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            環球網:人類基因組計劃帶給我們的重要啟示

            2001年2月5日,被稱為“生命天書”的人類基因組工作草圖繪制完成。20年后的同一天,Science以特刊紀念這一偉大的科學工程。20年來,這一劃時代的成就,給人類對疾病和物種進化的認知帶來了革命性變化?;驕y序工具不斷進步,測序成本以“超摩爾速度”直線下降,新的基因藥物不斷問世,科學家們解密的致病基因越來越多。但相比未來,以基因組學為根的生命時代才剛剛曙光初現。

            此文首發于2021年2月7日環球網(環球網由人民網和環球時報投資設立),略有刪改。
            文章 | 環球網?作者 | 朱巖梅?
            編輯 | 布三少? 關鍵詞 |?戰略思考
            圖:Human Genome at 20(來源/Science

            生命科學的“登月計劃”

            人類基因組計劃(Human Genome Project, HGP)是一項規模宏大、跨國跨學科的科學探索工程。其旨在測定組成人類染色體的30億個堿基對的核苷酸序列,從而繪制人類基因組圖譜,并辨識其載有的基因及其序列,達到破譯人類遺傳信息的最終目的。

            人類基因組計劃在研究人類過程中建立起來的策略、思想與技術,構成了生命科學領域新的學科——基因組學,也可以用于研究微生物、植物、動物。

            人類基因組計劃與“曼哈頓原子彈計劃”和“阿波羅計劃”并稱為三大科學計劃,是人類科學史上的又一個偉大工程,被譽為生命科學的“登月計劃”。

            人類基因組計劃于1985年由美國科學家率先提出,在激烈的爭論甚至是反對聲中,老布什總統于1990年大膽決策正式啟動。

            這是一次膽略過人、斥資巨大的“世紀拍板”。而這樣的決策都是要政治家做出的。

            沒人能準確測算到底需要花多少錢才能測完,于是按一美元一對堿基做的“拍腦袋”預算,總預算30億美元。計劃周期為15年,即于2005年完成。

            來自美、英、法、德、日和中國六國的2000多名科學家共同參與這一浩大工程,克服重重困難,特別是測序技術和工具的落后,終于在2001年發表人類基因組工作草圖,又在2003年4月14日提前原定計劃完成精細圖,取得了彪炳史冊的成就。

            美國國家人類基因組研究所(National Human GenomeResearch Ins,NHGRI)負責人埃里克·D·格林所言:“人類基因組計劃對科學的影響不可估量。隨著對疾病的基因組基礎和基因組藥物等認識加深,人類向最終目標——通過基因組學研究改善人類健康——越走越近。

            這20年,基因組測序技術的飛速發展,推動成本直線下降。一個人的基因組測序成本從38億美元下降到不足1000美元,而且只需要一兩天時間。如同摩爾定律帶來的互聯網普及,“人人基因組”時代的到來,只是個時間問題。

            第一名被DNA測序拯救的兒童

            圖:Nicholas Volker(來源/http://wipps.org)

            2010年,6歲的美國男孩尼古拉斯·沃爾克(Nicholas Volker)成為世界上第一個被基因測序技術拯救的兒童。這一奇跡給了科學家巨大的信心。

            當他還蹣跚學步時,就患上了嚴重的腸道感染病,經歷了約百次手術,包括結腸移除,死亡似乎已是定數。沒人弄得清病因,在近乎絕望的尋找病因的過程中,威斯康星醫學院(Medical College of Wisconsin)的醫生們做了一件前衛的、史無前例的事情:對沃爾克的DNA進行測序。

            測序結果發現了一個出人意料的基因突變,它能解釋沃爾克的狀況,而且還指出了一種治療方法:從臍帶血中取出細胞進行骨髓移植。

            治療效果很好,沃爾克成了DNA技術拯救生命的首個案例。雖然仍需服用藥物以防移植排斥反應,并且需要重建手術,但他已經能夠像其他孩子一樣開心的奔跑了。對于患有罕見、難以確診的患者而言,DNA測序可能就是最后的救命辦法。

            沃爾克的案例被發表在了《遺傳學及醫學》(Genetics and Medicine)學術期刊上,并且被《密爾沃基新聞哨兵報》(Milwaukee Journal Sentinel)報道,報道還贏得了普利策新聞獎。沃爾克和他父母也因此參加了《今日秀》(Today Show)。

            幸運的不止有沃爾克,近年來又有多位地中海貧血、白血病患者受益于基因技術被徹底治愈。這些激動人心的成果向我們展示了“基因科技造福人類“的誘人前景。

            2015年1月20日,時任美國總統奧巴馬在第二任期的首個國情咨文中就指出:“我們(指美國)在人類基因組計劃中每投入1美元,就會給我們的經濟帶來140美元的回報?!?/strong>,并宣布斥資啟動“精準醫療計劃(Precision Medicine Initiative)”。(注:后來HGP回顧報告顯示,截止2014年美國的回報率為1:178)。

             

            圖:人類基因組計劃(來源/互聯網)

            人類基因組計劃的重要經驗

            今天,全球越來越多學者加入基因領域,正在努力攻克一些前輩們想都沒想過的問題。所有取得的成功,都繼承并發揚了人類基因組計劃的四條重要經驗。

            第一,通力協同合作

            人類基因組計劃打破了研究學者獨自探索,為少數幾個科學問題尋求答案的格局,這是勢所必然的。同時,還一反“假說驅動研究”(Hypothesis-driven research)的科研傳統,而是基于大人群和海量樣本、數據開展研究。

            人類基因組計劃匯集了來自六個國家、多種學科背景、不同資歷的2000多名研究人員。他們分成若干小組,經費來源多種多樣,但最后的成功都源自幾個共同點:各小組負責人的有力領導、對這項工作重要性的共識、以及研究者甘心為了共同利益而放棄個人成就的意愿。

            其后的重大基因組學項目,包括“千人基因組項目”(the 1000 Genomes Project),鑒定致癌突變的“癌癥基因組圖譜項目”(Cancer Genome Atlas),以及“人類微生物組計劃”(Human Microbiome Project),都繼承和發揚了這個優秀傳統。

            新冠疫情,讓各國旅行變得不易,更加需要強調大科學研究中開放合作的重要性。

            第二,數據開放分享

            人類基因組計劃改變了生物醫學研究中數據分享的舊歷。1996年,百慕大原則(Bermuda Principles)的實施為這一番努力畫上了句點。

            人類基因組計劃主要領導人同意在基因序列生成后的24小時內,將達到一定規模的基因組序列整合提交到一個公共數據庫。2014年,一項全面的“基因組數據分享政策”(Genomic Data Sharing Policy)開始實施,要求幾乎所有在NIH(美國國立衛生院)基金資助下獲得或分析的基因組數據都必須拿出來共享。

            人類基因數據的分享也帶來了新挑戰,人們正在探索新方案以解決不斷出現的新問題,包括海量數據在計算、傳輸上的難題,以及如何保護研究中被試者的隱私。

            第三,優先技術發展

            1990年,人類基因組計劃剛一啟動,核心科學家就清醒地認識到,必須把基因組測序與繪制圖譜的工具與方法作為一個更大的項目去開發。

            他們把多種漸進性的技術創新整合在一起,取得了革命性的進步,從毛細管電泳法到桑格DNA 測序法就是一個極好的例證,DNA測序法最終成為繪制人類首個基因組圖譜的關鍵技術。工具和技術不斷創新的同時,該計劃也催生了無數的遺傳學技術,并引發了分子生物學、化學、物理學和計算科學的重大革新。

            人們常常以為,是先有科學發現再有技術發明,科學發現和技術發明存在單向關系,其實不然。很多科學發現都是技術發明推動的,比如,由于玻璃磨制技術的改進,發明出了望遠鏡,天文學才得以空前進步;再如,萊特兄弟發明了飛機,其后才有空氣動力學。有了DNA測序技術的進步和工具的發展,基因組科學才有如此驚人的突破性發展。

            第四,顛覆傳統的科研模式

            人類基因組計劃從根本上引發了研究方式的變革,甚至可以說是一場科研方式的革命。過去主流的研究方式是PI制下的假設驅動研究(Hypothesis-driven research)【注:PI 制即Principal Investigator,指個體擁有主導權和指導權】,該計劃推動轉變為大數據驅動的新型科研模式(big-data-driven research),也就是科學研究從“小科學”真正走到了“大科學”。

            直到現在,絕大部分人,包括科學家,依然未能理解和接受這一變革的重要性和深遠意義。

            無論是人類基因組計劃的領導者(諾貝爾獎獲得者詹姆斯·沃森與美國國立衛生院主任弗朗西斯·柯林斯),還是具體執行項目的科學家們,他們恐怕都未預見到人類基因組計劃的主要收獲,居然是新型的科研模式。

            在這一新型科研模式推動下,數千種疾病致病機理的發現、癌癥的重新定義和精準個體化治療、基因編輯技術和干細胞治療的應用等,一系列讓人眼花繚亂的生物醫學成就把人類帶入了一個全新的世界。

            人類基因組計劃的重要經驗

            未來二三十年,這一從“科技創新”到“創新科技”的范式轉移,將會向人類展示它無以倫比、令人驚嘆的魅力。

            “科技-產業-民生”三者聯動的“飛輪模式”,將帶給世界前所未有的進步??萍佳邪l、產業發展、民生福祉的全面實現可能將超越文藝復興時期,推動人類創造更璀璨、更輝煌的文明。

            也許你對此將信將疑,但它終會一一兌現。

            參考資料:

            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:回顧人類基因組計劃的25年》,Eric D. Green? James D. Watson Francis S. Collins

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