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科学网:“人类基因组图谱”20年 30亿碱基对“拼出”大科學时代
发布时间:2021-02-23 15:42

20年前,20012月,被譽爲生命科學登月計劃人類基因組計劃HGP)發布了首張人類基因組草圖。

20年來,曾作爲單一學科獨立發展的生命科學迎來多學科交叉融合、新技術前沿彙聚的大科學時代。

中國科學院北京基因組研究所(國家生物信息中心)特聘研究員于軍指出,尤其是基因組學的興起,不僅催生出生物信息學和合成生物學等交叉學科,也延展出轉錄組、蛋白質組、代謝組等各種“組學”,進一步“孵化”出精准醫學、轉化醫學等生物醫學領域,爲全球人類健康帶來期待。

“勻”到1%的工作

199010月,在美國科學家的推動下,與曼哈頓計劃”“阿波羅計劃齊名的人類基因組計劃正式啓動。

作为促成我国参与该计划的第一代基因组科学家,于军回忆:“‘人類基因組計劃’一直伴随我的科学生涯,它的思想酝酿过程、技术准备阶段、高速实施过程、后续的‘卫星计划’等学科动向,成了我的呼吸和生命。”

1993年,受人類基因組計劃的領導者和設計者之一、基因組學家Maynard?V.Olson的邀請,博士畢業後在紐約大學任教的于軍加入其實驗室,開始相關關鍵技術的研發和實驗工作。

當時,除了美國,英國、法國、日本、德國等發達國家也積極參與了這一計劃。其中,英國承擔了人類基因組最大的染色體——1號染色體的測序,法國科學家則通過電視演講,衆籌經費。

中國科學家要如何參與,成爲于軍心中長久思索的問題。“老師一直支持我把所學的東西帶回中國,在他的心中,科學沒有國界,科學研究的目標是造福全人類,讓科學成爲國際關系中的亮點也是科技工作者的責任。”于軍告訴《中國科學報》。

1998年,于軍回到中國科學院,參與組建中國科學院北京基因組研究所(國家生物信息中心)的前身中科院遺傳所人類基因組研究中心

同年,在于军、杨焕明和汪建等科学家的努力协调下,中国在“人類基因組計劃”已经分配完的任务中“勻”到1%的工作,即3號染色體短臂末端的3000萬個堿基對測序任務。

至此,中國成爲參加這一計劃唯一的發展中國家。

奏响大科學序曲

“人類基因組計劃(1990—2003年)的實施爲生命科學提供了大科學方案。

事实上,在此之前美国“向癌症开战”计划已奏响“大科學”时代的前奏。于军介绍:“这一项目目标明确、管理有序,各参与者信息共享、积极合作,已经呈现出典型的大科學计划的运作方式,唯独缺少一个可以完成的具体目标。”

正是“测定一个人的基因组”的具体目标和被称为“百慕大原则”的开放合作精神,使“人類基因組計劃”取得空前成功。“人类基因组图谱绘制成功表明,面对复杂的生命现象以及来自新技术的挑战,人类更需要团队合作的精神,需要不同领域的科学家共同努力。”于军强调。

人类基因组中蕴含信息量之“大”也直接催生出生命科学的“大科學”時代。

要解析人體30億個堿基對組成的核苷酸(DNA)序列,規模化、高速度的解析技術成爲剛需“1984年我剛到美國時,解讀2000個堿基對就需要近一年;兩年後,一年就可以測2萬個堿基對了。于軍說。

1993年,自動化基因測序儀誕生,推動人類基因組計劃進入實質性的運作階段。2001年,彙編軟件的優化讓數據統一成爲可能,人類基因組圖譜框架逐漸清晰。2003年,測序工作正式完成,人類基因組圖譜誕生。

隨後,信息和計算機科學逐漸成爲從海量信息中挖掘生物信息的重要手段,開辟出一個嶄新的學科方向——基因組學。

在專家們看來,基因組學的發展形成了生命科學研究的新範式。近日,在《科學》爲紀念人類基因圖譜誕生20周年出版的特刊中,新加坡南洋理工大學科技史專業副教授Hallam?Stevens寫道:算法的生物學意義釋放確立了生命科學學科發展的新範式。

近年來,層出不窮的新算法不斷爲生命科學注入新的驅動力,極大提升了科學家對生命現象和疾病發展的認識。2020年底,谷歌公司的AlphaFold精准預測生物大分子三維結構,被稱爲一項劃時代的進步

精准醫學是“續集”

“基因組具有統一性和特殊性。統一性指的是每個生命都有特定的基因組;特殊性指的是每個生命都有唯一的基因組。”于軍指出。

前不久,中國科學技術大學生命科學與醫學部青年教師、病原生物學研究者計永勝受《科學》邀請,參與了一項全球DNA測序活動,獲得了自己的全基因組信息。對此,他深有感觸:後基因組計劃時代,隨著測序成本降低和算法改進,普通人的基因組測序也變得越來越容易。

在于軍看來,基于個體基因組研究的精准醫學是人類基因組圖譜的“續集”,有望爲人類生命與健康保障事業帶來實質性福祉。“通過運用每個人在醫保體系中積累的臨床與健康大數據,對個人基因組的比較分析將成爲可能。只要我們獲得每個人的基因組序列就可以預測其罹患疾病的可能性,也可以通過個體對于藥物的敏感性來指導個性化用藥和健康的生活方式。”他表示。

2011年,美國科學界發出邁向精准醫學倡議,隨後精准醫學計劃相繼在多國啓動,成爲生物醫學研究的第二個轉折點。專家認爲,正如諾貝爾生理學或醫學獎得主Renato?Dulbecco曾在人類基因組計劃啓動前所指出的測定人類基因組將是癌症研究的一個轉折點,第二個轉折點的標志便是測定每個人的基因組。

于軍呼籲,我國應盡快啓動已醞釀多年的精准醫學計劃。“我們應加快基因組學相關學科建設,同時完善相關法律法規、加大財政投入,盡快讓基因組技術爲促進全民健康服務,助力建設‘健康中國’。”