基因组学推动生命科学大步向前

2011-2-14 08:55 来源: 科学时报
1227 收藏到BLOG

  2010年下旬,河南安阳曹操墓真伪之辩正酣。而一则来自上海的重磅消息更是引发了多方关注。复旦大学现代人类学教育部重点实验室宣布,向全国征集曹姓男性DNA样本,拟用基因组科学的手段验证出土的头骨是否为曹操本人。

  一下子,基因组科学成为热门,这一话题“落入寻常百姓家”。

  事实上,伴随着2000年人类基因组框架图和2003年人类基因组完成图的发表,近十年来,DNA测序技术继续高速发展,基因组科学极大地推动了生命科学的发展,并一直受到各国政府和学术组织高度重视。

  2010年,基因组科学研究更是取得了重大进展。在美国《科学》杂志评出的当年十大科学进展中,涉及基因组科学的共有3项——尼安德特人基因组、外显子组测序、下一世代的基因组学。这也从一个侧面反映了该项科学在2010年的蓬勃发展。

  多个重要物种基因组图谱完成

  2010年,期待已久的大豆基因组序列终于测通。

  当年1月,来自美国农业部、美国能源部联合基因组研究所等单位的研究人员联合在《自然》宣布,该研究团队利用“全基因组鸟枪测序法”对大豆基因组的11亿个碱基进行测序,公布了第一张豆科植物完整基因组序列图谱。这也是目前利用全基因组鸟枪测序完成的最大植物基因组。

  “这是大豆研究一个重要的里程碑。”美国能源部大豆生物技术国家中心主任Gary Stacey博士认为。

  伴随着该图谱的绘制完成,作为世界上主要油料来源的大豆,其基因组科学研究进展又获新突破。

  2010年11月,由香港中文大学、华大基因研究院、农业部基因组重点实验室、农业科学研究院等单位宣布,他们对17株野生大豆和14株栽培大豆进行了全基因组“重测序”,总共发现了630多万个SNP(单核苷酸多态性位点),建立了高密度的分子标记图谱,并作为封面故事刊登于《自然—遗传学》杂志。

  “这是世界上首次大规模获得野生和栽培大豆群体基因组数据。”华大基因研究院徐讯博士告诉《科学时报》记者。

  精确的大豆基因组序列图谱和其全基因组大规模遗传多态性分析,为大豆遗传性状的鉴定提供了便利,而有关其他物种基因组的研究也不遑多让。

  最牵动国人神经的基因组图谱绘制,莫过于国宝大熊猫。

  由深圳华大基因研究院、中国科学院昆明动物研究所、中国科学院动物研究所、成都大熊猫繁育研究基地和中国保护大熊猫研究中心等单位共同完成的《大熊猫基因组测序和组装》,于1月21日以封面故事形式在国际权威杂志《自然》上发表,并获评2010年中国十大科技进展。

  该项研究表明,大熊猫有21对染色体和2.4亿对碱基,包含基因2万多个,并且其基因组仍然具备很高的杂合率。“这同时也标志着基于短序列的基因组测序、拼接和组装技术获得了重大突破。”徐讯指出。或许,这项研究进展将让人类更早地知道大熊猫的“黑眼圈”之谜。

  此外,在过去的12个月里,先后有包括中国在内的多国研究人员在《自然》《科学》等杂志上报告完成了苹果、青蒿、黄瓜、寄生性金小蜂、蚂蚁、蚜虫、珍珠鸟等多个重要物种的基因组图谱。

  今后,基因组测序规模将越来越大。记者从华大基因研究院获知,仅仅2011年,就可能有土豆、绵羊、牦牛、几种鸟类等多项物种的基因组图谱陆续绘制完成。

  基因组科学揭示人类变迁

  本文开头提到的“利用曹姓DNA鉴定曹操头骨”并非国人专利。据英国《每日邮报》报道,比利时学者曾对希特勒家族的39位亲属进行DNA检测,来证明希特勒的族裔。

  这些工作的开展,借助的正是“基因留有祖先深刻烙印”这一事实。

  而以基因为研究目的的基因组科学,恰恰使描述人类及动物变迁等地理基因组学和人类学研究成为可能。

  2010年,世界各地的科研人员在该方面研究均有较大进展,我国科学家的研究也同样呈现多点开花局面。

  2009年12月15日,美国《国家科学院院刊》刊载的中国科学院院士、中科院昆明动物研究所研究员张亚平等人的文章称,通过对680份藏族人群线粒体DNA样本分析表明,现代藏族人的绝大部分母系遗传组分,可能追溯至新石器时期以来迁入青藏高原的中国北方人群。

  2010年,来自复旦大学的研究人员也对西藏地区居民进行了“基因普查”。研究人员推测,西藏居民可能最早来自北亚人群,接近蒙古和贝加尔湖区域等地区的北方人群。而国家计划生育研究所和北京基因组研究所的最新研究结果则进一步揭示,藏族先民可能是经横断山脉向上游迁徙,最后抵达青藏高原。

  发现还不止于此。同样是2010年,华大基因研究院对我国藏族、汉族人群常染色体EPAS1基因进行分析,研究结果刊于美国《科学》杂志。这项研究初步推测出该基因在青藏高原世居藏族人和平原汉族人中出现分离的年代。

  除了在藏族人类学领域取得了重要成就,科学家在2010年仍大有收获。如果佐以社会学的相关研究,基因组科学或将在人类学研究领域获得更大的空间。

  另一项关于古人类的基因组学研究更在2010年震惊世界,并同时位列多个不同机构评选的世界十大科学新闻。

  2010年5月6日,多家国际著名机构在《科学》杂志上发文表示,研究人员通过DNA两轮靶向序列捕获的测序新技术,实现了分别对3个古代尼安德特人头骨化石片段DNA的测序。

  尼安德特人在进化学上是与我们最为接近的亲族。它们出现在大约40万年前,分布遍及欧洲和西亚,并于3万年前灭绝。

  研究表明,所获得的基因组序列图占其整个基因组中的60%之多,而现代人具有约1%~4%尼安德特人的基因。

  来自马普研究所的Svante Paabo兴奋地表示:“尼安德特人基因组序列首个版本的获得,完成了人类长期以来的一个梦想。我们首次发现了将我们与其他所有生物区别开来的基因特征,包括那些在进化过程中距离我们最近的亲族。”

  中国的发现也同样令人振奋。中国科学院院士、中国农业大学教授李宁等成功提取出距今已有9000年历史的猪骨化石DNA,通过测序研究发现,其是经过驯化的家猪,这将中华民族的家畜驯化史推到万年层面。

  或许,在今后的基因组科学研究中,有关人类历史学的观点将不断更新。

  下一世代测序技术令人翘首

  古DNA的成功测序和组装依赖于测序技术的进步。同样,有别于前两代的下一世代测序技术也在2010年的基因组科学研究中“小荷已露尖尖角”,并入选世界十大科学进展。

  下一世代测序技术,是基于纳米孔的单分子读取技术,可以直接读取序列信息,简便快捷;反观之前的两代技术,则需要荧光或化学发光物质的协助, 通过读取整合到DNA链上的光学信号而间接确定。

  虽然该测序方法仍有基因组覆盖不完整等缺陷,但并不影响其风生水起。

  例如,斯坦福大学的生物工程师Stephen Quake等研究人员在《自然—生物技术》发文称,他们利用一台新开发的单分子测序仪,对其本人的基因组进行了测序,仅耗时4个星期,试剂费约48000美元。

  与此同时,离子激流公司的下一代硅芯片测序仪也获得突破。利用该技术,科学家们于2010年在《科学》杂志上公布了3个低成本的完整人类基因组序列。

  就此,英国纳米孔公司总裁发表评论说,这一技术预示了基因测序领域的跳跃变化,或许今后不超过1000美元就可以完成一个基因组测序。

  中科院基因组研究所副所长于军告诉《科学时报》记者,基于现在的经验曲线,即使目前广泛运用的第二代测序技术,也可能在一两年内实现“千美元基因组”的设想;但是对于“百美元基因组”的设想可能还有一段路要走,急需革命性技术的出现。

  然而,我们已然看到了希望。2010年4月6日,日本大阪大学产业科学研究所的川合知二和谷口正辉宣布,新一代DNA测序技术的可行性首次通过验证。

  这篇发表在《自然—纳米技术》上的文章显示,研究者通过电测方法,利用只有1纳米的超短距离电极,成功地测量出构成DNA的1个核酸碱基分子中流动的电流,成功识别了核苷酸。

  令人欣喜的是,科学家们并没有“喜新厌旧”。“不同代的测序技术并不互相排斥,尤其是化学原理不同的基本技术,它们在具体应用方面存在功能上的互补性,将长期共存。”于军强调。

  在测序技术快速发展的2010年,中国科学家同样不甘落后。

  据了解,中科院的基因组研究所及半导体所联合开发、具有部分自主知识产权的第二代测序仪预计在今年3月下线,这不但能打破国外测序仪公司的垄断,还将大大降低我国基因组测序的成本。

  此外,中科院基因组研究所已和浪潮集团成立了联合实验室,将共同研发第三代基因测序仪,预计第一台样机于2013年问世。

  毫无疑问,新一代的测序技术必将对人类的未来生活产生深远影响。

  测序分析理念迎来突破

  随着新一代测序技术的广泛使用,测序速度将越来越快,成本则大大降低。但是,测序产生的大量数据却会给后期的生物信息分析带来巨大压力。

  “我认为生物信息分析是在基因组测定过程中最关键的一项技术。”华大基因研究院副院长王俊曾这样表示。

  不过,就在2010年,基于基因组的生物信息学分析研究也取得了丰硕成果。

  当年10月, 中科院基因组研究所、中科院上海生科院植物生理生态研究所等单位在《自然—遗传学》杂志发表文章。研究人员结合第二代测序技术和自主开发的基因型分析方法,构建了高密度的水稻单体型图谱,并对籼稻品种的14个重要农艺性状进行全基因组关联分析, 确定了这些农艺性状相关的候选基因位点。

  同样来自《自然—遗传学》等杂志的文章还显示,伦敦帝国理工学院的研究人员也通过多次全基因组关联分析,发现了多个包括糖尿病、冠心病在内的与现代热点疾病相关的基因。

  事实上,研究人员还表示,对两个毫不相干的人进行“全基因组关联分析”对比,或许能够得出许多有用的研究信息,但如果辅以家庭遗传关系,那么测序数据会更加准确。

  《科学》杂志在2010年3月发表文章称,美国首次为一个四口之家进行了全基因组测序。由于有家庭遗传背景关联,研究人员更精确地锁定了与米勒综合征相关的4个基因。

  “家庭测序将成为今后基因研究和疾病治疗方面的一个新工具。”于军表示。

  随着研究的深入,一项世界最大的表观遗传学研究项目也已启动。据了解,华大基因研究院与伦敦国王学院TwinsUK团队将通力合作,对5000对双胞胎的基因组的化学修饰进行深入研究。

  除了对测序结果分析方法及样本选择的拓展,2010年,研究人员还对测序理念和方式进行了全新尝试。

  2010年5月,刊于《自然—遗传学》的一篇杂志文章称,科学家们使用基因组定向捕获工具——安捷伦的SOLiD,成功捕获了4个患病婴儿的外显子组并测序成功;而华盛顿大学医学院的研究人员也在《科学》上表示,他们利用外显子测序,找到了一种恶性眼疾的关键基因。

  毫无疑问,这项备受各方关注、位列世界十大科学进展的技术将会越来越多地应用于更多疾病研究,用来寻找包括癌症在内的多重疾病的致病基因和易感基因。

  于军评论说,与全基因组重测序相比,外显子组测序相对经济、高效。它只需针对外显子区域的DNA即可,覆盖度更深、准确性更高。

  而公共数据库提供的大量外显子组数据,更是为科学家更好地解释研究结果提供了便利。

  显而易见,在未来,基因组测序分析理念将随着测序技术的升级而不断变革。

  各方眼中的基因组科学

  正如上文所述,在已经过去的2010年里,全世界每个月几乎都有两到三个家族全基因组和外显子组测序被用于检测疾病的基因突变。

  由此可以看出,基因组科学离人们的生活越来越近。英国医学研究临床科学中心的分子遗传学家Tim Aitman表示,基因组测序在未来的10年到20年内将更加普及。

  在美国,尽管其食品与药品管理局严格控制私人基因组公司的产品,但随着基因组测序费用的不断降低,越来越多的医生开始利用全基因组或外显子组测序技术进行诊断。

  基因组科学带给普通患者治愈疾病的希望,那么对科学研究又会有怎样深远的影响?

  《自然》杂志对超过1000名生物学家的一项调查显示,几乎所有生物学家都在一定程度上受到人类基因组计划的影响。

  绝大部分人认为自身的研究获益于人类基因组的测序, 其中46%的人认为影响巨大;同时,有接近1/3的人几乎天天都使用到基因组;甚至有69%的受访者表示,是人类基因组计划改变了他们的职业和研究方向。

  “对于像我这样的年轻研究者,没有基因组,很难想象将如何工作。” 一位受访者如此表示。

  除了能够对生命科学领域的研究快速推进,各国政府都在期待基因组科学的进一步发展。

  2008年初,一项被称为“千人基因组”的计划由来自英国桑格研究所、美国国立人类基因组研究所、中国华大基因研究院等多家机构共同启动。据称,科学家们将对全球至少2000个人类个体的基因组进行测序,从而生成一个庞大的、公开的人类基因变异目录,来寻找基因与人类疾病间的秘密关系。

  在2010年,非洲也宣布加入基因组革命。同年,世界各国政府和组织纷纷推出了最新的基因组计划,其中就包括基因地理计划、英国10K计划等。此前,中国对人和水稻基因组研究计划的实施也引起世界瞩目。

  “近来中科院基因组研究所与沙特王国阿卜杜拉阿齐兹国王科技城合作开展的椰枣相关基因组研究计划,也标志着中国基因组科学在国际上的重要地位。”于军非常自豪。

  过去的一年,基因组科学的发展一日千里。人们有理由相信,在DNA测序技术飞速发展的引领下,中国和世界基因组科学将走向更加辉煌的未来。