环球网:人类基因组计划带给我们的重要启示

2001年2月5日,被称为“生命天书”的人类基因组工作草图绘制完成。20年后的同一天,Science以特刊纪念这一伟大的科学工程。20年来,这一划时代的成就,给人类对疾病和物种进化的认知带来了革命性变化。基因测序工具不断进步,测序成本以“超摩尔速度”直线下降,新的基因药物不断问世,科学家们解密的致病基因越来越多。但相比未来,以基因组学为根的生命时代才刚刚曙光初现。

此文首发于2021年2月7日环球网(环球网由人民网和环球时报投资设立),略有删改。
文章 | 环球网 作者 | 朱岩梅 
编辑 | 布三少  关键词 | 战略思考
图:Human Genome at 20(来源/Science

生命科学的“登月计划”

人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)是一项规模宏大、跨国跨学科的科学探索工程。其旨在测定组成人类染色体的30亿个碱基对的核苷酸序列,从而绘制人类基因组图谱,并辨识其载有的基因及其序列,达到破译人类遗传信息的最终目的。

人类基因组计划在研究人类过程中建立起来的策略、思想与技术,构成了生命科学领域新的学科——基因组学,也可以用于研究微生物、植物、动物。

人类基因组计划与“曼哈顿原子弹计划”和“阿波罗计划”并称为三大科学计划是人类科学史上的又一个伟大工程,被誉为生命科学的“登月计划”。

人类基因组计划于1985年由美国科学家率先提出,在激烈的争论甚至是反对声中,老布什总统于1990年大胆决策正式启动。

这是一次胆略过人、斥资巨大的“世纪拍板”。而这样的决策都是要政治家做出的。

没人能准确测算到底需要花多少钱才能测完,于是按一美元一对碱基做的“拍脑袋”预算,总预算30亿美元。计划周期为15年,即于2005年完成。

来自美、英、法、德、日和中国六国的2000多名科学家共同参与这一浩大工程,克服重重困难,特别是测序技术和工具的落后,终于在2001年发表人类基因组工作草图,又在2003年4月14日提前原定计划完成精细图,取得了彪炳史册的成就。

美国国家人类基因组研究所(National Human GenomeResearch Ins,NHGRI)负责人埃里克·D·格林所言:“人类基因组计划对科学的影响不可估量。随着对疾病的基因组基础和基因组药物等认识加深,人类向最终目标——通过基因组学研究改善人类健康——越走越近

这20年,基因组测序技术的飞速发展,推动成本直线下降。一个人的基因组测序成本从38亿美元下降到不足1000美元,而且只需要一两天时间。如同摩尔定律带来的互联网普及,“人人基因组”时代的到来,只是个时间问题。

第一名被DNA测序拯救的儿童

图:Nicholas Volker(来源/http://wipps.org)

2010年,6岁的美国男孩尼古拉斯·沃尔克(Nicholas Volker)成为世界上第一个被基因测序技术拯救的儿童。这一奇迹给了科学家巨大的信心。

当他还蹒跚学步时,就患上了严重的肠道感染病,经历了约百次手术,包括结肠移除,死亡似乎已是定数。没人弄得清病因,在近乎绝望的寻找病因的过程中,威斯康星医学院(Medical College of Wisconsin)的医生们做了一件前卫的、史无前例的事情:对沃尔克的DNA进行测序。

测序结果发现了一个出人意料的基因突变,它能解释沃尔克的状况,而且还指出了一种治疗方法:从脐带血中取出细胞进行骨髓移植。

治疗效果很好,沃尔克成了DNA技术拯救生命的首个案例。虽然仍需服用药物以防移植排斥反应,并且需要重建手术,但他已经能够像其他孩子一样开心的奔跑了。对于患有罕见、难以确诊的患者而言,DNA测序可能就是最后的救命办法。

沃尔克的案例被发表在了《遗传学及医学》(Genetics and Medicine)学术期刊上,并且被《密尔沃基新闻哨兵报》(Milwaukee Journal Sentinel)报道,报道还赢得了普利策新闻奖。沃尔克和他父母也因此参加了《今日秀》(Today Show)。

幸运的不止有沃尔克,近年来又有多位地中海贫血、白血病患者受益于基因技术被彻底治愈。这些激动人心的成果向我们展示了“基因科技造福人类“的诱人前景。

2015年1月20日,时任美国总统奥巴马在第二任期的首个国情咨文中就指出:“我们(指美国)在人类基因组计划中每投入1美元,就会给我们的经济带来140美元的回报。”,并宣布斥资启动“精准医疗计划(Precision Medicine Initiative)”。(注:后来HGP回顾报告显示,截止2014年美国的回报率为1:178)。

 

图:人类基因组计划(来源/互联网)

人类基因组计划的重要经验

今天,全球越来越多学者加入基因领域,正在努力攻克一些前辈们想都没想过的问题。所有取得的成功,都继承并发扬了人类基因组计划的四条重要经验。

第一,通力协同合作

人类基因组计划打破了研究学者独自探索,为少数几个科学问题寻求答案的格局,这是势所必然的。同时,还一反“假说驱动研究”(Hypothesis-driven research)的科研传统,而是基于大人群和海量样本、数据开展研究。

人类基因组计划汇集了来自六个国家、多种学科背景、不同资历的2000多名研究人员。他们分成若干小组,经费来源多种多样,但最后的成功都源自几个共同点:各小组负责人的有力领导、对这项工作重要性的共识、以及研究者甘心为了共同利益而放弃个人成就的意愿。

其后的重大基因组学项目,包括“千人基因组项目”(the 1000 Genomes Project),鉴定致癌突变的“癌症基因组图谱项目”(Cancer Genome Atlas),以及“人类微生物组计划”(Human Microbiome Project),都继承和发扬了这个优秀传统。

新冠疫情,让各国旅行变得不易,更加需要强调大科学研究中开放合作的重要性。

第二,数据开放分享

人类基因组计划改变了生物医学研究中数据分享的旧历。1996年,百慕大原则(Bermuda Principles)的实施为这一番努力画上了句点。

人类基因组计划主要领导人同意在基因序列生成后的24小时内,将达到一定规模的基因组序列整合提交到一个公共数据库。2014年,一项全面的“基因组数据分享政策”(Genomic Data Sharing Policy)开始实施,要求几乎所有在NIH(美国国立卫生院)基金资助下获得或分析的基因组数据都必须拿出来共享。

人类基因数据的分享也带来了新挑战,人们正在探索新方案以解决不断出现的新问题,包括海量数据在计算、传输上的难题,以及如何保护研究中被试者的隐私。

第三,优先技术发展

1990年,人类基因组计划刚一启动,核心科学家就清醒地认识到,必须把基因组测序与绘制图谱的工具与方法作为一个更大的项目去开发。

他们把多种渐进性的技术创新整合在一起,取得了革命性的进步,从毛细管电泳法到桑格DNA 测序法就是一个极好的例证,DNA测序法最终成为绘制人类首个基因组图谱的关键技术。工具和技术不断创新的同时,该计划也催生了无数的遗传学技术,并引发了分子生物学、化学、物理学和计算科学的重大革新。

人们常常以为,是先有科学发现再有技术发明,科学发现和技术发明存在单向关系,其实不然。很多科学发现都是技术发明推动的,比如,由于玻璃磨制技术的改进,发明出了望远镜,天文学才得以空前进步;再如,莱特兄弟发明了飞机,其后才有空气动力学。有了DNA测序技术的进步和工具的发展,基因组科学才有如此惊人的突破性发展。

第四,颠覆传统的科研模式

人类基因组计划从根本上引发了研究方式的变革,甚至可以说是一场科研方式的革命。过去主流的研究方式是PI制下的假设驱动研究(Hypothesis-driven research)【注:PI 制即Principal Investigator,指个体拥有主导权和指导权】,该计划推动转变为大数据驱动的新型科研模式(big-data-driven research),也就是科学研究从“小科学”真正走到了“大科学”。

直到现在,绝大部分人,包括科学家,依然未能理解和接受这一变革的重要性和深远意义。

无论是人类基因组计划的领导者(诺贝尔奖获得者詹姆斯·沃森与美国国立卫生院主任弗朗西斯·柯林斯),还是具体执行项目的科学家们,他们恐怕都未预见到人类基因组计划的主要收获,居然是新型的科研模式。

在这一新型科研模式推动下,数千种疾病致病机理的发现、癌症的重新定义和精准个体化治疗、基因编辑技术和干细胞治疗的应用等,一系列让人眼花缭乱的生物医学成就把人类带入了一个全新的世界。

人类基因组计划的重要经验

未来二三十年,这一从“科技创新”到“创新科技”的范式转移,将会向人类展示它无以伦比、令人惊叹的魅力。

“科技-产业-民生”三者联动的“飞轮模式”,将带给世界前所未有的进步。科技研发、产业发展、民生福祉的全面实现可能将超越文艺复兴时期,推动人类创造更璀璨、更辉煌的文明。

也许你对此将信将疑,但它终会一一兑现。

参考资料:

1. The First Child Saved By DNA Sequencing,《Forbes》,2011年1月5日 https://www.forbes.com/sites/matthewherper/2011/01/05/the-first-child-saved-by-dna-sequencing/?sh=29ab4ad037c0 

2. 《Nature:回顾人类基因组计划的25年》,Eric D. Green  James D. Watson Francis S. Collins

推荐阅读

Science封面纪念人类基因组工作草图绘制完成20周年

新华社:最新报告显示,我国基因行业正处在高速成长期

版权所有,未经允许不得转载。基因慧—数字生命健康产业内容平台 » 环球网:人类基因组计划带给我们的重要启示

相关推荐

抢沙发