人類基因測序花了多少時間?

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人類基因測序花了多少時間?這一問題並不嚴謹,我想問題可能是國際人類基因組計劃(Human Genome Project, HGP)測定人類基因組花了多少時間,這樣才有可能有一個明確的界限和清晰的答案。


我非常榮幸能作為中國科學家團隊的一員,參與到這一關乎人類自身奧秘、健康、醫療、產業乃至社會發展的最為重要的國際科學工程之中。


人類基因組計劃與阿波羅登月計劃以及曼哈頓原子彈研製計劃併成為人類歷史上三大科學工程。2000年6月26日,時任美國總統克林頓與英國首相布萊爾聯合代表來自美、英、法、德、中六國科學家通過連線直播宣佈人類基因組草圖繪製完成,是一個里程碑。這一項目從1990年開始正式啟動,到2003年宣佈作為金標準的,準確率達到了99.99%的人類基因組序列全部完成,前後歷時13年。當然,科學家的努力可不止這13年,而且在這一計劃完成之後,也不斷取得新的科學進展。


我們來看一下人類解析自身生命天書的歷程:


1865年 孟德爾利用豌豆進行研究,揭示了遺傳的基本規律。當年發表的文章實際上被埋沒了數十年。多年之後人們才發現他的偉大成就。現在我們知道所有生物的所謂性狀,諸如豌豆的高矮、豆莢的顏色,甚至人類頭髮的顏色等是由基因控制的,並且是遵循一定的規律,可以預測及分析。


1869年,瑞士Friedrich Miescher科學家在研究感染樣本的白細胞中分離出了核酸。我們現在都知道核酸是遺傳物質。而在當時,Friedrich以及其他科學家都認為蛋白質是遺傳物質。


1952年,女科學家Rosalind Franklin獲得了DNA結構的X射線衍射照片。這些照片提示了DNA可能是具有螺旋結構的。遺憾的是Franklin並未能夠因此分享後來的諾貝爾獎!


1953年,Francis Crick和James Watson提出了DNA雙螺旋的結構,使人類對於生命的認識進入到分子水平。他們二人也因此獲得了諾貝爾獎。James Watson現在依然健在。這一模型告訴我們核酸的A-T,G-C的鹼基互補配對原則,也提示了DNA的複製機制。


1961年,Marshall Nirenberg與NIH的同事破譯了遺傳密碼,明確了從遺傳信息如何通過RNA傳遞,並忠實地翻譯成蛋白質的機制。Nirenberg也因此獲得諾貝爾獎。


1977年,Frederick Sanger發明了第一代的測序方法。人們才第一次有了工具去測定DNA的序列。


1983年,Kary Mullis發明了DNA聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction, PCR)。這一革命性的發明使得人類可以在體外,藉助DNA聚合酶大量複製期望研究的DNA片段。其他的一些發現,如限制性內切酶等真正使人類可以藉助這些工具去深入研究DNA等分子。


早在1984年,美國能源部與國立衛生院就分別啟動了人類基因組的研究。在1990年,兩家機構發表新的五年計劃,預期在15年內測定人類基因組,同時完成其他模式升入如線蟲、小鼠等的基因組研究。該計劃不僅關注技術的發展與基因組測定等科學技術問題,同時強調需要關注倫理、法律以及其他社會問題的研究。

在此之後,英、法、德、日等國相繼啟動了各自的人類基因組研究計劃,並逐步形成了國際合作的人類基因組計劃(Human Genome Project, HGP)。


1995年,歷史上第一個生物的基因組,流感嗜血桿菌的基因組測定完成。儘管這個細菌的基因組相對人類基因組來說很小,但畢竟時第一個完整的生物基因組。


1996年,人類基因組計劃各國科學家提出了百慕大原則——各基因組中心測定的基因組序列應當及時公開、免費共享。這一原則的提出旨在促進人類基因組的研究與開發,最大化其研究成果對於人類社會的貢獻。也正是在這一原則的鼓舞下,中國才積極參與,而且共享了歷年來各國科學家積累的技術與資源。

這一原則也成為了國際合作與產業發展的典範。



1999年,中國科學家正式參與國際人類基因組計劃,並承諾承擔1%的基因組序列測定。中國成為有能力測定基因組的全球六個國家之一。也正是在1999年,人類基因組的大規模測序開始。


1999年底,人類基因組的第22號染色體測定完成。這是人類歷史上第一次完成了一條完整的染色體的序列繪製。



2000年,果蠅基因組序列完成測定。


2000年6月26日,克林頓、布萊爾通過衛星電視共同宣佈人類基因組草圖的完成。草圖的概念就是90%的人類基因組序列已經覆蓋,準確率在99%。2001年,Nature正式發表了人類基因組草圖的文章。


2002年,小鼠基因組測定完成,這是第一個測定完整的哺乳動物基因組。哺乳動物的基因組大小都基本相當。


2003年,人類基因組計劃宣佈完成。人類基因組的3億個鹼基的參考序列,99.99%均以測定。




可以看到測定人類基因組還是在眾多科學家的努力下才最終完成的。中國能夠參與進去,儘管只完成了1%的序列測定,但是通過這些工作,建立了完整的基因組學與生物信息學技術平臺,成為世界上可以獨立完成基因組研究的國家之一。並且在此基礎上,將中國的基因組學研究水平與技術實力提升到國際先進水平。


當然,應該看到,我們現在基因組研究所用的設備、試劑在源頭上主要還依靠進口。這方面還有待進一步努力。也可以看到,中國科學家與企業家也積極推進,已經開發出來具有獨立知識產權的第三代測序儀。


人類基因組計劃測定的是一個人的基因組序列,而每個人的序列都是不同的。隨著測序技術的發展與成本的降低,人們現在有能力測定每個人的基因組。在此基礎上,美國提出了精準醫學的概念。2011年,美國國會科學諮詢委員會發表了《邁向精準醫學》的白皮書。2014年,奧巴馬宣佈精準醫學成為美國的國家科學戰略。


相信在未來,基因組科學與技術將對人類的健康與社會的可持續發展做出更大的貢獻。


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