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人类基因计划（HGP）大规模测定DNA碱基序列的工作即将完成，国际上开始了继人类基因组计划大规模测序之后，新一轮大规模的国际合作计划：结构基因组计划――规模化地测定蛋白质、RNA及其它生物大分子的三维结构。这是围绕生命科学、新药物研究的基础性、前瞻性、战略性。
（一） 结构基因组计划：深层秘密破译
人类基因组计划，以及一大批模式生物基因组计划的实施，使人们从基因和基因组水平对生物的遗传、进化规律有了更深刻的认识，它对生命科学、医药、农业将产生不可估量的影响。但是仅仅DNA碱基序列还不足以对复杂的生命现象进行全面的解释。一切重要的生命活动，如生长、运动、呼吸、消化、免疫、代谢、生殖、光合作用。以至于神经活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者。生物体内一切生化反应都是酶的催化下完成的，酶是蛋白质；尽管核酶是遗传信息的携带者，但是遗传信息的传递和表达受到蛋白质的调控，在这过程中蛋白质与核酶的相互作用起了关键作用。细胞的信息转导是通过生物膜上的受体、离子通道以及细胞内众多的蛋白质与蛋白质的相互作用而实现的。细胞周期、细胞生长、分化、生物体的发育也均受到蛋白质的调控。细胞犹如众多蛋白质组成的车间，细胞活动是由这些蛋白质的作用而得以实现。蛋白质的功能不仅仅取决于氨基酸排列顺序，更取决于三维结构。
医药工业与人类的疾病与健康密切相关，医药工业还为国家创造了巨大财富和惊人的利润。人类基因组计划为医药产业的发展带来前所未有的机遇。创新药物的研究与发现已从过去相对盲目地大量合成、大量筛选发展为首先
确定药物作用的靶分子，在此基础上来设计、筛选药物。创新药物的发现仅仅从DNA水平上是不可能完成的，基于蛋白质三维结构的合理药物设计与组合化学以及高通量筛选结合引起了医药工业新的革命，基于蛋白质和酸空间机构的药物设计是新药开发的重要手段，杜邦――墨克公司基于HIV蛋白水解酶的结构成功设计了抗艾滋病药物，就是其中的重要例证。
（二） 技术与方法
结构基因组计划提出的基础是人类基因组计划的顺利实施以及今年来蛋白质结构测定方法学的重要进展。今年来生物大分子三维结构的测定方法有很大的突破。第三代同步辐射光源的应用使得用20-40um大小的晶体解析高分辨率结构已经成为现实。多波长反常散射方法较好地解决了晶体衍射中的相位问题、一些大而复杂的蛋白质，DNA、RNA及其复合物，特别是一些病毒，亚细胞器精细结构得到解析。此外，多维核磁共振技术加上15N，13C，2H，同位素标记使得测定生物大分子结构的分子量上限已经突破35Kda、一批复合物结构得到解析。900MHz核磁共振谱仪已安装。用晶体电子衍射方法解析膜蛋白质结构的分辨率已达3埃。蛋白质三维结构测定出现前所未有的高速增长的态势。目前存入蛋白质数据库的生物大分子结构模型的数目呈抛物线增长。截至2001年7月，PDB数据库中的三维数已达1.5万个，其中蛋白质的比例为89.4％。X射线晶体衍射法测定的结构目占82.6％。核磁共振方法测定的结构数量也有了迅速增长（占15.3％），还有少量理论预测的结构。除此而外规模化的基因克隆、表达技术也为结构基因组的实施提供路可能。
（三） 目标与任务
开展规模化的基因克隆与表达、表达产物－蛋白质的分离纯化、蛋白质三维结构测定 类型新颖的（即无序列同源性的）蛋白质的三维结构，在些基础上，根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维结构。为蛋白质功能研究和创新药物研究奠定基础。
目标是：
I 规模化地测定蛋白质的三维结构
1a 用实验方法测定一些代表性的生物大分子的结构，包括医学上重要的人体蛋白质、来自重要医源体 的蛋白质，以及来自模式生物的蛋白质。
1b 基于序列相似性提供结构模型
1c 用实验和计算方法提供蛋白质功能信息
II 发展结构基因组的方法学
2a 按照结构或功能意义选择代表性的蛋白质家族的方法
2b 规模化地产生适合结构测定的蛋白质的方法
2c 规模化地数据收集方法
2d 自动测定、确证、分析三维结构的方法
2e 基于同源结构模建或其它方法，确证模证结构的方法
2f 优化支持结构测定的信息系统
2g 基于结构及其它生物学功能的生物信息学方法
2h 解决结构测定中更具挑战性的问题，如膜蛋白和多分子复合物的产生及结构测定方法
结构基因计划所依赖的关键技术是X－射线晶体衍射分析和多维核磁共振（NNR）波谱，以及与之配套的规模化、全自动进行基因可隆、表达、蛋白质分离纯化、晶体生长，数据收集、结构解析。依赖的技术支撑条件是高亮度同步辐射光源与衍射数据采集系统，高场核磁共振谱仪，以及全套的自动化装置。
结构生物学是一门综合性的交叉学科，它的发展将带动众多学科和众多技术的发展：规模化基因克隆、表达、蛋白质分离、纯化、性质鉴定技术；蛋白质晶体生长技术蛋白质X－射线晶体结构解析技术；蛋白质多维核磁共振波谱结构测定技术；同步辐射技术；核磁共振波谱技术，以及计算机过程自动控制，生物信息学和计算机辅助药物分子设计。
（四） 国际合作与进展
西方国家的政府部门、国立研究机构、大学、产业界对结构基因组研究表现极大的热情。国际上结构基因组学研究始于1998年4月由美国国立医学科学院（NIGMS）和Wellcome
Trust发起，在英国召开了第一次国际结构基因组会议，美国、法国、英国、德国、加拿大、日本、荷兰、意大利、以色列等9国科学家参加了会议。
2001年4月，在美国召开了第二次国际结构基因组会议。此次会议由美国NIGMS、日本科技厅（MEXT）及Wellcome
Trust发起召开，会议代表来自美国、法国、英国、德国、加拿大、意大利、日本、以色列、澳大利亚和中国。各国政府对于此次会议十分重视。美国能源部、美国国立卫生研究所、美国科学基金会、美国专利局，法国国家科学委员会，日本科教厅，德国联邦科学研究教育委员会、德国马克斯普朗克协会，经济合作发展组织和日本高能加速器委员会，均派出代表参加。参加此次会议的还有众多国家实验室的代表，以及Merck、Roche、Novgen、Compaq、MSI等18家制药公司、计算机公司和软件公司的代表参加。第二次国际结构基因组会议主要讨论了数据存储，数据质量，信息、材料释放和交换，知识产权，论文发表，及与工业界的关系等国际合作问题，形成了协议文件，选举了下一届执行委员会，为最终形成结构基因组的国际组织作准备。
各国政府对结构基因组计划给予了极大重视。2000年9月，美国（NIGMS）决定首批投入1.5亿美元（不包括同步辐射加速器建设和高场核磁谱仪购置），在美国建设7个中心，每个中心在未来5年中将得到2000万美元的支持。除基因组公共平台：同步辐射加速器与衍射数据采集系统、高场核磁共振谱仪的建设受到高度重视。在欧洲英国、法国、德国均有相似的投入，结构基因组的工作可在6个同步辐射加速器上进行，新的光束线正在建设中，新的NMB谱仪正在购买和安装。日本在人类基因组计划、大规模侧序方面落后于西方国家，在这新一轮竞争中表现出极大的热情。2000年11月，在Yokhama，日本组织召开国际会议讨论结构基因组计划的有关问题。日本现大约有20个实验室涉及结构基因组研究，每年经费约470－650万美元（不包括仪器设备费）。
第三代，同步辐射光源Spring-8同步辐射工厂已于1997年10月建成，其中有两条结构基因组专用光束线。除此而外，一个大规模的核磁实验室也已建成，其中6台800MHzNMR谱仪，10台600MHz
NMR谱仪已经安装，3台900MHz NMR谱仪将于2001年到位。
结构基因组计划的发展态势如同人类基因组计划，不仅政府参预，而且被其潜在的商业前景所驱动，目前已有大批公司参预。2000年8月，10家大的国际制药公司为打破垄断宣布将开展结构基因组研究。
在第二次国际结构基因组会议上，美国NIH7个中心，法国、德国、英国、日本均在会上介绍了近三年来的工作进展。各国工作的进展，特别是美国的7个中心的进展都很迅速。许多中心实现了自动化的规模化的基因克隆，表达、蛋白质分离纯化，晶体生长条件摸索，晶体数据收集，蛋白质晶体结构、核磁结构自动解析。一批结构已经得到测定。相信在未来5－10年内，结构基因组计划将会取得成功。它将对未来生命科学、生物技术、医学研究、医药产业带来不可估量的影响。
面对国际上结构基因组计划的挑战，考虑到在具有重大战略意义的科学前沿，我国应在世界上占一席之地；考虑到面对进入WTO，我国创新药物研究开发的紧迫性，我国政府应尽快在国家层面上部署结构基因组计划。可以不夸张地说，如果我国不加紧部署占据生命科学这一新的制高点，就将会在这新一轮国际竞争中输给西方国家，也就谈不上我们国家生命科学在国际上的地位。
我国在结构生物学研究有相当基础，胰岛素三维结构的测定工作在国际上曾产生重要影响。我们有一支学术造诣很深，经验丰富的老一辈科学家，也有近年来成长起来、或从海外吸引回国的优秀年轻学科带头人。已有一批结构生物学实验室，已建合肥同步辐射加速器国家实验室、北京高能所加速器同步辐射光束线，上海第三代同步辐射光源预研工作已结束。我们参加了第二次国际结构基因组大家庭的联系。我们完成有条件开展结构基因组研究，争取在这新一轮的国际合作与竞争中在国际上占有一席之地。
结构生物学
结构生物学的任务是认识蛋白质的三维空间结构。蛋白质都是分子量几万的大分子，各种氨基酸组成一条很长的钛链折叠缠绕，立体结构非常精细、非常复杂。如果把这条钛链打开成一条线，即使编码正确，分子也会失去活性。人工合成的蛋白质，如果折叠不够正确，分子活性也会影响，就需要用物理的、化学的方式去修改。
结构生物的研究成果对于制药行业非常重要。比如糖尿病人需要长期注射胰岛素，岛素是蛋白质大分子，有此病人的免疫系统会有反应。研究人员用相似的蛋白质分子长链上对血糖起作用的关键“位点”，就可以用成份相同的小分子物质来代替胰岛素。
有些珍贵稀有的天然药材，弄清分子结构、找出关键“位点”以后，也可以用小分子物质代入的方法来人工合成。用这种方法还可以研制治疗癌症以及各种疾病的药物，应用前景十分广阔。
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