“人类基因组妄想”回首与展望：从基因组生物学到精准医学
要害词: 人类基因组妄想 基因 基因组 精准医学 疾病分类学
摘要：“人类基因组妄想”这个具有划时代意义的大科学妄想已经完成整整十年了。十年来，基因组科学的生长逐渐形成了一个新的明确目的：精准医学。未来生物医学基础和临床科学的生长就是要整合基因组生物学新的学科前沿，运用新的看法和手艺，一直整合和积累临床资源，凝练大的科学问题，妄想和启动大科学项目，实时地、有用地为全社会提供“从实验室到病床”、“从实验室抵家庭和小我私家”的卫生与康健包管。社会必需要迅速熟悉和接受新知识、开拓新的机制、给科学界以有用的反响，充分地使用这些前沿研究效果。
1. “人类基因组妄想”是具有划时代意义的大科学妄想
今年，是“人类基因组妄想”（The Human Genome Project，HGP）宣布完成十周年。选择2003年竣事这个妄想着实既不是由于这一年第一小我私家类基因组的测序事情确实抵达了“终点”，也不是人类基因组序列“完成版”的现实竣事时间。这个日子的选择首先是为了纪念沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）在《自然》（Nature）上揭晓了他们的著名科学论文，发明DNA双螺旋结构五十周年。其次也是谢谢沃森博士这位推动这一弘大妄想实验的早期向导者和一连支持者。他曾在1989~1992年担当国家人类基因组研究中心（National Center for Human Genome Research at the National Institutes of Health）的主任，也就是现在NIH国家基因组研究所（NHGRI）的前身。最后才是这一妄想就完玉成基因组测序而言确实已近尾声，剩下的有限信息也缺乏以改变已有的科学结论。
一次性解读人类基因组所有DNA序列是在80年月初由一些有远见卓识的科学家们整体提出的。虽然其缘故原由是多方面的，可是基本上可以归纳为以下三点。第一是DNA测序手艺和相关分子生物学手艺日趋成熟。随着DNA双螺旋结构的剖析，自七十年月起，生物化学家们发明了一系列的主要分子生物学手艺，包括DNA测序、寡聚核苷酸合成、DNA杂交、分子克隆、聚合酶链式反应（PCR）等。尤其是80年月初荧光标记法DNA测序仪的研发和靠近问世。第二是生物医学生长的迫切需求。未知基因序列的一直解读，遗传疾病相关变异的定位克�。�Positional cloning），新转录因子和信号传导通路的一直发明，都使DNA测序手艺和需求被推到了科学界关注的焦点。当各人都在争取基金，妄想测定自己感兴趣的基因时，一个主要看法的提出赢得了普遍的支持：与其说各测个的基因，不如集中攻关测定全基因组的序列。集中攻关的特点就是可以使操作专业化和规�；�。尤其是在手艺飞速生长的情形下，非专业的手艺操作不但铺张资源，在落伍平台被迅速镌汰时，非专业的操作也一定会被迅速镌汰。这个原则在DNA测序领域一直适用至今。另外，其时遗传学和基因组学等学科的生长也遇到了新的瓶颈。好比对全基因组遗传图谱和物理图谱的迫切需求，对打片断DNA克隆的迫切需求等。第三是启动国际相助，调动全球各方资源的须要性。好比，人类基因组研究会涉及到天下各国的人类遗传资源，与其说在美国集中网络（虽然美国是个移民国家，可是就人类学的标准而言，异地取样往往是不被接受的），不如让这些国家直接加入一个配合的相助项目，同时他们所代表的国家还可以给与资金的支持。
1983年和1984年美国DOE（能源部）和NIH（卫生总署）划分组织了相关领域科学家，举行了启动大规模人类基因组测序妄想可能性的钻研，这就是HGP的酝酿阶段[1,2]。有几位科学家这两个聚会都加入了，好比现在仍是美国系统生物学研究所所长的胡德博士（Leroy E. Hood）和华盛顿大学退休教授欧森博士（Maynard V. Olson）。胡德博士向导的团队厥后乐成研发并商业化了荧光DNA自动测序仪[3]，欧森提出了STS（Sequence tagged site）的看法[4]并向导他的团队用新发明的酵母人工染色体（Yeast artificial chromosomes）为质料开启人类基因组细腻物理图谱制作的先河。1987年HGP的智库揭晓了《测定和绘制人类基因组图谱》的报告，宣布HGP进入详细实验阶段。1988年美国国会通过了DOE和NIH关于启动HGP的申请，两家主要资助者也协议配合支持HGP。五年后，人类基因组遗传图谱制作完成，第一代荧光自动测序仪顺遂问世，HGP则进入真正的规�；莼袢〗锥�。国际“人类基因组妄想”团结体最终由美、英、法、德、日、中六国逾千名科学家的现实加入，用时十五年，耗资十数亿美元配合完成。
HGP的乐成并不是无意的。它不但是科学生长的一定，也是科学要素具备和时机逐渐成熟的体现�？蒲ぶ辽僖弑杆母龌疽兀喝瞬庞肟蒲纺浴⑹忠沼胧笛橐臁⒆试从胨夭淖橹⒅卫碛胂钅渴笛�。虽然乐成与这四个要素都系息息相关，可是各自的权重却有所差别。人才与科学头脑的提出无疑是主要的。大科学项目尤其需要有威望、有能力的向导者，和一代既能脚扎实地地事情，又能协调共进的坚定支持者[5]。别的，基因组学应属于分子生物学领域，其学科的真正起点，是1953年DNA双螺旋结构的发明和70年月初期DNA序列解读手艺的发明。因此，也可以说HGP是五十年来生命科学与手艺生长的最主要结晶。实践还证实这一妄想实现了“以大科学妄想发动学科生长”的新战略，也宣布了科学生长“以科学假说为基础和以自由探索为形式”科研原则“一枝独秀”时代的终结。一种新的形式——“发明导向的科学研究”以后降生，而生命科学的重大性恰恰为这条新思绪提供了最有力的脚注。种种“组学”（Omics）研究的兴起就是这一形式的有力证据。若是能将这些组学手艺与以科学问题为目的的大科学项目团结起来那就更是“借助春风了”。
HGP的乐成还在于充分调动和使用了政府、社会、企业的实力。由于政府主导和支持了这一妄想，科研效果和手艺研发又为企业注入了新的知识产权，也为企业生长提供了明确的偏向。因此，据有关统计和评估，十几年来，HGP为美国社会创立了凌驾200倍的经济回报，凌驾30万个事情时机。同时也实现了在相关高科技领域的一连性主导。好比DNA测序领域、高端分子检测领域、生物信息领域、生物制药领域等等。美国的民营企业（好比Celara Genomics）也一经与HGP乐成竞争，不但测定了果蝇基因组，也测定了小鼠和人的全基因组序列，取得很好的科学、经济与社会效果。只管这两方面的起劲似乎有些铺张资源，但最终“官”和“民”的竞争照旧抵达了息争。这一竞争归根结底对科学、社会和企业的蓬勃生长还都爆发了正能量。
2. 基因组生物学的蹊径图：从基因组到精准医学
HGP是一个预计斥资30亿美元的大科学项目（现实花销很难预计，但因该只是预期的1/3左右），在三十年后的今天来看也是个不小的数字。不但可以与1939年美国斥资20亿美元（相当于260亿2013年美元的价值）制造原子弹的“曼哈顿妄想”媲美，也可以与斥资254亿美元（1973年美元价值）的“阿波罗登月妄想”争艳。据最新的预计，HGP为美国所创立的经济效益已经抵达一万亿（1trillion）美元[6]。更主要的是这一妄想未来的价值体现还在一直继续。
那么，这样一个大型科学研究妄想是怎样获得政府的支持并真正爆发了这样大的社会效益呢？究其缘故原由是它不但知足了科研界的普遍需求，同时也顾及到全社会的配合利益。首先，大型科学妄想必需具有普遍的引领性，亦即可行、可控、可实现的科学性。HGP正是这样一个妄想，以高质量测定一小我私家的基因组为详细目的，以生长DNA测序手艺和规�；僮魑侄�，以国际相助为乐成包管。这样的妄想和治理模式显然也适用于其它物种的基因组妄想和人类基因组多态性的深入研究。其次，大型科学妄想要具有可妄想性，妄想的主体是人才与手艺。HGP的现实向导者许多是来自于其他领域，他们的可信托度来自于做事情有始有终的历史纪录。好比英国的苏斯顿博士（John Sulston，获2002年度诺贝尔心理或医学奖）和美国的瓦特斯顿博士（Robert Waterston）被选为HGP基因组测序的主要向导者，划分向导了英国和美国最大的测序中心，他们早年着实是研究线虫生物学的专家。其三是大科学项目要有始有终，亦即具有阶段性和可操作性的目的，不可是开放式的（Open-ended）或效果无法量化的。虽然，所谓的量化不是用文章和专利的几多，作育学生的几多来权衡，而是用社会效益来权衡，由自力咨询机构来调研和报告的。最后是统理和实验的艺术。HGP不但要有一个清晰的蹊径图——科学领域生长的蹊径图往往是指研究运动的最终目的和操作历程——并且还要有配合的原则和实验计划。好比，HGP著名的“百慕大原则”（Bermuda Principles）要求所有测序数据必需在产出的24小时之内投放到公共数据库里，使珍贵的数据获得现实和实时的共享。
建设HGP科研效果与社会利益的关系，以及为�；ず秃胙镎庑┬Ч屠嫠ㄉ杵鹄吹闹捶ò芟低扯贾凉刂饕�。没有这些利益的包管，利益也就不保存。在美国，科研效果和社会利益包管关系的建设可以追溯到著名的Bayh-Dole Act，亦即1980年美国通过的知识产权法（ P.L. 96-517, Amendments to the Patent and Trademark Act）[7]。这项执法旨在�；だ醋杂谡芯炕蜓蟹⒒鹱手路亲橹托⌒推笠挡龅姆⒚髯ɡ�，来勉励爆发在研究领域、小企业和成熟企业之间的知识产权转让、相助与合资。中国科学家虽然加入了HGP，肩负了1%的使命，可是HGP在中国社会所爆发的现实效益也很是有限，好比手艺研发效果未几，专业性企业寥寥等。除了华大基因研究院和永利集团还在差别的治理框架下（民营与地方政府支持vs. 国家基金与科学院的通例支持）追求一直生长外，国家南、北基因组中心的生长皆面临谁来“再输血”（一连支持）的问题。就一个追求对人类科学前进和社会生长有所孝顺的大国而言，怎样使用科研基础和实力，为手艺麋集型企业提供适用手艺和知识产权，值得国人深入思索和实践。
无论怎样，HGP的传奇还在以惊人的气焰和速率继续着。早在HGP完成之前，时任NIH基因组研究所所长的考林斯博士（Francis Collins）就提出了“从基因组结构到基因组生物学，再到疾病生物学和医学科学”的蹊径图，意在以最快的速率将这一妄想所爆发的效果转移到爆发经济和社会效益上。发明第一代荧光自动测序仪的著名科学家胡德博士也曾提出4P（Predictive展望, Preventive预防, Personalized个性化 & Participatory参享）医学的头脑，旨在指引基因组学效果的详细应用。2011年美国基因组学与生物医学界的智库又揭晓了《迈向精准医学：建设生物医学与疾病新分类学的知识网络》，宣示基因组学的研究效果和手段怎样可以促成生物医学和临床医学研究的交汇，从而编织新的知识网络。现已退休的华盛顿大学欧森博士是唯逐一位既加入了起草1987年“人类基因组妄想”宣言性报告，也加入了这个精准医学报告撰写的科学家。他对精准医学的诠释是：“个性化”着实就是医学实践的正常形式，而分子水平信息的准确使用则会使医学更精准，因而成为恰如其分的目的性形貌。他学医身世的博士后，也是现在NIH基因组研究所所长的格润博士（Eric Green），正在坚决地实践着欧森三十年以来的一直头脑：大科学项目一定要有始有终、要有直接造福于社会的目的性。只有这样，主流科学家、政府、社会和民众才华坚定地支持这样耗时十数年、耗资几十亿、集科学头脑与手艺集成为一体的大科学项目。
实现精准医学需要在两个大领域——基础生物医学与临床医学——建设现实的转化研究和细密的接轨机制。我们已经看到了诸多“转化中心”的建设，我们也看到了种种“转化研究”的启动。只管现在精准医学还不是一个详细的学科和大项目，可是在这个科学头脑框架下的蓝图已经妄想好了。《迈向精准医学：建设生物医学与疾病新分类学的知识网络》的报告已直接建议了几个可实验大项目，好比“百万人美国人基因组妄想”、“糖尿病代谢组妄想”、“袒露组研究（Exposome）妄想”等。就百万人基因组测序而言，其纯粹的DNA测序价钱就应该在10亿美元以上。鉴于英国的医学临床资源规范并且富厚，宰衡卡梅伦去年斥资一亿英镑率先就启动了“十万人基因组测序妄想”�？杉�，只要是可以直接造福国民的科学妄想，对谁来讲都是“乐而为之”。
然而，只管精准医学的提出同时给基础研究和临床研究指出了配合生长之路，可是他们面临的挑战和问题却各有差别。
3. 基础生物学的生长与基因组生物学的新境界
基于基因结构和序列转变的基因组学研究无疑必需转入到以生物学和医学焦点命题为目的的研究�；蜃檠忠蘸凸婺；奶卣鹘嵫有⒎⒒�，大数据、重大信息、新看法和新知识等等，都在一直地催生新的科研思绪和新的头脑境界。从“DNA到RNA再到卵白质”和种种“组学”研究，最终将搜集在一个或者数个生物学命题下（好比癌症、代谢疾病、脑发育与认知、生殖力的可塑性等），形成一种整合性、更高条理的“数据—信息—知识”消化和明确历程。二十多年前胡德博士提出的“多系统生物学”开发了新的头脑和要领，可是他并没有将其研究内容详细化、头脑框架化。只管他头脑的追随者们开发了许多高通量手艺，爆发了许多卵白质-卵白质相互作用的数据，基因表达关联数据，还开发了网络剖析要领等，可是一个既宽容，又有序的头脑框架照旧呼之欲出，或隐或现。
首先，基因组学在新形势下已经完成了从基因组学（以DNA序列为研究主体）到基因组生物学（以生物学命题为研究主体）再到基于谱系的基因组生物学（以生物谱系，如哺乳动物为研究主体）的“凤凰涅磐”。现在已经没有人再见来品评基因组学就是“测测DNA序列”了。近几年来，基因组学研究的功效和视野都有了长足的拓展，DNA测序手艺已经抵达了一个新的平台：应用基本成熟，通量和价钱基本平稳。未来会有诸多的基因组序列在名目繁多的理由下，被一直测定，大数据的迅速积累也成为一定。不过，地球上物种之多，科学生长之一直，DNA测序项目还会层出不穷，手艺的研发和刷新还会继续。那么基因组学领域自己的革命性转变会在那里呢？谜底是多方面的，好比人类基因组在已往500代（假设20年为一代人）里积累的群体多态性会在未来的五年内所有找出来，这些多态性与人类疾病的关系也会在未来的十年里基本搞清晰，模子哺乳动物（好比小鼠和大鼠）基因组的相关信息也会被逐渐所有获取。又好比，DNA测序可以用来确定DNA分子上的种种化学修饰，这些化学修饰可以用来评价基因表达调控机制；DNA测序可以用来评估染色体的构象，而染色体构象与个体发育和细胞分解都亲近相关；DNA测序可以用来研究单个细胞的基因表达，而单细胞里单个基因的表达是基因功效调控的最基本信息；DNA测序可以用来评价染色体的物理状态，好比核小体的定位和组分（如组卵白）卵白质的化学修饰等，这些信息与基因在高条理的调控有关�？杉�，DNA测序将不再停留在测定基因组自己的序列和多态性，会延伸到其它相关“组学”领域的研究。
其次，我们至少要在五个分子和细胞生物学层面上思量基因组生物学的生长和研究内容。第一是“信息流”（Informational Track），它延续“中心规则”的头脑框架，主要研究工具是DNA、RNA和卵白质序列信息，由遗传密码来解读。它的相关研究领域包括分子遗传学、分子进化和基因组结构等。只管基因型与表型的关系从传承来讲是遗传学的研究内容，可是越来越多的表型被分到可塑性的研究领域。大样本量的研究也一定要与生态学团结在一起。简朴地将基因变异（编码部分）与重大的生物学征象相关联是不可够真正解决主要生物学问题的，着实质更不是金-威尔森（King-Wilson）在1975年提出的“两个调控水平”假说（简朴的基因调控区假说，以为基因调控序列决议基因调控的差别，从而导致近缘物种间的表型差别）[8]。信息流的研究素材主要是基因组DNA序列和基因组的群体多态性，这些多态性的特点是它们的相对有限性和稳固性。好比，人类基因组间的序列差别约莫是1/500，而这些差别经常是以差别的频率被统一个群体来共享的�；痪浠敖�，若是我们测定了一个群体中一万个个体的基因组，这个群体的未知多态性就会所剩无几了。第二是“操作流”（Operational Track），它的研究工具包括心理学、细胞生物学和分子生物学研究的主要实验内容和生物学命题。操作流是个较量重大的系统，它包括了以DNA（Epigenomic，表观基因组学）、RNA（Ribogenomic，RNA组学）、卵白质（Proteomic，卵白质组学）为主体的种种穿插交织的调控机制，对应的是这三个已经建设起来，可是信息流以外的“组学”。第三是“平衡流”（Homeostatic Track），主要是药理学和生物化学等学科的研究英华。平衡流包括三个基本部分：物质（Material）流、能量（Energy）流和信导（Signaling）流。主要的物质流研究工具包括血红素（好比，血红素与生物节律的关系）、生物激素（好比，生长激素与发育的关系）、神经递质（好比，生物递质与神经发育的关系）等等。主要的能量流物质研究工具包括dNTP、NTP、多聚磷酸、种种单糖、种种多糖等。DNA、RNA和卵白质等作为主要细胞组分也会与能量流和物质流亲近相关。我们对能量流的相识着实照旧很是有限的，可是从另一个角度来说，其生长潜力也是很是重大的。好比，人类的生命周期（发育、更年、朽迈等）和生殖周期的心理学就是这个“流”所要研究的部分基本内容。病理状态，好比人群中高发的代谢和神经退行性疾病等也在其中。信导流，也就是信号传导，显然已经是分子生物学家几十年来的研究工具，勿须赘述。第四是“分室流”（Compartmental Track），它涵盖发育生物学、剖解学、生命起源等领域所涉及的焦点科学问题。分室流将以单细胞和细胞群为研究工具，展现细胞分解、个体爆发和发育、组织形成中分子机制。由于生命起源是由简朴到重大，由单细胞到多细胞，以是分室流也将展现生命起源和细胞器形成中分子机制。干细胞研究也是属于分室流研究的领域，主要是在分子水平上诠释胚胎、诱导干细胞、特定组织干细胞等的差别和怎样诠释干细胞的自然爆发、诱导爆发、定向分解和异常分解。同时，也要建设测定干细胞分解定向性和定向分解潜能的维持和诱导因素。第五是“可塑流”（Plasticity Track），主要是研究表型和行为的可塑性。前者席卷生态学与情形生物学的研究内容，后者包括神经心理和心理学等研究内容在分子水平的命题。这两个可塑流的分支有关系吗？为什么要将它们放在一起来研究？这里仅举一个例子，这就是生物节律之一的休眠，例如哺乳动物常见的蛰伏（如黑熊）和夏眠（如热带蝙蝠）。蛰伏着实是一个由中枢神经系统加入的自动行为，也是一个重大的心理历程，同时又受情形因素的严酷制约。动物的迁徙和休眠行为在进化的框架下，既有趋同进化也有趋异进化，也具有相当强的表型和行为可塑性以及两者的交织和重叠。揭开表型和行为的可塑性之谜显然不是简朴的遗传和遗传多态性的问题，是要集成生命科学各个领域的最新成绩和手艺。
别的，这个“五流”是否涵盖了生命科学的所有呢？谜底是一定的，不可。由于知识在一直高速积累，科学要一直生长和提高，看法和理论必需一直更新。可是，就现在科学界能够容忍的变量和参数而言，这“五流”的关联已经足具挑战性了。生命科学研究基本上有两个极端：简朴化和重大化。简朴化的研究是分子生物学家最津津乐道的：例如相互作用和信号传导的研究。重大化呢，还没有先例。“五流合悟”可能就是一个详细实验。我们已往对机械式的原理关注过多，对重大而具有可塑性的生命征象的研究却很是欠缺。已往，这类征象被笼统地归为“表观遗传”和“情形因素”了。这个界说是很是不“科学”和可称经典“鸵鸟心态”。随着科学和手艺的生长，我们可以逐渐来面临现实了。
再则，无论怎样，生命是个整体，生命的最小单位细胞也是一个整体，就连基因这一生命编码的最小功效单位也是有差别的序列和相互作用原件组成。因此，“五流合悟”不但势在必行，并且是唯一出路。那么，怎样将差别的“流下（内）要素”关联起来呢？简朴的孰重孰轻和孰本孰末，显然是不可能资助我们解决基础问题的。至少五个基本时、空、量、域等参数要思量，好比：（1）信息流：等位基因的主次之分和群体转达；（2）操作流：可量化的历程、效果和可转达性；（3）平衡流：量化物质的基数、噪音、阈值和能量水平；（4）分室流：量与时间、空间的关系；（5）可塑流：量、时间、空间、交流、水平和可学习性等。
最后，生命科学研究的真正挑战在于怎样将这些基于差别看法界定的，由差别手艺和要领获取的，被差别领域科学家们所网络的，停留在各个差别理论和信息层面上的知识编织成一个有机的网络或系统。而这恰恰是就是生命的特点，也可以说是展现生命实质的最终途径。生物医学研究与临床医学实践的精准度也正是由这些研究学科前沿的前进来决议的。
4. 中国生命科学怎样“自主于天下民族之林”
中国科学家在1999年适时加入了HGP，并肩负了1%的使命。厥后还加入了相关的国际性的基因组研究妄想，好比“人类单倍体型图妄想”和“千人基因组妄想”等。可是这些科学妄想地加入并没有在中国科学界和社会引起“波涛”，中国生命科学界迄今也没有启动足够规模、具有划时代科学意义的大项目，国家也没有启动能够让黎民公共振奋的大科学妄想。
生命科学未来生长的基本趋势照旧一目了然的。要实现应用的精准，首先是丈量手艺的精准。DNA测序已经准确到单个核苷酸，因此单细胞和单分子（或超微量）手艺，将会引领未来体内手艺的生长。DNA测序、质谱、微流控、CCD摄像、微纳加工等手艺的海内空缺都亟待填补。其次是数据的获取、组织和综合挖掘能力的建设。中国的超等盘算机运算能一经可以展示为领先国际水平，可是现实的领域应用水平却经常落伍于国际偕行水平。美国的NCBI和欧洲的EBI都是有着近30年历史的生物信息中心，我们没有；国际性大型文献网络和检索库都在一直扩张和更新，我们没有。第三是临床和自然资源的积累。我们可以重新最先。最后是大项目的策划和实验，我们正在钻研和积累履历。
值得乐观的是中国科学家揭晓的论文数这些年来一直攀升，显然与我国的科研投入有关。“一国之下，万国之上”的时势着实也有诸多隐情。好比，中国科学家的国际相助精神远在国际偕行之下。其缘故原由无外乎是单位和小我私家排名的纠结、致谢中资助单位排名的纠结、文章影响因子的纠结、无休止和无标准评审的纠结等等。挣扎在这些似乎无法挣脱的“泥潭里”，科学家们神往未来、策划未来和为未来而斗争的心情是怎样状态呢？
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(转载自《自然杂志》第35卷 第5 期)
