人类基因组计划及其重要影响

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人类基因组计划及其重要影响
张猛
  由美、英、日、德、法、中六国参与的人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)，是人类文明史上最伟大的科学创举之一。其内容可简单地概括为遗传图、物理图与序列图的绘制，处于核心位置的是序列图的绘制——测定人类基因组的全部DNA序列，从而获得人类全面认识自我最重要的生物学信息。


   该计划启动于1990年，原定15年完成，由于技术的成熟与基因组测序的规模化运作，以及来自商业竞争方面的压力，使HGP的完成日期不断提前，全部工作预计在2001年6月前完成。


   今年6月26日，六国科学家共同宣布人类基因组工作框架图构建完毕，并将测序结果于次日向全世界公布，这标志着人类基因组计划进入了最后冲刺阶段。随着人类基因组“工作框架图”的构建完成，HGP对人类社会巨大的科学和经济意义正在逐渐显现，其影响广泛而深远。它带动和促进了生物产业和生命科学的发展，它着眼于基因组的整体理论、策略、技术，前所未有地加速了新基因发现及其功能研究的速度。自此，生命科学开始了以DNA序列为基础的，以生物信息学为导向的新纪元(sequence-based era)。同时，它也为未来生命科学研究的思想和方法论带来了革命性的改变。HGP对人类社会的影响将波及每一个人，将会对现有法律、道德、伦理甚至生活方式都带来冲击和思考。人类科学史上的任何事件都无法与之比肩。


   造福全人类的计划


   HGP这一宏伟的旨在造福全人类的公益性计划，是人类第一次系统地解读和认识自我的科学创举。其核心内容是测定人的基因组脱氧核糖核酸（DNA）的全部序列，从而获得人类全面认识自我最重要的生物学信息，最终目标是提供由数万个基因“元素”组成的人体生物学“周期表”。人类遗传物质DNA的总和被称为人类基因组。它由大约30亿个碱基组成，其中含有约6万个作为生命活动基本单位的基因。人类基因组中蕴藏着生命的本质奥秘，它与环境相互作用，决定着人的生、老、病、死。这一生命本质同样适用于人类赖以生存的自然界中其他的生命体。


   在自然科学史上，HGP的影响将远远超过“曼哈顿”工程和“阿波罗”登月计划，它是21世纪生命科学的基础和先导。它所倡导的“全球合作、免费共享”的人类基因组计划精神，已成为自然科学史上国际合作的楷模。世界各国也因此受益无穷。


   HGP有两个源头：一是美国能源部对原子弹爆炸幸存者及其后代的研究，科学家无法从一个或几个基因来解释，为什么随着繁衍代数的增加，核辐射造成的畸形等逐渐减少甚至消失；另一源头是美国的肿瘤研究计划也无法从一个或几个基因入手，揭示肿瘤的奥秘，更谈不上攻克癌症。1986年，诺贝尔奖得主杜尔贝科（R. Dulbecco）在《科学》（Science）周刊撰文回顾肿瘤研究的进展，指出要么依旧采用“零敲碎打”的策略，要么从整体上研究和分析人类基因组。


   1990年，美国能源部(DOE)与国立卫生研究院(NIH)共同启动HGP，原定投入30亿美元，用15年时间完成该计划。英、日、法、德等国相继加入。


   1998年5月11日，世界上最大的测序仪生产商美国PE Biosystems公司，以其刚研制成功的300台最新毛细管自动测序仪（ABI 3700）和3亿美元资金，成立了Celera Genomics公司，宣称要在3年内，以所谓的“人类全基因组霰弹法测序策略”完成人类基因组测序，并声称要专利200～400个重要基因，并将所有序列信息保密3个月。Celera公司已有雇员300多人，购买了号称“全球第三”的超大型计算机，号称拥有了超过全球所有序列组装解读力量总和的实力。就在六国共同宣布工作框架图构建完成的同一天，Celera公司宣称已组装出了完整的人类遗传密码。Celera公司此举，是对公益性的HGP的竞争与挑战。


   1999年7月，中科院遗传研究所人类基因组中心暨北京华大基因研究中心，代表中国在人类基因组测序参与者索引(HGSI)注册，同年9月被正式接纳为“国际测序俱乐部”成员，测定3号染色体短臂上从端粒到标记D3S3610间大约30厘摩（centi?Morgen，缩写为cM，是基因组遗传图上的图距单位，以减数分裂过程中两个位点间交换、重组的百分率表示，重组率1％即为1厘摩）的区域，从遗传图距离来看占整个基因组的1％。中国成为第六个参与人类基因组测序的国家。随后，国家南北方基因组中心加盟，共同完成这一任务。


   简言之，HGP就是要绘制遗传图、物理图与序列图。遗传图又称连锁图，以遗传标记为“路标”。物理图以碱基数作为图距，以序列标记位标（STS）为标记。序列图是HGP的核心，它与遗传图、物理图密不可分，它本身又是核苷酸水平的物理图。


   序列图的构建可大致分成两个阶段。第一阶段启动于1999年3月，在过去的14个月中，已完成了人类基因组绝大部分的测序，共花费3亿美元。第一阶段的目标是通过对大量的代表基因组片断的“克隆”测序，创作出一张工作框架图，覆盖人类基因组常染色质90％的区域。工作框架图在DNA碱基上有大于90％的准确率，但在某些残存的碱基上，其位置有较大的不确定性。虽然序列本身仍有许多空隙和未确定部分，科学家仍可从草图中直接分离出大部分人类基因。工作框架图分两个步骤来完成。首先，测定拼装每个克隆的DNA序列。然后，根据染色体上位置，将不同的克隆拼装到一段人类基因组中去。工作框架图中的序列信息可被全球公众直接免费享用，而且对数据的用途和重新分配不设任何限制。同时，商业化的数据库也向生物技术工作者提供信息服务。数以万计的基因已经从基因组序列中被确定出来。这些基因在工作框架图序列中的定位，已精确到很高的分辨率。


   第二阶段将产生一张完整的人类基因组DNA序列图，目标是通过填补序列中的间隙和将全序列的准确率提高至99.99％，从而产生一个“完成的”人类基因组序列。此阶段包括两个过程：对第一阶段曾用过的某些克隆进行扩大测序；从第一阶段未覆盖的染色体片断中，挑选和测定另外一些克隆序列。


   人类基因组计划的深远影响


   无须怀疑，HGP将揭示人类生命奥秘，最终达到防病治病，提高人类健康水平的目的。在HGP进展过程中建立起来的基因组学、生物信息学技术，将对生物相关学科和产业起到巨大的推动作用。HGP本身的发展，以及以基因资源开采为目的的Celera等生物信息学公司对HGP的介入，从根本上改变了基础科学和产业分离的传统概念。


   从数据导向的生命科学研究到信息导向的生物产业发展：生物资源信息化是生物产业发展的必由之路


   基因组研究一改“模型导向”的传统生命科研模式，凸现出其“数据导向"的特点，形成了以生物信息学为导向的全新的生命科学和产业发展模式。从EST（expressed?sequence?tags, 表达顺序标签）的积累，到基因组工作框架图，其科学和经济价值已被认识。利用这些数据，可以较准确地估计出人基因的平均大小（约5万个碱基）和总数（约6万个）。


   基因组学研究另外一个突出的特点是它的系统性。再没有比获取生物体的全部DNA序列更系统化的研究方式了。它正导致许多新学科和产业的诞生：基因组信息学以信息的收集、处理和分析为核心，发展出不同的方法学；应用基因组学以数据为依据，以信息的利用和开发为目标，为功能研究提供指导；比较基因组学以跨物种、跨群体的基因组数据为主体，研究物种的进化、基因功能的演化和基因的调控，并为分类学家提供准确的分子水平分类依据；进化基因组学以研究基因组的动态变化和基因的变异为依据，推演出精确的分子时钟和基因组进化的机制与时间；蛋白质组学将由基因组和基因的DNA序列数据，鉴定出特定细胞的所有蛋白质并精确地定量其表达水平。基因组数据库已成为用途最广、用户最多的信息库和产业枢纽。以DNA序列为基础，以生物信息为导向的生命科学新纪元，正是基因组学发展的真实写照。


   人类诞生伊始，即开始了对生物世界的认识和改造，但人类走向生物学世纪是以认识自身——HGP为标志的。今天的生物技术已渗透到科研、医药卫生、环境改造、制药工业、农业生产等领域。从转基因动植物到高等有机体的整体克隆，从细胞培养的“人造皮肤”到活体培养的“人工器官”，从基因诊断到基因治疗，从人工授精到DNA疫苗，生物技术在改善现代人类赖以生存的四个基本物质要素食物、能源、环境和人口中，都将起到关键作用。生物信息学正是在此关键时刻，为生物技术的发展提供了新的动力和航向。


   高速自动DNA测序技术的建立，带动了生物信息学的发展，信息化的生物资源使得现代分子生物技术有了用武之地，因而带动了整个生命科学和产业的发展，形成了良好的互动关系。资源信息化把物种资源与基因工程、转基因技术等分子生物技术有机地连接起来，成为了生物产业发展的源头、生长点和制高点，这已是不争的事实。DNA测序、基因组数据分析本身也成长为生物技术和制药业的源头产业。


   从摩尔定律看生物信息产业的巨大前景和急切性


   摩尔定律：每18个月技术变一次，价格降一半。这种变化引起了世界生产格局的改变。高速度和规模化催生了全球性的行业巨头，形成了市场和价格的垄断，使得落后者几乎毫无机会。


   生物信息产业的发展模式也符合摩尔定律，它的两个最主要的限速因素是测序能力、计算机数据处理能力。从1970－1980年代的手工测序到1990年代的机器测序，由平板电泳到毛细管电泳，再到自动化、规模化，测序能力年年翻番，费用持续下降，同时伴随着计算机数据处理能力的持续增长，标志着以摩尔定律的倍速发展为特征的生物信息产业时代的到来。


   生物信息产业也曾有过低谷和挫折，但总的势头锐不可当。1999年底，由人的22号染色体的“破译”引发的投资热潮经久不衰，相关公司的股票都突破每股200美元大关，Celera公司的股票在不到一年时间里最高攀升了近100倍。雄厚的资金使这些公司有能力开发新项目和向纵深发展。可以预见，这种势头不久将会随着人类基因组测序的最后冲刺而掀起新的高潮。在未来的10～20年里，毫无疑问人类将解读所有生物学研究的模式生物，如拟南芥、果蝇、小鼠等的遗传密码，这将全面带动生命科学和生物产业的发展。测序与计算机技术、基因芯片与基因表达等重要组合，以及功能基因组学，药物基因组学，蛋白质组学等新兴学科应运而生。产业化的科学发展模式提前实现了科学的产业化，彻底打破了科研与产业分离的界限。


   然而生物信息又与信息科技产业有着本质的不同，即生物特殊性。生命体的DNA、cDNA序列构成了生物信息的最重要组成部分，生命的多样性和它的资源意义也赋予了它多重意义，而其可专利的资源属性蕴涵着的知识产权和深远的经济、社会、法律意义，则是信息科技产业永远不可比拟的。


   生物医药和生物技术产业作为21世纪的支柱产业之一，是解决人口与健康、生存与环境、可持续发展等诸多问题的主要科学和产业途径。转基因、基因克隆等生物技术，是开发和利用生物资源的有效手段和方法，而信息化和它的知识产权是开发的前提和基础。谁占有更多的基因专利，谁就在商业开发方面(包括基因药物、基因诊断、基因治疗等)抢得了先机，拥有全球一半以上人类基因专利权的Celera、Incyte、HGS三家生物信息公司近来的强势市场表现，已充分表白了这一点。他们以DNA测序(包括基因组和cDNA)这一最为经济快捷的方式，大规模地全面寻找和克隆基因，再经一般的功能鉴定，进而申请专利。就像当年瓜分殖民地一样，他们也在对这地球上最后的可争夺的、有限的生物资源，进行着基因专利的“圈地”运动。


   保护、利用与开发我国特有的生物资源


   2000年1月13日，实力强大的Celera公司在我国台湾与上海同时登陆。他们在台湾得到了政界的支持，计划投资1亿美元；在上海获得了以“测序服务”注册的外商独资公司GeneCore 97％的股份。他们声称：“得到中国富甲天下的动物、植物与人类的遗传多样性资源，是Celera公司扩大国际商务与基因组信息的基础。”4月，日本成立“龙基因组”公司，一步到位成为世界最大生物信息学公司之一，声称要把整个DNA制备的自动线设在其在我国大连的子公司。其资源何来？其用意何在？司马昭之心，路人皆知。


   原需要合法出口或非法走私的优良品种和样品，如今只要拿走肉眼看不见的DNA甚至序列数据就行了。大规模资源的信息化开采，就是对资源的垄断性掠夺。专利法保证了专利拥有者对基因应用领域的高度垄断性，决定着生物医药企业生存的合法性和可延伸性；基因专利所赋予的垄断性，引发的生物资源开发的激烈争夺，不光为科学发展蒙上了阴影，更直接威胁到发展中国家的长期利益。这不能不令人担忧。


   基因资源是有限的、可专利的战略资源，是可持续发展的重要保障。1997年江泽民主席对保护我国基因资源的批示，1999年朱镕基总理对保护我国生物资源多样性和转基因植物产业化的支持，都是针对这个战略资源的。不建立自己的生物信息技术平台，在别人的公益性研究完成后捡便宜的幻想，会对生物医药产业和国家的可持续性发展带来不可估量的隐患。这已成为发展中国家生物医药产业的通病和悲哀。


   我们起步就已经落后，实力也不如人家，加之生物资源难以像保卫领土那样进行保护，怎么办？步履艰难的我国信息行业，可谓前车之鉴。不在“源头”上下功夫，不抢占几个“制高点”，我国的生物产业也有可能重蹈覆辙。笔者建议，集中力量依照生物资源对国计民生影响的大小进行分步的规模化、信息化开采。当这种开采的成本可知、价格可算，而且还在降低时，应是全力以赴积极投入的最后时机。


   尽管已无人质疑保护、利用和开发我国丰富的生物多样性资源的紧迫性，然而对建设以大规模DNA序列分析为基础的生物信息学技术平台，从过去的技术怀疑到今天的“中国是发展中国家”的借口，一直有诸多争议。我们时刻提醒自己，中国还是一个发展中国家，我们的综合国力和科技实力与发达国家还有差距，但在考虑科技发展时总有轻重缓急的选择。我们也时刻不忘，中国是一个担负着近四分之一人类未来的大国。在这全球一体化的知识经济时代，资源开发是事关国家可持续发展的基础，任何借口的松懈和怠慢都会延缓甚至导致机遇的丧失。国际生物信息产业发展的速度已没有留给我们任何争论的时间了。加快以大规模测序为基础的生物资源信息化的研究，保护、利用和开发我国丰富的生物多样性资源是当务之急。