每經記(ji)者｜張凌霄(xiao)    每經編輯｜高涵    

人(ren)(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)計(ji)(ji)劃(hua)被(bei)譽為生命科學(xue)的(de) “登月計(ji)(ji)劃(hua)”。1990年，人(ren)(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)計(ji)(ji)劃(hua)由美(mei)國能源(yuan)部和美(mei)國國家衛生研(yan)究院(yuan)投資(zi)，預期在15年內完(wan)成。2001年2月12日，由6國科學(xue)家共同參(can)與的(de)國際人(ren)(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)計(ji)(ji)劃(hua)首次公(gong)布(bu)人(ren)(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)圖譜及初步分(fen)析結果。2003年，研(yan)究人(ren)(ren)員(yuan)公(gong)布(bu)了(le)當時被(bei)稱為完(wan)整(zheng)的(de)人(ren)(ren)類基(ji)因(yin)(yin)(yin)組(zu)(zu)序列，但其中有(you)大約8%尚未完(wan)全破譯，主要是(shi)因(yin)(yin)(yin)為它包含的(de)高度(du)重復的(de)DNA片段難以與其他部分(fen)嚙合。

近日，《科學》雜志連續發6篇論文報告，公(gong)布(bu)了由國(guo)際科學團隊“端(duan)(duan)粒(li)(li)到端(duan)(duan)粒(li)(li)（T2T）”聯盟研究出的(de)首個完整(zheng)無(wu)間隙人類基因組序列，填補了近20年來缺(que)失的(de)“拼圖”碎片。

繼(ji)2001年人(ren)(ren)類基因(yin)組(zu)序(xu)列的(de)(de)工作(zuo)草圖(tu)問世后，時隔二十多(duo)年，人(ren)(ren)類基因(yin)組(zu)測序(xu)終于(yu)迎來了歷史性的(de)(de)突(tu)破。這一科學界的(de)(de)里程碑對于(yu)我們普(pu)通人(ren)(ren)來說意味著什(shen)么？這份(fen)人(ren)(ren)類基因(yin)“拼圖(tu)”有何應用(yong)？

《每日經濟新聞》記者（以下簡稱NBD）專訪了T2T聯盟發起人之一、美國加利福尼亞大學圣克魯茲分校基因工程學助理教授凱倫·米加（Karen Miga），以及研究論文的主要作者——約翰斯·霍普金斯大學計算機科學和生物學系教授邁克爾·沙茨(ci)（Michael Schatz）以及華盛頓大學基因組科學系博士后研究員格倫尼斯·洛格斯登（Glennis Logsdon），揭(jie)秘首(shou)個人類基因組完整(zheng)序列的創新突破和應用(yong)前景。

最后的“拼圖”碎片是什么？

在人類基因組序列(lie)(lie)中，這部分被遺漏近20年的序列(lie)(lie)結(jie)構(gou)極(ji)為(wei)復(fu)雜(za)，主要是DNA序列(lie)(lie)高度重復(fu)的染色體中間(jian)部分的著絲粒、末端的端粒。

（編者注：每條染色體都有一個叫做著絲粒的收縮點。在分裂(lie)前期和中期,著絲粒把兩個姐(jie)妹染色單(dan)體連在一起。）

聯盟此次發表的(de)新研究成(cheng)果則(ze)是填補了這部分的(de)空白(bai)。“有約90%的新序列實際上來自染色體的著絲粒。”T2T聯(lian)盟(meng)研究論文的(de)主(zhu)要作者之一(yi)、加利福尼(ni)亞大學伯克利分校的(de)博士(shi)后(hou)Nicolas Altemose介(jie)紹。T2T聯(lian)盟(meng)匯集(ji)了全球100多名(ming)頂(ding)尖科(ke)學家。

這(zhe)些拼圖“碎(sui)片”有何作用？這(zhe)項成果的創新性和突破性在哪(na)兒？

NBD：這份人類基因組完整“拼圖”意味著什么？

邁克爾·沙茨：基(ji)因(yin)組對(dui)生命的(de)多個方面都有重大意義，它影(ying)響著一個人(ren)的(de)主要特征(zheng)，如(ru)身體特征(zheng)，也決定(ding)著一個人(ren)患上不同遺(yi)傳疾(ji)病的(de)概率(lv)。

以前的人類參考基因組(zu)GRCh38缺(que)失了約8%的序列，因此幾乎所(suo)有以前的遺傳學(xue)和(he)基因組(zu)學(xue)研究都無法探索這(zhe)些序列如(ru)何影響(xiang)人類特(te)征(zheng)。盡管8%似乎是(shi)一個小數(shu)字(zi)，但它仍然(ran)可以做出(chu)重(zhong)大貢獻。

另外，新序列糾正了當前參考序列中的數千個結構錯誤，我們由此發現了數百個臨床相關基因，這包括與肌肉麻痹、心律失常、脊髓性肌萎縮、免疫力、癌癥等疾病相關的基因。

凱倫·米加：完整的(de)人(ren)類基因組序(xu)列將幫助我(wo)們加(jia)深對人(ren)類基因組中最難測(ce)序(xu)、且高度重復的(de)那(nei)部分基因片(pian)段的(de)理(li)解。此外，它也將為(wei)科學家研究人(ren)類基因組變異、疾(ji)病(bing)和進化提供一個全面的(de)框架(jia)。

格倫尼斯·洛格斯登：人(ren)類基因(yin)組的完整(zheng)序列為我(wo)們提(ti)供了一個(ge)新的視角，隨著(zhu)最后8%基因(yin)組的破譯，我(wo)們能夠更全(quan)面地檢測這些片(pian)段中的致病(bing)性(xing)基因(yin)變體，并開(kai)發出有(you)效的治療方(fang)法。

NBD：新解鎖的8%基因片段具有什么樣的功能？

格倫尼斯·洛格斯登：新的基因片段有許多不同的功能。首先，著絲粒是我們每一條染色體上的一大重要區域，它能夠確保每一條染色體在細胞分裂過程中被準確地分割到子細胞中。功能失調的著絲粒可能會導致癌癥、不孕不育和先天缺陷。通過確定每個著絲粒(li)的(de)完整序列，我(wo)們(men)現在(zai)可以開始識別(bie)導致染(ran)色體(ti)分離并導致這些疾病的(de)基因變體(ti)，這將(jiang)幫(bang)助我(wo)們(men)開發(fa)新的(de)治療(liao)方法。

其次，我們從多個高度重復的基因片段中發現了許多新的基因，其中就包括182個對疾病有重要影響的新基因。例如，存在一個被稱為LPA的基因，它反映了冠心病、心血管疾病、動脈粥樣硬化、血栓和中風的遺傳風險。LPA的完整序列能夠幫助我們了解該基因中的變體如何促成上述疾病的形成和發展。

邁克爾·沙茨：新的(de)基因序列解析(xi)了許多以前沒有被表現(xian)出來(lai)的(de)片(pian)段。細(xi)胞需要著絲(si)粒(li)來(lai)保證其在(zai)分裂時能夠精確地復(fu)制(zhi)DNA（通常是(shi)復(fu)制(zhi)兩份(fen)，一份(fen)來(lai)自母親，一份(fen)來(lai)自父親），這(zhe)個(ge)過程(cheng)如果(guo)出現(xian)錯(cuo)誤，就可能會(hui)導致(zhi)癌癥等重大(da)疾病或是(shi)其他嚴重的(de)發育(yu)障(zhang)礙。

圖(tu)片來源：視覺(jue)中國-VCG111309808561

完整“拼圖”是如何解鎖的？

此(ci)前，這最后的8%基因(yin)組之所(suo)以很難(nan)被測序，主(zhu)要是(shi)因(yin)為它由高度重復(fu)的DNA“磚塊”構成，“就(jiu)像是(shi)拿(na)著好幾塊相同的拼(pin)圖碎片一樣，很難(nan)把(ba)它和(he)其他(ta)的碎片拼(pin)在一起。”

T2T聯盟(meng)的(de)研究(jiu)人(ren)員通過(guo)新(xin)的(de)納(na)米機器設備與核(he)心技術，讓小拼圖變成了(le)(le)大(da)拼圖，得到了(le)(le)被稱(cheng)為“T2T-CHM13”的(de)無間(jian)隙(xi)版(ban)本參考序(xu)列，基因(yin)組(zu)由30.55億個(ge)(ge)堿基對和19969個(ge)(ge)蛋(dan)白質編碼基因(yin)組(zu)成。

完整(zheng)“拼(pin)圖”是如(ru)何(he)解(jie)鎖的？背后有(you)什么技(ji)術創新？后續有(you)何(he)研究計劃？

NBD：此次基因組測序取得重大突破的主要原因是什么？

邁克爾·沙茨：新的(de)(de)技術(shu)確實非常重(zhong)要。在T2T聯(lian)盟的(de)(de)研究中，我們使用了太平(ping)洋(yang)生物(wu)科學公司（Pacific Biosciences）和牛津納米孔技術(shu)公司（Oxford Nanopore Technology）發明(ming)的(de)(de)，被稱為“長讀長測序技術(shu)”的(de)(de)新實驗(yan)方法對基(ji)因組的(de)(de)不同部分進(jin)行了測序，再運用新的(de)(de)算(suan)法來分析已經得到(dao)的(de)(de)數據，最終首次準確地組裝了基(ji)因組。

這個(ge)過程(cheng)類似于(yu)組裝拼圖(tu)，然而許(xu)多“拼圖(tu)塊”因為有著(zhu)高度相似的(de)著(zhu)絲粒，就像天空中的(de)云或者撞碎的(de)波浪，非常難以(yi)區(qu)分。

凱倫·米加：我認為，正確(que)的技(ji)術(shu)、正確(que)的科學家(jia)團隊和正確(que)的時間都非常重要。我們的每個(ge)細(xi)胞(bao)中都有數十億個(ge)DNA堿基，而我們目前的技(ji)術(shu)是無法(fa)從頭到尾讀取基因組(zu)的。

構建基因組的過程經常被比作拼圖，在過去，研究人員只能對小部分DNA進行測序，得到的拼圖塊也就比較小，可能需要處理10000塊小拼圖塊。而我們使用“長讀長測序技術”，則讓這些小拼圖塊變成了100塊大拼圖塊。

格倫尼斯·洛格斯登：這次(ci)研究取得成功源于兩個方(fang)面的(de)重大(da)突破，兩者都同等重要。首(shou)先是(shi)測(ce)序(xu)(xu)技術(shu)的(de)發展，“長讀長測(ce)序(xu)(xu)技術(shu)”所能(neng)提供的(de)短讀數據長100-1000倍，使我們得以首(shou)次(ci)連貫(guan)地讀取一些片段(duan)。另一個重大(da)突破是(shi)新的(de)統計算法，通過這個算法，我們可以把(ba)讀取到的(de)DNA組裝成一個高度精(jing)確的(de)序(xu)(xu)列。

NBD：未來可能的研究方向是什么？

凱倫·米加：我們的單一完整基因組并不能了解人類遺傳變異的全部多樣性。因此，T2T聯盟正在與人類泛基因組參考聯盟合作，致力于集合不同種族或血統的人的基因序列，建立一個能夠代表全人類的高質量參考基因組，這將是T2T聯盟未來幾年的一個重點工作。

邁克爾·沙茨：新的完整人類基因組為下一步的研究提供了許多新機會。首先，我們可以使用這個新的參考基因組來重新分析現有的數據，包括研究和識別新的遺傳變異，進而認識新的疾病風險因素。第二，我們的研究證明了現在已經存在對人類基因組進行完全測序的技術，基于這一結果，未來可能使用相關技術對其他基因組也進行測序。

圖片來源：攝圖網-500327248

基因測序商業化前景如何？

過去幾十年中，伴(ban)隨著人類基(ji)因組測(ce)序(xu)進(jin)(jin)程的(de)推進(jin)(jin)，基(ji)因測(ce)序(xu)的(de)商業化落地也開(kai)始不斷拓(tuo)展(zhan)，基(ji)因測(ce)序(xu)在疾病早篩、微生物、遺傳學檢測(ce)等領域都(dou)是其應用方向(xiang)。

但值得注意的(de)是，目(mu)前(qian)基(ji)因(yin)測(ce)(ce)序技術的(de)商業化應(ying)用比(bi)例并不高(gao)。Grand View Research的(de)數據顯示，2020年全球基(ji)因(yin)測(ce)(ce)序行業下(xia)游應(ying)用中，54%的(de)應(ying)用被學術研究(jiu)占(zhan)據，用于臨床研究(jiu)和(he)醫(yi)院(yuan)診斷的(de)比(bi)例僅為18%和(he)14%。

在測序(xu)技術逐漸成熟以及測序(xu)成本(ben)不斷(duan)降(jiang)低的(de)背景下，基因測序(xu)市(shi)(shi)場(chang)有其廣闊的(de)前景。根據(ju)數據(ju)情報公司Precedence Research預測，全球DNA測序(xu)市(shi)(shi)場(chang)規(gui)模預計(ji)將從2020年(nian)(nian)(nian)的(de)84.1億(yi)(yi)美元增長到2030年(nian)(nian)(nian)的(de)約(yue)406.4億(yi)(yi)美元，2021年(nian)(nian)(nian)至2030年(nian)(nian)(nian)間的(de)復(fu)合年(nian)(nian)(nian)增長率（CGRR）為(wei)17.5%。

一(yi)邊是商業化程度(du)不足，一(yi)邊是廣闊的市場(chang)。基因測序在(zai)哪些領域商業化應用前景向(xiang)好(hao)？現階段發展又(you)面臨什么樣(yang)的難點(dian)？

NBD：基因組測序的研究成果有哪些應用？

邁克爾·沙茨：新的基因組可以有助于識別疾病的新風險等位基因或新的藥物靶點，也可以用于研究許多其他生物系統，尤其是研究作為人類的藥物或食品的動植物。

另外，在農(nong)業領域，基因測序(xu)(xu)可(ke)以幫助育種，讓(rang)牛和作(zuo)物更有生產力，對害蟲和不同的環境(jing)條件(jian)更有抵抗力。參(can)考我們剛剛組(zu)裝的人類基因組(zu)，我們的測序(xu)(xu)技術也可(ke)以用于組(zu)裝主(zhu)要農(nong)業物種的高質量參(can)考基因組(zu)，這(zhe)將有助于更好地揭示(shi)這(zhe)些物種的基因組(zu)和表觀基因組(zu)變(bian)異。

格倫尼斯·洛格斯登：人類基因組的完整序列將幫助我們檢測導致不孕不育和流產的變異基因，尤其是著絲粒區域內的變異。通過識別這些變異并確定它們如何影響細胞分裂過程中的染色體分離，我們有望研究出降低不孕不育和流產等的風險、提高生育率的醫療策略。

NBD：這份完整的基因“拼圖”可以怎么用？

格倫尼斯·洛格斯登：目前，許多針對基因疾病的檢測都是使用基因芯片對致病性變體進行檢測，這些檢測都是基于之前的人類參考基因組來進行的。但是之前的參考基因組缺少數億個堿基，部分變異無法被基因芯片檢測到。有了人類基因組的完整序列，我們可以開始檢測新的致病性變異，但這需要開發新的基因芯片和軟件實現，這可能需要數年才能達成。

NBD：基因測序市場在未來幾年將如何發展？

格倫尼斯·洛格斯登：我預計在未來5-10年內，基于基因測序的個性化醫療市場可以有機會迅速擴張。個性化醫療領域有許多可以商業化的技術，比如智能手機的app，允許個人訪問自己的基因組序列，確定疾病風險，并制定預防措施或開始進行治療。此外，未來幾年基因組測序數據量必然將快速增長，因此用于存儲、處理和臨床解釋基因組數據的云平臺也有發展空間。

封面圖片(pian)來源：視覺(jue)中國-VCG111309808561