FANTOM 5计划由日本理化学研究所（RIKEN）主持的大型多国协作计划，其研究旨在揭示人类基因组如何编码组成人体的不同细胞。今天，该计划发布了首个人类基因活动的全图谱，首次从全局的角度揭示了人体内不同细胞中，调控基因表达的复杂网络。这一发现将有助于鉴定与疾病相关的基因，并为个性化医疗和再生医疗的发展提供帮助。
FANTOM计划全称为“哺乳动物基因组功能注释”（Functional Annotation of the Mammalian genome），这是RIKEN在2000年启动的项目，其目标利用最先进的cDNA技术，建立完整的人类基因文库。此次的FANTOM 5计划（FANTOM计划的第五阶段）共有来自全球20个国家和地区、分属于114个科研机构的超过250名生物细胞学和生物信息学领域的专家参与。相关研究论文（总共18篇）分别发表在《自然》杂志（2篇）和其它10本学术期刊（16篇）上。其中《自然》杂志上发表的具有里程碑意义的两篇论文展示了人类基因组中启动子和增强子（DNA上两种可以调控基因活性的短片段）图谱，以及二者在不同细胞和组织中的活性。
利用RIKEN研发的具有极高灵敏度的基因表达加帽分析（Cap Analysis of Gene Expression CAGE）技术，研究人员检测了180种人体主要细胞中，启动子和增强子的活性。他们总共鉴定出了18万个启动子和4.4万个增强子，并发现它们中的大部分具有高度细胞类型特异性。
FANTOM 5计划的协调人阿里斯泰尔·佛勒斯特（Alistair Forrest）博士解释道：“人类是一个高度复杂的多细胞有机体，包含了至少400种不同的细胞类型。这种美丽的细胞类型多样性赋予了我们看、听、思考、运动和抵御感染的能力，而这一切都源自一个相同的基因组。细胞之所以有不同类型，原因是基因的差异化表达。在FANTOM 5计划中，我们第一次系统地研究了基因组中的调控序列，以及人体不同细胞中基因是如何表达的。”
不同于其他的大规模基因组计划，FANTOM 5专注于鉴定人类正常初代细胞而不是癌细胞系中的基因表达。对此佛勒斯特表示：“在FANTOM 5计划实施初期，我们就确定了要把研究重心放在正常初代细胞和组织上。尽管在细胞系上进行操作要容易得多，但是它们毕竟和正常细胞差距较大。”
通过可以检测到活跃基因CAGE技术，研究取得了一个突破性的发现：研究团队鉴定出了在不同细胞中普遍存在的可以调控基因活性的DNA片段，这就是增强子。增强子计划的协调人阿尔宾·桑德林（Albin Sandelin）教授认为：“和其他方法相比，CAGE技术具有更高的特异性，并且可以用于小量的细胞样品。CAGE的这些特点具有很大潜力，因为它为分析病人组织样品并在分子水平上确定病因提供了可能。”
FANTOM计划总干事山崎良英（Yoshihide Hayashizaki）博士表示：“我们计划的终极目标就是要回答这个问题——基因组里写着什么？FANTOM 5计划中建立的在细胞精度上的基因文库对于操纵细胞具有重要意义。这个文库是生物科学领域众多相关技术发展的重要资源。”他还补充道：“组学是一门对组成有机体的分子进行研究和绘制系统图谱的学科，正在不断涌现出意义深远的新发现。然而生命本身还有很多谜团。我们还需要继续钻研细胞类型多样性背后隐藏的基本分子机制，这样才能更深入地理解生命科学，继而带动医学的进步。”
信息来源：RIKEN Press Release
图片来源：shutterstock
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参考资料
- Forrest A.R.R. et al. A promoter level mammalian expression atlas. Nature (2014) http://dx.doi.org/ 10.1038/nature13182.
- Andersson, R. et al. An atlas of active enhancers across human cell types and tissues. Nature (2014) http://dx.doi.org/10.1038/nature12787.
- The list of the articles is available on the FANTOM website: (http://fantom.gsc.riken.jp/papers/)
- Kanamori-Katayama, M. et al. Unamplified cap analysis of gene expression on a single-molecule sequencer. Genome Res. 21, 1150–1159 (2011).
- CAGE analysis service is available from GeNAS: Genome Network Analysis Support facility, which belongs to the Division of Genomic Technologies. See the following document: http://www.osc.riken.jp/genas/Introduction_of_CAGE.pdf