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跨越 | 从个人基因组计划到人人基因组

2019-07-02

今天,随着基因测序工具的进步,测序通量大幅提升,成本下降,基因测序行业正以超摩尔定律的速度发展。人人基因组时代似乎也并非遥不可及。


回望2000年6月26日,那是永远镌刻在人类生命科学发展史的一天。那一天,美国总统克林顿在白宫举行记者招待会,与英国首相布莱尔共同宣布:由一批国际科学家共同参与的人类基因组计划(Human Genome Project, 简称HGP)已经有了初步成果,人类基因组草图绘制宣告成功。


对这一历时长久的大科学工程所取得的重要成果及所具备的深远意义,克林顿给予了高度评价:“这是人类历史上值得载入史册的一天……我们将能够更加细致入微地领略人类自身的复杂和美丽。”


他还向美、英、德、日、中、法的上千名科学家致谢,感谢他们为这一开辟新纪元的成果所作出的贡献。“……我还要向中国的科学家表示感谢,感谢他们对广泛合作的人类基因组计划所作出的贡献。”


“在同一个时刻,美国、英国、日本、德国……还有我们中国的科学家,都一起庆祝21世纪的第一个人类自然史上重要的里程碑。”对此,人类基因组计划国际组织中国联系人杨焕明感到无比欣悦。


人类基因组计划的开展,不仅带动了生命科学和基因组学的发展,对日后精准医学的实践与进步有着极为深远的影响。在这场举世瞩目的大科学工程中,中国科学家也留下了浓墨重彩的一笔。


人类基因组计划的由来在20世纪中,人类先后开展了三大科学工程,分别是“曼哈顿原子弹计划”、“阿波罗登月计划”和“人类基因组计划”。


其中,人类基因组计划是一项规模宏大、跨国跨学科的科学探索工程,旨在测定组成人类染色体(指单倍体)中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列,从而绘制人类基因组图谱,并且辨识其载有的基因及其序列,达到破译人类遗传信息的最终目的。


1986年3月7日,美国著名生物学家杜尔贝科在国际顶级学术期刊Science上发表《癌症研究的转折点——人类基因组的全序列分析》一文,提出应改变从单个基因角度研究癌症的做法,转而在了解人体整个基因组的基础上寻找攻克癌症的新思路。杜尔贝科的这篇文章在欧美的医学界产生了深远影响,被认为是“HGP标书”。


参与人类基因组计划的各国负责人合影


人们对攻克癌症难题的渴望是人类基因组计划被启动的主要契机,测序仪及相关仪器制造业也期待有如同人类基因组计划这样的大科学来推动对技术平台的需求。而发现致病基因、治疗疾病的前景也让这一计划得到了公众的大力支持。这一源自想了解原子弹幸存者基因突变情况、想要攻克癌症的基因组计划,奏响了又一出伟大的世纪序曲。它不仅将解答科学问题,也将从分子层面上回答“我们是谁”的哲学问题。


1990年4月,国立卫生研究院和能源部联合发布人类基因组计划的第一个五年规划,宣布人类基因组计划将于这一年10月1日正式启动,预计15年完成,每年预算约2亿美元。


人类文明史上又一次伟大的转折,由此开始;21世纪生命科学的大幕,徐徐拉开。


中国科学家的参与


20世纪90年代初,人类基因组计划在美国启动。同在海外留学的中国科学家于军、汪建、杨焕明、刘斯奇不想让中国错过这一历史性计划,想将它带回中国。



1997年11月,中国遗传学会青年委员会在张家界组织召开基因组学研讨会,这是我国学术界第一次召开基因组学相关研究的研讨会,会议主题是商议遗传学尤其是基因组学在中国的发展计划。于军、杨焕明、汪建参加这次盛会,就中国人类基因组计划议题提出了一整套具有前瞻性的战略构想。

1998年8月,中国科学院遗传所“人类基因组中心”正式揭牌,杨焕明与于军、汪建被任命为正、副主任。



1999年9月1日,在伦敦举行的第五次人类基因组测序战略会议上,中国科学家代表以“北京中心”的名义同各参与国一起讨论战略,商议标准,界定区域,分析面临的问题,并承担起人类基因组序列1%的任务,负责人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序工作。


为了满足完成人类基因组计划中国部分所需的资金和人员,1999年9月9日9时9分9秒,华大正式成立,人类基因组计划中国部分的测序任务启动。

华大创始人汪建、刘斯奇、于军、杨焕明合影(从左至右)


穿着实验服的年轻工作人员们在天台摆出了1%的形状,定格了这一历史时刻。

实验人员组成的1%

1%人类基因组序列工作框架图完成纪念


最终, 得益于中国科学家的不懈努力、强伯勤院士和陈竺院士的大力支持、科技部等机构和组织的专项助力,中国科学家承担并顺利完成了“人类基因组计划”的1%。中国成为唯一一个参与国际人类基因组计划的发展中国家,中国团队也成为任务完成得最好的团队之一。


从个人基因组到人人基因组


2001年2月,人类基因组计划学术论文在Nature上发表


2003年,人类基因组精细图宣告完成。4月14日,美、英、日、法、德、中等国首脑联合签署“人类基因组计划宣言”,标志着经过无数科学家长达13年的努力后,人类基因组计划所有工作目标已提前2年完成。此时,距1953年詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克发现DNA双螺旋结构(测序技术简史(一) | 从发现双螺旋开始)过去了整整半个世纪。


不过,这并不是这个前后历时13年多,花费超过30亿美元,凝聚了世界各地科学家和领域外人士的努力的大科学工程的“终结”。相反,这是随之而来的“精准医学”时代的先声。


在世界经济论坛(The World Economic Forum)官网,华大集团首席执行官、执行董事、深圳华大生命科学研究院院长徐讯发表题为We are witnessing a revolution in genomics-and it's only just begun的文章,对基因组学的发展历程做了回顾,也对基因组学未来的应用前景做了充分的展望。


在他看来,随着人类基因组计划的完成,整个基因组测序领域都发生了革命性的变化。如今,基因组学飞速发展,其速率某种程度上超越了摩尔定律——后者揭示了计算机处理器发展进步的速度。基因测序领域取得了巨大的进展,但这仅仅只是个开始。


随着人类基因组计划的完成,人们对人类基因组的整个结构有了更加深入的了解。包括其长度、序列、蛋白质编码基因的数量以及大量重复序列和非编码序列的存在,都已经得到了充分的认识。


然而,许多问题仍有待解决。例如,只有1.5%的基因编码蛋白质,大多数基因的功能则是未知的。此外,大多数基因不能独立发挥作用,而似乎是在复杂的通路、网络和系统中协同发挥作用。人类基因组计划还提高了我们的认知,即细微的基因组变异也可能与人类疾病有关,而不是仅限于癌症和遗传性疾病。


了解基因组的差异对于理解人类健康和疾病原理及机制至关重要。为了做到这一点,需要更多基于更大群体的基因组测序数据。

2008年,第一个个人基因组完成了测序。同年,第一个亚洲个人基因组——“炎黄一号”发表。大规模个人基因组学的新时代开启了。


华大完成了第一个亚洲人基因组图谱,即“炎黄一号”


如今,大规模人口研究开始揭示出罕见遗传变异在个体对疾病易感性中的作用。越来越多的医生借助基因筛查辅助癌症诊断和药物搜寻。对复杂性状或疾病的研究也因之有了新的发现。同样,个体对药物治疗的反应也和基因有着重要关系。


为了更深入地揭示基因在疾病上的影响,在许多国家,由政府资助的大规模人口测序计划已经开展。英国十万基因组计划、冰岛基因组计划等测序计划都极大提高了我们对人类遗传变异的全球模式、人类进化历史及基因遗传在疾病方面的影响的认知。


在美国、加拿大、法国、沙特阿拉伯、中国、韩国和澳大利亚,类似的大规模基因测序项目相继展开。未来,更多的成果将得到公布,这些新的研究成果将极大促进精准医学的发展。


作为生命信息的基础,基因组信息在健康管理、疾病诊断和治疗中起着非常重要的作用。基因组大数据的积累也将有助于我们更好地了解自身健康状态、潜在患病风险等多方面的情况,帮助我们更好地开展与健康相关的实践。


我们有理由相信,基因组学领域技术的蓬勃发展将进一步降低基因测序成本,基因测序将变得普惠可及,“人人基因组”的未来不再遥远。基因测序将成为每个人生命的重要部分,对自己的基因进行测序将对每个人都有着重要意义。

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