人類基因組計劃10年回顧與展望

人類基因組計劃10年回顧與展望

1hgp的緣起與發(fā)展2013年，“人類疾病計劃”（hgb）宣布了10周年。選擇2003年結束這個計劃其實既不是因為這一年第一個人類基因組的測序工作確實到達了“終點”,也不是人類基因組序列“完成版”的實際結束時間。這個日子的選擇首先是為了紀念沃森(JamesWatson)和克里克(FrancisCrick)在《Nature》上發(fā)表了他們的著名科學論文,發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構50周年;其次也是感謝沃森博士這位推動這一宏大計劃實施的早期領導者和持續(xù)支持者,他曾在1989—1992年擔任美國國家人類基因組研究中心(NationalCenterforHumanGenomeResearchattheNationalInstitutesofHealth)的主任,也就是現(xiàn)在的美國國家基因組研究所(NHGRI)的前身;最后才是這一計劃就完成全基因組測序而言確實已近尾聲,剩下的有限序列信息也不足以改變已有的科學結論。一次性解讀人類基因組全部DNA序列是在20世紀80年代初由一些有遠見卓識的科學家們集體提出的。雖然其原因是多方面的,但是基本上可以歸納為以下三點:第一是DNA測序技術和相關分子生物學技術日趨成熟。隨著DNA雙螺旋結構的解析,自20世紀70年代起,生物化學家們發(fā)明了一系列的重要分子生物學技術,包括DNA測序、寡聚核苷酸合成、DNA雜交、分子克隆、聚合酶鏈式反應(PCR)等。尤其是20世紀80年代初熒光標記法DNA測序儀的研發(fā)和接近問世。第二是生物醫(yī)學發(fā)展的迫切需求。未知基因序列的不斷解讀,遺傳疾病相關變異的定位克隆(positionalcloning),新轉錄因子和信號傳導通路的不斷發(fā)現(xiàn),都使DNA測序技術和需求被推到了科學界關注的焦點。當大家都在爭取基金,計劃測定自己感興趣的基因時,一個重要觀點的提出贏得了廣泛的支持——與其說各測各的基因,不如集中攻關測定全基因組的序列。集中攻關的特點就是可以使操作專業(yè)化和規(guī)?；?。尤其是在技術飛速發(fā)展的情況下,非專業(yè)的技術操作不僅浪費資源,在落后平臺被迅速淘汰時,非專業(yè)的操作也一定會被迅速淘汰。這個原則在DNA測序領域一直適用至今。另外,當時遺傳學和基因組學等學科的發(fā)展也遇到了新的瓶頸。比如對全基因組遺傳圖譜和物理圖譜的迫切需求,對大片段DNA克隆的迫切需求等。第三是啟動國際合作,調(diào)動全球各方資源的必要性。比如,人類基因組研究會涉及世界各國的人類遺傳資源,與其說在美國集中收集(雖然美國是個移民國家,但是就人類學的標準而言,異地取樣往往是不被接受的),不如讓這些國家直接參加一個共同的合作項目,同時他們所代表的國家還可以給予資金的支持。1983年和1984年美國能源部(DOE)和衛(wèi)生總署(NIH)分別組織了相關領域科學家,進行了啟動大規(guī)模人類基因組測序計劃可能性的研討,這就是HGP的醞釀階段。有幾位科學家這兩個會議都參加了,比如目前仍是美國系統(tǒng)生物學研究所所長的胡德(LeroyE.Hood)博士和華盛頓大學退休教授歐森(MaynardV.Olson)博士。胡德博士領導的團隊后來成功研發(fā)并商業(yè)化了熒光標記法DNA自動測序儀,歐森提出了STS(sequencetaggedsite)的概念并領導他的團隊用新發(fā)明的酵母人工染色體(yeastartificialchromosomes)為材料開啟人類基因組精細物理圖譜制作的先河。1987年HGP的智庫發(fā)表了《測定和繪制人類基因組圖譜》的報告,宣布HGP進入具體實施階段。1988年美國國會通過了DOE和NIH關于啟動HGP的申請,兩家主要資助者也協(xié)議共同支持HGP。5年后,人類基因組遺傳圖譜制作完成,第一代熒光自動測序儀順利問世,HGP則進入真正的規(guī)?；瘮?shù)據(jù)獲取階段。國際“人類基因組計劃”聯(lián)合體最終由美、英、法、德、日、中6國逾千名科學家實際參與,用時15年,耗資數(shù)十億美元共同完成。HGP的成功并不是偶然的。它不僅是科學發(fā)展的必然,也是科學要素具備和時機逐漸成熟的體現(xiàn)?？茖W發(fā)展至少要具備四個基本要素:人才與科學思想、技術與實驗方法、資源與素材組織、管理與項目實施。雖然成功與這四個要素都息息相關,但是各自的權重有所不同。人才與科學思想的提出無疑是首要的。大科學項目尤其需要有威望、有能力的領導者和一代既能腳踏實地地工作,又能協(xié)調(diào)共進的堅定支持者。此外,基因組學應屬于分子生物學范疇,其學科的真正起點,是1953年DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)和20世紀70年代初期DNA序列解讀技術的發(fā)明。因此,也可以說HGP是50年來生命科學與技術發(fā)展的最重要結晶。實踐還證明這一計劃實現(xiàn)了“以大科學計劃帶動學科發(fā)展”的新策略,也宣布了科學發(fā)展“以科學假說為基礎和以自由探索為形式”科研原則“一枝獨秀”時代的終結。一種新的形式——“發(fā)現(xiàn)導向的科學研究”從此誕生,而生命科學的復雜性恰恰為這條新思路提供了最有力的腳注。各類“組學”(-omics)研究的興起就是這一形式的有力證據(jù)。如果能將這些組學技術與以科學問題為目標的大科學項目結合起來那就更是“借助東風”了。HGP的成功還在于充分調(diào)動和利用了政府、社會、企業(yè)的力量。由于政府主導和支持了這一計劃,科研成果和技術研發(fā)又為企業(yè)注入了新的知識產(chǎn)權,也為企業(yè)發(fā)展提供了明確的方向。因此,據(jù)有關統(tǒng)計和評估,十幾年來,HGP為美國社會創(chuàng)造了超過200倍的經(jīng)濟回報,超過30萬個工作機會;同時也實現(xiàn)了在相關高科技領域的持續(xù)性主導,比如DNA測序領域、高端分子檢測領域、生物信息領域、生物制藥領域等等。美國的民營企業(yè)(比如CelaraGenomics)也曾經(jīng)與HGP成功競爭,不僅測定了果蠅基因組,也測定了小鼠和人的全基因組序列,取得很好的科學、經(jīng)濟與社會效果。盡管這兩方面的努力似乎有些浪費資源,但最終“官”和“民”的競爭還是達到了和解。這一競爭歸根結底對科學、社會和企業(yè)的蓬勃發(fā)展還都產(chǎn)生了正能量。2hgp基因組測序中心的發(fā)展HGP是一個預計斥資30億美元的大科學項目(實際花銷很難估計,但應該只是預期的1/3左右),在30年后的今天來看也是個不小的數(shù)字。不僅可以與1939年美國斥資20億美元(相當于2013年260億美元價值)制造原子彈的“曼哈頓計劃”媲美,也可以與斥資254億美元(1973年美元價值)的“阿波羅登月計劃”爭艷。據(jù)最新的估計,HGP為美國所創(chuàng)造的經(jīng)濟效益已經(jīng)達到1萬億(1trillion)美元。更重要的是,這一計劃未來的價值體現(xiàn)還在不斷繼續(xù)。那么,這樣一個大型科學研究計劃是如何得到政府的支持并真正產(chǎn)生了這樣大的社會效益呢?究其原因是它不僅滿足了科研界的普遍需求,同時也顧及到全社會的共同利益。首先,大型科學計劃必須具有普遍的引領性,亦即可行、可控、可實現(xiàn)的科學性。HGP正是這樣一個計劃,以高質量測定一個人的基因組為具體目標,以發(fā)展DNA測序技術和規(guī)?；僮鳛槭侄?以國際合作為成功保障。這樣的計劃和管理模式顯然也適用于其他物種的基因組計劃和人類基因組多態(tài)性的深入研究。其次,大型科學計劃要具有可計劃性,計劃的主體是人才與技術。HGP的實際領導者很多是來自于其他領域,他們的可信任度來自于做事情有始有終的歷史紀錄。比如英國的蘇斯頓(JohnSulston,獲2002年度諾貝爾生理學或醫(yī)學獎)博士和美國的瓦特斯頓(RobertWaterston)博士被選為HGP基因組測序的主要領導者,分別領導了英國和美國最大的測序中心,他們早年其實是研究線蟲生物學的專家。其三是大科學項目要有始有終,亦即具有階段性和可操作性的目標,不能是開放式的(open-ended)或結果無法量化的。當然,所謂的量化不是用文章和專利的多少,培養(yǎng)學生的多少來衡量,而是用社會效益來衡量,由獨立咨詢機構來調(diào)研和報告的。最后是統(tǒng)理和實施的藝術。HGP不僅要有一個清楚的路線圖——科學領域發(fā)展的路線圖往往是指研究活動的終極目標和操作過程——而且還要有共同的原則和實施方案。比如,HGP著名的“百慕大原則”(BermudaPrinciples)要求所有測序數(shù)據(jù)必須在產(chǎn)出的24h之內(nèi)投放到公共數(shù)據(jù)庫里,使珍貴的數(shù)據(jù)得到實際和及時的共享。建立HGP科研成果與社會利益的關系,以及為保護和弘揚這些成果和利益所建立起來的法律保障體系都至關重要。沒有這些法律的保障,利益也就不存在。在美國,科研成果和社會利益保障關系的建立可以追溯到著名的Bayh-DoleAct,亦即1980年美國通過的知識產(chǎn)權法(P.L.96-517,AmendmentstothePatentandTrademarkAct)。這項法律旨在保護來自于政府研究或研發(fā)基金資助下非營利組織和小型企業(yè)產(chǎn)出的發(fā)明專利權,來鼓勵發(fā)生在研究領域、小企業(yè)和成熟企業(yè)之間的知識產(chǎn)權轉讓、合作與合資。中國科學家雖然參與了HGP,承擔了1%的任務,但是HGP在中國社會所產(chǎn)生的實際效益也非常有限,比如技術研發(fā)成果不多,專業(yè)性企業(yè)寥寥等。除了華大基因研究院和中國科學院北京基因組研究所還在不同的管理框架下(前者由民營與地方政府支持,后者由國家基金與科學院常規(guī)支持)尋求不斷發(fā)展外,國家南、北基因組中心的發(fā)展皆面臨誰來“再輸血”(持續(xù)支持)的問題。就一個尋求對人類科學進步和社會發(fā)展有所貢獻的大國而言,如何利用科研基礎和實力,為技術密集型企業(yè)提供實用技術和知識產(chǎn)權,值得國人深入思考和實踐。無論如何,HGP的傳奇還在以驚人的氣勢和速度繼續(xù)著。早在HGP完成之前,時任NIH基因組研究所所長的考林斯(FrancisCollins)博士就提出了“從基因組結構到基因組生物學,再到疾病生物學和醫(yī)學科學”的路線圖,意在以最快的速度將這一計劃所產(chǎn)生的成果轉移到產(chǎn)生經(jīng)濟和社會效益上。發(fā)明第一代熒光自動測序儀的著名科學家胡德博士也曾提出4P(predictive預測、preventive預防、personalized個性化和participatory參享)醫(yī)學的思想,旨在指引基因組學成果的具體應用。2011年美國基因組學與生物醫(yī)學界的智庫又發(fā)表了《邁向精準醫(yī)學:建立生物醫(yī)學與疾病新分類學的知識網(wǎng)絡》,宣示基因組學的研究成果和手段如何可以促成生物醫(yī)學和臨床醫(yī)學研究的交匯,從而編織新的知識網(wǎng)絡?，F(xiàn)已退休的華盛頓大學歐森博士是唯一一位既參加了起草1987年“人類基因組計劃”宣言性報告,也參加了這個精準醫(yī)學報告撰寫的科學家。他對精準醫(yī)學的解釋是:“個性化”其實就是醫(yī)學實踐的正常形式,而分子水平信息的正確使用則會使醫(yī)學更精準,因而成為恰如其分的目的性描述。他學醫(yī)出身的博士后,也是目前NIH基因組研究所所長的格潤(EricGreen)博士,正在堅決地實踐著歐森30年以來的一貫思想:大科學項目一定要有始有終、要有直接造福于社會的目的性。只有這樣,主流科學家、政府、社會和民眾才能堅定地支持這樣耗時十數(shù)年、耗資幾十億、集科學思想與技術集成為一體的大科學項目。實現(xiàn)精準醫(yī)學需要在兩個大領域——基礎生物醫(yī)學與臨床醫(yī)學——建立實際的轉化研究和緊密的接軌機制。我們已經(jīng)看到了諸多“轉化中心”的成立,我們也看到了各類“轉化研究”的啟動。盡管目前精準醫(yī)學還不是一個具體的學科和大項目,但是在這個科學思維框架下的藍圖已經(jīng)規(guī)劃好了?！哆~向精準醫(yī)學:建立生物醫(yī)學與疾病新分類學的知識網(wǎng)絡》的報告已直接建議了幾個可實施大項目,比如“百萬人美國人基因組計劃”、“糖尿病代謝組計劃”、“暴露組研究(Exposome)計劃”等。就百萬人基因組測序而言,其單純的DNA測序價格就應該在10億美元以上。鑒于英國的醫(yī)學臨床資源規(guī)范而且豐富,首相卡梅倫2012年斥資1億英鎊率先就啟動了“十萬人基因組測序計劃”?？梢?只要是可以直接造福國民的科學計劃,對誰來講都是“樂而為之”。然而,盡管精準醫(yī)學的提出同時給基礎研究和臨床研究指出了共同發(fā)展之路,但是他們面臨的挑戰(zhàn)和問題各有不同。3基因組的研究和保護基于基因結構和序列變化的基因組學研究無疑必須轉入到以生物學和醫(yī)學核心命題為目標的研究?；蚪M學技術和規(guī)?；奶卣鲗永m(xù)并發(fā)揚,大數(shù)據(jù)、復雜信息、新概念和新知識等等,都在不斷地催生新的科研思路和新的思維境界。從“DNA到RNA再到蛋白質”和各類“組學”研究,最終將匯集在一個或者數(shù)個生物學命題下(比如癌癥、代謝疾病、腦發(fā)育與認知、生殖力的可塑性等),形成一種整合性、更高層次的“數(shù)據(jù)—信息—知識”消化和理解過程。20多年前胡德博士提出的“多系統(tǒng)生物學”開辟了新的思維和方法,但是他并沒有將其研究內(nèi)容具體化、思維框架化。盡管他思想的追隨者們開發(fā)了很多高通量技術,產(chǎn)生了很多蛋白質-蛋白質相互作用的數(shù)據(jù),基因表達關聯(lián)數(shù)據(jù),還開發(fā)了網(wǎng)絡分析方法等,但是一個既寬容又有序的思維框架還是呼之欲出,或隱或現(xiàn)。首先,基因組學在新形勢下已經(jīng)完成了從基因組學(以DNA序列為研究主體)到基因組生物學(以生物學命題為研究主體)再到基于譜系的基因組生物學(以生物譜系,如哺乳動物為研究主體)的“鳳凰涅槃”。目前已經(jīng)沒有人再會來批評基因組學就是“測測DNA序列”了。近幾年來,基因組學研究的功能和視野都有了長足的拓展,DNA測序技術已經(jīng)到達了一個新的平臺:應用基本成熟,通量和價格基本平穩(wěn)。未來會有諸多的基因組序列在名目繁多的理由下,被不斷測定,大數(shù)據(jù)的迅速積累也成為必然。不過,地球上物種之多,科學發(fā)展之不斷,DNA測序項目還會層出不窮,技術的研發(fā)和革新還會繼續(xù)。那么基因組學領域本身的革命性變化會在哪里呢?答案是多方面的,比如人類基因組在過去500代(假設20年為一代人)里積累的群體多態(tài)性會在未來的5年內(nèi)全部找出來,這些多態(tài)性與人類疾病的關系也會在未來的10年里基本搞清楚,模型哺乳動物(比如小鼠和大鼠)基因組的相關信息也會被逐漸全部獲取。又比如:DNA測序可以用來確定DNA分子上的種種化學修飾,這些化學修飾可以用來評價基因表達調(diào)控機制;DNA測序可以用來評估染色體的構象,而染色體構象與個體發(fā)育和細胞分化都密切相關;DNA測序可以用來研究單個細胞的基因表達,而單細胞里單個基因的表達是基因功能調(diào)控的最基本信息;DNA測序可以用來評價染色體的物理狀態(tài),比如核小體的定位和組分(如組蛋白)蛋白質的化學修飾等,這些信息與基因在高層次的調(diào)控有關。可見,DNA測序將不再停留在測定基因組本身的序列和多態(tài)性,會延伸到其他相關“組學”領域的研究。其次,我們至少要在5個分子和細胞生物學層面上考慮基因組生物學的發(fā)展和研究內(nèi)容。第一是“信息流”(informationaltrack),它延續(xù)“中心法則”的思維框架,主要研究對象是DNA、RNA和蛋白質序列信息,由遺傳密碼來解讀。它的相關研究領域包括分子遺傳學、分子進化和基因組結構等。盡管基因型與表型的關系從傳承來講是遺傳學的研究內(nèi)容,但是越來越多的表型被分到可塑性的研究范疇。大樣本量的研究也必然要與生態(tài)學結合在一起。簡單地將基因變異(編碼部分)與復雜的生物學現(xiàn)象相關聯(lián)是不能夠真正解決重要生物學問題的,其實質更不是金-威爾森(King-Wilson)在1975年提出的“兩個調(diào)控水平”假說(簡單的基因調(diào)控區(qū)假說,認為基因調(diào)控序列決定基因調(diào)控的不同,從而導致近緣物種間的表型不同)。信息流的研究素材主要是基因組DNA序列和基因組的群體多態(tài)性,這些多態(tài)性的特點是它們的相對有限性和穩(wěn)定性。比如,人類基因組間的序列差異大約是1/500,而這些不同常常是以不同的頻率被同一個群體來共享的。換句話講,如果我們測定了一個群體中1萬個個體的基因組,這個群體的未知多態(tài)性就會所剩無幾了。第二是“操作流”(operationaltrack),它的研究對象包括生理學、細胞生物學和分子生物學研究的主要實驗內(nèi)容和生物學命題。操作流是個比較復雜的體系,它包括了以DNA(Epigenomic,表觀基因組學)、RNA(Ribogenomic,RNA組學)、蛋白質(Proteomic,蛋白質組學)為主體的各種穿插交錯的調(diào)控機制,對應的是這三個已經(jīng)建立起來,但是信息流以外的“組學”。第三是“平衡流”(homeostatictrack),主要是藥理學和生物化學等學科的研究精華。平衡流包括兩個基本部分:物質流和能量流。重要的物質流研究對象包括血紅素(比如,血紅素與生物節(jié)律的關系)、生物激素(比如,生長激素與發(fā)育的關系)、神經(jīng)遞質(比如,生物遞質與神經(jīng)發(fā)育的關系)等等。重要的能量流物質研究對象包括dNTP、NTP、多聚磷酸、各類單糖、各類多糖等。DNA、RNA和蛋白質等作為主要細胞組分也會與能量流和物質流密切相關。我們對能量流的了解其實還是非常有限的,但是從另一個角度來說,其發(fā)展?jié)摿σ彩欠浅＞薮蟮?。比?人類的生命周期(發(fā)育、更年、衰老等)和生殖周期的生理學就是這個“流”所要研究的部分基本內(nèi)容。病理狀態(tài),比如人群中高發(fā)的代謝和神經(jīng)退行性疾病等也在其中。第四是“分室流”(compartmentaltrack),它涵蓋發(fā)育生物學、解剖學、生命起源等領域所涉及的核心科學問題。分室流將以單細胞和細胞群為研究對象,揭示細胞分化、個體發(fā)生和發(fā)育、組織形成等分子機制。由于生命起源是由簡單到復雜,由單細胞到多細胞,所以分室流也將揭示生命起源和細胞器形成等分子機制。干細胞研究也是屬于分室流研究的范疇,主要是在分子水平上解釋胚胎、誘導干細胞、特定組織干細胞等的差別和如何解釋干細胞的自然發(fā)生、誘導發(fā)生、定向分化和異常分化。同時,也要建立測定干細胞分化定向性和定向分化潛能的維持和誘導因素。第五是“可塑流”(plastictrack),主要是研究表型和行為的可塑性。前者囊括生態(tài)學與環(huán)境生物學的研究內(nèi)容,后者包括神經(jīng)生理和心理學等研究內(nèi)容在分子水平的命題。這兩個可塑流的分支有關系嗎?為什么要將它們放在一起來研究?這里僅舉一個例子,這就是生物節(jié)律之一的休眠,例如哺乳動物常見的冬眠(如黑熊)和夏眠(如熱帶蝙蝠)。冬眠其實是一個由中樞神經(jīng)系統(tǒng)參與的主動行為,也是一個復雜的生理過程,同時又受環(huán)境因素的嚴格制約。動物的遷徙和休眠行為在進化的框架下,既有趨同進化也有趨異進化,也具有相當強的表型和行為可塑性以及兩者的交織和重疊。揭開表型和行為的可塑性之謎顯然不是簡單的遺傳和遺傳多態(tài)性的問題,是要集成生命科學各個領域的最新成就和技術。此外,這個“五流”是否涵蓋了生命科學的全部呢?答案是肯定的,不能。因為知識在不斷高速積累,科學要不斷發(fā)展和提高,概念和理論必須不斷更新。但是,就目前科學界能夠容忍的變量和參數(shù)而言,這“五流”的關聯(lián)已經(jīng)足具挑戰(zhàn)性了。生命科學研究基本上有兩個極端:簡單化和復雜化。簡單化的研究是分子生物學家最津津樂道的:例如相互作用和信號傳導的研究。復雜化呢,還沒有先例?！拔辶骱衔颉笨赡芫褪且粋€具體嘗試。我們過去對機械式的原理關注過多,對復雜而具有可塑性的生命現(xiàn)象的研究卻非常欠缺。過去,這類現(xiàn)象被籠統(tǒng)地歸為“表觀遺傳”和“環(huán)境因素”了。這個定義是非常不“科學”和可稱經(jīng)典“鴕鳥心態(tài)”。隨著科學和技術的發(fā)展,我們可以逐漸來面對現(xiàn)實了。再則,無論如何,生命是個整體,生命的最小單元細胞也是一個整體,就連基因這一生命編碼的最小功能單元也是有不同的序列和相互作用元件組成。因此,“五流合悟”不僅勢在必行,而且是唯一出路。那么,如何將不同的“流下(內(nèi))要素”關聯(lián)起來呢?簡單的孰重孰輕和孰本孰末,顯然是不可能幫助我們解決根本問題的。至少五個基本時、空、量、域等參數(shù)要考慮,比如:(1)信息流,等位基因的主次之分和群體傳遞;(2)操作流,可量化的過程、結果和可傳遞性;(3)平衡流,量化物質的基數(shù)、噪音、閾