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2023年,基因組學革命“狂飆”到了哪一步?

2023-04-25 14:53
來源:新華每日電訊

原標題: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周年紀念日。70年前科學家的這一發(fā)現(xiàn),將生物學研究帶入分子時代。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。

對生命科學史而言,2023年還別具意義——80年前,諾貝爾物理學獎獲得者埃爾溫·薛定諤發(fā)表《生命是什么》演講,吸引了一大批物理學家投身生命科學;20年前,美、英、日、法、德、中6國科學家歷經(jīng)多年努力,共同繪制完成人類基因組序列圖,也“繪制”出生命科學史上的一座里程碑。

80年、70年、20年過去,如今,基因組學革命“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)風口?新華每日電訊記者就諸多熱點話題,與多位權(quán)威專家學者展開對話。

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,這些標志性事件有著怎樣的意義?

賀林(中國科學院院士):這些事件對人類和科學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,它實質(zhì)性地啟動了分子生物學時代,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,以分子遺傳學為首的各學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)域的研究和應用。

楊煥明(中國科學院院士):大約20年前,我拿到人類基因組草圖時真的很高興,因為這是歷史性進步,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雜,但我們摸索到一條路了。

尹燁(華大集團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世紀的三大科學工程。這三大科學工程促進了物理和生命科學發(fā)展的范式轉(zhuǎn)變,即從原來的以個人興趣和假說為導向的小科學運作模式,轉(zhuǎn)向了以大數(shù)據(jù)和平臺為導向的大科學工程模式。

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)達國家參與。1997年11月,出席中國遺傳學會青年遺傳學工作者討論會的汪建、于軍、顧軍、賀福初、賀林、曾益新、顧東風、楊煥明等中青年遺傳學家們,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,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里蘊藏著怎樣的秘密?時至今日,中國基因組學的研究情況發(fā)生了怎樣的變化?

賀林:DNA能夠精確地自我復制,使親代與子代間保持遺傳的連續(xù)性;能夠指導蛋白質(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)濟效益也相當可觀。

賀福初(中國科學院院士):人類基因組計劃最大的貢獻在于推動核酸測序能力的“超摩爾定律”增長,進而催生了基因組學驅(qū)動的生物醫(yī)學研究范式變革。時至今日,基因組學已邁入“成熟期”。

其他生命組學方面,蛋白質(zhì)組學仍有“成長的煩惱”,代謝組學“方興未艾”。因此,我們雖已進入基因組時代,但仍呼喚多組學或生命組學時代的到來。

徐訊(深圳華大生命科學研究院院長):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,獲得了全球認可。但單分子長片段測序儀等還需要進一步追趕。

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)生命科學的關(guān)鍵試劑盒尚需依賴進口。我們亟待進一步打好生命科學的“地基”,推動高端科研設(shè)備、源頭核心工具進一步自主可控,推動國產(chǎn)設(shè)備不斷迭代,不斷攻克關(guān)鍵核心技術(shù)。

基因組學行業(yè)三大風口

業(yè)界形成共識,基因組學行業(yè)有三大風口:精準醫(yī)學、未來農(nóng)業(yè)、生物制造。

按目前的醫(yī)學技術(shù),我們能檢測出7000多種基因病變,但能診斷的不足300種,精準醫(yī)學還有巨大的發(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、藥物、農(nóng)業(yè)、材料、環(huán)境和能源等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景……

記者:一系列基因組學計劃的實施,以及蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組等的發(fā)展,給醫(yī)學、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“精準醫(yī)學”概念,開啟了個性化醫(yī)療的臨床實踐。但僅憑基因組學難以真正普及“精準醫(yī)學”,針對此難題,中國科學家另辟蹊徑,發(fā)展出蛋白質(zhì)組學驅(qū)動的精準醫(yī)學。

例如,我所在的實驗室通過對肝細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一步分為三個分子亞型,且亞型的分類與預后密切相關(guān),目前正在進行后續(xù)轉(zhuǎn)化研究,以期讓更多肝細胞肝癌患者受益。

徐訊:精準醫(yī)學本質(zhì)上是通過以基因組為核心的多組學技術(shù),對大樣本人群與疾病進行生物標志物的分析、鑒定、驗證與應用,從而精確找到疾病的原因和治療的靶點,實現(xiàn)個性化精準治療,提高疾病診治與預防的效益。

在未來農(nóng)業(yè)方面,通過基因組進行定制化精準育種,可適應不同種植環(huán)境、農(nóng)業(yè)不同產(chǎn)品的需求。

在生物制造方面,通過合成生物學等基因組讀寫技術(shù),可以生物發(fā)酵等方式實現(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)科學科帶頭人、醫(yī)生):作為一名臨床醫(yī)生,我感到基因組學發(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,甚至會誤診。

我接診過一個8歲的女孩,運動發(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。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。

近些年基因組學的快速發(fā)展,也與儀器機械、材料科學的整體進步分不開。基礎(chǔ)科研的腳步要走在臨床科研之前,臨床實踐再反哺技術(shù)迭代。精準醫(yī)學只要有一個點突破了,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、數(shù)學和信息技術(shù)的快速協(xié)同發(fā)展,并在精準醫(yī)學、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)學上,最具標志性的應用當屬無創(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圖,奠定了在亞洲基因組學的地位。2018年,經(jīng)中國科研團隊積極爭取,《自然》雜志同意水稻的兩大栽培系命名不應為“japanica”和“indica”,而改為“geng(粳)”“xian(秈)”。(記者王若辰、張格)

責任編輯:王靜

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