2023年,基因組學革命“狂飆”到了哪一步?
來源:新華網
發布時間:2023-04-27
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原標題:DNA雙螺旋結構發現70周年、人類基因組計劃完成20周年

2023年,基因組學革命“狂飆”到了哪一步?

2023年4月25日是DNA雙螺旋結構發現70周年紀念日。70年前科學家的這一發現,將生物學研究帶入分子時代。攜帶著生命遺傳信息的DNA,以如是美妙的姿態,于納米級的空間內,傳遞著生物世界變化萬端、生生不息的奧秘。

對生命科學史而言,2023年還別具意義——80年前,諾貝爾物理學獎獲得者埃爾溫·薛定諤發表《生命是什么》演講,吸引了一大批物理學家投身生命科學;20年前,美、英、日、法、德、中6國科學家歷經多年努力,共同繪制完成人類基因組序列圖,也“繪制”出生命科學史上的一座里程碑。

80年、70年、20年過去,如今,基因組學革命“狂飆”到了哪一步?中國相關領域在世界格局中又處于怎樣的位置?“解碼生命”的意義何在,又會帶來哪些產業風口?新華每日電訊記者就諸多熱點話題,與多位權威專家學者展開對話。


“生命的奧秘比我們想象的更復雜,但我們摸索到一條路了”

如果沒有遺傳研究的發展和成熟的基因分析技術,人類不會想到,大象和鼴鼠是一家,鯨和河馬是近親,兔子與人類的親緣關系比兔子與老鼠的要密切得多,而人類與黑猩猩的基因差異只有1.6%。

生命,在這顆星球的天空、海洋、沙漠、森林處處綻放,而人類對其奧秘的認識,尚如一個孩童剛剛睜開看世界的眼眸。

記者:DNA雙螺旋結構發現、人類基因組計劃完成,這些標志性事件有著怎樣的意義?

賀林(中國科學院院士):這些事件對人類和科學界的影響和價值可以說是劃時代的。

以70年前DNA雙螺旋結構的提出為例,它實質性地啟動了分子生物學時代,使遺傳研究深入到分子層面去“解碼生命”。自此,人們清楚了解了遺傳信息的構成和傳遞途徑。在以后的70年里,以分子遺傳學為首的各學科如雨后春筍般出現,一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了清晰闡明,并且大大推動了DNA重組技術,開拓了生物工程領域的研究和應用。

楊煥明(中國科學院院士):大約20年前,我拿到人類基因組草圖時真的很高興,因為這是歷史性進步,它揭開了人類很多奧秘,是全人類的共同遺產和共同財富。

同時,在草圖面前,我也更加明白我們對生物的理解是多么膚淺,我們站在前人的肩膀上、站在新的起點上,看到前方有更遼闊的世界、更多的岔路口,生命的奧秘比我們想象的更復雜,但我們摸索到一條路了。

尹燁(華大集團CEO):人類基因組計劃和曼哈頓原子彈計劃、阿波羅登月計劃,并稱為20世紀的三大科學工程。這三大科學工程促進了物理和生命科學發展的范式轉變,即從原來的以個人興趣和假說為導向的小科學運作模式,轉向了以大數據和平臺為導向的大科學工程模式。

人類基因組計劃的成功,使人類第一次得到了自身全基因組結構和序列的完整訊息,使得大量的基因研究有了“導航儀”。


“一個人類基因組測序的成本,從20年前的30多億美元,降到今天的100美元”

人類基因組計劃1985年提出、1990年正式啟動,開始時由美、英、法、德、日5個發達國家參與。1997年11月,出席中國遺傳學會青年遺傳學工作者討論會的汪建、于軍、顧軍、賀福初、賀林、曾益新、顧東風、楊煥明等中青年遺傳學家們,齊聚湖南張家界,在數天的會議中堅定了一顆雄心:爭取拿到1%的測序任務,趕上人類基因組計劃的末班車。

張家界的三千奇峰泰然屹立,八百秀水如常流淌,但其間醞釀的這個夢想和之后的各方努力,促成中國成為這一關乎人類的宏偉計劃里發展中國家的唯一代表。6國科學家共同努力完成壯舉,并構建出“共有、共為、共享”的人類基因組精神,為后續基因科學的發展奠定了核心基石。

而張家界的奇峰秀水,本身就是生物基因的寶庫,中國也是生物多樣性最豐富的國家之一。在“1%”項目的推動下,國內對家禽、家畜、農作物和真菌、細菌、病毒、寄生蟲,以及其他資源生物基因組的測序快箭上弦、萬箭齊發。

記者:DNA里蘊藏著怎樣的秘密?時至今日,中國基因組學的研究情況發生了怎樣的變化?

賀林:DNA能夠精確地自我復制,使親代與子代間保持遺傳的連續性;能夠指導蛋白質合成,控制新陳代謝過程和性狀發育;在特定條件下,能夠產生可遺傳的變異。它是解碼生命的開始。

與20年前相比,中國在基因組學研究領域的國際地位明顯提升,與世界同行競爭的能力增強不少。但這是一個你追我趕的領域,任何“領先”都是沒有絕對保障的。另外,基因產業在我國發展迅速,產生的經濟效益也相當可觀。

賀福初(中國科學院院士):人類基因組計劃最大的貢獻在于推動核酸測序能力的“超摩爾定律”增長,進而催生了基因組學驅動的生物醫學研究范式變革。時至今日,基因組學已邁入“成熟期”。

其他生命組學方面,蛋白質組學仍有“成長的煩惱”,代謝組學“方興未艾”。因此,我們雖已進入基因組時代,但仍呼喚多組學或生命組學時代的到來。

徐訊(深圳華大生命科學研究院院長):一個人類基因組測序的成本,從20年前的30多億美元,降到今天的100美元,成本下降了7個數量級;而時間上,從數年到一天完成,技術的發展讓基因組測序越來越容易。

在世界范圍看待中國近20年在基因組學領域的發展歷程,可以說是從參與到同步。在部分領域,我國已實現自主可控,比如測序儀,并且我國測序儀在通量、精度、性價比上全球領先,獲得了全球認可。但單分子長片段測序儀等還需要進一步追趕。

同時也需看到,目前,我國用于蛋白質組檢測的高端質譜、用于蛋白質結構解析的冷凍電鏡、大多數生命科學的關鍵試劑盒尚需依賴進口。我們亟待進一步打好生命科學的“地基”,推動高端科研設備、源頭核心工具進一步自主可控,推動國產設備不斷迭代,不斷攻克關鍵核心技術。


基因組學行業三大風口

業界形成共識,基因組學行業有三大風口:精準醫學、未來農業、生物制造。

按目前的醫學技術,我們能檢測出7000多種基因病變,但能診斷的不足300種,精準醫學還有巨大的發展空間;通過改良土壤里微生物的基因,沙漠里也有望長出水稻;生物制造在醫學、藥物、農業、材料、環境和能源等領域具有廣闊的應用前景……

記者:一系列基因組學計劃的實施,以及蛋白質組、轉錄組等的發展,給醫學、農業、能源等各個領域帶來了怎樣的變化?

賀福初:人類基因組計劃及后續基因組研究成功催生了“精準醫學”概念,開啟了個性化醫療的臨床實踐。但僅憑基因組學難以真正普及“精準醫學”,針對此難題,中國科學家另辟蹊徑,發展出蛋白質組學驅動的精準醫學。

例如,我所在的實驗室通過對肝細胞肝癌患者樣本蛋白質組的大數據分析,可將同一病理分型的腫瘤進一步分為三個分子亞型,且亞型的分類與預后密切相關,目前正在進行后續轉化研究,以期讓更多肝細胞肝癌患者受益。

徐訊:精準醫學本質上是通過以基因組為核心的多組學技術,對大樣本人群與疾病進行生物標志物的分析、鑒定、驗證與應用,從而精確找到疾病的原因和治療的靶點,實現個性化精準治療,提高疾病診治與預防的效益。

在未來農業方面,通過基因組進行定制化精準育種,可適應不同種植環境、農業不同產品的需求。

在生物制造方面,通過合成生物學等基因組讀寫技術,可以生物發酵等方式實現材料、關鍵藥物成分、能源等生產制造。

吳麗文(湖南省兒童醫院神經內科學科帶頭人、醫生):作為一名臨床醫生,我感到基因組學發展非???,很多現在能診斷的疑難病,放在十幾年前,就診斷不出來,甚至會誤診。

我接診過一個8歲的女孩,運動發育落后,走路、跑步、爬樓功能都很弱,后來發展到要靠人背著去上學。她早上起床后或午后狀況要好一些,呈現出波動性,我們考慮她屬于先天性肌無力綜合征,而不是重癥肌無力疾病,于是有針對性地給她做了基因檢查。結果查出就是基因突變帶來的波動性肌無力,而以目前的醫療水平,對這種病癥已有非常好的治療方案,她現在能走能跑能跳,已經過上正常生活。

近些年基因組學的快速發展,也與儀器機械、材料科學的整體進步分不開?;A科研的腳步要走在臨床科研之前,臨床實踐再反哺技術迭代。精準醫學只要有一個點突破了,就能解決很多家庭天大的難題。

尹燁:據測算,人類基因組計劃帶來的投入產出比是巨大的,38億美元投入帶來了數千億美元的回報。并且該技術的高速發展,帶來了物理、化學、數學和信息技術的快速協同發展,并在精準醫學、公共衛生、現代農業、能源環保以及生物多樣性領域帶來全面突破。

醫學上,最具標志性的應用當屬無創產前基因檢測,通過孕婦的外周血即可檢出胎兒的染色體結構異常,從而避免了包括唐氏綜合征在內的大量出生缺陷的發生,讓無數家庭告別“基因悲劇”。

農業上,人類基因組計劃草圖完成后,大量重要作物的基因組開始不斷解密。對中國最具代表性的,當屬水稻。我們在國際上率先完成了水稻基因組框架圖和精細圖,奠定了在亞洲基因組學的地位。2018年,經中國科研團隊積極爭取,《自然》雜志同意水稻的兩大栽培系命名不應為“japanica”和“indica”,而改為“geng(粳)”“xian(秈)”。 (記者王若辰、張格)



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