30亿碱基“拼出”大科学时代

现代农业网 2021-02-20 20:24:18
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20年前,2001年2月,被誉为生命科学“登月计划”的“人类基因组计划”(HGP)发布首张人类基因组图谱。

这是人类生命科学发展历史上的重要“分水岭”。

20年来,曾作为单一学科独立发展的生命科学迎来多学科交叉融合、新技术前沿汇聚的“大科学”时代。

中国科学院北京基因组研究所特聘研究员于军指出,尤其是基因组学的兴起,不仅催生出生物信息学和合成生物学等交叉学科,也延展出转录组、蛋白质组、代谢组等各种“组学”,进一步“孵化”出精准医学、转化医学等生物医学领域,为全球人类健康带来期待。

图片来源:《科学》

“匀”到1%

1990年10月,在美国科学家的推动下,与“曼哈顿计划”“阿波罗计划”齐名的“人类基因组计划”正式启动。

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:“‘人类基因组计划’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’等学科动向等,成了我的呼吸和生命。”

1993年,受“人类基因组计划”的领导者和设计者之一、基因组学家Maynard V.Olson的邀请,博士毕业后在纽约大学任教的于军加入其实验室,开始相关关键技术的研发和实验工作。

当时,除了美国,英国、法国、日本、德国等发达国家也积极参与了这一计划。其中,英国承担了了人类基因组最大的染色体——1号染色体的测序,法国科学家则通过电视演讲,“众筹”经费。

中国科学家要如何参与,成为于军心中长久思索的问题。“老师一直支持我把所学的东西带回中国,在他的心中,科学没有国界,科学研究的目标是造福全人类,让科学成为国际关系中的亮点也是科技工作者的责任。”于军告诉《中国科学报》。

2015年,于军(右)邀请Maynard V.Olson来中国科学院访问时留影

1998年,于军回到中国科学院,参与组建中科院北京基因组研究所(国家生物信息中心)的前身“中科院遗传所人类基因组研究中心”。

同年,在于军、杨焕明和汪建等科学家的努力协调下,中国在“人类基因组计划”已经分配完的任务中“匀”到1%的工作,即3号染色体短臂末端的3000万个碱基对测序任务。

至此,中国成为参加这一计划唯一的发展中国家。

奏响大科学序章

“人类基因组计划(1990年-2003年)”的实施为生命科学提供了“大科学”方案。

事实上,在此之前美国“向癌症开战”计划已奏响“大科学”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学计划的运作方式,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“人类基因组计划”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“大科学”时代。

要解析人体30亿个碱基对组成的核苷酸(DNA)序列,规模化、高速度的解析技术成为“刚需”。“1984年我刚到美国时,解读2000个碱基对就需要近一年;两年后,一年就可以测2万个碱基对了。”于军说。

1993年,自动化基因测序仪诞生,推动“人类基因组计划”进入实质性的运作阶段。2001年,汇编软件的优化让数据统一成为可能,人类基因组图谱框架逐渐清晰。2003年,测序工作正式完成,人类基因图谱诞生。

随后,信息和计算机科学逐渐成为从海量信息中挖掘生物信息的重要手段,开辟出一个崭新的学科方向——基因组学。

在专家们看来,基因组学的发展形成了生命科学研究的新范式。近日,在《科学》为纪念人类基因图谱诞生20周年出版的特刊中,新加坡南洋理工大学科技史专业副教授Hallam Stevens写道:“算法的生物学意义释放确立起了生命科学学科发展的新范式。”

近年来,层出不穷的新算法不断为生命科学注入新的驱动力,极大提升了科学家对生命现象和疾病发展的认识。2020年底,谷歌公司的AlphaFold精准预测生物大分子三维结构,被称为一项“划时代的进步”。

精准医学是“续集”

“基因组具有统一性和特殊性。统一性指的是每个生命都有特定的基因组;特殊性指的是每个生命都有唯一的基因组。”于军指出。

前不久,中国科学技术大学生命科学与医学部青年教师、病原生物学研究者计永胜受《科学》邀请,参与了一项全球DNA测序活动,获得了自己的全基因组信息。对此,他深有感触:“后基因组计划时代,随着测序成本降低和算法改进,普通人的基因组测序也变得容易。”

在于军看来,基于个体基因组研究的精准医学是人类基因组图谱的“续集”,有望为人类生命与健康保障事业带来实质性福祉。“通过运用每个人在医保体系中积累的临床与健康大数据,对个人基因组的比较分析将成为可能。只要我们获得每个人的基因组序列就可以预测其罹患疾病的可能性,也可以通过个体对于药物的敏感性来指导个性化用药和健康的生活方式。”他表示。

2011年,美国科学界发出“迈向精准医学”倡议,随后精准医学计划相继在多国启动,已成为生物医学研究的第二个转折点。专家认为,正如诺贝尔生理学或医学奖得主Renato Dulbecco曾在 “人类基因组计划”启动前指出“测定人类基因组将是癌症研究的一个转折点”,第二个转折点的标志便是测定每个人的基因组。

于军呼吁,我国应尽快启动已酝酿多年的精准医学计划。“我们应加快基因组学相关学科建设,同时完善相关法律法规、加大财政投入,尽快让基因组技术为促进全民健康服务,助力建设‘健康中国’。”

 

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