**篇 人类基因组计划及后续相关计划
1 人类基因组计划的始末
引言
人类基因组计划(Human GenomeProject,HGP)是20世纪继“曼哈顿原子弹计划”和“阿波罗登月计划”之后,人类科学史上又一项影响重大的自然科学研究工程。HGP和DNA双螺旋模型的建立被并称为生命科学史上两次“革命性”的进展(Watson & Crick,1953a),从此标志着人类正式从分子水平启动了生命解码的征程。
1.1 HGP的起始①
1.1.1 背景
作为一项规模**的伟大计划,HGP的提出不是偶然的。其中,*重要的是基因组学概念的提出。1986年,**遗传学家 McKusick V将从整个基因组水平研究遗传的科学称为“基因组学”。
20世纪40年代的细菌转化实验和噬菌体转导实验,为“DNA是遗传物质”提供了*重要的确凿证明(Avery et Al.,1944;Griffith,1966)。1949年发现的A与T数目相等、G与C数目相等的Chargaff定律,对于双螺旋结构的发现具有重要的启示意义(Chargaff et Al.,1949)。而**次革命性的突破是1953年发表的Watson-Crick模型,即DNA双螺旋结构模型。20世纪60年代中期解读的三联体遗传密码是人类解读的**种“自然语言”。随后建立的阐明遗传信息流向的“**法则(central Dogma)”,是所有具有细胞结构的生物所遵循的法则。以上这些里程碑式的成果为遗传学和整个生物学的分子及信息学奠定了基础。
20世纪70年代,英国的Southern E发明了一项��有重大划时代意义的DNA分析技术——Southern blotting技术(Southern印迹法,又称Southern转移、Southern杂交法)。以放射性标记的“杂交”DNA分子原位转移到滤膜上,再以放射自显影在 X-感光胶片上显示特异条带。Southern blotting技术与后来研究 RNA的Northern blotting技术、研究蛋白质的Western blotting技术形成了一个完整的研究体系。PCR技术是继Southern blotting技术之后应用*为广泛的分子生物学技术。至此,测序技术体系中的关键实验技术基本完备。
Watson J和Crick F相继发表了DNA双螺旋模型论文之后,在1953年5月底在Nature上发表的一篇论文中**次提出了“生命是序列的”概念和观点,揭示了基因组学的核心技术——测序的重要性(Watson &Crick,1953b)。测序技术(仪)的问世得益于20世纪70年代已经成熟的三项技术:①以制备寡核苷酸分子和PCR技术为主的分子克隆技术为测序提供了制备长短适宜而同质纯一的DNA模板群体分子的方法;②聚丙烯酰胺凝胶电泳(polyacrylamide gel electrophoresis,PAGE)技术为测序提供了分辨率**到一个碱基的分析技术;③放射自显影技术能从感光胶片上用肉眼直接读出清晰可辨的DNA条带。Sanger的双脱氧核苷酸末端终止法及Hood L发明的四色荧光标记相结合的自动化平板荧光测序仪是HGP获得支持并得以启动的重要技术依据之一。1998年出现的ABI 3700毛细管测序仪将测序技术真正推向了规模化,随后出现的 MegaBACE系列测序仪则为HGP的提前完成作出了很大贡献。所有这些科学发现和技术发明,激发了人们了解生物全基因组,特别是了解人类全基因组的愿望,催生并完成了基因组学的**次成功实践——HGP。
20世纪80年代,疾病基因的“定位克隆”对HGP提出了新的需求:从“一年一个基因”到“一月一个基因”以至于“一周一个基因”。这看似进度加快,实则步履艰难。将疾病相关基因在基因组中初步定位后,在初步定位的靶区域里寻找基因,筛选和鉴定编码序列及其与疾病相关的序列变异已成为难以逾越的技术瓶颈。“基因猎手(geneHunter)”迫切希望有覆盖人类全基因组的遗传图(genetic map)、物理图(physical map)、转录图(transcription map)和序列图(sequence map),以及将所有基因定位(gene mapping)到染色体位置上的信息。这是遗传学界主流对HGP的助力。
1986年3月7日,诺贝尔奖获得者Dulbecco R在Science杂志上发表的一篇题为《癌症研究的转折点——人类基因组测序》的短文,被称为HGP的“标书”(Dulbecco,1986)之一。文章回顾了20世纪70年代以来癌症研究的进展,使人们认识到包括癌症在内的人类疾病的发生,都与基因直接或间接有关;同时,他指出要么“零敲碎打(piecemeal Approach)”,要么从整体上研究和分析整个人类基因组及其序列,逐渐主导了生物科学界的认识。Dulbecco在他的文章中还指出“这个世界上发生的一切事情,都与人类的DNA序列息息相关 这一计划的意义,可以与征服宇宙的计划媲美。我们也应该以征服宇宙的气魄来开展这一计划”,并且谈到“这样的项目是任何一个实验室难以单独承担的”。正因如此,有足够的理由在世界范围内提出HGP的国际计划。
HGP从孕育到*终实现并非一帆风顺,在启动之初同样遭遇来自各界的质疑和反对的声音,持不同观点的科学家认为想要完成HGP还要等上300年;还有的不同意见是我们可以等到HGP完成再参与,而无需参与大国之间的“瓜分”。
1.1.2 国际化
在全球性讨论的同时,各国分别启动了各自的HGP(雏形)计划。*早开始***HGP的是意大利**研究委员会(Italian National Research Council,ICNR)。1987年,该委员会组织了15个(以后发展到30个)实验室开始了人类基因组的研究。到1990年6月,欧洲共同体通过了“欧洲人类基因组研究计划”,主要资助23个实验室**用于“资源**”的建立与运转。榜上有名的还有丹麦、俄罗斯等国,以及亚太地区的日本、韩国、澳大利亚等国。
1989年2月,英国开始了对人类基因组研究的部署,由帝国癌症研究基金会与**医学研究委员会(Imperial Cancer Research Council-Medical Research Council,ICRC-MRC)共同负责协调及经费支持。随之,Wellcome基金会(The WellcomeTrust)斥巨资专门成立了Sulston J领导的Sanger**(后改名为The Wellcome Trust Sanger Institute,简称Sanger 研究所),并以秀丽线虫基因组为起点,研发与改进大规模基因组测序和分析技术。现在Sanger研究所已成为英国研究人类和其他生物基因组的**,也是世界上*重要的基因组研究**之一。
1990年6月,法国启动HGP的相关项目,特点是注重构建人类基因组的遗传图和物理图。诺贝尔奖获得者Dausset J于1983年组建了人类多态性研究**(Centre D'E'tude Du Polymorphisme Humain,CEPH),并开展了人类全基因组酵母人工染色体(yeast Artificial Chromosome,YAC)克隆为骨架的人类基因组物理图和重叠克隆群(overlapped Clone groups)的构建、以短串联重复序列(short Tandem repeat,STR,又称 microsatellite,微卫星)为标记的遗传图的构建,曾经一度走在美国的前头。CEPH还收集、转化和无偿提供了80个3代多个体家系——CEPH家系,现在已成为遗传学和基因组学研究的经典材料,为遗传图的构建、人类基因组多样性研究及后续的国际千人基因组计划(1000 Genomes Project)作出了重要贡献。更为重要的是,CEPH为倡导人类基因组研究的技术、材料和数据的分享作出了重要贡献。20世纪90年代初,所有的访问者都毫无例外地被“动员”签署坚决反对“基因专利”,支持人类基因组数据免费共享的“支持书”。随后成立了以Weissenbach J为负责人的法国基因组研究**GenoS cope。
受欧美**影响,日本于1991年成立东京大学医学科学研究所(Institute of MedicalScience ofThe University ofTokyo)人类基因组**,正式启动HGP计划。参与HGP的其他两家**分别为日本理化研究所(RIkagaku KENkyusho GenomicSciencesCenter/Institute ofPhysicalAndChemical Research,RIKEN)及庆应义塾大学医学院(Keio UniversitySchool of Medicine)。日本方面的负责人是Sakaki Y。
1995年6月德国正式启动HGP,他们先后成立了资源**,并开始了对21号染色体的大规模测序工作。德国的三个**分别为德国分子生物学研究所(Germany Institute of Molecular Biology,gGmb H,IMB)、马普分子遗传学研究所(Max Planck Institute for Molecular Genetics,MPIMG)和德国生物技术研究**(Gesellschaftfür Biotechnologische Forschung,GBF,后演变为Helmholtz Centre for Infection Research,德文名Helmholtz-Zentrumfür Infektionsforschung,HZI),其负责人是 LehrachH。
HGP的国际化首先是由Watson J提出的,国际人类基因组测序协作组(International Human Genome Sequencing Consortium,IHGSC)的组建是HGP国际化的实质性标志。国际协调机制为各主要**负责人参加的人类基因组测序国际战略会议(International Strategy Meeting on Human Genome Sequencing, ISMHGS)。1996年2月,由英国Wellcome基金会提议并主持,在百慕大(Bermuda)举行了**次协调会议,美国、法国、德国和日本的代表出席了会议。会议通过的“百慕大原则(Bermuda Rules)”,奠定了HGP精神,即“共有、共为、共享”的基础。
1993年,中国**自然科学基金会(Natural Science Foundation of China,NSFC)和**高技术研究发展计划(863计划)联合启动了“中华民族基因组中若干位点基因组结构的研究”项目,后接受秘书处的建议而对外称“中国人类基因组计划(Chinese Human Genome Project,CHGP)”,并以此为基础形成了中国人类基因组协作组(Chinese Human Genome Consortium,CHGC)。1997年11月,贺福初、贺林、刘斯奇、汪建、杨焕明、于军等在张家界中国遗传学会青年委员会**次会议上共同提出中国应积极参与HGP的设想。在谈家桢、吴旻、强伯勤、陈竺等科学家的积极倡导下,1998年**科技部决定在北京和上海各成立一个**。上海**的负责人为陈竺,10月定名为**人类基因组南方研究**。**人类基因组北方研究**,负责人为强伯勤和沈岩。1998年8月,中国科学院成立了遗传研究所人类基因组**。
1999年7月7日,国际人类基因组测序协作组(IHGSC)公布了中国加入HGP的申请。同年8月3日在“人类基因组测序国际战略会议第五次会议”上,经过认真答辩和慎重讨论,中国被正式接纳为 IHGSC的成员。中国的参与不