医学里程碑
2010年8月号
医学进展
医学与社会
医学里程碑

人类基因组计划

    2010年,是人类基因组草图公布的10周年。在不久的20年前人类开始了最为庞大的科学计划,这项计划前后13年,预算达到30亿美元,有6个国家先后参与到其中。有人将曼哈顿计划、阿波罗登月计划和人类基因组计划并称为三大科学计划。如果将前两个计划提出的时间背景找出来不难发现:曼哈顿计划是为了抢在德国纳粹前面制造出原子弹;阿波罗登月计划是为了抢在苏联前面登上月球;那么人类基因组计划是为了抢在谁的前面呢?还是1975年诺贝尔奖获得者Dulbecco先生一语道破天机,老先生在一次会上感慨:“Biologic used to be an art, now it's about money, power, and politics.”(生物学曾经是门艺术,但现在它越来越成为金钱、权利、政治的工具。)

人类基因组计划的起步

    事件的发生总是有无数个“另一面”,人类如何认识自己?人和自然如何共生存?生命的奥秘是什么?这些都可以成为人们开始这项计划的原因。但是,推开这些冠冕堂皇的目的,我们要求的不过是生活得更健康、更长寿。

    诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco于1986年在《科学》杂志发表短文《肿瘤研究的转折点:人类基因组测序》,文中这样讲到:“如果我们想更多地了解肿瘤,我们从现在起必须关注细胞的基因组。…… 从哪个物种着手努力?如果我们想理解人类肿瘤,那就应从人类开始。……人类肿瘤研究将因对DNA的详细知识而得到巨大推动。”究竟是敲敲打打地研究疾病还是毕其功于一役?显然人们选择了后一种。

    其实有人比这位Dulbecco先生想得更早,早在1984年美国能源部就邀请一些专家召开小范围会议讨论整个人类基因组的意义和前景。1984年在科罗拉多州举行的一个科学会议上,美国能源部科学家建议发动全国的科技力量来做人类基因组图谱的分析工作,结果支持者寥寥。因为以当时的技术水平,每分析一个碱基对需要3~5美元,搞清 30亿个碱基对的排序需要150亿美元的巨资。

    到1986年时,每分析一个碱基对的价格已经降到1美元1个碱基对。是年,在圣塔菲研究所,美国能源部和国家健康中心举行的基因组测序工作会议上,参与者认为虽然全基因组测序代价不菲,但出于对社会政治利益、国民健康利益的考虑,人类基因组计划还是很有必要进行的。与会者认为,新的成果有助于新的诊断方法、疾病预防和治疗方法的提出;同时将会带来新的工具、新的就业甚至新产业。例如,这项新技术应用到农业当中将会对粮食供应和农业经济起到更大的影响。

    1986年的圣塔菲工作会议被认为是改变世界的会议之一,在全部43名专家之中有18名来自能源部,也有来自欧洲的人员,还有来自国立卫生研究院(National Institutes of Health,NIH)的。会议主要进行了4项内容:

    评价现有的测序和排序技术 基因组测序开展的好处 测序项目的组织结构和管理优化; 测序项目的出资人和有潜力的资金来源。

    那么为何美国能源部要参与到人类基因组计划中来?为何NIH没有在能源部之前提出研究计划呢?这还要从二战时期谈起。随着原子弹的开发成功并应用在日本,人们开始追逐这种巨大的能量来源。对此事颇为敏感的美国国会责成当时原子能源委员会(即后来的美国能源部)着手调查这种能量给人类基因结构、损害以及修复的影响。而当时能源部认为研究这些最好的办法就是先弄出一个参考,这个参考应该包括人的所有基因,也就是后来的基因组。而加速能源部在1986年决策的正是发生在1986年的切尔诺贝利核电站事故。相比之下,后来支撑大部分研究经费的NIH则在1987年才提出相应的草案。

    有了这么两个咄咄逼人的竞争者,也就不奇怪为什么法国、意大利、德国马上启动相似的项目。1987年,意大利共和国国家研究委员会开始人类基因组研究,其特点是技术多样(YAC,杂种细胞,cDNA等)、区域集中(基本上限于Xq24-qter区域)。1989年2月英国开始人类基因组研究,帝国癌症研究基金会与国家医学研究委员会(ICRP-MRC)共同负责全国协调与资金调控,剑桥附近的Sanger中心注重首先在线虫基因组上积累经验,改进大规模DNA测序技术;同时建立了YAC库的筛选与克隆、特异细胞系、DNA探针、基因组DNA、cDNA文库、比较生物基因组DNA序列、信息分析等的“英国人类基因组资源中心”。

人类基因组计划的开展

    1993年在马里兰州举行了又一次重要的会议,后来被称为马里兰会议。在会议上明确地提出了基因组计划的修订版,其内容包括:

    基因组制图(遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱) 基因的定位与分析 基因组研究技术的建立、改进 模式生物基因组的图谱绘制及测序 相关课题的研究。

    1990年6月法国的“人类基因组计划”启动。主要关注整体基因组、cDNA和自动化。建立了人类多态性研究中心(CEPH),在全基因组YAC重叠群、微卫星标记(遗传图)的构建以及驰名世界的用作基因组研究的经典材料CEPH系方面产生了巨大影响。

    1995年德意志联邦共和国开始相关计划,来势迅猛,先后成立了资源中心和基因扫描定位中心,并开始对21号染色体的大规模测序工作。

    1990年6月欧共体通过了“欧洲人类基因组研究计划”,主要资助23个实验室重点用于“资源中心”的建立和运转。

    1994年,我国“人类基因组计划”在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明等的倡导下启动,最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下,先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”,

    1998年在国家科技部的领导和牵线下,1998年在上海成立了南方基因中心。1999年在北京成立了北方人类基因组中心,1998年,组建了中科院遗传所。1999年7月在国际人类基因组注册,得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务,该区域约占人类整个基因组的1%。

人类基因组计划的加速

    关于人类基因组的技术方面在马里兰会议上就已经确定。各国科学家以一种稳定的速度进行该计划。好景不长,一个公司、一个出资人、两个科学商人的出现打破了这看似安详的平稳图景。这两个科学商人包括一个诺贝尔奖得主汉密尔顿•史密斯,另一个就是后来大名鼎鼎的文特尔。两个人成为塞莱拉(Celera)——充满争议的公司的技术支柱。

    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“人类基因组计划”的竞争与挑战。

    PE的全称叫做Perkin-Elmer,珀金埃尔默仪器,目前的主业是生产光谱仪,是第一台商用红外光谱仪的生产厂家。它于1994年收购了Applied Biosystems,PE此举就像是突然把自己的身份变为了“顾客”——“不卖了,我要自己使用”!用第一批生产的300余台机器给自己办了一个“基因组公司”,注入了3亿美元的资金,配备了号称世界最大的超大型电子计算机(据一些当事者透露,现在才被投入使用, 实际上当时很多是空柜子)。

    文特尔曾经受聘于美国国家健康研究所下属的神经病学研究所,他负责的具体工作是寻找并破译人类脑细胞中某种接收肾上腺素的蛋白所包含的基因密码。短短一年后,文特尔就已经破译出了人类基因组中的10万个字母。人类基因组有31亿个字母,组成了至少2万个不同的基因。到1991年6月,他已经辨别出 347个基因,而此前科学家们已经识别出的基因仅有2000个。

    文特尔得到了已故生物技术实业家沃里斯•斯坦伯格的长期投资。在诺贝尔奖得主汉密尔顿•史密斯的帮助下,文特尔改进了读取基因序列的技术。这项技术不仅被文特尔的英国同行们所采用,就连一向对文特尔不屑一顾的NIH和能源部最后也不得不承认,文特尔的技术确实更胜一筹。

    1998年,亨克彼勒向文特展示了更快更高效的基因序列读取仪ABIPrism3700,文特尔立即与亨克彼勒的公司结为同盟,并且把这个新的联合公司命名为“赛莱拉”。此次合作为文特赢得了3亿美元的新资金。踌躇满志的文特尔向世人宣称,他将在2001年完成全部人类基因组密码的排序和组合工作。

    文特尔的计划实际上也是对官方科学家们的挑战。英国政府下决心向这个计划投入了早已许诺的资金,美国众多从事这一计划的科学家们也更加紧密地组合到5个研究中心来。“文特尔向一潭死水里投了块巨石。”科林斯后来承认说。

人类基因组计划的完成

    美国东部时间2000年6月26日上午10:00,“国际人类基因组计划”在白宫东屋举行庆功会,庆祝人类基因组计划第一期工程──“基因工作草图”的绘制完成。时任美国总统克林顿出席会议并发表讲话;英国首相布莱尔对这一重大科研成果也表示了祝贺。“人类基因组计划”首席科学家、美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯•柯林斯博士和美国塞莱拉基因组公司董事长兼首席科学官克雷格•温特尔博士也在会上作了发言。

    白宫曾在新闻公报上发布了对于人类基因组测序完成后的美好愿景,同时许多人也感到人类基因组测序的完成是一个里程碑式的成就,它将把我们带入一个分子医学的新纪元,将为预防、诊断和治疗疾病带来新的方法。在20世纪的最后几天,人们找到了可以狂欢的理由:疾病会迟早被解决掉,我们每个人都会长寿,人们期望着基因组代表着下个世纪的曙光,经历过两次世界大战的人们需要这个好消息。但是带着其自身的目的性,基因组计划势必成为20世纪的最有力的注脚。

(作者:李秋实)

链接:基因标签专利事件

    James Watson博士曾联手Francis Crick共同发现了DNA的双螺旋结构,并最早提出启动人类基因组工程计划。当时,他还担任着国立人体基因组研究所(隶属NIH)所长。由于在是否授予名为表达序列标签的DNA序列专利权这一问题上的分歧,他与NIH闹翻了。他极力反对为这一序列颁发专利,坚持认为“人们不应该给连猴子都能做到的事情颁发专利”。他这样做,使得发现该DNA(即表达序列标签DNA)的Craig Venter心中很郁闷。Waston博士的所长一职很快就被Francis Collins取代。Francis Collins是一位半路改宗的基督教徒,因此一些生物学家认为他信仰不坚定。Waston博士则继续担任冷泉港基因学实验室主任,直到2007年,他就遗传学与黑种人之间的关系发表了一些不当言论,随即就被解职。

    后来,Venter和妻子一起离开了NIH,来到马里兰州的盖萨尔斯堡另立门户,成立了他们自己的基因组研究所。起初,他同拥有企业家经验的病毒基因学家Bill Haseltine合作建立了一家机构,也是一家公司——人类基因组科学公司,开发表达序列标签。但是二人终未能达成一致,因此Venter博士又建立了第二家公司——Celera,希望超过公共项目(团队)率先解码人类基因组图。他采用了一种名为全基因组鸟枪测序的DNA测序技术为自己测序,这一新技术是他和Hamilton Smith共同研发的。这引起了Collins博士及其同为所长的英国同行John Sulston的强烈反感。John Sulston时任韦尔科姆基金会桑格研究所(现名桑格学院)所长,该研究所完成了人类基因组工程约三分之一的工作,他希望基因可以成为公共商品并与 Celera公司展开竞争,避免对手率先发现新的基因。

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