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原標(biāo)題:DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)70周年、人類基因組計(jì)劃完成20周年
2023年,基因組學(xué)革命“狂飆”到了哪一步?
2023年4月25日是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)70周年紀(jì)念日。70年前科學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn),將生物學(xué)研究帶入分子時(shí)代。攜帶著生命遺傳信息的DNA,以如是美妙的姿態(tài),于納米級(jí)的空間內(nèi),傳遞著生物世界變化萬端、生生不息的奧秘。
對(duì)生命科學(xué)史而言,2023年還別具意義——80年前,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者埃爾溫·薛定諤發(fā)表《生命是什么》演講,吸引了一大批物理學(xué)家投身生命科學(xué);20年前,美、英、日、法、德、中6國(guó)科學(xué)家歷經(jīng)多年努力,共同繪制完成人類基因組序列圖,也“繪制”出生命科學(xué)史上的一座里程碑。
80年、70年、20年過去,如今,基因組學(xué)革命“狂飆”到了哪一步?中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域在世界格局中又處于怎樣的位置?“解碼生命”的意義何在,又會(huì)帶來哪些產(chǎn)業(yè)風(fēng)口?新華每日電訊記者就諸多熱點(diǎn)話題,與多位權(quán)威專家學(xué)者展開對(duì)話。
“生命的奧秘比我們想象的更復(fù)雜,但我們摸索到一條路了”
如果沒有遺傳研究的發(fā)展和成熟的基因分析技術(shù),人類不會(huì)想到,大象和鼴鼠是一家,鯨和河馬是近親,兔子與人類的親緣關(guān)系比兔子與老鼠的要密切得多,而人類與黑猩猩的基因差異只有1.6%。
生命,在這顆星球的天空、海洋、沙漠、森林處處綻放,而人類對(duì)其奧秘的認(rèn)識(shí),尚如一個(gè)孩童剛剛睜開看世界的眼眸。
記者:DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)、人類基因組計(jì)劃完成,這些標(biāo)志性事件有著怎樣的意義?
賀林(中國(guó)科學(xué)院院士):這些事件對(duì)人類和科學(xué)界的影響和價(jià)值可以說是劃時(shí)代的。
以70年前DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出為例,它實(shí)質(zhì)性地啟動(dòng)了分子生物學(xué)時(shí)代,使遺傳研究深入到分子層面去“解碼生命”。自此,人們清楚了解了遺傳信息的構(gòu)成和傳遞途徑。在以后的70年里,以分子遺傳學(xué)為首的各學(xué)科如雨后春筍般出現(xiàn),一個(gè)又一個(gè)生命的奧秘從分子角度得到了清晰闡明,并且大大推動(dòng)了DNA重組技術(shù),開拓了生物工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。
楊煥明(中國(guó)科學(xué)院院士):大約20年前,我拿到人類基因組草圖時(shí)真的很高興,因?yàn)檫@是歷史性進(jìn)步,它揭開了人類很多奧秘,是全人類的共同遺產(chǎn)和共同財(cái)富。
同時(shí),在草圖面前,我也更加明白我們對(duì)生物的理解是多么膚淺,我們站在前人的肩膀上、站在新的起點(diǎn)上,看到前方有更遼闊的世界、更多的岔路口,生命的奧秘比我們想象的更復(fù)雜,但我們摸索到一條路了。
尹燁(華大集團(tuán)CEO):人類基因組計(jì)劃和曼哈頓原子彈計(jì)劃、阿波羅登月計(jì)劃,并稱為20世紀(jì)的三大科學(xué)工程。這三大科學(xué)工程促進(jìn)了物理和生命科學(xué)發(fā)展的范式轉(zhuǎn)變,即從原來的以個(gè)人興趣和假說為導(dǎo)向的小科學(xué)運(yùn)作模式,轉(zhuǎn)向了以大數(shù)據(jù)和平臺(tái)為導(dǎo)向的大科學(xué)工程模式。
人類基因組計(jì)劃的成功,使人類第一次得到了自身全基因組結(jié)構(gòu)和序列的完整訊息,使得大量的基因研究有了“導(dǎo)航儀”。
“一個(gè)人類基因組測(cè)序的成本,從20年前的30多億美元,降到今天的100美元”
人類基因組計(jì)劃1985年提出、1990年正式啟動(dòng),開始時(shí)由美、英、法、德、日5個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家參與。1997年11月,出席中國(guó)遺傳學(xué)會(huì)青年遺傳學(xué)工作者討論會(huì)的汪建、于軍、顧軍、賀福初、賀林、曾益新、顧東風(fēng)、楊煥明等中青年遺傳學(xué)家們,齊聚湖南張家界,在數(shù)天的會(huì)議中堅(jiān)定了一顆雄心:爭(zhēng)取拿到1%的測(cè)序任務(wù),趕上人類基因組計(jì)劃的末班車。
張家界的三千奇峰泰然屹立,八百秀水如常流淌,但其間醞釀的這個(gè)夢(mèng)想和之后的各方努力,促成中國(guó)成為這一關(guān)乎人類的宏偉計(jì)劃里發(fā)展中國(guó)家的唯一代表。6國(guó)科學(xué)家共同努力完成壯舉,并構(gòu)建出“共有、共為、共享”的人類基因組精神,為后續(xù)基因科學(xué)的發(fā)展奠定了核心基石。
而張家界的奇峰秀水,本身就是生物基因的寶庫,中國(guó)也是生物多樣性最豐富的國(guó)家之一。在“1%”項(xiàng)目的推動(dòng)下,國(guó)內(nèi)對(duì)家禽、家畜、農(nóng)作物和真菌、細(xì)菌、病毒、寄生蟲,以及其他資源生物基因組的測(cè)序快箭上弦、萬箭齊發(fā)。
記者:DNA里蘊(yùn)藏著怎樣的秘密?時(shí)至今日,中國(guó)基因組學(xué)的研究情況發(fā)生了怎樣的變化?
賀林:DNA能夠精確地自我復(fù)制,使親代與子代間保持遺傳的連續(xù)性;能夠指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成,控制新陳代謝過程和性狀發(fā)育;在特定條件下,能夠產(chǎn)生可遺傳的變異。它是解碼生命的開始。
與20年前相比,中國(guó)在基因組學(xué)研究領(lǐng)域的國(guó)際地位明顯提升,與世界同行競(jìng)爭(zhēng)的能力增強(qiáng)不少。但這是一個(gè)你追我趕的領(lǐng)域,任何“領(lǐng)先”都是沒有絕對(duì)保障的。另外,基因產(chǎn)業(yè)在我國(guó)發(fā)展迅速,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。
賀福初(中國(guó)科學(xué)院院士):人類基因組計(jì)劃最大的貢獻(xiàn)在于推動(dòng)核酸測(cè)序能力的“超摩爾定律”增長(zhǎng),進(jìn)而催生了基因組學(xué)驅(qū)動(dòng)的生物醫(yī)學(xué)研究范式變革。時(shí)至今日,基因組學(xué)已邁入“成熟期”。
其他生命組學(xué)方面,蛋白質(zhì)組學(xué)仍有“成長(zhǎng)的煩惱”,代謝組學(xué)“方興未艾”。因此,我們雖已進(jìn)入基因組時(shí)代,但仍呼喚多組學(xué)或生命組學(xué)時(shí)代的到來。
徐訊(深圳華大生命科學(xué)研究院院長(zhǎng)):一個(gè)人類基因組測(cè)序的成本,從20年前的30多億美元,降到今天的100美元,成本下降了7個(gè)數(shù)量級(jí);而時(shí)間上,從數(shù)年到一天完成,技術(shù)的發(fā)展讓基因組測(cè)序越來越容易。
在世界范圍看待中國(guó)近20年在基因組學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展歷程,可以說是從參與到同步。在部分領(lǐng)域,我國(guó)已實(shí)現(xiàn)自主可控,比如測(cè)序儀,并且我國(guó)測(cè)序儀在通量、精度、性價(jià)比上全球領(lǐng)先,獲得了全球認(rèn)可。但單分子長(zhǎng)片段測(cè)序儀等還需要進(jìn)一步追趕。
同時(shí)也需看到,目前,我國(guó)用于蛋白質(zhì)組檢測(cè)的高端質(zhì)譜、用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的冷凍電鏡、大多數(shù)生命科學(xué)的關(guān)鍵試劑盒尚需依賴進(jìn)口。我們亟待進(jìn)一步打好生命科學(xué)的“地基”,推動(dòng)高端科研設(shè)備、源頭核心工具進(jìn)一步自主可控,推動(dòng)國(guó)產(chǎn)設(shè)備不斷迭代,不斷攻克關(guān)鍵核心技術(shù)。
基因組學(xué)行業(yè)三大風(fēng)口
業(yè)界形成共識(shí),基因組學(xué)行業(yè)有三大風(fēng)口:精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、未來農(nóng)業(yè)、生物制造。
按目前的醫(yī)學(xué)技術(shù),我們能檢測(cè)出7000多種基因病變,但能診斷的不足300種,精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)還有巨大的發(fā)展空間;通過改良土壤里微生物的基因,沙漠里也有望長(zhǎng)出水稻;生物制造在醫(yī)學(xué)、藥物、農(nóng)業(yè)、材料、環(huán)境和能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景……
記者:一系列基因組學(xué)計(jì)劃的實(shí)施,以及蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組等的發(fā)展,給醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、能源等各個(gè)領(lǐng)域帶來了怎樣的變化?
賀福初:人類基因組計(jì)劃及后續(xù)基因組研究成功催生了“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”概念,開啟了個(gè)性化醫(yī)療的臨床實(shí)踐。但僅憑基因組學(xué)難以真正普及“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”,針對(duì)此難題,中國(guó)科學(xué)家另辟蹊徑,發(fā)展出蛋白質(zhì)組學(xué)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。
例如,我所在的實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)肝細(xì)胞肝癌患者樣本蛋白質(zhì)組的大數(shù)據(jù)分析,可將同一病理分型的腫瘤進(jìn)一步分為三個(gè)分子亞型,且亞型的分類與預(yù)后密切相關(guān),目前正在進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)化研究,以期讓更多肝細(xì)胞肝癌患者受益。
徐訊:精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)本質(zhì)上是通過以基因組為核心的多組學(xué)技術(shù),對(duì)大樣本人群與疾病進(jìn)行生物標(biāo)志物的分析、鑒定、驗(yàn)證與應(yīng)用,從而精確找到疾病的原因和治療的靶點(diǎn),實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精準(zhǔn)治療,提高疾病診治與預(yù)防的效益。
在未來農(nóng)業(yè)方面,通過基因組進(jìn)行定制化精準(zhǔn)育種,可適應(yīng)不同種植環(huán)境、農(nóng)業(yè)不同產(chǎn)品的需求。
在生物制造方面,通過合成生物學(xué)等基因組讀寫技術(shù),可以生物發(fā)酵等方式實(shí)現(xiàn)材料、關(guān)鍵藥物成分、能源等生產(chǎn)制造。
吳麗文(湖南省兒童醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科學(xué)科帶頭人、醫(yī)生):作為一名臨床醫(yī)生,我感到基因組學(xué)發(fā)展非??欤芏喱F(xiàn)在能診斷的疑難病,放在十幾年前,就診斷不出來,甚至?xí)`診。
我接診過一個(gè)8歲的女孩,運(yùn)動(dòng)發(fā)育落后,走路、跑步、爬樓功能都很弱,后來發(fā)展到要靠人背著去上學(xué)。她早上起床后或午后狀況要好一些,呈現(xiàn)出波動(dòng)性,我們考慮她屬于先天性肌無力綜合征,而不是重癥肌無力疾病,于是有針對(duì)性地給她做了基因檢查。結(jié)果查出就是基因突變帶來的波動(dòng)性肌無力,而以目前的醫(yī)療水平,對(duì)這種病癥已有非常好的治療方案,她現(xiàn)在能走能跑能跳,已經(jīng)過上正常生活。
近些年基因組學(xué)的快速發(fā)展,也與儀器機(jī)械、材料科學(xué)的整體進(jìn)步分不開?;A(chǔ)科研的腳步要走在臨床科研之前,臨床實(shí)踐再反哺技術(shù)迭代。精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)只要有一個(gè)點(diǎn)突破了,就能解決很多家庭天大的難題。
尹燁:據(jù)測(cè)算,人類基因組計(jì)劃帶來的投入產(chǎn)出比是巨大的,38億美元投入帶來了數(shù)千億美元的回報(bào)。并且該技術(shù)的高速發(fā)展,帶來了物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)和信息技術(shù)的快速協(xié)同發(fā)展,并在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、公共衛(wèi)生、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、能源環(huán)保以及生物多樣性領(lǐng)域帶來全面突破。
醫(yī)學(xué)上,最具標(biāo)志性的應(yīng)用當(dāng)屬無創(chuàng)產(chǎn)前基因檢測(cè),通過孕婦的外周血即可檢出胎兒的染色體結(jié)構(gòu)異常,從而避免了包括唐氏綜合征在內(nèi)的大量出生缺陷的發(fā)生,讓無數(shù)家庭告別“基因悲劇”。
農(nóng)業(yè)上,人類基因組計(jì)劃草圖完成后,大量重要作物的基因組開始不斷解密。對(duì)中國(guó)最具代表性的,當(dāng)屬水稻。我們?cè)趪?guó)際上率先完成了水稻基因組框架圖和精細(xì)圖,奠定了在亞洲基因組學(xué)的地位。2018年,經(jīng)中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)積極爭(zhēng)取,《自然》雜志同意水稻的兩大栽培系命名不應(yīng)為“japanica”和“indica”,而改為“geng(粳)”“xian(秈)”。 (記者王若辰、張格)
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