“人類基因組圖譜”20年——30億堿基“拼出”大科學時代

　　 20年前，2001年2月，被譽為生命科學“登月計劃”的“人類基因組計劃”（HGP）發布首張人類基因組圖譜。

　　這是人類生命科學發展歷史上的重要“分水嶺”。

　　20年來，曾作為單一學科獨立發展的生命科學迎來多學科交叉融合、新技術前沿匯聚的“大科學”時代。

　　中國科學院北京基因組研究所特聘研究員于軍指出，尤其是基因組學的興起，不僅催生出生物信息學和合成生物學等交叉學科，也延展出轉錄組、蛋白質組、代謝組等各種“組學”，進一步“孵化”出精準醫學、轉化醫學等生物醫學領域，為全球人類健康帶來期待。

　　“勻”到1%

　　1990年10月，在美國科學家的推動下，與“曼哈頓計劃”“阿波羅計劃”齊名的“人類基因組計劃”正式啟動。

　　作為促成我國參與該計劃的第一代基因組科學家，于軍回憶：“‘人類基因組計劃’一直伴隨我的科學生涯，它的思想醞釀過程、技術準備階段、高速實施過程、后續的‘衛星計劃’等學科動向等，成了我的呼吸和生命。”

　　1993年，受“人類基因組計劃”的領導者和設計者之一、基因組學家Maynard V.Olson的邀請，博士畢業后在紐約大學任教的于軍加入其實驗室，開始相關關鍵技術的研發和實驗工作。

　　當時，除了美國，英國、法國、日本、德國等發達國家也積極參與了這一計劃。其中，英國承擔了了人類基因組最大的染色體——1號染色體的測序，法國科學家則通過電視演講，“眾籌”經費。

　　中國科學家要如何參與，成為于軍心中長久思索的問題。“老師一直支持我把所學的東西帶回中國，在他的心中，科學沒有國界，科學研究的目標是造福全人類，讓科學成為國際關系中的亮點也是科技工作者的責任。”于軍告訴《中國科學報》。

2015年，于軍（右）邀請Maynard V.Olson來中國科學院訪問時留影

　　1998年，于軍回到中國科學院，參與組建中科院北京基因組研究所（國家生物信息中心）的前身“中科院遺傳所人類基因組研究中心”。

　　同年，在于軍、楊煥明和汪建等科學家的努力協調下，中國在“人類基因組計劃”已經分配完的任務中“勻”到1%的工作，即3號染色體短臂末端的3000萬個堿基對測序任務。

　　至此，中國成為參加這一計劃唯一的發展中國家。

　　奏響大科學序章

　　“人類基因組計劃（1990年－2003年）”的實施為生命科學提供了“大科學”方案。

　　事實上，在此之前美國“向癌癥開戰”計劃已奏響“大科學”時代的前奏。于軍介紹：“這一項目目標明確、管理有序，各參與者信息共享、積極合作，已經呈現出典型的大科學計劃的運作方式，唯獨缺少一個可以完成的具體目標。”

　　正是“測定一個人的基因組”的具體目標和被稱為“百慕大原則”的開放合作精神，使“人類基因組計劃”取得空前成功。“人類基因組圖譜繪制成功表明，面對復雜的生命現象以及來自新技術的挑戰，人類更需要團隊合作精神，需要不同領域的科學家共同努力。”于軍強調。

　　人類基因組中蘊含信息量之“大”也直接催生出生命科學的“大科學”時代。

　　要解析人體30億個堿基對組成的核苷酸（DNA）序列，規模化、高速度的解析技術成為“剛需”。“1984年我剛到美國時，解讀2000個堿基對就需要近一年；兩年后，一年就可以測2萬個堿基對了。”于軍說。

　　1993年，自動化基因測序儀誕生，推動“人類基因組計劃”進入實質性的運作階段。2001年，匯編軟件的優化讓數據統一成為可能，人類基因組圖譜框架逐漸清晰。2003年，測序工作正式完成，人類基因圖譜誕生。

　　隨后，信息和計算機科學逐漸成為從海量信息中挖掘生物信息的重要手段，開辟出一個嶄新的學科方向——基因組學。

　　在專家們看來，基因組學的發展形成了生命科學研究的新范式。近日，在《科學》為紀念人類基因圖譜誕生20周年出版的特刊中，新加坡南洋理工大學科技史專業副教授Hallam Stevens寫道：“算法的生物學意義釋放確立起了生命科學學科發展的新范式。”

　　近年來，層出不窮的新算法不斷為生命科學注入新的驅動力，極大提升了科學家對生命現象和疾病發展的認識。2020年底，谷歌公司的AlphaFold精準預測生物大分子三維結構，被稱為一項“劃時代的進步”。

　　精準醫學是“續集”

　　“基因組具有統一性和特殊性。統一性指的是每個生命都有特定的基因組；特殊性指的是每個生命都有唯一的基因組。”于軍指出。

　　前不久，中國科學技術大學生命科學與醫學部青年教師、病原生物學研究者計永勝受《科學》邀請，參與了一項全球DNA測序活動，獲得了自己的全基因組信息。對此，他深有感觸：“后基因組計劃時代，隨著測序成本降低和算法改進，普通人的基因組測序也變得容易。”

　　在于軍看來，基于個體基因組研究的精準醫學是人類基因組圖譜的“續集”，有望為人類生命與健康保障事業帶來實質性福祉。“通過運用每個人在醫保體系中積累的臨床與健康大數據，對個人基因組的比較分析將成為可能。只要我們獲得每個人的基因組序列就可以預測其罹患疾病的可能性，也可以通過個體對于藥物的敏感性來指導個性化用藥和健康的生活方式。”他表示。

　　2011年，美國科學界發出“邁向精準醫學”倡議，隨后精準醫學計劃相繼在多國啟動，已成為生物醫學研究的第二個轉折點。專家認為，正如諾貝爾生理學或醫學獎得主Renato Dulbecco曾在 “人類基因組計劃”啟動前指出“測定人類基因組將是癌癥研究的一個轉折點”，第二個轉折點的標志便是測定每個人的基因組。

　　于軍呼吁，我國應盡快啟動已醞釀多年的精準醫學計劃。“我們應加快基因組學相關學科建設，同時完善相關法律法規、加大財政投入，盡快讓基因組技術為促進全民健康服務，助力建設‘健康中國’。”