作為我國第一本系統介紹人類基因組計劃的書籍，第一版《解碼生命》出版至今，已有20年之久。在過去的年歲裡，後續進展令人眼花繚亂，人類正在認識自我的徵程上大步前進，因此又到了對「解碼生命」進行總結和展望的時候。
20 年過去了，在完成人類染色體DNA 測序的基礎上，功能基因組、表觀基因組、蛋白質組等研究進展迅速，與疾病相關的基因及其致病機制不斷被發現，眾多基因靶向藥物以及臨床基因檢測和治療方案研發成功，基因編輯、定量計算、冷凍電鏡等生物學技術日臻完善，新方法、新知識、新技術、新思想層出不窮，人類正以前所未有的速度從各個維度，特別是從分子水平揭示生命的奧秘。此刻又到了對「解碼生命」進行總結和展望的時候，很需要再次全面、系統地介紹近20 年來生命科學領域的研究進展與現狀。有幸的是，賀林院士把握全局，下決心動員同仁們一起努力，再版《解碼生命》。從發展的眼光來看，他們把書的副標題修改為「從多視角看生命」，現在他們已經基本上完成了既定任務。
再版後的該書內容豐富、編排有序、觀點獨到、立意深刻，是一本不可多得的剖析生命科學主流前沿的讀物，推薦相關研究人員、青年學者、臨床醫務工作者，以及所有熱愛生命、對生命奧秘感興趣的社會各界人士閱讀！
2020 年7 月
20年後的今天
解碼生命
有怎樣新的探索與發現？
01
從多學科的視角
向讀者展現出
生命本身的複雜特徵及其關聯性
以及
在不同遺傳和環境作用下
產生的多樣性
第一篇 人類基因組計劃及後續相關計劃
1 人類基因組計劃的始末 3
引言 3
1.1 HGP的起始 3
1.1.1 背景 3
1.1.2 國際化 4
1.2 技術目標與路線 6
1.2.1 討論與啟動 6
1.2.2 技術目標 7
1.2.3 技術路線 10
1.2.4 模式生物 11
1.3 HGP的完成及中國的貢獻 12
1.3.1 HGP的完成 12
1.3.2 中國的貢獻 13
1.4 HGP的意義和影響 14
1.4.1 開創了「合作」這一新文化 14
1.4.2 催生了「組學」這一新學科 15
1.4.3 發展了「測序」這一新技術 15
1.5 HGP的相關生命倫理問題（HELPCESS）15
1.5.1 H：將「人」字寫在「天上」15
1.5.2 E：生命倫理是生命科學的準則 16
1.5.3 L：有法可依、無法則立、違法必究 16
1.5.4 P：科學決策與「魚水之情」16
1.5.5 C：科學也是美麗的 17
1.5.6 E：「無形之手」與科學的未來 17
1.5.7 S：防患於未然 17
1.5.8 S：為了人類福祉與社會和諧 17
結語 18
2 承上啟下的國際單體型圖（HapMap）計劃 19
引言 19
2.1 HapMap計劃及形成背景 19
2.1.1 最常見變異——單核苷酸多態位點 19
2.1.2 單體型和標籤SNP位點 19
2.1.3 遺傳多態與複雜性疾病 20
2.1.4 應運而生的HapMap計劃及其策略 21
2.1.5 人群和樣本設計 21
2.1.6 遺傳分型技術 22
2.2 HapMap計劃的實施 23
2.2.1 國際協作組的周密準備及任務分工 23
2.2.2 嚴格規範的倫理設計和操作 24
2.2.3 中國樣本的採集 24
2.2.4 HapMap中國卷 25
2.2.5 數據及方法的及時發布和應用 27
2.2.6 HapMap計劃的分期和完成 28
2.3 人類基因組單體型圖的構建 30
2.3.1 SNP挖掘和dbSNP庫的擴充 30
2.3.25 kb-bins的劃分和分型反應的終止規定 31
2.3.3 HapMap數據概況 31
2.3.4 數據的質量控制與評估（QC/QA）32
2.3.5 局部單體型詳細分解和ENCODE Pilot區域 33
2.3.6 單體型圖及其性質 34
2.3.7 SNP位點之間的關係及代表性 36
2.3.8 基於HapMap數據的標籤SNP選擇和評估 37
2.4 HapMap數據揭示的人類基因組 39
2.4.1 結構變異及其多態性 39
2.4.2 全基因組的重組率和LD的人群圖譜 42
2.4.3 自然選擇和人群演化信號 42
2.5 從HapMap到GWAS Catalog 47
2.5.1 HapMap掀起的GWAS大潮 47
2.5.2 GWAS的暗物質——遺傳度缺失及其應對 49
2.5.3 GWAS Catalog及研究趨勢 52
2.6 承上啟下的國際單體型圖計劃 55
2.6.1 HapMap計劃推動基因組科學和組學研究的發展 55
2.6.2 從HapMap進入基因組醫學時代 56
2.6.3 再次打破基因專利威脅和巨大公益項目的典範 57
2.6.4 HapMap計劃對於中國基因組科學的重要促進 59
結語 59
3 ENCODE計劃的「野心」60
引言 60
3.1 背景資料 60
3.2 科學家們怎麼做的 60
3.2.13 C、5 C、Hi-C及ChIA-PET技術 60
3.2.2 DNase-Seq、FAIRE-Seq、ATAC-Seq、ChIP-Seq和MNase-Seq技術 63
3.2.3 WGBS和RRBS技術 64
3.2.4 計算機生物學預測技術 67
3.2.5 RNA-Seq技術 68
3.3 在ENCODE計劃中，科學家得到什麼 70
3.3.180%的基因組與生化有關 70
3.3.2 建立轉錄因子網絡：基因調控存在遠程幹預 70
3.3.3 作為人類基因組計劃的延續 70
3.3.4 生物計算時代的來臨 70
3.3.5 演化生物學壯大的藍圖 71
3.4 ENCODE計劃的野心與未來 71
結語 72
4 全基因組關聯分析的歷史使命 73
引言 73
4.1 連鎖分析 73
4.2 關聯分析 74
4.3 GWAS 75
4.3.1 基本概念 75
4.3.2 研究設計 76
4.3.3 數據處理 78
4.4 GWAS與人類複雜疾病/性狀研究的發展 79
4.4.1 年齡相關性黃斑變性：國際上首個複雜疾病的GWAS研究——開啟GWAS研究序幕 79
4.4.2 銀屑病：中國首個複雜疾病的GWAS研究——中國GWAS研究的裡程碑 80
4.4.3 中國的GWAS研究總結 81
4.5 GWAS的深入研究 82
4.5.1 基因型填補 83
4.5.2 薈萃分析 83
4.5.3 基因水平的關聯分析 83
4.6 GWAS的延伸應用及臨床轉化 84
4.6.1 篩選並確定與複雜性狀相關聯的基因和位點 84
4.6.2 高通量測序 84
4.6.3 表觀基因組學研究 85
4.6.4 其他組學研究 86
4.6.5 調整遺傳標誌物的應用期望 86
4.6.6 藥物基因組學研究 86
4.6.7 複雜性狀/疾病的預測 87
4.6.8 藥物開發 87
4.6.9 藥物臨床指導 87
4.6.10 藥物不良反應預測 88
4.7 GWAS的瓶頸及解決方案 89
4.8 GWAS的展望——後GWAS時代 89
結語 90
5 千人基因組計劃的起始與作用 91
引言 91
5.1 從人類起源到人類千人基因組計劃 91
5.2 千人基因組計劃的研究目的、內容、參與團隊和各自分工 92
5.3 千人基因組計劃的技術路線和重要研究成果 92
5.4 千人基因組計劃的應用價值與研究意義 96
5.4.1 基因型估算 97
5.4.2 稀有多態性位點 98
5.4.3 演化遺傳學和人口史 99
5.4.4 遺傳變異對基因表達的影響 100
5.4.5 醫學遺傳學 101
5.4.6 其他應用 101
5.5 千人基因組計劃的局限性和展望 102
結語 102
6 通過十萬人和百萬人基因組計劃看人類基因組 103
引言 103
6.1 風起雲湧的世界各國基因組計劃 103
6.1.1 英國 103
6.1.2 美國 104
6.1.3 冰島 104
6.1.4 日本 105
6.1.5 法國 105
6.1.6 新加坡 105
6.1.7 俄羅斯 106
6.1.8 荷蘭 106
6.1.9 印度 106
6.1.10 亞洲人基因組計劃 106
6.2 中國十萬人基因組計劃 107
6.2.110 萬參比人群的確定與表型組、暴露組數據的收集與整合 107
6.2.210 萬人群全基因組測序與基因組變異檢測 108
6.2.3 中國人群基因、環境與表型關聯關係的挖掘 110
6.2.4 中國十萬人基因組計劃的意義 111
6.3 人類泛基因組研究 111
6.4 百萬人基因組計劃展望 112
結語 112
7 美國癌症基因組圖譜和精準醫學計劃的「企圖」113
引言 113
7.1 TCGA計劃的基本情況 113
7.1.1 TCGA計劃的歷史和對應的數據 113
7.1.2 TCGA計劃的運作方式 115
7.1.3 TCGA計劃產出的數據管理 116
7.1.4 TCGA數據的挖掘與再利用 116
7.2 TCGA計劃的主要科學發現 116
7.2.1 典型癌症研究舉例 117
7.2.2「泛癌症圖譜」的主要發現 127
7.3 TCGA計劃的意義和影響 135
7.4 精準醫學計劃的提出 136
7.5 精準醫學計劃的當前進展 137
7.5.1 圍繞短期目標的進展 137
7.5.2 圍繞長期目標的進展 139
結語 141
8 被HGP撬開的人類微生物組整合計劃 143
引言 143
8.1 HGP的局限性與「人類微生物組計劃」的啟動 143
8.1.1 HGP的局限性 143
8.1.2 人類微生物組相關計劃概況 144
8.1.3 HMP與HGP的關係 145
8.2 HMP主要成果 146
8.2.1 健康成人的人體共生微生物組的組成特點 146
8.2.2 人體共生細菌分離物的參考基因組測序和分析 148
8.2.3 元基因組數據及分析方法和工具 148
8.2.4 微生物群落生態關係 149
8.2.5 特定人群腸道、陰道和皮膚等部位的微生物組研究 150
8.3 人類微生物組整合計劃（iHMP）主要成果和未來發展方向 151
8.3.1 人類微生物組整合計劃（iHMP）開展的背景和簡介 151
8.3.2 生殖道微生物組、懷孕及早產 152
8.3.3 腸道微生物組與炎症性腸病 153
8.3.4 糖尿病前期的多組學譜 154
8.3.5 宿主-微生物組的相互作用 155
8.3.6 iHMP提供的公共資源 155
8.3.7 微生物組多組學研究的未來 156
結語 156
9 我國單靶標基因組計劃的更合理性 157
引言 157
9.1 中國先天性遺傳缺陷現狀 157
9.2 國內外相關研究計劃 159
9.3 臨床遺傳諮詢事業的需求 161
9.3.1 遺傳病的異質性需要HGPST 161
9.3.2 HGPST有利於推進不同疾病遺傳解讀指南的建立 161
9.3.3 HGPST將推進中國人群高發遺傳疾病和熱點致病變異圖譜的完備 161
9.3.4 HGPST有利於揭示特定複雜遺傳病的致病機制並擴展其臨床表型資料庫 162
9.3.5 HGPST將有利於遺傳諮詢開展和公共政策制定 162
9.4 HGPST的原理（理論依據）162
9.4.1 HGPST將更全面地發現各種特定疾病具有臨床應用價值的致病變異 163
9.4.2 HGPST將極大擴充中國人群遺傳背景信息，為完善ACMG指南針對中國人群疾病進行精確診斷提供充分證據 163
9.4.3 通過HGPST獲取中國人群特有的致病位點，提高對於序列變異在核苷酸及胺基酸水平上產生功能影響的預測可靠性，提升數據解讀的效力 164
9.4.4 HGPST對特定疾病樣本量的需求 164
9.4.5 各個HGPST數據集的資源充分共享可以促進遺傳病的精準診療 165
9.5 關於HGPST具體操作的設想 165
9.6 中國兒童先天性心臟病單靶標基因組計劃（HGPST-CHD）167
9.6.1 項目介紹 167
9.6.2 項目背景 168
9.6.3 項目目標 172
結語 173
10 用人類最大規模基因組聚集資料庫（gnomAD）進行的「解碼生命」分析 175
引言 175
10.1 遺傳信息大數據的特徵 175
10.2 遺傳大數據採集和集成 176
10.2.1 遺傳大數據的採集 176
10.2.2 基因組聚集資料庫簡介 177
10.2.3 遺傳大數據分析和挖掘 179
10.2.4 遺傳大數據注釋、可視化展示和應用 183
結語 189
11 解碼生命的結點究竟在哪裡 190
引言 190
11.1 背景資料 190
11.2 GTEx繪製跨人類組織的遺傳調控作用圖集 191
11.2.1 數量性狀位點的發現 192
11.2.2 遺傳調控在人種和性別中的影響 192
11.2.3 精細定位cis-eQTL於各因果變異 192
11.2.4 QTL相關的功能機制 192
11.2.5 遺傳調控作用介導的複雜性狀 193
11.2.6 遺傳調控作用的組織特異性 193
11.2.7 從組織到細胞類型 193
11.3 性別在人類組織基因表達中的重要作用 194
11.3.1 性別對基因組織特異性表達的影響 195
11.3.2 性別偏向基因的生物學功能 195
11.3.3 性別和疾病影響組織細胞組成 196
11.4 通過跨人類組織的轉錄組特徵識別功能性罕見遺傳變異 196
11.5 人類組織中細胞類型特異性的基因調控的基因表達 198
11.5.1 定位細胞類型互作QTL 198
11.5.2 細胞類型互作QTL與複雜性狀 199
11.6 人類組織端粒長度的決定因素 199
11.6.1 影響相對端粒長度的因素 200
11.6.2 相對端粒長度和年齡相關疾病表型 201
結語 201
參考文獻 202
第二篇 基因組計劃引導生物技術的強勁發展
12 持續高歌猛進的DNA測序技術 227
引言 227
12.1 背景資料 227
12.2 勞苦功高的第一代DNA測序技術 229
12.2.1 從放射性標記到螢光標記 229
12.2.2 從平板電泳到毛細管電泳 229
12.2.3 難以突破的技術瓶頸 229
12.3「第二代」DNA測序技術的崛起 230
12.3.1 聚合酶法 231
12.3.2 連接酶法 231
12.3.3 流洗室、底物螢光標記和循環法測序 231
12.4 第三代單分子測序儀 232
12.4.1 基於ZMW的單分子測序儀 232
12.4.2 基於蛋白質孔的DNA測序儀 233
12.4.3 基於超分辨技術的DNA測序儀 233
12.4.4 RNA直接測序的可行性與必要性 233
12.5 核苷酸測序儀分代：核心技術與技術參數 233
12.5.1 需求體系、技術系統與技術要素 233
12.5.2 第一代到第三代測序儀技術參數詳解 234
12.5.3 第四代需要新的飛躍 235
12.5.4 建立通用平臺的重要性和技術難度 236
12.6 第四代測序技術參數的預期與技術匯聚 236
12.6.1 實現RNA直接測序與理想技術參數 237
12.6.2 RNA序列的直接測定：蛋白質納米孔與固體納米孔 238
12.6.3 組分測定：拉曼增強與其他結構分析技術 238
12.7 終極設計：BPU——高通量的精準片上實驗室 239
12.7.1 DNA和RNA測序需求將永遠存在 239
12.7.2 其他人體生化組分的檢測 240
12.7.3 核心技術的發展和匯聚 240
12.7.4 一些助力思維 240
結語 242
13 晶片技術的經歷與走勢 243
引言 243
13.1 生物晶片的發展歷程 243
13.2 生物晶片的分類 244
13.3 基因晶片 245
13.3.1 基因晶片的種類 245
13.3.2 DNA晶片的應用 245
13.4 蛋白質晶片 246
13.4.1 蛋白質晶片工作原理 247
13.4.2 蛋白質晶片的應用 247
13.5 細胞生物晶片 247
13.5.1 單細胞操控 248
13.5.2 單細胞分析 255
13.6 組織晶片 257
13.7 器官晶片 257
13.7.1 單器官OOC的構建 258
13.7.2 多器官OOC的整合 261
13.8 微流控晶片和晶片實驗室 263
13.8.1 微流控晶片發展歷程 263
13.8.2 微流控技術的優點 263
13.8.3 微流控晶片的應用 264
結語 269
14 蛋白質組學技術及我國的優勢 270
引言 270
14.1 背景資料 270
14.2 蛋白質鑑定技術及其發展歷程 270
14.2.1 基於雙向電泳-質譜的蛋白質組研究策略 271
14.2.2 基於多維色譜-質譜的蛋白質組研究策略 273
14.2.3 蛋白質組學數據分析工具 276
14.3 定量蛋白質組學研究技術 279
14.3.1 螢光雙向差異凝膠電泳技術 279
14.3.2 無標記定量技術 279
14.3.3 同位素輔助多重化學標記技術 280
14.3.4 細胞培養穩定同位素代謝標記技術 281
14.3.5 基於質譜和穩定性同位素標記輔助的絕對定量技術 282
14.4 翻譯後修飾蛋白質組研究 283
14.4.1 蛋白質翻譯後修飾的多樣性及其複雜調控 283
14.4.2 翻譯後修飾蛋白質組研究技術 283
14.5 人類染色體蛋白質組計劃和人類基因組編碼基因注釋校準 286
14.5.1 高覆蓋蛋白質組技術的發展 286
14.5.2 以 1 號染色體蛋白質組研究為例的國際人染色體蛋白質組研究 290
14.5.3 基於染色體的搜尋引擎CAPER的研究進展 291
14.6 人類基因組漏注釋編碼基因的重新注釋 293
14.6.1 基因組注釋出現錯誤的原因 293
14.6.2 如何尋找被遺漏的注釋基因 293
14.6.3 如何檢測新基因的功能 294
14.7 中國人類蛋白質組學研究 295
14.7.1 人類肝臟蛋白質組計劃的發展與成就 295
14.7.2 中國人類蛋白質組計劃進展 297
結語 297
15 代謝組學技術的發展和作用 298
引言 298
15.1 代謝組學的特點及其技術發展 298
15.2 代謝組學促進疾病機制研究 299
15.2.1 代謝組學技術在疾病機制研究中的應用 299
15.2.2 代謝流技術在疾病機制研究中的應用 300
15.3 代謝組學推進精準醫學的發展 301
15.3.1 代謝組學發現新的藥物靶點 301
15.3.2 代謝組學促進發現疾病診斷標誌物 301
15.3.3 藥物代謝組推動實現臨床個性化診療 302
15.4 代謝組學解析腸道微生物與人類健康的關係 304
15.4.1 腸道微生物的代謝物類型 305
15.4.2 腸道微生物與人類疾病 306
15.4.3 腸道微生物和代謝組的結合應用 307
15.5 代謝組學面臨的技術挑戰和未來發展趨勢 308
15.5.1 代謝組學發展面臨的技術挑戰 308
15.5.2 代謝晶片的發展與應用 309
15.5.3 代謝組學在腦科學研究計劃和表型組學研究中的應用 310
結語 310
16 其他組學技術及不同組學間的協同作用 311
引言 311
16.1 糖組學技術及研究進展 311
16.1.1 糖組學介紹 311
16.1.2 糖組學研究技術介紹 312
16.1.3 糖組學的應用 314
16.1.4 糖組學研究展望 314
16.2 離子組學 314
16.2.1 離子組學技術手段 315
16.2.2 植物中離子組學的研究 316
16.2.3 動物中離子組學的研究 318
16.2.4 疾病中離子組學的應用 318
16.2.5 展望 319
16.3 蛋白質相互作用組學 319
16.3.1 蛋白質相互作用組學簡介 319
16.3.2 蛋白質相互作用組研究技術的發展 320
16.3.3 蛋白質相互作用組技術的應用 322
16.3.4 結論與展望 323
16.4 新興組學技術的交叉融合 324
16.4.1 細胞組學 324
16.4.2 影像基因組學 326
16.4.3 免疫組學 328
16.5 主要組學間的協同作用 329
16.5.1 DNA和組蛋白甲基化的協同作用 329
16.5.2 微生物-宿主間的協同作用 330
16.5.3 多組學整合的重要性 331
16.5.4 多組學整合的挑戰 331
16.6 多組學聯合分析推動精準醫學的發展 332
16.6.1 生命組學大數據是精準醫學研究的基石 332
16.6.2 多組學聯合分析策略及技術流程 332
16.6.3 多組學聯合分析在癌症等疾病研究中的進展 333
16.6.4 我國基於多組學的精準醫學研究進展 333
結語 334
17 生物信息學越來越趨於扮演主角 335
引言 335
17.1 生物信息學發展簡史 335
17.1.1 前基因組時代：20世紀90年代以前 335
17.1.2 基因組時代：20世紀90年代到21世紀初期 335
17.1.3 高通量技術時代：21世紀初期至今 336
17.2 序列比對 336
17.2.1 動態規划算法 336
17.2.2 多重序列比對 337
17.2.3 序列資料庫搜索 337
17.2.4 NGS短序列的基因組比對 337
17.2.5 常用序列資料庫 338
17.3 基因組序列拼接 338
17.3.1 基於圖譜的基因組組裝 338
17.3.2 基於全基因組鳥槍法的組裝 339
17.3.3 常用基因組資料庫 340
17.4 序列功能注釋 340
17.4.1 基於同源性的功能預測 340
17.4.2 蛋白質功能域注釋 341
17.4.3 序列motif預測 342
17.4.4 常用序列功能注釋資料庫 343
17.5 基因表達譜分析 344
17.5.1 測序數據預處理和比對 345
17.5.2 差異表達基因和功能富集分析 345
17.5.3 樣本聚類和分類 345
17.5.4 常用表達譜資料庫 345
17.6 基因組變異和關聯分析 347
17.6.1 基因組變異的檢測 348
17.6.2 全基因組關聯分析 348
17.6.3 常用基因組變異和疾病關聯資料庫 349
結語 350
18 基因編輯技術方興未艾 351
引言 351
18.1 背景資料 351
18.2 基因編輯技術的發展歷史 351
18.3 基於CRISPR/Cas系統的基因編輯工具及其衍生工具的發展和應用 353
18.3.1 CRISPR/Cas核酸酶 353
18.3.2 單鹼基編輯器 353
18.3.3 Prime編輯器 355
18.3.4 CRISPR定點整合系統 355
18.3.5 其他衍生工具 355
18.4 基因編輯在疾病模型構建中的應用 357
18.4.1 基因敲除構建疾病模型 357
18.4.2 同源重組製備疾病模型 358
18.4.3 單鹼基基因編輯工具製備點突變疾病模型 358
18.5 基因編輯在功能基因篩選中的應用 359
18.6 成體細胞基因編輯治療研究 360
18.6.1 成體細胞基因編輯治療遺傳疾病 360
18.6.2 成體細胞基因編輯治療腫瘤 362
18.6.3 成體細胞基因編輯治療病毒感染 363
18.7 生殖細胞基因編輯的研究 364
結語 365
19 單細胞測序技術及其應用 366
引言 366
19.1 日新月異的單細胞測序技術 366
19.2 單細胞測序的技術手段 367
19.2.1 單細胞分離技術 367
19.2.2 單細胞基因組測序技術 369
19.2.3 單細胞轉錄組測序技術 371
19.2.4 單細胞表觀基因組測序技術 372
19.2.5 單細胞蛋白質組測序技術 373
19.2.6 單細胞多組學聯合測序技術 374
19.3 單細胞測序技術的應用 375
19.3.1 單細胞測序技術在生殖遺傳和發育生物學中的應用 376
19.3.2 單細胞測序技術在癌症研究中的應用 377
19.3.3 單細胞測序技術在免疫研究中的應用 378
19.3.4 單細胞測序技術在微生物研究中的應用 378
19.3.5 單細胞測序技術在神經科學中的應用 379
19.4 單細胞測序技術的挑戰 379
19.5 單細胞測序技術的前景 380
19.5.1 更大的細胞通量 380
19.5.2 更低的實驗價格 380
19.5.3 更全的空間信息 381
19.5.4 更多的組學應用 381
結語 381
參考文獻 382
第三篇 當前對人類基因組的認識及其拓展
20 目前我們眼中的人類基因組特徵 403
引言 403
20.1 人類基因組的組成 403
20.1.1 基因與基因組 403
20.1.2 核基因組 404
20.1.3 線粒體基因組 405
20.2 人類基因組的表達 407
20.2.1 基因調控表達 407
20.2.2 基因的剪切 407
20.2.3 表觀遺傳學在基因表達中的重要作用 409
20.3 人類基因組DNA變異的平衡 409
20.4 人類基因組的演化 410
20.4.1 人類基因組與其他物種的比對 410
20.4.2 DNA序列多態性：人類個體間差異的基礎 411
20.5 人類基因組的研究總結與展望 411
結語 412
21 人類基因組中的非編碼區和RNA家族 413
引言 413
21.1 背景資料 413
21.2 基因組中的非編碼區 414
21.3 RNA轉錄本的分類與描述 414
21.3.1 編碼蛋白的mRNA 415
21.3.2 非編碼RNA 415
21.4 非編碼RNA的調控功能 421
21.4.1 非編碼RNA發揮調控功能的方式 421
21.4.2 非編碼RNA的生物學功能 423
21.4.3 非編碼RNA與疾病 426
結語 433
22 轉座子在生命過程中的精美調控作用 434
引言 434
22.1 背景資料 434
22.1.1 轉座子沉默機制的研究 435
22.1.2 轉座子的沉默與反沉默 436
22.1.3 轉座子的改造與應用 436
22.2 轉座子在早期胚胎和多能幹細胞中的作用 436
22.2.1 轉座子的功能特點 436
22.2.2 轉座子ERV在早期胚胎和多能幹細胞中的調控作用 438
22.2.3 轉座子LINE在早期胚胎和多能幹細胞中的調控作用 440
22.2.4 轉座子在胎盤發育中的調控作用 444
22.2.5 轉座子與體細胞核移植 444
22.2.6 轉座子與幹細胞多能性調控 445
22.2.7 轉座子在誘導多能幹細胞建立中的作用 447
22.2.8 胚胎發育過程中轉座子研究面臨的挑戰 448
結語 449
23 模式生物在基因組學研究中的應用 450
引言 450
23.1 背景資料 450
23.2 利用模式生物研究基因功能 451
23.2.1 模式生物正向遺傳學研究 451
23.2.2 模式生物反向遺傳學研究 453
23.2.3 利用模式生物研究基因相互作用 454
23.2.4 模式生物基因組學研究 455
23.3 酵母在基因組學研究中的應用 455
23.3.1 酵母生物學 455
23.3.2 酵母遺傳學研究 456
23.3.3 酵母對當代生命科學的貢獻 456
23.3.4 酵母研究資源 457
23.4 線蟲在基因組學研究中的應用 457
23.4.1 線蟲生物學 457
23.4.2 線蟲遺傳學研究 458
23.4.3 線蟲對當代生命科學的貢獻 458
23.4.4 線蟲研究資源 459
23.5 果蠅在基因組學研究中的應用 459
23.5.1 果蠅生物學 459
23.5.2 果蠅遺傳學研究 460
23.5.3 果蠅對當代生命科學的貢獻 461
23.5.4 果蠅研究資源 462
23.6 斑馬魚在基因組學研究中的應用 462
23.6.1 斑馬魚生物學 463
23.6.2 斑馬魚遺傳學研究 463
23.6.3 斑馬魚對當代生命科學的貢獻 463
23.6.4 斑馬魚研究資源 464
23.7 小鼠在基因組學研究中的應用 464
23.7.1 小鼠生物學 465
23.7.2 小鼠遺傳學研究 465
23.7.3 小鼠對當代生命科學的貢獻 467
23.7.4 小鼠研究資源 467
23.8 非人靈長類在基因組學研究中的應用 468
23.8.1 非人靈長類生物學 468
23.8.2 非人靈長類遺傳學研究 468
23.8.3 非人靈長類對當代生命科學的貢獻 469
23.8.4 非人靈長類研究資源 470
結語 470
24 比較基因組學的必要性 471
引言 471
24.1 比較基因組學的概念 471
24.2 比較基因組學的研究內容 472
24.2.1 基因組序列比較 474
24.2.2 基因組結構比較 475
24.2.3 基因組基因數量比較 475
24.3 比較基因組學在演化生物學研究中的應用 477
24.3.1 重建物種演化關係 477
24.3.2 解析物種適應性演化機制 478
24.4 比較基因組學在人類基因組研究中的應用 482
24.5 比較基因組學更多應用的展望 483
結語 484
25 致病基因定位的經典研究 485
引言 485
25.1 致病基因定位研究的歷史回顧 485
25.2 單基因疾病致病基因定位研究 487
25.3 多基因疾病致病基因定位研究 492
結語 497
26 基因與環境間的相互「牽掛」498
引言 498
26.1 背景資料 498
26.2 環境和基因互作的生物學效應 499
26.2.1 環境對基因突變的選擇作用 501
26.2.2 環境對基因轉錄的影響 503
26.2.3 環境因子影響基因的表觀遺傳學修飾 504
26.3 不健康的環境因素 506
26.3.1 化學因素 507
26.3.2 物理因素 509
26.3.3 生物因素 510
26.3.4 生活環境和生活方式 511
結語 512
27 表觀遺傳學增添了理解基因組的附加值 513
引言 513
27.1 表觀遺傳學基本概念 513
27.1.1 DNA甲基化 513
27.1.2 組蛋白修飾的基本概念和機制 515
27.1.3 非編碼RNA 516
27.2 表觀遺傳學研究技術 517
27.2.1 DNA甲基化 518
27.2.2 組蛋白翻譯後修飾 521
27.3 表觀遺傳調控與疾病 521
27.3.1 表觀遺傳調控與腫瘤 521
27.3.2 表觀遺傳調控與代謝類疾病 523
27.4 表觀遺傳調控與獲得性性狀的傳遞 523
27.4.1 獲得性性狀在線蟲中的跨代遺傳 523
27.4.2 獲得性性狀在果蠅中的跨代遺傳 524
27.4.3 獲得性性狀在嚙齒類動物中的跨代遺傳 524
27.4.4 獲得性性狀在人類中的跨代遺傳證據 526
結語 526
28 腸道菌群承擔起平衡機體健康的作用 527
引言 527
28.1 腸道微生物組的結構及其影響因素 527
28.1.1 腸道菌群的結構組成 527
28.1.2 影響腸道菌群結構的因素 528
28.2 腸道菌群在維護宿主健康中的作用 529
28.2.1 腸道菌群與腸屏障功能 529
28.2.2 腸道菌群與免疫 530
28.2.3 腸道菌群與宿主代謝 532
28.3 腸道菌群與結直腸癌 534
28.3.1 結直腸癌患者的腸道菌群組成 534
28.3.2 腸道菌群與結直腸癌發生發展的關係 535
28.3.3 腸道菌群與化療 536
28.4 腸道菌群與2型糖尿病 538
28.4.12 型糖尿病患者的菌群結構特徵 538
28.4.2 腸道菌群與2型糖尿病發生發展的關係 538
28.4.3 腸道菌群在糖尿病藥物改善糖尿病過程中的作用 539
28.4.4 腸道菌群在膳食幹預改善糖尿病中的作用 542
28.4.5 以腸道菌群為靶點的幹預在改善T 2 DM中的作用 544
28.4.6 科赫法則在腸道菌群研究中的應用 545
結語 546
29 對表型組學的新認識 547
引言 547
29.1 現狀帶給的思考 547
29.2 遺傳學的輝煌和瓶頸 547
29.3 表型組學研究達成廣泛共識 550
29.4 表型組學的基礎 552
29.4.1 生命表型解析技術的進步推動表型組學從理論走向應用 552
29.4.2 表型組學標準體系的制定 559
29.4.3 隊列研究方法 560
29.5 表型組學的國際環境 562
29.5.1 美國 562
29.5.2 英國 563
29.5.3 加拿大 564
29.5.4 歐洲 565
29.5.5 日本 566
29.5.6 澳大利亞 567
29.6 中國的表型組學發展 567
29.7 表型組學的應用和前景 569
29.7.1 健康參比圖譜 570
29.7.2 亞健康邊界圖譜 570
29.7.3 疾病靶點圖譜 571
29.7.4 特定才能篩選 572
結語 572
30 生物樣本在生命解碼中至關重要的地位 573
引言 573
30.1 生物樣本庫概況 573
30.1.1 生物樣本庫的定義 573
30.1.2 生物樣本庫的價值 574
30.1.3 生物樣本庫的發展歷程 575
30.1.4 國內外生物樣本庫發展現狀 576
30.2 我國生物樣本標準化 583
30.2.1 中國醫藥生物技術協會組織生物樣本庫分會 583
30.2.2 全國生物樣本標準化技術委員會 584
30.2.3 認可準則 585
30.2.4 國際交流 586
30.3 生物樣本的應用 587
30.3.1 應用領域 587
30.3.2 應用合作 587
30.3.3 應用實例 588
結語 589
31 大數據的形成及其在生命科學中的應用 590
引言 590
31.1 大數據的形成和現狀 590
31.1.1 大數據形成 591
31.1.2 大數據現狀 591
31.1.3 小結 595
31.2 大數據在生命科學中的應用 595
31.2.1 大數據的檢索 596
31.2.2 大數據的挖掘 597
31.2.3 大數據的人工智慧 599
31.2.4 展望 605
結語 606
參考文獻 607
第四篇 基因組學的臨床應用
32 新醫學的提出 657
引言 657
32.1 老醫學越來越趨於走入「死胡同」657
32.1.1 人們對常見疾病的理解與認識 657
32.1.2「補充」醫學的效能 658
32.2 新醫學概念應運而生 660
32.2.1 問題的核心究竟在哪裡？660
32.2.2 遺傳學的根本作用 660
32.2.3 新醫學的另一主要成分——遺傳諮詢 661
32.3 新醫學橫空出世 661
32.3.1 新醫學出世的基礎 661
32.3.2 新醫學的形成及其基本公式 662
32.3.3 手心手背都很重要 664
32.4 新醫學的核心組成 664
32.4.1 遺傳諮詢的廣泛性與普遍性 664
32.4.2 成立中國的遺傳諮詢分會 664
32.4.3 摸索我國遺傳諮詢之路 664
32.5 新醫學還有多少艱難路要走？666
32.5.1 的確不是一條易行之路 666
32.5.2 努力走通新醫學的路 668
結語 668
33 遺傳諮詢之路無法替代 669
引言 669
33.1 遺傳諮詢在我國步履坎坷 669
33.1.1 遺傳諮詢是遺傳病防控的關鍵 670
33.1.2 臨床醫生越來越難以對付當今的醫療形勢 672
33.1.3 美國的遺傳諮詢體系 672
33.1.4 我國遺傳諮詢體系的差距和對策 674
33.2 產前診斷和遺傳諮詢 679
33.2.1 無創產前檢測 679
33.2.2 介入性產前診斷 680
33.2.3 染色體核型分析技術 680
33.2.4 分子診斷檢測技術 681
33.3 遺傳診斷和遺傳諮詢 681
33.3.1 遺傳診斷技術 681
33.3.2 遺傳診斷的重要性日益突出 682
33.4 輔助生殖和遺傳諮詢 683
33.4.1 輔助生殖技術 683
33.4.2 輔助生殖啟動前進行的遺傳學檢測 684
33.4.3 輔助生殖的遺傳諮詢 684
33.5 個體化治療與遺傳諮詢 685
33.5.1 個體化治療是循證醫學的再發展 685
33.5.2 基於藥物療效的個體化治療 686
33.5.3 藥物不良反應的個體化治療 686
33.5.4 個體化治療存在的挑戰與展望 687
33.6 基因治療與遺傳諮詢 687
33.6.1 影響靶基因表達的基因治療 688
33.6.2 基因治療的常用載體 689
33.6.3 修復突變基因的基因治療 689
結語 690
34 常見出生缺陷的遺傳學探究 691
引言 691
34.1 背景資料 691
34.2 出生缺陷的遺傳病因分類 691
34.2.1 染色體病 691
34.2.2 單基因疾病 692
34.2.3 線粒體疾病 693
34.2.4 基因組印記 693
34.2.5 複雜遺傳病 693
34.3 常見染色體疾病所致出生缺陷的遺傳學研究進展 694
34.3.121 三體症候群 694
34.3.2 DiGeorge症候群 696
34.3.3 Williams-Beuren症候群 699
34.4 常見單基因所致出生缺陷的遺傳學研究進展 702
34.4.1 G6PD缺乏症 702
34.4.2 CHARGE症候群 703
34.4.3 IL10RA基因缺陷所致炎症性腸病 704
34.4.4 KCNQ2基因缺陷所致疾病 706
34.5 非經典孟德爾遺傳疾病及其遺傳學研究進展 708
34.5.1 Prader-Willi症候群 708
34.5.2 MELAS症候群 710
34.6 出生缺陷的治療進展 712
34.6.1 罕見病相關藥物的研發 712
34.6.2 器官移植 713
34.6.3 基因治療 714
34.7 出生缺陷的預防 714
34.7.1 一級預防 714
34.7.2 二級預防 715
34.7.3 三級預防 715
結語 715
35 臨床遺傳檢測的進展 716
引言 716
35.1 臨床遺傳檢測的應用 716
35.1.1 新生兒篩查 716
35.1.2 臨床疾病診斷 717
35.1.3 攜帶者檢測 717
35.1.4 伴隨診斷 718
35.2 臨床遺傳檢測的技術及手段 718
35.2.1 細胞遺傳學技術 718
35.2.2 生化遺傳檢測技術 725
35.2.3 分子遺傳學技術 726
35.3 臨床遺傳檢測中應注意的問題 741
35.3.1 臨床遺傳檢測的利弊 741
35.3.2 知情同意書的籤訂 742
35.3.3 小結 742
結語 742
36 產前遺傳學篩查和診斷 744
引言 744
36.1 出生缺陷在我國的問題 744
36.2 傳統的產前遺傳學篩查 744
36.2.1 基於孕婦血清生化指標的產前遺傳學篩查 744
36.2.2 基於超聲的產前遺傳學篩查 746
36.3 遺傳病的產前診斷 747
36.3.1 有創產前診斷的取材方法 747
36.3.2 染色體病的產前診斷 748
36.3.3 基因組拷貝數變異的產前診斷 748
36.3.4 單基因病的產前診斷 751
36.4 基於胎兒游離DNA的無創產前遺傳學篩查與診斷 753
36.4.1 NIPT的最初行業指南 754
36.4.2 利用cffDNA進行非整倍體篩查的新觀點 755
36.4.3 NIPT在普通和低危孕婦人群中的篩查效率 756
36.4.4 ACMG關於胎兒染色體非整倍體無創產前篩查的共識 756
36.4.5 ACOG關於胎兒染色體異常的篩查指南 757
36.4.6 我國對於NIPT的技術規範 758
36.4.7 NIPT的遺傳諮詢 760
36.4.8 單基因病無創產前檢測 762
結語 764
37 輔助生殖的遺傳把控 765
引言 765
37.1 反覆流產/妊娠丟失的遺傳篩查 765
37.2 生殖相關疾病的遺傳篩查 766
37.2.1 多囊卵巢症候群 766
37.2.2 早發性卵巢功能不全 768
37.2.3 脆性X症候群 769
37.2.4 性別發育異常 770
37.2.5 特納症候群 773
37.2.6 克氏症候群 775
37.2.7 47，XXX症候群 776
37.2.8 先天性腎上腺皮質增生 777
37.2.9 Prader-Willi症候群 779
37.2.10 天使症候群 779
37.3 輔助生殖前遺傳相關疾病的篩查 781
37.3.1 染色體相關遺傳疾病的遺傳篩查 781
37.3.2 單基因相關遺傳疾病的遺傳篩查 782
37.4 輔助生殖過程中的胚胎遺傳學篩查 783
37.4.1 非整倍體胚胎篩查 783
37.4.2 單基因遺傳病胚胎植入前篩選 783
37.4.3 染色體結構異常攜帶者胚胎植入前篩選 784
37.5 輔助生殖過程中的核質置換技術 785
結語 785
38 ACMG遺傳變異分類標準指南的指導作用 786
引言 786
38.1 背景資料 786
38.2 PVS1（極強致病性證據）787
38.3 PS1（與之前已經確定為致病性的變異有相同的胺基酸改變）789
38.4 PS2 或PM6（新發變異）789
38.5 PS3 BS3（功能研究）790
38.6 PS4 PM2 BA1 BS1 BS2變異頻率及對照人群的使用 791
38.7 PM 1（熱點突變和/或關鍵的、得到確認的功能域）793
38.8 PM3 BP2（等位基因數據）793
38.9 PM4 BP3（由於框內缺失/插入和終止密碼子喪失導致的蛋白質長度改變）794
38.10 PM5（同一位置新的錯義變異）795
38.11 PP1 BS4（共分離分析）795
38.12 PP2 BP1變異譜 796
38.13 PP3 BP4（生物信息分析數據）797
38.14 PP4（表型數據）797
38.15 PP5 BP6可靠的來源 797
38.16 BP5對共發變異的觀察 798
38.17 BP7同義變異 798
38.18 ACMG指南的合理應用 798
結語 799
39 基因型影響的個體化用藥 801
引言 801
39.1 基因型影響個體化用藥的科學依據 801
39.1.1 藥物基因組學的誕生 801
39.1.2 藥物基因組學的發展 802
39.1.3 藥物基因組學的應用 803
39.2 個體化用藥的診斷和檢測方法 804
39.2.1 個體化分型標本取樣方法 804
39.2.2 臨床常用個體化分型的基因檢測技術 805
39.2.3 其他技術方法展望與要求 807
39.3 基因與藥效 807
39.3.1 基因變異與藥物代謝酶 807
39.3.2 基因變異與藥物轉運酶 808
39.3.3 基因變異與藥物受體 809
39.4 基因與不良反應 809
39.4.1 抗感染藥物的不良反應 809
39.4.2 腫瘤藥物的不良反應 810
39.4.3 神經精神類藥物的不良反應 811
39.4.4 心血管藥物的不良反應 812
39.5 基因檢測與癌症個體化醫療 813
39.5.1 癌症相關基因檢測 813
39.5.2 癌症個體化醫療進展與挑戰 814
結語 815
40 複雜性疾病發病風險的基因組早期預測 817
引言 817
40.1 基因組學研究揭示複雜性疾病的遺傳易感因素 817
40.2 複雜性疾病多基因風險評分的構建 818
40.3 多基因風險評分在疾病風險預測和精準防治中的應用 819
40.3.1 疾病發病風險預測和分層 819
40.3.2 基於遺傳風險評分的疾病治療效果 821
40.3.3 遺傳風險評分優化疾病篩查方案 822
40.3.4 基於遺傳風險評分開展生活方式精準幹預 823
40.3.5 面臨的挑戰 824
結語 824
41 幹細胞在生命進程中的特別作用 825
引言 825
41.1 胚胎幹細胞 825
41.1.1 胚胎幹細胞研究歷史 825
41.1.2 胚胎幹細胞的分離培養與生物學特性 826
41.2 誘導多能幹細胞 828
41.2.1 誘導多能幹細胞的形成 828
41.2.2 誘導多能幹細胞的多能性評估 829
41.2.3 誘導多能幹細胞的重編程機制 829
41.2.4 誘導多能幹細胞的應用及挑戰 830
41.3 生殖幹細胞 831
41.3.1 精原幹細胞 831
41.3.2 雌性生殖幹細胞 834
41.4 神經幹細胞 837
41.4.1 神經幹細胞概述及研究進展 837
41.4.2 獲得神經幹細胞的途徑 838
41.4.3 神經幹細胞在應用中存在的問題 840
41.5 間充質幹細胞 840
41.5.1 間充質幹細胞的概況 840
41.5.2 間充質幹細胞的臨床應用 842
41.6 腸道幹細胞 842
41.6.1 腸道幹細胞的位置及分子標記物 842
41.6.2 腸道幹細胞的自我更新及命運決定 843
41.6.3 腸道幹細胞的應用 844
結語 844
參考文獻 845
第五篇 生命的合成、人工智慧及其他
42 植物存活形式引發對多元生命的思考 877
引言 877
42.1 植物的起源和演化 877
42.2 植物生長發育和衰老的特殊規律 878
42.2.1 植物與動物發育模式的區別 878
42.2.2 植物發育的時序性 878
42.3 植物的營養和光合作用 883
42.3.1 植物的自養型本質及礦質營養 883
42.3.2 光合作用 885
結語 891
43 病毒與宿主：對抗還是共生？892
引言 892
43.1 背景資料 892
43.2 病毒的起源與演化 892
43.2.1 病毒的起源 892
43.2.2 病毒的演化 893
43.3 病毒入侵：開啟宿主細胞的門戶 896
43.3.1 病毒進入宿主細胞的路徑 896
43.3.2 病毒的主要受體 897
43.3.3 病毒與宿主的博弈：進入細胞並逃逸先天免疫應答 899
43.4 病毒複製：登堂入室與子孫滿堂 900
43.4.1 病毒基因組的表達和複製 900
43.4.2 病毒出胞 903
43.5 宿主免疫保護：驅逐入侵者 904
43.5.1 抗病毒固有免疫 905
43.5.2 抗病毒適應性免疫 908
43.6 疫苗研發：築起防護的長城 910
43.6.1 疫苗的起源 910
43.6.2 疫苗的免疫效應 910
43.6.3 疫苗的分類 912
結語 914
44 解析蛋白，理解生命 915
引言 915
44.1 蛋白質是生命活動的執行者 915
44.1.1 多種蛋白質分工合作，實現複雜生命功能 915
44.1.2 基因編碼蛋白質，決定生物的功能和性狀 916
44.2 化學結構決定生物功能 917
44.2.1 結構決定功能：理解功能要從結構出發 917
44.2.2 蛋白質的結構層次：從一級結構到四級結構 918
44.2.3 蛋白質結構的研究簡史 919
44.3 蛋白質結構研究的經典範例 920
44.3.1 血紅蛋白 920
44.3.2 病毒 922
44.3.3 激酶 925
44.3.4 G蛋白偶聯受體 926
44.4 蛋白質結構研究的技術及其發展 929
44.4.1 X射線晶體學 930
44.4.2 核磁共振 931
44.4.3 電子顯微鏡 932
44.4.4 蛋白質結構預測和分子動力學模擬 936
結語 936
45 國際基因工程生物模塊合成及其競賽 937
引言 937
45.1 生物模塊概述 937
45.1.1 生物系統模塊化的意義 937
45.1.2 生物模塊的設計原則 939
45.1.3 生物模塊的類型 940
45.1.4 生物模塊的標準化及其組裝策略 943
45.2 國際基因工程機器競賽 946
45.2.1 iGEM的發展及社會意義 946
45.2.2 iGEM的賽制與評獎規則 947
45.2.3 iGEM與標準生物元件基金會 948
45.2.4 iGEM對中國創新教育的啟示 948
45.3 上海交通大學iGEM團隊介紹 949
45.4 上海交通大學iGEM優秀項目選介 952
45.4.1 稀有密碼子開關 952
45.4.2 細胞膜蛋白支架 953
45.4.3 光控CRISPRi基因表達調節器 954
45.4.4 結直腸癌超聲診斷系統 955
結語 957
46 人工化學合成核酸導致新生命的形成 958
引言 958
46.1 背景資料 958
46.2 生命起源與遺傳密碼 959
46.3 核酸的化學結構 960
46.4 核酸的生物合成 961
46.4.1 DNA的生物合成 961
46.4.2 RNA的生物合成 961
46.5 核酸的從頭合成 961
46.5.1 寡核苷酸的化學合成 962
46.5.2 寡核苷酸的酶促拼接 963
46.5.3 基因組的體內組裝 964
46.6 人造生命的誕生與發展 964
46.7 挑戰演化法則 966
46.7.1 DNA改組技術 966
46.7.2 SELEX技術 967
46.8 拓展遺傳密碼 968
46.9 倫理問題的思考 970
結語 971
47 通過人造染色體構建真核細胞 972
引言 972
47.1「自下而上」合成真核生物基因組 972
47.2 人工基因組的設計 975
47.2.1 功能存活性 975
47.2.2 遺傳穩定性 975
47.2.3 操作柔性 977
47.2.4 計算機輔助設計 979
47.3 構建——基因組模塊化組裝 980
47.3.1 模塊化組裝合成型基因組 980
47.3.2 短片段DNA的合成 980
47.3.3 中片段DNA組裝 981
47.3.4 長片段DNA迭代替換 982
47.3.5 構建多條合成型染色體的單倍體酵母細胞 982
47.4 合成型基因組的檢驗 984
47.4.1 基因型檢驗 984
47.4.2 合成型染色體拷貝數變異的檢驗 987
47.4.3 表型檢驗 988
47.5 合成型染色體的糾錯 990
47.5.1 基因型缺陷靶點定位技術 991
47.5.2 細胞生長缺陷的修復 991
47.5.3 染色體大片段拷貝數變異的修復 993
47.6 構建完美V號染色體 994
47.6.1 鹼基變異位點的特異性PCR快速驗證 995
47.6.2 同源重組介導的多位點共轉化修復 995
47.6.3 CRISPR/Cas9介導的多位點共轉化修復 995
47.6.4 雙標定點修復 995
47.7 定製構建環形染色體 997
47.7.1 位點可控的染色體成環 997
47.7.2 環形染色體菌株的表型檢驗 998
47.7.3 環形染色體基因型檢驗 999
47.8 人工合成酵母基因組的應用 1001
結語 1001
48 生命周期中的人工智慧 1002
引言 1002
48.1 背景資料 1002
48.2 基於核酸的分子計算 1002
48.2.1 經典的DNA窮舉搜索算法 1002
48.2.2 基於邏輯門的核酸數字計算 1003
48.2.3 其他計算/信息處理模式 1006
48.3 基於核酸的信息存取 1007
48.4 核酸納米技術用於生物計算 1009
48.4.1 核酸納米結構的構建 1009
48.4.2 核酸納米結構的功能化 1010
48.4.3 基於核酸納米結構的智能系統 1011
48.5 核酸納米結構與活細胞人工智慧 1013
48.5.1 活細胞重編程與活細胞人工智慧 1013
48.5.2 核酸納米結構與活細胞的相互作用 1013
48.5.3 核酸納米結構在生理環境下的合成 1014
48.5.4 核酸納米結構的活細胞智能診療應用 1014
48.5.5 一般性概括 1015
結語 1016
49 專利意識的建立與自我保護 1017
引言 1017
49.1 什麼是專利 1017
49.2 專利意識的建立 1018
49.3 專利的保護 1019
49.3.1 不可專利客體 1019
49.3.2 新穎性 1021
49.3.3 創造性 1022
49.3.4 實用性 1023
49.3.5 基因專利 1024
49.3.6 遺傳資源來源披露義務 1026
結語 1029
50 人類基因組研究的倫理問題 1030
引言 1030
50.1 人類基因組研究與生命倫理學的關係 1030
50.1.1 生命倫理學的發展及其基本概念 1030
50.1.2 生命倫理學的三個重要原則 1032
50.2 人類基因組研究中的平等與隱私問題 1033
50.2.1 在人類基因組研究中反對基因決定論和基因歧視 1033
50.2.2 人類基因組研究中的基因隱私問題 1034
50.3 基因組研究技術的倫理考量 1034
50.3.1 基因編輯引起的關注 1034
50.3.2 如何對待基因組技術發展的不可預測與倫理學的不斷發展 1036
50.4 基因診斷、輔助生殖與基因治療的倫理考量 1037
50.4.1 遺傳病和腫瘤基因診斷的倫理考量 1037
50.4.2 防止出生缺陷中的倫理考量 1038
50.4.3 輔助生殖中的倫理考量 1039
50.4.4 基因治療的倫理考量 1040
50.5 從克隆、多能幹細胞到合成生命的倫理考量 1041
50.5.1 動物克隆的倫理考量 1041
50.5.2 多能幹細胞研究和運用的倫理考量 1041
50.5.3 合成生命的倫理考量 1041
50.6 人類基因組研究中的倫理審查：機構組成和審查重點 1042
結語 1045
參考文獻 1046
索引 1071
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02
近200位各領域專家學者共同撰稿
柏劭春 美國GeneDx 公司
蔡 雷 上海交通大學Bio-X 研究院
曹天埼 中山大學生命科學學院
晁代印 中國科學院分子植物科學卓越創新中心
陳 超 西北大學
陳單丹 中國科學院上海有機化學研究所
陳 健 上海公共衛生臨床中心
陳 蕾 上海交通大學Bio-X 研究院
陳潤生 中國科學院生物物理研究所
陳曉敏 中國科學院生物物理研究所
陳 新 中南大學湘雅醫學院
陳昱僖 中山大學生命科學學院
陳 竺 上海交通大學轉化醫學研究院/上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院
陳子江 山東大學
程 京 清華大學醫學院
褚嘉祐 中國醫學科學院醫學生物學研究所
丁 琛 復旦大學生命科學學院
丁奎嶺 上海交通大學
董 偉 深圳華大生命科學研究院
杜莉利 生物晶片上海國家工程研究中心
樊春海 上海交通大學化學化工學院
方 乾 上海交通大學Bio-X 研究院
方向東 中國科學院北京基因組研究所
傅啟華 上海交通大學醫學院附屬上海兒童醫學中心
傅松濱 哈爾濱醫科大學基礎醫學學院
傅肖依 復旦大學生命科學學院
高 波 香港大學生物醫學學院
郜恆駿 生物晶片上海國家工程研究中心
關 明 復旦大學附屬華山醫院
葛均邦 上海交通大學Bio-X 研究院
龔繼明 中國科學院分子植物科學卓越創新中心
龔尚瑾 中國科學院北京基因組研究所
顧朝輝 美國希望之城國家醫學中心
顧東風 中國醫學科學院阜外醫院
管敏鑫 浙江大學遺傳學研究所
郭弘妍 生物晶片北京國家工程研究中心
郭熙志 上海交通大學Bio-X 研究院
韓 斌 中國科學院分子植物科學卓越創新中心
韓澤廣 上海交通大學系統生物醫學研究院
和 淵 中國人民大學附屬中學
賀福初 中國人民解放軍軍事科學院軍事醫學研究院
賀 光 上海交通大學Bio-X 研究院
賀 林 上海交通大學Bio-X 研究院
賀 倩 復旦大學生物醫學研究院
黃國英 復旦大學附屬兒科醫院
黃荷鳳 上海交通大學醫學院附屬國際和平婦幼保健院
黃軍就 中山大學生命科學學院
黃濤生 美國辛辛那提大學兒童醫院
賈 偉 美國夏威夷大學癌症研究中心/香港浸會大學表型組學研究中心
間學敏 上海交通大學Bio-X 研究院
金 力 復旦大學
景乃禾 中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所
匡奕方 上海交通大學Bio-X 研究院
李保界 上海交通大學Bio-X 研究院
李 超 復旦大學生命科學學院
李紅豆 復旦大學附屬婦產科醫院
李 江 中國科學院上海高等研究院
李 敏 上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院
李青蘭 中國科學院北京生命科學研究院
李衛東 上海交通大學Bio-X 研究院
李小勇 上海交通大學Bio-X 研究院
李興旺 上海交通大學Bio-X 研究院
李亦學 上海生物信息技術研究中心
梁 波 蘇州超雲生命智能產業研究院
梁普平 中山大學生命科學學院
劉佳佳 生物晶片北京國家工程研究中心
劉麗梅 上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院
劉 濤 上海交通大學生命科學技術學院
劉萬清 美國韋恩州立大學藥學院
劉 文 上海有機化學研究所
劉永壯 哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院
劉運澤 澳門大學健康科學學院
劉 真 中國科學院上海神經科學研究所
盧大儒 復旦大學生命科學學院
盧煜明 香港中文大學醫學院
魯向鋒 中國醫學科學院阜外醫院
駱健俊 中國科學院生物物理研究所
馬 鋼 上海交通大學Bio-X 研究院
聶永強 上海交通大學Bio-X 研究院
潘孝敬 清華大學生命科學學院
龐 博 上海有機化學研究所
龐小燕 上海交通大學生命科學技術學院
蒲慕明 中國科學院上海神經科學研究所
錢璐璐 美國加州理工學院
強伯勤 中國醫學科學院基礎醫學研究所
喬 傑 北京大學第三醫院
秦勝營 上海交通大學Bio-X 研究院
裘天頤 上海公共衛生臨床中心
渠鴻竹 中國科學院北京基因組研究所
饒子和 中國科學院生物物理研究所
申 劍 上海交通大學系統生物醫學研究院
沈逢燾 上海交通大學Bio-X 研究院
沈 陸 上海交通大學Bio-X 研究院
沈 巖 中國醫學科學院基礎醫學研究所/中國科學技術協會
沈亦平 哈佛大學波士頓兒童醫院
師詠勇 上海交通大學Bio-X 研究院
施一公 西湖大學/清華大學
隋 陽 中國科學院北京基因組研究所
孫柏寧 上海交通大學生命科學技術學院
孫宏偉 中山大學生命科學學院
孫麗雅 上海交通大學Bio-X 研究院
孫良丹 安徽醫科大學皮膚病研究所
孫 強 中國科學院上海神經科學研究所
孫小潔 珠海健明生物醫藥科技有限公司
孫中生 中國科學院北京生命科學研究院
滕花景 中國科學院北京生命科學研究院
萬春玲 上海交通大學Bio-X 研究院
王紅豔 復旦大學附屬婦產科醫院
王 輝 生物晶片北京國家工程研究中心
王佳偉 中國科學院分子植物科學卓越創新中心
王 磊 復旦大學生命科學學院
王 娜 上海交通大學系統生物醫學研究院
王秋菊 中國人民解放軍總醫院第六醫學中心
王曉玲 深圳華大生命科學研究院
王曉萍 雲南大學雲南省部共建生物資源保護與利用重點實驗室
王亞東 哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院
王 彥 中國科學院北京生命科學研究院
王毓舒 上海交通大學Bio-X 研究院
王 卓 上海交通大學Bio-X 研究院
鄔玲仟 中南大學湘雅醫學院
吳 際 上海交通大學Bio-X 研究院
吳 茜 上海交通大學Bio-X 研究院
吳勝男 上海交通大學醫學院附屬兒童醫院
吳曉暉 復旦大學發育生物學研究所
謝曉亮 北京大學生物醫學前沿創新中心
謝澤雄 天津大學教育部合成生物學前沿科學中心/系統生物工程重點實驗室
邢 棟 北京大學生物醫學前沿創新中心
邢清和 復旦大學生物醫學研究院
徐叢劍 復旦大學附屬婦產科醫院
徐建青 復旦大學生物醫學研究院/上海公共衛生臨床中心
徐 平 北京蛋白質組研究中心
徐湘民 南方醫科大學基礎醫學院
徐友春 生物晶片北京國家工程研究中心
許 田 西湖大學/復旦大學
楊煥明 深圳華大基因生命科學研究院
楊翔宇 上海交通大學Bio-X 研究院
楊旭涵 上海交通大學Bio-X 研究院
楊正林 四川省人民醫院/電子科技大學醫學院
姚世豪 浙江大學遺傳學研究所
於 軍 中國科學院北京基因組研究所
於 黎 雲南大學雲南省部共建生物資源保護與利用重點實驗室
餘 濤 上海交通大學Bio-X 研究院
俞 洋 中國科學院生物物理研究所
袁慧軍 陸軍軍醫大學
元英進 天津大學教育部合成生物學前沿科學中心/系統生物工程重點實驗室
曾長青 中國科學院北京基因組研究所/中國科學院大學存濟醫學院
曾凡一 上海交通大學醫學遺傳研究所
張晨虹 上海交通大學生命科學技術學院
張棟棟 中國科學院生物物理研究所
張 烽 江南大學附屬醫院中西醫結合研究所
張軍玉 上海交通大學醫學院附屬國際和平婦幼保健院
張 括 國家衛生健康委臨床檢驗中心
張林霞 復旦大學生物醫學研究院
張曉燕 復旦大學生物醫學研究院/上海公共衛生臨床中心
張學軍 安徽醫科大學皮膚病研究所
張亞賓 上海交通大學Bio-X 研究院
張亞平 中國科學院昆明動物研究所
張 瑤 北京蛋白質組研究中心
張灼華 中南大學湘雅醫學院醫學遺傳學中心
張子凌 復旦大學生物醫學研究院
趙 晨 上海公共衛生臨床中心
趙 藜 上海浦東解碼生命科學研究院
趙立平 美國新澤西州立羅格斯大學生物化學與微生物學系/上海交通大學生命科學技術學院
趙新燕 上海交通大學Bio-X 研究院
肇 旭 華東政法大學智慧財產權學院
鄭 茜 英國倫敦東北區遺傳中心
鄭慶飛 上海有機化學研究所
支勝堯 中山大學生命科學學院
周宏灝 中南大學臨床藥理研究所
周 琪 中國科學院動物研究所
周 青 浙江大學生命科學研究院
周文浩 復旦大學附屬兒科醫院
周 舟 復旦大學生命科學學院
朱麗萍 上海市婦幼保健中心
朱新廣 中國科學院分子植物科學卓越創新中心
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03
給讀者帶來
前沿的領域知識
最新的實踐技術
啟發深層次的領悟和思考
是什麼機制使 DNA 上的四個鹼基的排列組合引導萬物形成一個大「親戚網」？生命體序列間博弈的力量又是來自何方？例如，為什麼人類對自己肉眼看不見的又「瞎」又「聾」又「啞」還無「大腦和意識」的新冠病毒顯得如此無奈？
全DNA 序列的清楚解讀是否開始向揭示「生、老、病、死」的謎底逼近？
我們能夠越來越深入地理解信息流是如何從基因流向（「點燃」和「傳遞」）構成機體結構和功能基本要素的蛋白質嗎？
佔全DNA 序列97%的非編碼區「垃圾」序列開始在「解碼生命」中發力？
人類似乎越來越意識到，只有保證了「上管道（食道）」和「下管道（腸道）」的正常進出，才能構成生命體的動態平衡？
目前積累的數據使得表型組可以較精細地反映基因組和環境共同作用產生的生物效應，並可用於反向因果的推導？
為什麼老醫學幾乎沒有使一種疾病的發生率或死亡率出現真正意義上的逆轉？引進「新醫學」概念似乎已成為必然？
植物不具備主動遷移但具有「頂天立地」和光合作用的存活特徵，互補性地幫助其他生命體滿足對O₂ 和CO₂ 的需求？
合成生物學已經能夠讓生命體本身或其模塊進行人工「複製」或「組裝」，由此，生命是否就可以按照人的意識進行自由擴充和累加？「弗蘭肯」式怪物是否會再度湧現？
對於生命體來說，是否有比「保存並擴張基因信息」更為豐富的內涵？
……
「解碼生命」是人類的畢生夢想和追求，我也是諸多「追夢人」中的一位，幾十年來一直在解開生命之謎的道路上探索前行，「生命是什麼」這個問題的答案也在被一代一代人持續更新中。我希望我們的「解碼生命」行動所帶來的科學意義、經濟利益和社會效益遠遠超出人們的想像，同時，我們期待著所有讀過這本書的讀者都能收穫「解碼生命」過程中的快樂和感悟！
賀 林
2020 年10 月
本文摘編自《解碼生命：從多視角看生命》（賀林主編. 2 版. 北京：科學出版社, 2020.12）一書「第二版序」「第二版前言」，有刪減，標題為編者所加。
ISBN 978-7-03-066395-5
責任編輯：王 靜 羅 靜 劉 晶
本書由「人類基因組計劃及後續相關計劃」「基因組計劃引導生物技術的強勁發展」「當前對人類基因組的認識及其拓展」「基因組學的臨床應用」「生命的合成、人工智慧及其他」5 篇共50 章組成，涵蓋了基因組學及其相關學科發展和應用的方方面面。
本書不僅適用於生命科學領域的研究人員和青年學者用來梳理最前沿的科學問題，了解最新的研究方法和技術進展，也適用於臨床醫務工作者參考使用，因為書中用較大篇幅介紹了基因組學與疾病的關係就是結合了他們的需求，以期為疾病的預防、診斷和治療提供新思路。本書同樣適用於所有熱愛生命、有興趣了解生命奧秘的社會各界人士，可以使大家對這一研究領域及其在我們日常生活中的應用有更深入的認識與了解。
（本文編輯：劉四旦）
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