病人中13例被检测为A变异体阳性。预先了解丁酰胆碱酯酶基因型的改变，避免这些药物的应用可以缩短术后恢复时间和降低医疗费用[6,12]。
七、镇痛药物与基因多态性
μ-阿片受体是临床应用的阿片类药的主要作用部位。5%～10%的高加索人存在两种常见μ-阿片受体基因变异，即A118G和G2172T。A118G变异型使阿片药物的镇痛效力减弱。另一种阿片相关效应—瞳孔缩小，在118G携带者明显减弱。多态性还可影响阿片类药物
代谢。
阿片类药物的重要的代谢酶是CYP2D6。可待因通过CYP2D6转化为它的活性代谢产物－吗啡，从而发挥镇痛作用。对33名曾使用过曲马多的死者进行尸检发现，CYP2D6等位基因表达的数量与曲马多和O－和N－去甲基曲马多的血浆浓度比值密切相关，说明其代谢速度受CYP2D6多态性的影响。除CYP2D6外，美沙酮的代谢还受CYP3A4的作用。已证实CYP3A4在其它阿片类药如芬太尼、阿芬太尼和苏芬太尼的代谢方面也发挥重要作用。
有报道显示儿茶酚O-甲基转移酶(COMT)基因与痛觉的产生有关。COMT是儿茶酚胺代谢的重要介质，也是痛觉传导通路上肾上腺素能和多巴胺能神经的调控因子。研究证实Val158MetCOMT基因多态性可以使该酶的活性下降3～4倍。Zubieta等报道，G1947A多态性个体对实验性疼痛的耐受性较差，μ-阿片受体密度增加，内源性脑啡肽水平降低[13～16]。
八、局部与基因多态性
罗哌卡因是一种新型的酰胺类局麻药，有特有的S-(-)-S对应体，主要经肝脏代谢消除。罗哌卡因代谢产物3-OH-罗哌卡因由CYP1A2代谢生成，而4-OH-罗哌卡因、2-OH-罗哌卡因和2-6-pipecoloxylidide(PPX)则主要由CYP3A4代谢生成。CYP1A2的基因多态性主要是C734T和G2964A。Mendoza等对159例墨西哥人的DNA进行检测，发现CYP1A2基因的突变率为43%。Murayama等发现日本人中CYP1A2基因存在6种导致氨基酸替换的SNPs。这些发现可能对药物代谢动力学的研究、个体化用药具有重要意义[17,18,19]。
九、总结与展望
篇5
【关键词】宏基因组学；微生物群落；遗传物质；口腔
【中图分类号】Q781
【文献标志码】A
宏基因组学认为，生命研究的对象应是生物环境中全部微小生物的基因组，即特定环境下所有生物遗传物质的总和。它包含了可培养的和不可培养的微生物的基因总和，微生物主要包括环境样品中的细菌和真菌；因此，宏基因组学就是一种以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象，以功能基因筛选和测序分析为研究手段，以微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系以及与环境之间的关系等为研究目的的新的微生物群落研究方法，也称为微生物环境基因组学、元基因组学或生态基因组学。
利用宏基因组学技术研究口腔微生物，无需单一分离培养某一种类的微生物，即可直接在基因水平上研究口腔微生物，包括可培养和不可培养微生物。宏基因组学应用于口腔微生物的研究，主要包括两个方面：一方面进行微生物生态学研究，从整体微生物群落水平来研究口腔微生物，揭示口腔微生物群落多样性及其变化；另一方面是进行口腔微生物及其基因的研究，从中筛选到新的功能基因及其产物。通过这两方面的研究，较全面地了解口腔微生物的群落结构和功能基因组，为深入探索口腔微生物的代谢活动，最大限度地发掘口腔微生物资源提供可能。
1 宏基因组学的研究方法
宏基因组学是从特定环境中直接分离所有微生物的DNA，选择合适的载体用于克隆DN段，将DN段克隆到宿主细胞中进行表达，根据某些生物活或基因序列筛选有价值的克隆并进行其功能分析。
1.1宏基因组文库的构建
1.1.1环境微生物DNA的提取 环境样品DNA的提取是基因组文库构建中最重要的一步，不仅要尽可能地将环境中所有微生物的DNA提取出来，而且还要保证一定的DN段长度和完整性。根据提取样品总DNA前是否需要分离细胞，可将其提取方法分为原位裂解法和异位裂解法。原位裂解法可直接破碎样品中的微生物细胞而使其DNA得以释放。原位裂解法无需对样品微生物进行复苏，黏附颗粒上的微生物细胞亦能被裂解，所得DNA能更好地代表微生物的多样性。由于原位裂解法所提取的DN段仅为1～50kb，故其通常用于构建小片段插入文库（以质粒或入噬菌体为载体）的DNA提取。异位裂解法则先采用物理方法将微生物从样品中分离出来，然后以较温和的方法抽提其DNA。此法提取可以获得长度为20～500kb的大片段DNA，而且纯度高，但却容易丢失微生物物种信息。该方法适用于构建大片段插入文库（以黏粒或细菌人工载体为载体）的DNA提取。
1.1.2载体选择 目的基因能否有效地转入宿主细胞并在其中高表达，在很大程度上取决于载体。通常用于DNA克隆的载体包括质粒、黏粒和细菌人工染色体（bacterial artificial chromosome，BAC）等。质粒一般用于克隆小于10kb的DN段，适用于单基因的克隆与表达。黏粒又称柯斯质粒或柯斯载体，用于克隆大片段的DNA分子，其克隆外源DN段的极限高达350kb，远远超过质粒载体的克隆能力。BAC用于克隆150kb左右大小的DN段，最多可保存300kb个碱基对，转化率高，而且其以环状结构存在于细菌体内，易于分辨和分离纯化。另外，构建能容纳40kb外源DNA插入片段的fosmid文库也有报道。
1.1.3宿主选择 目前，常用的宿主主要有大肠埃希菌以及链霉菌属或假单胞菌属。一些缺陷型突变体细菌也可以作为宿主进行宏基因组文库的功能筛选。宿主的选择主要应考虑其转化率和宏基因表达以及重组载体在宿主细胞中的稳定性和目标性状的筛选等。对于任何宏基因组来源的基因来说，大肠埃希菌依然是最理想的克隆和表达宿主。也可以用其他宿主菌，例如被用来鉴定与新抗生素生物合成相关基因的浅青紫链霉菌和一些革兰阴性细菌。也可以用穿梭黏粒或BAC载体将构建于大肠埃希菌的文库转入其他宿主，如链霉菌属或假单胞菌属中。根据不同微生物产生活性物质的差异和研究目标的不同，选择不同的宿主。随着技术的成熟和新宿主的选择，基因筛选率和功能基因检测率得以提高，进而宏基因组文库的目标基因的表达也得以提高。
1.2宏基因组文库的筛选
根据研究目的，宏基因组文库的筛选通常有功能筛选和序列筛选两种方法。功能筛选最常用方法是根据重组克隆产生一些酶蛋白功能活性，采用各种检测手段，挑选活性克隆子，得到完整的功能基因和带有目的基因的基因簇，发现全新的基因或活性物质。功能筛选首先要求功能基因或带有目的的基因簇在宿主中表达，但因其受到检测手段的限制，往往是在数千个甚至数百万个重组克隆子中才能检测到有用的活性克隆。序列筛选是依赖于目的基因的保守DNA序列，以序列相似性为基础，执行某类功能的酶可能具有相似的基因序列，根据已有的序列信息设计引物，进行PCR扩增或杂交筛选阳性克隆子。序列筛选一般只能获得结构基因的片段，而不能获得完整的功能基因；但是，它可以将扩增产物进行标志并将其作为探针筛选宏基因文库，以获得完整的功能基因。用这种方法有可能筛选到某一类结构或功能的蛋白质中的新分子。
宏基因组文库的筛选除了功能筛选和序列筛选法外，还可以采用底物诱导基因表达法（sub-strate-induced gene expression，SIGEX）。SIGEX是以代谢相关基因或酶基因往往有底物存在的条件下才表达，反之则不表达的原理来筛选目的代谢基因的。SIGEX的优点在于它为高通量筛选提供了保障，而且不需要对底物进行修饰。
2 宏基因组学在口腔微生物研究领域中的应用
2.1口腔微生物群落结构分析
口腔是一个由大量微生物组成的复杂的生态系统，人类口腔中寄居着大约700多种细菌。人类口腔适宜的温度、湿度，丰富的营养来源，结构的复杂性和理化性质的不同，为口腔内各种微生物的生长、繁殖和定居提供了非常适宜的环境，因而也就造就了口腔微生物群的多样性。口腔微生物大部分可以相互关联并形成生物膜，抵抗机械清除力或抗生素治疗，但是在环境变化或其他口腔情况（如个人口腔卫生质量）变化触发时，它们也可成为致病微生物。
菌斑指示剂和传统培养方法以及常规的PCR特异性扩增的分子生物学方法在某种程度上都不能完整地反映整个微生物群落的组成和动态变化，不适合用其研究复杂的口腔微生物群落。此外，在难培养或不可培养的微生物当中，可能也有致病菌匿藏其中，因而也不能有效地用其研究与病程相关的微生物。
随着分子生物学和分子遗传学技术的发展，在基因组学的基础上诞生了宏基因组学这一门崭新的交叉学科。宏基因组学是继发明显微镜以来研究微生物最重要的进展，将为微生物世界带来革命性的突破。Turnbaugh等利用16S rRNA基因测序发现：胖人和瘦人的内脏中有着不同的微生物菌群；当胖人减肥的时候，他们内脏中的细菌群基因也同样发生变化，更加接近瘦人内脏中的细菌群。
基于常规的口腔细菌培养方法和细胞学显微镜检查，目前公认变异链球菌和乳酸杆菌等是引起龋病的主要致病菌；但是，随着宏基因组学在微生物的种类和多样性研究中的应用，有关龋病是由单一细菌引起或是由生物膜中的多种细菌引起的定论面临质疑。目前普遍认为，龋病并不是仅由变异链球菌或其他任何一种菌斑中的细菌单独引起的，而是由各种产酸菌相互作用的结果。
Aas等在对51名龋患者的1285个菌斑细菌的16S rRNA序列进行分析后发现，50％的细菌不能识别，一些新的细菌菌种与龋病的发生有关。Keijser等在用焦磷酸测序法分析健康人涎液和牙菌斑中细菌群时发现，口腔微生物具有多样性。即他们从98名健康成人口腔中取得的牙菌斑就由1万个微生物表型组成，其种族数远远超过之前报道的通过培养或者传统克隆和测序技术定义的700种口腔微生物表型。
Zaura等在利用焦磷酸测序技术检测了3名健康高加索人口腔内5个部位的微生物组后发现，在健康人的口腔中微生物有3600种独特物序列，超过500种不同的分类单元或“物种级”表型和88～104种高级分类群，每个单独的样品平均藏匿有266种分类单元。从这3名个体微生物组的测序结果分析可知，高级分类群、分类单元和独特序列都有一个较大的重叠，即84％的高级分类群、75％的分类单元和65％的独特序列至少在这3个微生物组中的2个组中存在。这3名个体的总共6315个独特序列中有1660个相同序列，这1660个相同序列，即“核心微生物组”贡献了66％的测序内容，重叠的分类单元贡献了94％的内容，而几乎所有的内容（99.8％）都属于共享的高级分类群。
研究证实，在不同的健康人的口腔微生物中，大部分微生物组是相同的，提示可能存在健康口腔核心微生物组。Kanasi等在对80名患龋和无龋婴幼儿牙菌斑微生物的16S rRNA序列克隆分析中发现，两者之间存在着139种不同微生物。Gross等通过酶促法测序技术对无龋和患龋年轻恒牙牙菌斑微生物的16S rRNA序列进行分析后认为，龋齿中产酸菌除了变异链球菌和乳酸杆菌外，月形单胞菌、奈瑟菌和缓症链球菌同样是潜在的产酸细菌。Willner等等在利用高通量测序技术检测了19名健康人口腔咽部的病毒宏基因组序列后发现，口腔咽部是一个潜在的被噬菌体T3侵蚀的肠道菌储存库。另外，他们还发现了编码血小板凝集因子PblA和PblB的两个寄生于变异链球菌中的噬菌体sm-1基因，而之前有研究称在心内膜上发现了变异链球菌。这说明，口腔中的病毒与心脏疾病存在潜在的联系。
宏基因组学技术可以避开传统的培养方法，在DNA水平来探讨口腔微生物群落结构及其与环境微生物的关系。微生物多样性在基因水平上主要表现为基因组大小和基因数目的多样性，遗传物质化学组成的多样性和某些特异性序列的差异。宏基因组技术为研究口腔微生物复杂群落和多样性提供了重要的技术手段，通过快速可靠地获得口腔微生物中各种微生物的菌落指纹和特征性核苷酸序列，以系统分析口腔微生物的多样性及其分类地位，发掘丰富的口腔微生物资源。
2.2口腔微生物宏基因组文库中的新型基因筛选及其功能
宏基因组学除了研究微生物群落结构及其功能外，还可用于发现新的基因和开发新的微生物活性物质。Jiang等构建土壤宏基因文库，成功地克隆和鉴定出一种新型的β-葡萄糖苷酶基因，该基因包含一个由151个氨基酸编码组成的多肽。该研究对深入挖掘土壤未培养微生物的β-葡萄糖苷酶基因资源和该基因功能具有的重要意义。陈春岚等从富集培养物宏基因组文库中筛选出一个表达木聚糖酶基因umxyn10B，该基因大小为999bp，编码产物的氨基酸序列具有较好的同源性。对其功能进行研究发现，该酶具有优良的理化特性，可广泛应用于食品、能源、造纸和纺织等行业。Yu等利用宏基因功能筛选发现的两个新型低温活性酶脂EstM-N1和EstM-N2，属于细菌脂肪分解酶Ⅷ家族成员。这一发现将推动生物催化剂的应用。
当前，宏基因组学技术已经在微生物学研究的诸多领域，尤其是在发现具有潜在应用价值的次生代谢产物方面显示出了无穷的魅力，但是，利用宏基因组技术探索口腔微生物的新的功能基因尚处于起步阶段。Warburton等对口腔细菌群体中的耐药基因进行了分析，结果发现一个新的耐四环素基因tet32能够使四环素失活。虽然对口腔微生物新的功能基因及其功能研究还太少，但依然可以借助宏基因组学技术发掘新基因，以利用这些新基因在口腔医学行业发挥应有的作用。
篇6
关键词:食品安全检测;蛋白组学;代谢组学;基因组学
1前言
民以食为天,食以安为先。食品安全关系人类健康,一直以来,都是全球关注的热点。随着社会经济的发展,一方面,随着生活水平不断提高,公众对食品安全越来越重视,要求也越来越高;另一方面食品工业快速发展,国际食品贸易日趋频繁,食品安全问题已呈现全球化模式。威胁食品安全的因素不仅仅有传统的化学危害物、食源性致病菌;采用劣质原料生产高货值食品、以次充好、以假乱真、产地造假、成分造假等等问题,是目前食品安全面临的新挑战。目前,已知危害物的检验技术已经比较成熟;未知、潜在的食品安全危害物侦别及成分鉴定、产地鉴定等,是食品安全检测技术面临的难题。食品安全检测迫切需要新的方法和手段来解决这些难题和挑战。组学是最近几十年发展起来的新学科,主要包括基因组学(Genomics)、蛋白组学(Proteinomics)、代谢组学(Metabolomics)、转录组学(Transcriptomics)、脂质组学(Lipidomics)、糖组学(Glycomics)等等。其中,基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学共同构成了“系统生物学”[1-2]。组学技术的基本思路是通过研究成千上万的DNA、RNA、蛋白质或者代谢物等物质,找出与某一生命过程相关的特征蛋白、DNA、RNA或者代谢物,进而对某一目标进行评估。组学技术依托高通量、高分辨率、高精度的现代化分析仪器,通过海量数据处理,进行信息提取和结果分析。近年来,组学技术与食品安全检测不断融合,在食品安全检测领域发挥着越来越重要的作用。
2与食品安全检测相关的组学技术
2.1蛋白组学。蛋白组学研究特定状态下蛋白整体水平的存在状态和活动规律,是从分子水平上来分析蛋白质的表达、修饰、功能等的一门学科。蛋白组学的研究对象涉及植物、动物、微生物等,其在药物开发、病理研究、食品安全等方向都有诸多应用。蛋白质可以作为食品组分的特征标记物,因此蛋白组学可以用于食品安全检测[3]。蛋白组学的研究手段主要有凝胶技术和质谱技术,质谱可以对肽段和蛋白进行表征和测序,是分析蛋白的重要技术。通过蛋白酶解后得到肽段的肽指纹图谱结合质谱技术,可以分析某一种或同类食物的蛋白质成分[4],经过比较和筛选,确定特征标志蛋白或者肽。基于对蛋白或者肽的分析,质谱技术可以获得食品组分的特定指纹信息,实现定性分析。一旦获得蛋白标志物或者肽标志物,即可用液相色谱-质谱的选择反应监测(SRM)或者多反应监测(MRM)模式对目标物进行快速、灵敏的定量分析检测。2.2代谢组学。代谢组学以生命体的代谢物为研究对象,主要研究分子量1000以下的小分子[5-6]。根据研究对象不同,代谢组学可以分为研究已知化合物的靶向代谢组学和分析未知化合物非靶向代谢组学。代谢组学作为新兴的研究技术已应用在食品安全、药物研发、疾病诊断、环境科学和植物育种等方面[7]。代谢组学的主要研究手段包括核磁共振技术(NMR)和质谱技术。质谱技术以高通量、高灵敏度著称,飞行时间质谱和高分辨质谱是代谢组学研究中经常用到的仪器;NMR技术具有非破坏性的优点,可以对研究对象内部化学变化和生化反应进行跟踪[8-9]。常见的代谢物主要有极性化合物(例如有机酸、氨基酸、糖、胺)、脂类、类萜和固醇。代谢组学分析得到的数据量巨大,需要借助化学计量学对数据进行分析处理,常用的分析方法包括主成分分析(PrincipalComponentsAnalysis,PCA)、判别分析(DiscriminantAanalysis,DA)、偏最小二乘法-判别分析(PartialLastSuares-DiscriminantAeqnalysis,PLS-DA)等方法[10]。2.3基因组学。基因组学的研究对象包括基因组的结构、功能、进化、定位、编辑等,以及他们对生物体的影响。基因组学通过使用高通量DNA测序和生物信息学来组装和分析整个基因组的功能和结构。近几十年来,多重聚合酶链式反应、基因测序、基因芯片等技术飞速发展,为基因组学在食品安全领域的应用打下了良好的基础。基于基因组学特异性强、灵敏度高和高通量的特点,其在病原微生物检测,物种鉴定和转基因食品检测方面有着很多应用[11-12]。
3组学技术在食品安全检测中的应用
3.1食品中有害物质检测。食品中不含危害人类健康成分是食品安全的最基本要求。组学技术在检测食品中有害物质方面有着广泛的应用。随着生活水平的提高,动物源性食品的需求量快速增加。经济利益驱使下,为了规避食品安全法规中已有兽药的使用限制,使用新兽药的情况时有发生。传统方法只针对目标化合物进行检测,对于非目标化合物即新型兽药的检测无能为力。采用组学方法,寻找合适的生物标志物,可以及时发现新型兽药的使用情况。Courant等[13]采用液相色谱-高分辨质谱和非靶向代谢组学技术,建立了监测小牛尿液中β2-受体激动剂代谢物的方法,有望成为筛查各类β2-受体激动剂兽药的有效方法。Regal等[14]应用代谢组学技术结合高效液相色谱-高分辨质谱结合多元变量统计分析,找出了牛血清中外源性雌二醇和孕酮的生物标志物,为检测动物养殖过程中的激素滥用提供了新方法。发酵食品中含有丰富的微生物和各种有益消化酶,具有独特的风味和较高的营养价值,深受大众喜爱。生物胺和亚硝酸盐是食品发酵过程中常见的两类有害物质。生物胺包括芳香胺(酪胺、苯乙胺、多巴胺等)、脂肪胺(腐胺、精胺、亚精胺等)和杂环胺(组胺、色胺等),主要来源于发酵过程中的微生物降解。亚硝酸盐是发酵食品中重要的危害物质;发酵过程中,微生物分泌硝酸盐还原酶将硝酸盐还原产生亚硝酸盐。Meyer等[15]利用液相色谱法和主成分分析相结合的代谢组学方法,研究了发酵香肠中的生物胺和亚硝酸盐含量。用该方法对101个样品进行检测,发现其中NaNO2的浓度均低于20mg/kg,生物胺含量普遍很低,仅在一个样品中发现尸胺和腐胺浓度达到了中毒水平。3.2组学技术在食源性致病菌检测中的应用。食源性致病菌是食品安全面临的最严峻挑战之一,传统检测方法从细菌培养到细菌计数,检测一个样品至少需要4~5d的时间,而组学技术可大大提高食源性致病菌检测的效率。代谢组学在沙门氏菌和大肠杆菌的鉴定方面已经取得一定成果[16-18]。Xu等[16]利用气相色谱-质谱法和一种多元算法进行了鼠伤寒沙门氏菌污染猪肉和自然变质猪肉中代谢物的分析,确定了17种代谢产物(包括各种类型的氨基酸和脂肪酸),以区分被致病微生物污染的猪肉。Cevallos等[18]建立了基于代谢组学检测大肠杆菌O157∶H7、沙门氏菌的方法,根据对细菌代谢物的分析,此方法可以在18h内快速检测以上两种病原体,在牛肉和鸡肉中大肠杆菌O157∶H7、沙门氏菌检测水平均可以达到7±2CFU/25g。Whiteside等[19]给出了大肠杆菌的在线基因组学预测平台SuperPhy,该平台整合了所有可以公开获得的大肠杆菌基因组分析工具和基因组序列数据,可以用于临床医学、流行病学、生态学和进化领域等领域,亦可应用于食品安全检测领域。祝儒刚等[20]运用多重聚合酶链式反应结合基因芯片技术,建立了一种检测大肠埃希氏菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、志贺氏菌和单核细胞增生李斯特菌5种食源性致病菌的方法,该方法快速、准确、灵敏。全基因组测序(WholeGenomeSequencing,WGS)广泛应用于食源性致病菌特征分析,在确定污染事件根源、食品安全事件溯源、食品安全突发事件检测和鉴定,以及毒力和致病性特征分析方面,WGS技术发挥着越来越重要的作用[21-22]。3.3食品掺假及欺诈的研究。食品掺假、欺诈是世界性问题[23]。据估算,全球食品行业每年由于食品掺假和欺诈带来的经济损失高达150亿美元[24]。当前,与食品掺假相关的议题包括产地、品种、生产方式、未宣布成分、物种替代等[25]。有关食物的完整、准确和真实的信息不仅是消费者的迫切需求,也是行业和政府的迫切需求。运用组学技术对食品进行检测,可以确保食品从农场到餐桌的真实性。与传统检测方法项目比,组学技术在检测食品掺假和欺诈方面具有天然优势。通过高通量的检测模式,对样品中的蛋白质、代谢物或者DNA进行检测,通过对大量数据的统计处理、甄别食品特性,进而可以确定食品产地、品种、成分、物种及生产方式等诸多与食品掺假相关的要素。运用特征标记肽段可以检测马肉、牛肉、羊肉和猪肉[26]。MontowskaFornal[27]采用液相色谱-串联质谱方法,选择了20个热稳定肽段,可以有效区分猪肉、牛肉、鸡肉、鸭肉、鹅肉,在实际样品检测中,从禽肉肠中检出含量仅为0.8%的牛肉成分。基于气相色谱技术,运用代谢组学分析方法可以有效区别冷冻猪肉和新鲜猪肉[28]。乳品行业中,牛乳冒充羊乳,奶粉调制的复原乳冒充鲜奶,工业化生产的奶酪冒充手工奶酪的欺诈行为极其常见。Caira等[29]应用基质辅助激光解吸电离-飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)进行分析,根据酪蛋白的特征肽可以有效鉴别水牛乳、牛乳、牛初乳和乳酪。一种结合肽和蛋白质谱的方法可以有效检测水牛乳、羊乳中的牛乳,判断鲜牛奶中是否加入奶粉[30]。根据靶向DNA的高特异性,运用基因组学的方法也可以准确鉴别牛乳、水牛乳、羊乳等等,但是准确定量还有一定的难度[31-32]。Majcher等[33]利用气相色谱-质谱结合代谢组方法以及化学计量学数据处理方法,可以准确鉴别传统手工艺制作的奥西佩克奶酪和工业化生产的奥西佩克奶酪。蜂蜜是很受消费者欢迎的食品。不同种类花的蜂蜜不仅口感不同,其营养价值和价格也大不相同。Jandric等[34]利用代谢组学方法,结合液相色谱-质谱,傅里叶变换红外光谱等手段,建立了鉴别三叶草、麦卢卡、拉塔、卡玛西四种新西兰蜂蜜的方法。基因组学方法也可以提取蜂蜜中的物种特异性信息,确定蜂蜜的植物学和昆虫学起源,从而鉴定蜂蜜真伪[35-36]。组学技术可以准确鉴别葡萄酒真伪、产地。采用基因组学技术,对DNA来源进行分析,可以鉴别葡萄酒真伪[37]。采用蛋白组学方法,MALDI-TOF-MS技术可以准确鉴别33种克罗地亚白葡萄酒[38]。采用代谢组学技术,通过对葡萄酒中挥发物的分析,即可判断酿酒葡萄的品种和产地[39]。利用代谢组学方法还可以将有机种植的胡萝卜[40]和大麦[41]与普通的胡萝卜和大麦区别开来。代谢组学方法可以对咖啡质量和来源进行评价,阿拉卡比咖啡质量要好于罗布斯塔咖啡,在阿拉卡比咖啡中掺入罗布斯塔咖啡也是常见的咖啡造假手段,核磁共振技术可以检测低至2%的罗布斯塔咖啡[42]。使用单核苷酸多态性基因分型可以确定5个最常见的希腊橄榄油品种[43]。基因组学和代谢组学技术均可以检测橄榄油中是否掺入玉米油、大豆油、葵花籽油、花生油等其他食用油。[44-45]3.4转基因食品的检测。转基因技术通过生物工程技术将一种或几种外源性基因转移到某种特定的生物体内,使其表达出相应产物,以转基因生物为原料加工生产的食品就是转基因食品。关于转基因食品的安全性,目前仍存在争议。Tan等[46]应用蛋白组学技术研究了转基因玉米和非转基因玉米的蛋白质组差异,结果发现两者之间存在148个差异表达的蛋白质,其中42个在转基因玉米中表达较高,106个在非转基因玉米中表达更高。基于液相色谱-质谱技术自上而下的蛋白质组学技术,可以检测抗草甘膦玉米(NK603)中117种蛋白质表达变化[47]。转基因玉米的代谢组学分析中[48],抗草甘膦玉米(NK603)的几种胺类代谢物(例如:尸胺、腐胺、N-乙酰尸胺、N-乙酰腐胺)相比非转基因玉米有显著提高。Catchpole等[49]启动快速代谢组“指纹图谱”,比较了转基因土豆和非转基因土豆的总代谢物,发现转基因土豆与传统品种差异不大。代谢组学技术也已应用到对转基因大米[50,51]、转基因番茄[52]等转基因食品的分析。实时PCR(real-timePloymeraseChainRactione,rtPCR)是欧盟法规规定的评估转基因食品的唯一有效方法。微滴式数字PCR技术(dropletdigitalPCR,ddPCR)可以对食品中的植物源转基因成分进行分析[53]。Kosir等人结合基因步行(GeneWalking,GW)和下一代基因测序技术,可以同时检测混合物中低至1%的转基因玉米(MON810、MON89034、MON88017)和棉籽(MON1595)[54]。
篇7
这一计划将如何改变目前的就医模式
如果人们能够深刻了解自己的遗传和基因组学信息，那么对疾病的预测，特别是疾病易感性的预测将得以实现。首先，人们会被告知未来可能患有某些疾病，以便更好地进行预防。其次，一旦患有了某种疾病，其诊断将会非常容易；诊断后的用药，将针对个体对药物的敏感性而制定，每个病人将得到最合适的药，并在最佳剂量和最小副作用，以及最精准用药时间的前提下用药；对疾病的护理和治愈后的效果也将得到准确的评估和指导。
用奥巴马的话定义“精准医疗”，就是“要在正确的时间，给正确的人以正确的治疗。而且要次次如此。” 他描述的这种场面，是目前的医疗体系无法实现或者很难实现的，实现它的过程也将从根本上改变目前的医疗模式，因此，说“精准医疗”是一场“变革”并不为过。
美国“变革”前的长期筹备
看似突然爆发的“变革”，其实已经有了长期的积累和酝酿。可以说，从“人类基因组计划”到“肿瘤基因组计划”（TCGA）等多个大型基因组研究计划，再到这次的“精准医疗计划”，美国人在按照既定目标一步一步向“精准医疗”迈进。
从技术准备角度来看，“千元基因组”已经实现，生物技术在不断发展，大数据和云计算等支撑医疗领域的技术能力也在迅速发展。这些技术的发展为“精准医疗”提供了技术保障。
从社会角度来看，人们越来越接受基因检测的结果，已经有像GenetWorx或者Quest Dx此类提供基因检测服务的公司出现，23andme公司得到美国食品药品监督管理局（FDA）的支持更是证明了这一点。在美国的高端人群，进行基因检测已经成为一种生活方式，并且出现了像美国影星安吉丽娜・朱莉这样的开展基因检测和预防性手术的案例。
从法律和保险体系来看，已经有人开始用遗传研究作为保障自身权益的依据。2014年3月19日，有美国夏威夷民众发起对制药企业市场行为的诉讼，起因是该企业隐瞒了心血管疾病药物“波立维”对该人群无效的信息，“波立维”在东亚和太平洋岛居民身体中代谢不足，因此无法起效，而企业隐瞒了这一信息，造成大量患者滥用该药物，增加了经济负担。2014年5月2日，发生了“加利福尼亚州临床实验室协会”诉“美国国民健康服务机构HHS”的“当地保险承保范围”案，投诉讨论了两大医保管理承包商Noridian和Palmetto GBA的“当地保险承保范围”（其中包含遗传检测），其中未能保证基因检测让人们获益的条款。这两起事件的发生表明，遗传和基因组信息的使用已经遇到法律和保险体系滞后的障碍，需要改变。而人们已经开始争取自己的遗传信息在临床上的使用权利。
对医疗行业而言，从医疗管理机构到医护人员的培训和管理等多方面都在慢慢发生变化。
一是疾病分类的转变。在医疗行业中，每一种疾病都有与其对应的唯一代码，从而完成对不同人的不同疾病的统一记录。“国际疾病分类”（ICD）就是这些代码的官方管理方式。我们日常看到的诊断报告，在中国的医院里，是由医院的“病案科”完成将手写或者电子的诊断书转化为代码进行保存和管理的事务，病案科所遵循的规范就是“国际疾病分类”。该分类目前已经到了第十版，如果能在“国际疾病分类”中增加遗传检测相关分类，将推进疾病分类往遗传和基因组水平的精准分型和管理方向发展。
二是专业术语的更新。2014年2月，“美国分子诊断评估计划”表示支持美国医药协会（AMA）提出的“当今程序术语”（CPT），为个体化医疗所作出的努力。截至目前，美国医药协会的“当今程序术语”中已经有101个遗传检测术语。AMA将推荐遗传检测术语进入“国际疾病分类”术语，从而促进遗传检测诊断方法的创新，以此提高对病人的治疗效果。
三是从业人员标准提升。2014年11月，美国护理联盟（ANA）的专业化标准已经覆盖遗传/基因组领域，在护理相关的学科或专业中建立了遗传和基因组的基本信息，其中规定护士必须具备的能力包括：将遗传和基因组信息应用于临床实践，向服务对象示范遗传和基因组信息和服务的重要性。
就连临床诊疗原则也因此发生了动摇。美国的医学研究所（IOM）在2015年2月26日的“展望”中提出，基于证据作出判断，是基因组技术进入临床使用的一个重大障碍。在这份文件中，列出了最新的7个独立撰写的评论，探讨基因组测序进入临床应用的案例，研究了实施药物基因组学检测的政策问题和实施证据。这实际上已经触及了医学诊断的基础――必须基于大量人群的数据才能作为治疗依据，而很多罕见的遗传病不可能收集足够多的病例进行大规模人群研究，而遗传检测本身提供的证据，已经可以作为诊断和治疗的依据。此外，美国临床药物遗传学实施协作组（CPIC）的临床决策实践，已经包括遗传药理学和基因组药理学数据库（Pharm GKB），CPIC的在线访问和教育指导方针的制定，工作流程的描述和开发代谢通路算法的努力，开发综合的表型、基因型、药物对应关系表，定义、开发和维护用户的药物遗传学“诊断书”的文本格式的结构等，并为Pharm GKB数据库的公布和更新提供了标准方案。
综上所述，不难发现，美国的精准医疗计划已经具备了实施的基本条件。跟“精准医疗”有关的几乎所有相关医疗协会，都对遗传和基因组信息进入临床进行了相应准备。一个“精准医疗”的工作流程已经被搭建起来，仅待实践后再进一步丰富。
中国医疗体系还需多方改变
目前，无论是美国还是中国，遗传和基因组学信息都已经在作为临床诊断的依据，在实际的诊断和治疗中发挥作用。美国FDA有将近1/4的药物要进行遗传检测才能使用。2014年，FDA公布了159个药物/靶点需要进行基因检测指导用药。在美国具备临床实验室标准CLIA认证的实验室，均可提供遗传和基因组学诊断服务。中国也在2014年开放了二代DNA测序试点实验室，开放了无创产前诊断、遗传病、肿瘤等方向的基因组学诊断。但是，中国目前的医疗系统，实际上还没有为“精准医疗”的到来做好准备。
医疗信息记录：对“精准医疗”而言，医疗信息记录将按照高水平科学研究所使用的样本规范来收集记录，除了现有医疗记录里需要提供的病人基本信息外，还要提供三代的家族病史，患者生物学意义上的父母身份，饮食习惯、运动和生活习惯等等，并且与可穿戴设备提供的相应生理信息相结合，以确认更加准确的生活习惯信息。而与其它影像学数据的结合，则是更具挑战性的工作。比如，将心血管病相关的基因信息与心脏CT影像指标相结合等，需要跨学科、跨领域的研究者与医护人员的互动结合。
电子病历系统：目前的病历系统，是不包含遗传和基因组检测一项的，既然用药须基于基因，那么电子病历系统无法检索基因检测结果，也就无法根据基因检测结果用药。我们需要在现有电子病历系统中，统一添加此内容。但随之而来的问题是，我们做别的检测项目，比如血常规，CT等，常常需要拿着一家医院的检测报告到另外一家医院就诊，或者过了一定的时间可能就要重新做检测。而遗传性的基因组测序数据，可能一生只需要检测一次，便可以终生使用。那么，医生是不是应该随时可以接入病人的基因组数据，从而获得相应的信息帮助诊断和治疗呢？当然需要，但是目前的病历系统，是不支持如此这般随时获取遗传和基因组信息的。
医生下单系统：目前尚没有支撑医生开具“遗传和基因组学诊断”的系统，因为通常需要检测的相关基因有很多，比如肺癌相关基因就包含AKT1、 BCL2、CDH1、CDKN2A、EGFR、NFKB1、TP53、VEGFA等很多个。有些病人可能只需要检查一个基因，但却需要检测极为稀有的突变；而有些病人则需要对不同的基因组合进行检查。那么，医院的医生下单系统是把所有基因都单列出来，还是列在一起？如果都列出来，那么单是肺癌基因就已经有很多种了，明确与其它肿瘤相关的基因加起来还有几百个。这几百个基因如何下单，也是一个难题。
虽然这个问题解决起来或许简单，但还有些问题更难解决。比如上文提到的EGFR基因突变，临床上应用比较多的是18到21号外显子的突变，因为这些突变跟治疗的关系已经研究得非常明确，而其它外显子的突变，都可能对EGFR的功能产生影响，继而对用药产生影响。临床上如何使用这些新发现的突变，也没有统一的操作规范。当然，临床上会有一些“共识”出现。然而我们希望通过精准医疗计划能够实现的，是基于“大数据”统计意义上的“共识”，这样的数据，将真正为人们提供有价值的用药指导。
药物下单系统和持续护理系统：就目前的药物下单系统而言，无须与遗传和基因组信息关联。然而，“精准医疗”所需要的下单系统，是要根据基因检测结果下单的。首先，查看基因信息和疾病相关性以后，再参照病人对药物的敏感性开具处方；同时，在用药后的持续护理过程中，药物不良反应的预盼、发生不良反应后的上报和跟踪、预后和复发等信息，都需要持续进行跟踪，以保证临床上的精准用药，以及科研上基因型和表型结合的准确性。
“精准医疗”IT系统：以上“精准医疗”所需要的信息，都需要IT系统提供支撑。目前，医疗IT系统提供的服务，都无法满足存储、管理、分析这些“精准医疗”数据的能力，而且信息学将在“精准医疗”计划中起到关键作用。遗传学和基因组学知识是“精准医疗”的基本知识，这些知识如何通过IT系统最终实现，是对现有IT系统提出的重大挑战。
篇8
关键词：番茄灰霉病；宏基因组DNA；双酶切；文库
中图分类号：S436.412 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2011）-04-0104-2
0 前言
番茄灰霉病（Botrytis cinerea）是由半知菌亚门灰葡萄孢属（Botrytis cinerea）真菌引起，是世界性、破坏性极其严重的植物病害之一。目前已成为危害我国温室蔬菜最主要的病害。传统的防治方法以化学农药为主，病原菌非常容易产生抗耐药性，从而使防治效果下降；同时施用农药引起严重的环境污染。近年来人们通过大量筛选并加以改良利用灰霉病拮抗菌及其次生代谢产物，使生物防治技术成为防治植物灰霉病的一条有效的途径。
土壤是微生物的良好生存环境，土壤中的微生物种类丰富，对农业生产和环境保护有着重要作用[1]。传统的研究土壤微生物的方法如微生物纯培养、微生物库(如微生物生物量)和流(c和N循环)、微生物生物标记物(FAMEs)等仅仅能够反映极少土壤微生物的生活特征和生态功能，并不能完全揭示其多样性[2]。科学界普遍认为未培养微生物在自然界土壤栖息群中占99%以上的资源，并逐渐成为微生物学的研究热点。“宏基因组（Metagenome）”是由Handelsman等1998年提出的，即生境中全部微小生物遗传物质的总和，目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。宏基因组文库包含可培养和未能培养微生物的基因，避开了微生物分离培养的瓶颈，扩大了微生物资源的可利用空间[3]。
1 材料与方法
1.1 材料
E．coli DH5c，由山东理工大学丁忠锋老师赠送；土壤DNA提取试剂盒，购自美国O―MEGA公司；pBluescript II SK(+)，由购于第三军医大学蒋国成老师赠送；T4DNA ligatase购自美国STRATAGENE公司。
1.2 方法
1.2.1 土壤样品采集及土壤总DNA的提取 土壤样品采自山东省淄博市张店房镇常年种植番茄的温室大棚，用灭菌的小铲取患灰霉的番茄病株根际5-10cm深处的土壤，装入灭菌的纸袋并带回实验室，对采回来的土样进行过筛处理，3mm两次，1mm一次，0.25mm一次,放入远红外恒温快速干燥箱60℃恒温干燥3h,将样品分装于5ml离心管存于4℃。
土壤样品采回后，用土壤宏基因组DNA提取试剂盒并纯化土壤总DNA，根据文献[4]所描述的电泳方法纯化回收基因组DNA。
1.2.2 土壤总DNA的酶切及质粒载体的制备 将提取的土壤总DNA用限制性内切酶PstⅠ和Hind Ⅲ进行双酶切。建立40uL的反应体系：DNA样品l1uL、PstⅠ和HindⅢ各2uL，10×M Buffer 4 uL、ddH2O 21uL。混匀后于37℃水浴45min，于65℃水浴30min 以终止反应，1.2%琼脂糖凝胶电泳, 回收大于2kb的片段，用于酶联反应。
取pBluescript II SK(+)质粒，用PstⅠ和Hind Ⅲ限制性内切酶在37℃酶切45min，1.2%琼脂糖凝胶电泳后回收大约2800bp的DN段。
1.2.3 土壤微生物宏基因组文库的构建 取DNA酶切样品4.5µl，酶切质粒pBluescript II SK(+) 3 µl，T4 DNA ligatase 0.5 µl，T4 DNA ligation Buffer 1 µl，混匀后l6℃放置4 h，4 ℃过夜。取连接液lO µl，加入100 µl感受态细胞，冰浴30min，42℃水浴60s，冰浴2min，加入890µl LB培养基，37℃、180r/min振荡培养1h，对质粒进行复苏培养。吸取培养物150µl均匀涂布到含氨卞的LB平板上，37℃过夜培养。挑取阳性克隆，并用甘油管进行保藏，以用于筛选[5]。
2 结果与分析
2.1 土壤宏基因组DNA检测及酶切验证
取5µl纯化的宏基因组DNA进行琼脂糖凝胶电泳，检测其质量，结果如图1显示土壤总DNA大小约为15000bp。
M：DNA marker，1：Soil total DNA
图1 土壤微生物总DNA
纯化后的宏基因组DNA样品用限制性内切酶PstⅠ和HindⅢ进行双酶切，设置两种不同DNA浓度和不同酶切时间。经过选择，酶切45Min时DNA酶切质量较好，酶切结果如图2。可直接用于酶联反应[6]。
M：DNA marker，1：Soil total DNA，
Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ：products of restriction by PstⅠ and Hind Ⅲ
图2 土壤微生物总DNA及酶切后DNA
将质粒pBluescript II SK(+)用相同酶进行双酶切，反应45min后，酶切结果如图3显示，可直接用于酶联反应。
图3 酶切后的pBluescript II SK(+)
Fig.3 pBluescript II SK(+) by digestde
2.2 宏基因组文库构建及检测
将酶切后的土壤宏基因组样品与pBluescript II SK(+)质粒进行连接[7]，然后转化DH5a 感受态细胞，挑取阳性克隆即得到土壤宏基因组文库[8]。本实验总计从LB平板上挑取了350个阳性克隆。
3 讨论
土壤是微生物的良好生长环境，土壤中含有大量我们没有了解的基因。传统的研究方法只能够反映极少部分的微生物信息，并不能完全揭示土壤微生物的多样性和丰富性。为了更加深入的研究番茄灰霉病病株根际土壤中微生物含有的基因分布情况，本实验采用宏基因组学技术，从土壤中提取到DNA，纯化后进行双酶切，建立了宏基因组文库，文库中含有大量的未知灰霉病拮抗基因，从而为进一步研究和防治灰霉病提供了平台，也对宏基因组技术在实际中的应用提供了一些参考。
参考文献
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[2] WANG GY,GRAZIANI E,WATERS B,et al.Novel natual products from soil DNA libraries Tn a streptonycete host[J].Org Lett,2000(2):2401-2404.
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篇9
信息、生物、新材料三大前沿领域
信息、生物、新材料是21世纪前30年发展最快、最热门的三大领域，它们集结了当今世界最强势的研究力量。但在这些关系未来发展的关键领域中，我国许多核心技术仍依赖追踪、模仿和引进国外技术，原始创新能力明显不足。
从更宽的视野来看，不仅仅是这三个领域的发展需要高扬“自主创新”的信心与勇气。实际上，整个中国科技正面临着前所未有的发展压力：对外要适应国际科技竞争的紧迫形势，对内要满足经济社会发展进程中的重大战略性需求。而原始创新能力和技术创新能力的薄弱，已成为当前和未来相当长时期内影响我国整体竞争力的极大障碍。
面向未来15年的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》即将，科技部等有关部门正在着手制定科技“十一五规划”——关于中国科技“未来”的探讨与关注，在最近一年多来达到了前所未有的程度。就是在这样带着几分焦灼、几分期待、几分信心的探讨氛围中，“自主创新”成为人们关于中国科技发展的共识。
带着这个共识，再来看中国科技发展面临的“压力”，在很大程度上已经变成了未来发展的重大机遇。未来10年，中国在这三大领域中最有可能实现自主创新的关键技术群究竟有哪些？有限的科技经费究竟应当投入到哪些突破口？
下一代移动通信技术
移动通信是人类社会发展中的一大奇迹。2004年12月，全球（蜂窝）移动通信用户总数已达17亿以上，超过已有百年发展历史的固定通信用户数。过去10年，移动通信技术完成了由第一代模拟通信技术向第二代数字通信技术的过渡，当前正处于由其巅峰状态向第三代（3G）移动通信技术过渡的进程中。
目前，世界发达国家纷纷投入力量进行第三代及下一代移动通信标准、技术和产品的开发。
——3G移动通信：国际电信联盟（ITU－T）批准为3G的三大标准分别是欧洲的WCDMA，美国高通公司的CDMA2000和中国大唐电信的TD－SCDMA。3G已在全球30多个国家开始商用。
——增强型3G（Enhanced3G）：为了克服3G技术不能很好支持流媒体等业务的不足，国际电信联盟已在制定增强型3G技术标准。专家预测，增强型3G技术将进入商用。
——4G（或Beyond3G）：下一代移动通信即所谓超3G（以下统称Beyond3G）技术的研究是国际上的热点。Beyond3G具有更高的速率与更好的频谱利用率。欧盟、日本、韩国等国家已开始4G框架的研究，预期Beyond3G技术可望在2010年后开始商用。
中国移动用户总数已达3.34亿，居世界第一，总体技术水平与国际同步，处于由第二代向第三代的过渡时期。我国3G移动通信技术已经具备了实现产业化的能力，我国大唐电信2000年5月提出的TD－SCDMA标准已成为国际电信联盟正式采纳的三大标准之一。此外，在国家“863”计划的支持下，开展了Beyond3G技术的研究，预期该技术可望在2010年后开始商用。
Beyond3G技术对我国经济社会发展和国防建设具有十分重要的意义。德尔菲专家调查统计结果显示，我国研发水平比领先国家落后5年左右，通过自主开发或联合开发，在未来5年可能形成自主知识产权。以华为、中兴为代表的一批高技术通信设备制造业公司，在第三代移动通信设备（3G）等研发方面紧跟国际前沿，打破了国外公司对高技术通信设备的垄断，开始参与国际通信标准的制定，开发具有自主知识产权的核心技术，具备了参与国际竞争的能力，具备实现技术和产业跨越式发展的契机。
中国下一代网络体系
下一代网络（NGN）泛指以IP为核心，同时可以支持语音、数据和多媒体业务的因特网、移动通信网络和固定电话通信网络的融合网络。
世界各国和国际通信标准化组织都在积极开展下一代网络的研究开发工作。国际电信联盟电信标准化部门（ITU－T）、欧洲电信标准化协会（ETSI）、互联网工程任务组（IETF）、第三代伙伴组织计划（3GPP）等，都在致力于下一代网络体系的研究。目前，美国、日本、韩国、新加坡以及欧盟都已启动了下一代互联网研究计划，全面开展各项核心技术的研究和开发。
我国在下一代网络的研究方面已取得了较大进展。“九五”期间，863计划建成了“中国高速信息示范网”（CAINONET）、国家自然科学基金委支持的“中国高速互连研究试验网NSFCNET”等重大项目，目前已开始基于NGN的软交换技术在移动和多媒体通信中的应用研究。中兴、华为等企业还推出了基于软交换的NGN解决方案；在下一代互联网研究上，中兴、港湾网络等推出的高端路由交换机，可应用于国家骨干IP网络建设，以及大中型宽带IP城域网核心骨干和汇聚。国内公司还开始自行设计高端分组交换定制ASIC芯片。我国已成为少数几个能够提供全系列数据通信设备的国家之一。
下一代网络技术对促进我国高新技术的发展，以及对改造和提升我国传统产业具有举足轻重的作用，对国家安全至关重要。从总体上看，我国互联网技术跟随国外发展，在技术选择上缺乏系统研究，走过一些弯路，至今与国外仍存在较大差距。无论网络用户规模、网络应用、网络技术或网络产品都尚有很大的发展空间。从全局着眼，应不失时机地开展中国下一代网络体系的研究、应用试验、关键技术研究和产品开发。不能像第一代互联网那样，技术、标准都是外国的，给国家安全造成隐患。
纳米级芯片技术
当前，集成电路的发展仍遵循“摩尔定律”，即其集成度和产品性能每18个月增加一倍，按照器件特征尺寸缩小、硅片尺寸增加、芯片集成度提高和设计技术优化的途径继续发展。
自上世纪90年代以来，全球集成电路制造技术升级换代速度加快。当前国际上CMOS集成电路大规模生产的主流技术是130nm，英特尔等部分技术先进的芯片制造公司已在用90nm进行高性能芯片生产。2005年，美国AMD公司已开始量产90nm的高性能芯片，国际上对65nm技术的开发也已成功。伴随130nm到90nm技术的升级，考虑到扩大生产规模和降低成本，大多数公司将使用12英寸替代8英寸硅基片，这也必将带来半导体设备的大量更新。
近年来我国一些先进集成电路制造公司的崛起，使国内集成电路制造工艺技术与国际先进水平的差距有了显著的缩小，但整体水平仍与先进国家相差2～3代。目前，我国集成电路设计公司年设计能力已超过500种，主流设计水平达到180nm，130nm技术正在开发中，90nm技术的研发也开始着手进行。从产业发展看，我国集成电路已初步形成由十多家芯片生产骨干企业、十多家重点封装厂、二十多家初具规模的设计公司、若干家关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体，设计、芯片制造、封装三业并举的蓬勃发展态势。以中科院计算所为代表的研究机构和企业在CPU研发方面所取得的新进展，标志着我国集成电路设计具有较强能力，与国际先进水平的差距进一步缩小。目前我国芯片业大多集中在低端的交通、通信、银行、信息管理、石油、劳动保障、身份识别、防伪等领域，IC卡芯片所占比重一直占据芯片总体市场的20％左右。
世界第一颗0.13微米工艺TD－SCDMA3G手机核心芯片10月9日在重庆问世
今后的IC是纳米制造技术的时代，而纳米级芯片技术是我国赶超国际的关键，它的成功将会是我国IC工业发展史上的重要里程碑和持续发展的动力，专家认为应优先发展。
中文信息处理技术
包括汉字和少数民族文字在内的中文信息处理技术，是汉语言学和计算机科学技术的融合，是一门与语言学、计算机科学、心理学、数学、控制论、信息论、声学、自动化技术等多种学科相联系的边缘交叉性学科。
随着互联网的发展，中文信息处理技术已渗透到社会生活的各个方面。1994年，微软开始进入中文软件市场，微软的WORD把国产WPS挤出了市场，继而Windows中文版又把国产中文之星挤垮。微软凭借其强大的优势地位，使国产的中文信息处理软件举步维艰。中文版的Windows、Office等占据了大部分的中文软件市场，使中文信息处理逐渐丧失了其特殊地位。
经过二三十年的努力，我国的中文信息处理，包括中文的编码、字型、输入、显示、输出等的基本处理技术已经实用化，目前正在逐渐摆脱“字处理”阶段，处于向更高级阶段快速发展的时期。包括中文的文字识别机和手写文字识别、语音合成、语音识别、语言理解和智能接口等技术的研究已获得进展。中文的全文检索、内容管理、智能搜索、中文和其他文字之间的机器翻译等技术也正在开发、研制，并取得了较大进展，涌现了联想、方正、四通、汉王、华建等公司。
随着中国加入WTO与世界各国交流的逐渐扩大以及网络信息时代的来临，中文信息处理技术越发显得重要，其自动化水平的提高，将大大促进我国科技、国民经济和社会发展，同时使中华民族的文化在信息时代得到新的发展。未来无疑应当加强中文信息处理技术的研发投入与政策倾斜。
人类功能基因组学研究
20世纪末启动的人类基因组计划被公认为生命科学发展史上的里程碑，其规模和意义超过了曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划。随着人类基因组、水稻基因组以及其他重要微生物等50多种生物基因组全序列测定工作的完成，国际基因组研究进入到功能基因组学新阶段。
功能基因组学已成为21世纪国际研究的前沿，代表基因分析的新阶段。它是利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究，是在基因组静态的碱基序列弄清楚之后转入对基因组动态的生物学功能学研究。从1997年迄今已发表的有关功能基因组学的论文数以千计，其中不少发表在《细胞》《自然》《科学》等国际著名刊物上。
目前功能基因组研究的重点集中在四个方面：一是基因测序技术研究。预计今后几年内，测序技术将继续发展，特别是有一些重要的改进将直接用于功能基因组的研究；二是单核苷多态性（SNP）以及在此基础上建立的SNP单体型研究；三是基因组有序表达的规律研究。主要包括基因的深入鉴定、基因表达与转录组研究、蛋白和蛋白质组研究、代谢网络和代谢分子研究、基因表达调控研究等；四是计算生物学和系统生物学研究。
近几年来，在国家“863”计划、国家重大科技专项等的资助下，我国功能基因组学研究取得了一系列进展。中华民族占世界人口的1／5，有丰富的遗传疾病家系资源，这是我国发展功能基因组研究的有利因素。“十五”期间，我国参与国际蛋白质组计划、国际人类基因组单体型图计划，高质量按时完成了项目中所承担的21号染色体区域的任务，建立并完善了中华民族基因组和重要疾病相关基因SNPs及其单倍型的数据库的建设，在国际一流杂志上发表了一批高水平学术论文，申报了一批国家专利，收集、保存了一批宝贵的遗传资源，并初步建立了遗传资源收集网络和资源信息库的采集管理系统，组建了一批国家级基地，培养了一支队伍，建立了一批技术平台。但总体而言，我国在功能基因组研究及应用方面的原始创新成果数量较少，还不能为医药生物技术产业的发展提供足够的知识和产品。
未来研究重点包括：
——功能基因组研究。重点开展植物功能基因组研究、人类功能基因组研究和重要病原微生物及特殊微生物功能基因组研究；
——蛋白质组学研究。蛋白质组学是一个新生领域，目前还处于初期发展阶段，仍有许多困难有待克服。我国应选择具有特色的领域开展研究；
——生物信息技术。我国的研究重点应集中在生物信息数据库的构建、生物信息的开发、加工、利用及生物信息并行处理方面；
——生物芯片技术及产品。通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、生化反应芯片和样品制备芯片等。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。我国生物芯片研究紧跟国际前沿，它将对我国生命科学研究、医学诊断、新药筛选具有革命性的推动作用，也将对我国人口素质、农业发展、环境保护等作出巨大的贡献。
专家认为，我国人类功能基因组学研究的研发水平比领先国家落后5年左右，若能高度重视，充分利用我国已有的技术和资源优势，未来10年我国可能实现人类功能基因组学研究的跨越发展。
蛋白质组学研究
随着被誉为解读人类生命“天书”的人类基因组计划的成功实施，生命科学的战略重点转移到以阐明人类基因组整体功能为目标的功能基因组学上。蛋白质作为生命活动的“执行者”，自然成为新的研究焦点。以研究一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质为特征的蛋白质组学自然就成为功能基因组学中的“中流砥柱”，构成了功能基因组学研究的战略制高点。
目前蛋白质组学的主要内容是建立和发展蛋白质组研究技术方法，进行蛋白质组分析。为了保证分析过程的精确性和重复性，大规模样品处理机器人也被应用到该领域。整个研究过程包括样品处理、蛋白质的分离、蛋白质丰度分析、蛋白质鉴定等步骤。
附图
自1995年蛋白质组一词问世到现在，蛋白质组学研究得到了突飞猛进的发展。我国的蛋白质组研究也在迅速开展，并取得了许多有意义的成果，中国科学家已经在重大疾病如肝癌，比较蛋白质组学的研究等方面取得了重要成就，在“973”计划的资助下，我国已经开始了二维电泳蛋白组分离研究、图像分析技术和蛋白质组鉴定质谱技术研究等。
如何抓住国际上蛋白质组学研究刚刚启动的时机，迅速地进入到蛋白质组学研究的国际前沿，是摆在我国生命科学研究发展方向上的一个重要课题。
目前我国在该领域的研发基础较好，只比先进国家落后5年左右。蛋白质组学属科学前沿，专家建议结合我国现行的基因组研究及其他有我国特色或优势的领域开展研究，不要重复或追随国际已有的工作，而应走自己的路，未来10年内有可能取得重大科学突破。
生物制药技术
生物制药被称为生物技术的“第一次浪潮”，其诱人前景引起了全世界各国政府、科技界、企业界的高度关注。
在过去的30年间，全球生物技术取得了令人瞩目的成就。据美国著名咨询机构安永公司2004年和2005年发表的第十八和第十九次全球生物技术年度报告分析，2003年全球生物技术产业营收达410亿美元。目前已有190余种生物技术产品获准上市，激发起投资者对生物技术股与融资的兴趣。
近20年来，我国医药生物技术产业取得了长足的进步，据《中国生物技术发展报告2004》统计，我国已有25种基因工程药物和基因工程疫苗，具有自主知识产权的上市药物达9种，重组人ω－干扰素喷鼻剂2003年4月获得国家临床研究批文，可用于较大规模高危人群的预防。但总体上与世界先进水平相比还存在很大的差距，医药生物技术产品的销售收入仅占医药工业总销售额的7.5％左右。
为加快我国生物制药技术的发展，今后的研究开发重点是：
——生物技术药物（包括疫苗）及制备技术。围绕危害人民健康的神经系统、免疫系统、内分泌系统和肿瘤等重大疾病和疑难病症的防治与诊断，应用基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等技术，开发单克隆抗体、基因工程药物、反义药物、基因治疗药物、可溶性蛋白质药物和基因工程疫苗，拓宽医药新产品领域；
——高通量筛选技术。目前，国外许多制药公司已把高通量筛选作为发现先导化合物的主要手段。典型的高通量筛选模式为每次筛选1000个化合物，而超高通量筛选可每天筛选10万多个化合物。随着分析容量的增大，分析检测技术、液体处理及自动化、连续流动以及信息处理将成为未来高通量筛选技术研究的重点；
——天然药物原料制备。目前，已经发现人类患有3万多种疾病，其中1／3靠对症治疗，极少数人能够治愈，而大多数人缺乏有效的治疗药物。以往多用合成药物，随着科技的进步，人们自我保健意识增强，对天然药物的追求与日俱增。当前世界各国都在加强天然药物的研发。
生物信息学研究
在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析，对基因组研究相关生物信息获取、加工、储存、分配、分析和解释——上世纪80年代一经产生，生物信息学就得到了迅猛发展。其研究一方面是对海量数据的收集、整理与服务；另一方面是利用这些数据，从中发现新的规律。
具体地讲，生物信息学是把基因组DNA序列信息分析作为源头，找到基因组序列中代表蛋白质和RNA基因的编码区；同时，阐明基因组中大量存在的非编码区的信息实质，破译隐藏在DNA序列中的遗传语言规律；在此基础上，归纳、整理与基因组遗传信息释放及其调控相关的转录谱和蛋白质谱的数据，从而认识代谢、发育、分化、进化的规律。另外生物信息学还利用基因组中编码区的信息进行蛋白质空间结构的模拟和蛋白质功能的预测，并将此类信息与生物体和生命过程的生理生化信息相结合，阐明其分子机理，最终进行蛋白质、核酸的分子设计、药物设计和个体化的医疗保健设计。
生物信息学的发展已经将基因组信息学、蛋白质的结构计算与模拟以及药物设计有机地连接在一起，它将导致生物学、物理学、数学、计算机科学等多种科学文化的融合，造就一批新的交叉学科。
科学家们普遍相信，本世纪最初的若干年是人类基因组研究取得辉煌成果的时代，也是生物信息学蓬勃发展的时代。据预测，到2005年生物信息的全球市场价值将达到400亿美元。
我国生物信息学研究起步较早。20世纪80年代末，国内学者就在《自然》上报道了免疫球蛋白基因超家族计算机分析的工作。目前，多家大学和研究机构也相继成立了生物信息中心或研究所，各种原始数据库、镜像数据库和二级数据库也已经逐步建立，同时我国还建立了相关的工作站和网络服务器，实现了与国际主要基因组数据库及研究中心的网络连接，开发了用于核酸、蛋白结构、功能分析的计算工具以及蛋白质三维结构预测、并行化的高通量基因拼接和基于群论方法开发的基因预测等多种软件。中国学者还运用自主开发的电脑克隆程序，开展了大规模EST数据分析，建立了一系列基因组序列分析新算法和新技术，并在国内外著名科学杂志上发表了一系列论文，取得了引人注目的进展，尤其在人类基因组基因数目的预测上获得了与目前的实验事实相当吻合的结果，在国际上获得普遍认可。
农作物新品种培育技术
最近几年，农业生物技术的发展对农业产业结构调整产生的巨大影响，已引起各国政府和科学家的高度重视。农业生物技术领域研究中最活跃的是育种技术——应用现代分子生物学和细胞生物学技术进行品种改良，创造更加适合人类需要的新物种，获得高产、优质、抗病虫害新品种。这使得新品种层出不穷，品种在农业增产中的贡献率将由现在的30％提高到50％。国际水稻研究所已经培育出每公顷7500公斤的超级水稻，非洲培育出增产10倍的超级木薯。
我国该领域的基础研究和高技术研究取得了一批创新成果：如植物转基因技术、细胞培育技术、籼稻的全基因组测序、花粉管通道转基因方法等，使研制具有自主知识产权的转基因农作物新品种成为现实和可能。目前，已培育出亩产达到807.4公斤的超级杂交稻；2004年转基因抗虫棉的种植面积已占全国棉花种植面积的50％左右；利用细胞工程技术培育的抗白粉病、赤霉病和黄矮病等小麦新品种已累计推广1100多万亩；植物组织培养和快繁脱毒技术在马铃薯、甘蔗、花卉生产中发挥了重要的作用。
专家认为，我国农作物新品种培育的研发基础较好，整体科研技术与国外处于同等水平，只要充分利用资源，发挥优势，很可能在该领域取得突破。
纳米材料与纳米技术
纳米科技是上世纪末才逐步发展起来的新兴科学领域，它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。
近年来，科技强国在该领域均取得了相当重要的进展。
在纳米材料的制备与合成方面，美国科学家利用超高密度晶格和电路制作的新方法，获得直径8nm、线宽16nm的铂纳米线；法国科学家利用粉末冶金制成了具有完美弹塑性的纯纳米晶体铜，实现了对纳米结构生长过程中的形状、尺寸、生长模式和排序的原位、实时监测；德国科学家巧妙地利用交流电介电泳技术，将金属与半导体单壁碳纳米管成功分离；日本用单层碳纳米管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料。
在纳米生物医学器件方面，科学家用特定的蛋白质或化合物取代用硅纳米线制成场效应晶体管的栅极用以诊断前列腺癌、直肠癌等疾病，成百倍地提高了诊断的灵敏度。另外，纳米技术在医学应用、纳米电子学、纳米加工、纳米器件等方面也有新进展。与此同时，国外大企业纷纷介入，推动了纳米技术产业化的进程。
当前纳米材料研究的趋势是，由随机合成过渡到可控合成；由纳米单元的制备，通过集成和组装制备具有纳米结构的宏观试样；由性能的随机探索发展到按照应用的需要制备具有特殊性能的纳米材料。
纳米材料和技术很可能在以下四个领域的应用上有所突破：一是IT产业（芯片、网络通讯和纳米器件）；二是在生物医药领域应用纳米生物传感的早期诊断和治疗，到2010年将给人类带来新的福音；三是在显示和照明领域的应用已有新的进展，纳米光纤、纳米微电极等已产生极大影响；四是纳米材料技术与生物技术相结合，在基因修复和标记各种蛋白酶等方面蕴育新的突破，预计2010年纳米技术对国际GDP的贡献将超过2万亿美元。
我国纳米材料研究起步较早，基础较好，整体科研水平与先进国家相比处于同等水平，部分技术落后5年左右。目前有300多个从事纳米材料基础研究和应用的研究单位，并在纳米材料研究上取得了一批重要成果，引起了国际上的广泛关注。据英国有关权威机构提供的调查显示，我国纳米专利申请件数排名世界第三位。
国内目前已建成100多条纳米材料生产线，产品质量大都达到或接近国际水平。与发达国家相比，我国的差距一是在纳米材料制备与合成方面尚处于粗放阶段，缺乏应用目标的牵引，集成不够；二是纳米材料计量、测量和表征技术明显落后于国外，对标准试样和标准方法的建立重视不够，对表征手段的建立投资不足；三是纳米材料的基础研究、应用研究和开发研究出现脱节，纳米材料研究缺乏针对性；四是学科交叉、技术集成不够。
链接：
信息技术正在发生结构性变革
目前，信息技术正在发生结构性的变革，在信息器件向高速化、微型化、一体化和网络化发展的同时，软件和信息服务成为发展重点。大规模集成电路正快速向系统芯片发展；移动通信技术正在向第三代、第四展，将提供更优质、更快速、更安全的服务，并带来巨大的经济利益；电信网、计算机网和有线电视网三网融合趋势进一步加快，无线网络成为世界关注的重点；全球化的信息网络将像电力、电话一样为社会公众提供各种信息服务，越来越深刻地改变着人们的学习、工作和生活方式，也将对产业结构调整产生重大影响。
微电子技术、计算机技术、软件技术、通信技术、网络技术等领域的发展方兴未艾，极有可能引发新一轮产业革命。
大显神通的新材料
高性能结构材料是具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，对支撑交通运输、能源动力、电子信息、航空航天以及国家重大工程起着关键性作用。
新型功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的材料，是信息技术、生物技术、能源技术和国防建设的重要基础材料。当前国际上功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如信息功能材料、超导材料、生物医用材料、能源材料、生态环境材料及其材料的分子、原子设计正处于日新月异的发展之中。
篇10
“营养液、白蛋白、血浆、鲜血一滴滴一瓶瓶，日复一日年复一年地流进他的体内，可是身体仍然不可抑止地衰竭，每一根神经都异常地敏感和脆弱，每一个细胞都奄奄一息……”
“精准”一直是医者孜孜以求的目标。但不得不承认，医学是一门非常复杂的学科，医学上仍有很多未被攻克的难题。而医生在诊断和治疗的过程中，过度诊断和过度治疗、无效治疗及有害治疗等问题如噩梦一般困扰着医生和病人。发展精准医学不仅能推动医疗的进步，或许还能帮助人们跨越医患矛盾的鸿沟。
政策利好下的精准医学
精准医学代表着医学科学技术发展的前沿方向，欧美等国都在积极布局精准医学计划。
为了加快突破重大疾病防控技术，占据未来医学及相关产业发展主导权，打造中国生命健康产业发展的新驱动力，2015年中国启动了精准医学计划。
2016年3月，科技部的《国家重点研发计划精准医学研究等重点专项2016年度项目申报指南的通知》，精准医学研究被列为2016年优先启动的重点专项之一，并正式进入实施阶段。
精准医学研究专项主要部署新一代临床用生命组学技术研发，大规模人群队列研究，精准医学大数据的资源整合、存储、利用与共享平台建设，疾病防诊治方案的精准化研究，精准医学集成应用示范体系建设等5个任务，旨在为提升人口健康水平、减少无效和过度医疗、避免有害医疗、遏制医疗费用支出快速增长提供科技支撑，使精准医学成为经济社会发展新的增长点。
此外，2016年7月28日，精准医学被列入《“十三五”国家科技创新规划》重点部署任务之一。
一系列政策利好，精准医学引起了国内学术界、医疗界、资本界的极大重视。
从人类基因组计划到精准医学的过渡
说到精准医学，绕不开人类基因组计划。上个世纪90年代初启动的人类基因组计划，被誉为生命科学的“登月计划”。历时十年，耗费约30亿美元。最终以科学家宣布完成人类基因组草图的绘制工作落下帷幕。这一切的起因是为了“理解肿瘤”，却开启了基因测序技术研究的序幕。
基因测序是一种新型基因检测技术，能够从血液或唾液中分析测定基因全序列，预测罹患多种疾病的可能性。2013年5月，有着家族癌症史的女星安吉丽娜・朱莉通过基因测序，发现乳腺癌高风险后切除乳腺，这项技术也引发了世界范围内的关注。而随着基因测序技术的不断成熟，成本的不断降低，精准医学计划的大幕也由此拉开。
对基因组的解读仍是待解之谜
基因测序是精准医学的基础环节之一，但不是精准医学的全部。
复旦大学生物医学研究院刘雷教授告诉《经济》记者，由于疾病的复杂性，过去大众化的诊疗方案往往不准确。通过基因测序可将疾病的分类更细致，并针对患者的个人情况、遗传背景制定更准确的诊疗方案。中医理论中的“同病异治”也蕴含着这一道理。过去医生看病只停留在细胞层面，“其实这种分类很粗糙”。如今我们可以观察疾病在分子层面上的变化。“通过基因测序可检测出哪个基因出了问题，不同基因用药也不同，可以提高用药效率。”
很多临床医生认为，疾病尤其是癌症的早期发现比晚期的精准治疗更有意义。
首都医科大学肺癌诊疗中心主任支修益告诉《经济》记者，30年前，经临床症状确诊为晚期癌症患者超过85%，他们直接失去了外科手术的机会。如今省会城市的晚期肺癌患者已降至60%-70%，而地县级以下地区的晚期患者仍在70%-80%之间。“由此可见，我国在癌症早期诊断方面仍有很大缺陷，应予以重视。”
如果通过基因检测、液体活检等技术提前锁定癌症高发地区和高危人群，“一旦发现早期肺癌，可以通过现有的技术治愈肿瘤，不必让患者毫无尊严地经受放疗、化疗，也不必因肺癌而死亡。”
支修益表示，吸烟、雾霾、厨房油烟、装修材料、爱生闷气等“五气缠身”的人是肺癌的高发人群。相关性并不意味着它们互为因果关系。譬如，当发现患者的肺部有阴影时，到底哪些人需要进行医疗干预？哪些是外科手术后的高危人群？哪些是化疗后注定失败的人群等，仍需要通过对基因组学的研究、解读获得答案。
从基因测序的技术来看，第二代测序技术不仅大大地减低了基因测序成本，也大幅提高了测序速度。“相比第一个基因组花费了上亿美元的测序成本，如今检测一个人的基因组大约需要1000美元。”刘雷认为，目前来看基因测序已不是问题，但我们并不清楚这些基因所代表的意义和功能。我们对基因的了解只是冰山一角，甚至不到10%。“人类的基因组像一本书，但是我们还无法读懂”。因而，对基因组的解读仍是待解之题。
清华大学生命科学学院教授孟安明表示，精准医疗的前提是我们对疾病相关的基因作用机制有了深入了解。人类约有两万个基因，我们对它却知之甚少。“目前来看，当前精准医学能做的十分有限，精准只是针对有限的疾病，而且并非十分可靠，但它的确是未来的发展方向。”
基因产业发展遇瓶颈
近年来，随着基因测序技术不断突破，基因产业的发展也渐入佳境。
在第三届全国功能基因组学学术峰会上，北京百迈客生物科技有限公司总裁郑洪坤告诉《经济》记者，国外Illumina、Life Tech、Roche等基因测序仪、试剂的制造商在基因产业上游形成垄断局面，“其他企业在上游的生存空间相对较小。”
中游为基因测序服务领域，也被称为“测序工厂”，企业从上游买来测序仪、试剂为机构和个人提供测序数据和测序服务，“由于没什么技术门槛，中游基本处于“红海”状态，是整个产业链价值最低的一环”，凯风创投管理合伙人黄昕告诉记者。
郑洪坤表示，下游是基因解读和挖掘的环节。随着中游呈现爆发式的增长，基因测序成本的降低，也产生了大量的基因数据。“但基因数据背后的价值，是大家面临的一个难题。”目前对基因大数据挖掘、技术储备，以及人才储备等相对短缺，“这是一个偏蓝海的市场”。
“未来基因测序的竞争优势体现在对基因数据的解读上，而不在于测速有多快。”刘雷指出，对基因大数据的分析和解读是当前国内外基因产业面临的最大瓶颈。
健康医疗大数据共享难题有待破解
据了解，美国的“精准医疗”计划将收集超过100万个美国人的健康信息和遗传数据，以用于靶向药物的研发。大规模人群队列研究也是中国精准医学计划的重点项目之一，而“百万级自然人群国家大型健康队列研究”是其中的分项。
可以说，健康医疗大数据是精准医疗的另一个基础环节，它由基因组学数据、临床数据、表型数据、居民生活方式数据，以及环境等其他数据构成。南通大学医学信息学系主任、数字医学研究所所长董建成告诉《经济》记者，表型是指个体形态、功能等各方面的表现，如身高、肤色、血型、酶活力、药物耐受力乃至性格等。环境是指大气污染、土壤污染、食品安全等环境因素对人体的影响。
值得注意的是，个人生活方式的数据，也越来越受到关注。“越来越多的人认识到吸烟、饮酒、不良饮食习惯对身体的危害，也意识到在饮食中限盐、限油可以降低患病几率。”
董建成表示，精准医学的内涵是在大样本获得疾病分子机制的知识体系基础上，以生物医学数据特别是生命组学数据为依据，根据患者个体在基因型、表型、环境、生活方式等各方面的特异性，应用现代遗传学、分子影像学、生物信息学和临床医学等方法与手段，制定个性化的精准预防、精准诊断和精准治疗方案。“医生只有在获得了真正的健康医疗大数据的基础上，其预防、诊断和治疗方案才能更加精准。”刘雷指出，精准医学将产生海量数据，而精准医学的应用也将依赖于对数据和信息的深度、准确分析。
从2009年，我国开始建立社区健康档案，采集了社区的健康医疗数据，以及有限的生活方式数据。医院的临床数据仍保存在各家医院之中，与基因组数据的交互较少。从目前来看，我国的健康医疗大数据资源较为分散。“大数据资源难以共享是当前最大的问题。”现在每个人的临床数据、社区数据及基因数据难以有效整合。然而，只有实现了数据共享，才能通过大数据的技术将它们进行分析、解读，应用到临床实践中，帮助医生提高医疗质量，减少医疗差错。
2016年6月24日，国务院的《关于促进和规范健康医疗大数据应用发展的指导意见》指出，到2017年底，实现国家和省级人口健康信息平台以及全国药品招标采购业务应用平台互联互通，基本形成跨部门健康医疗数据资源共享共用格局。到2020年，建成国家医疗卫生信息分级开放应用平台，实现与人口、法人、空间地理等基础数据资源跨部门、跨区域共享，医疗、医药、医保和健康各相关领域数据融合应用取得明显成效。“但是目前科研人员无法从任何一家医院调出数据进行研究，要实现数据共享，我们还有很长的路要走。”董建成指出，未来随着健康医疗大数据的互联互通，处理大数据的技术和方法愈来愈重要，相关的人才培养及相关技术的研究应予以重视。
据第四次全国城乡居民健康素养监测结果显示，2014年中国居民健康素养水平为9.79%，比2013年的9.48%提高0.31个百分点，比2012年的8.80%提高0.99个百分点，据此估计，全国15-69岁的人群中，具备健康素养的人数约为1.01亿。董建成告诉记者，随着百姓健康素养的不断提高，他们认识到并非所有的疾病都能够治愈，我们还有很多医学难题尚待攻破，“不仅可以解决当前愈演愈烈的医患矛盾，还能提升他们的健康水平。”
知识库助力大数据解读
基因组学数据尚待解读，临床数据与基因组学数据无法有效整合等问题，导致医疗健康大数据无法应用到临床实践中。刘雷认为，精准医疗知识库的构建能够解决这一瓶颈。
2016年10月，由刘雷负责的“疾病研究精准医学知识库构建”正式启动，这是精准医学研究的重点项目之一。刘雷告诉记者，目前世界上缺少较为完善的精准医学知识库。他希望通过5年时间做成领先国外的精准医疗知识库，填补国内精准医学知识库领域的空白。知识库将为科研人员从海量信息中高效准确地找到相关的知识开展研究，帮助临床医生通过诊断结果精准地判断疾病类型，寻找最佳治疗方案。“这是精准医学的关键环节。”
刘雷认为，对基因组学数据的解读是一个限速步骤。如果没有完善的精准医学知识库便制约了解读基因组的速度。我们可以在一天之内读出很多人的基因组，却无法知晓它代表的意义、基因突变代表的意义，以及药物与疾病之间的关系。“我们在这方面的解读很慢，需要查找散落在各地的数据库，然后通过查找文献，再进行解读。”精准医学知识库就是加快对基因组解读的速度。将基因检测的结果通过知识库解读出来，甚至形成报告，对科研、诊疗都是一种支撑。一旦把限速步骤拿掉，会提高精准医学的效率。
精准医疗投资虚火过旺
未来精准医疗产业的发展潜力巨大，刘雷对此十分乐观。
据火石创造统计数据显示，国内精准医疗相关的企业数量约370家。从2010年开始关注国内精准医疗领域的黄昕认为，精准医疗仍处于发展初期。但是创业者和资本的蜂拥而至，尤其是在临床应用领域，当前精准医疗有些虚火过旺。
“相比国外，我国的临床数据资源更丰富，每家医疗机构病人的数量众多。”黄昕告诉记者，但从国家在精准医疗的整体构架来看，缺乏完善的生态体系的支持。“不管是科研机构还是企业都在单打独斗，没有良好的生态环境促进整个行业的成长。”
