2023年，基因組學(xué)革命“狂飆”到了哪一步？

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)，于納米級的空間內(nèi)，傳遞著生物世界變化萬端、生生不息的奧秘。

對生命科學(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)者展開對話。

上圖：人類基因組計劃參與者汪建（左一）、劉斯奇（左二）、于軍（左三）、楊煥明（左四）。汪建、于軍、楊煥明都參加了1997年在湖南張家界舉行的中國遺傳學(xué)會青年遺傳工作者討論會。受訪者供圖

下圖：2023年4月12日，4位科學(xué)家共同參加了在張家界舉行的人類基因組計劃中國卷籌備會議25周年特別會議。新華每日電訊記者王若辰攝

“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，而人類對其奧秘的認(rèn)識，尚如一個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)、人類基因組計劃完成，這些標(biāo)志性事件有著怎樣的意義？

賀林（中國科學(xué)院院士）：這些事件對人類和科學(xué)界的影響和價值可以說是劃時代的。

以70年前DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出為例，它實(shí)質(zhì)性地啟動了分子生物學(xué)時代，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)，一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了清晰闡明，并且大大推動了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（中國科學(xué)院院士）：大約20年前，我拿到人類基因組草圖時真的很高興，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)和共同財富。

同時，在草圖面前，我也更加明白我們對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）：人類基因組計劃和曼哈頓原子彈計劃、阿波羅登月計劃，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)和平臺為導(dǎo)向的大科學(xué)工程模式。

人類基因組計劃的成功，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”。

“一個人類基因組測序的成本，從20年前的30多億美元，降到今天的100美元”

人類基因組計劃1985年提出、1990年正式啟動，開始時由美、英、法、德、日5個發(fā)達(dá)國家參與。1997年11月，出席中國遺傳學(xué)會青年遺傳學(xué)工作者討論會的汪建、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)天的會議中堅定了一顆雄心：爭取拿到1%的測序任務(wù)，趕上人類基因組計劃的末班車。

張家界的三千奇峰泰然屹立，八百秀水如常流淌，但其間醞釀的這個夢想和之后的各方努力，促成中國成為這一關(guān)乎人類的宏偉計劃里發(fā)展中國家的唯一代表。6國科學(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，中國也是生物多樣性最豐富的國家之一。在“1%”項目的推動下，國內(nèi)對家禽、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序快箭上弦、萬箭齊發(fā)。

記者：DNA里蘊(yùn)藏著怎樣的秘密？時至今日，中國基因組學(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，中國在基因組學(xué)研究領(lǐng)域的國際地位明顯提升，與世界同行競爭的能力增強(qiáng)不少。但這是一個你追我趕的領(lǐng)域，任何“領(lǐng)先”都是沒有絕對保障的。另外，基因產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展迅速，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也相當(dāng)可觀。

賀福初（中國科學(xué)院院士）：人類基因組計劃最大的貢獻(xiàn)在于推動核酸測序能力的“超摩爾定律”增長，進(jìn)而催生了基因組學(xué)驅(qū)動的生物醫(yī)學(xué)研究范式變革。時至今日，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)入基因組時代，但仍呼喚多組學(xué)或生命組學(xué)時代的到來。

徐訊（深圳華大生命科學(xué)研究院院長）：一個人類基因組測序的成本，從20年前的30多億美元，降到今天的100美元，成本下降了7個數(shù)量級；而時間上，從數(shù)年到一天完成，技術(shù)的發(fā)展讓基因組測序越來越容易。

在世界范圍看待中國近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，我國已實(shí)現(xiàn)自主可控，比如測序儀，并且我國測序儀在通量、精度、性價比上全球領(lǐng)先，獲得了全球認(rèn)可。但單分子長片段測序儀等還需要進(jìn)一步追趕。

同時也需看到，目前，我國用于蛋白質(zhì)組檢測的高端質(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”，推動高端科研設(shè)備、源頭核心工具進(jìn)一步自主可控，推動國產(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，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)、能源等各個領(lǐng)域帶來了怎樣的變化？

賀福初：人類基因組計劃及后續(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)”，針對此難題，中國科學(xué)家另辟蹊徑，發(fā)展出蛋白質(zhì)組學(xué)驅(qū)動的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)。

例如，我所在的實(shí)驗(yàn)室通過對肝細(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8歲的女孩，運(yùn)動發(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性肌無力，而以目前的醫(yī)療水平，對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)只要有一個點(diǎn)突破了，就能解決很多家庭天大的難題。

尹燁：據(jù)測算，人類基因組計劃帶來的投入產(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。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，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，人類基因組計劃草圖完成后，大量重要作物的基因組開始不斷解密。對中國最具代表性的，當(dāng)屬水稻。我們在國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)中國科研團(tuán)隊積極爭取，《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）