科學家訪談：基因組序列及其回報
本文刊載於《科學觀察》2011年第6卷第5期P55—P57。如果您喜歡，歡迎訂購我刊。版權所有中國科學院文獻情報中心《科學觀察》編輯部。未經許可，不得轉載。
華盛頓大學Richard K. Wilson專訪：
基因組序列及其回報
一種河豚魚和一種鴨嘴獸。硅藻。引起結核、霍亂、傷寒、流感、炭疽熱和潰瘍(這裡僅稍做列舉)的細菌。當然還有大腸桿菌。許多寄生蟲和病毒。黑猩猩、猩猩、奶牛、雞、天竺鼠、大熊貓。大鼠、蛔蟲、麵包酵母。美國黑楊、葡萄、洋蔥和玉米。蚊子和果蠅。一種標準的貴賓犬和一種叫做Tasha的拳獅犬。家貓和非洲象。還有人。
自從20世紀90年代遺傳學家開始進行全基因組測序以來，被完整測序的基因組數目以指數形式攀升，這很大程度上源自測序成本以指數形式下降的推動。最初的人類基因組計劃耗資30億美元才得以完成，如今，用不足萬分之一的花費就可以完成整個人類基因組的測序，微生物基因組的測序甚至能由一個有積極性的研究生來完成。
伴隨這場技術革命及其推動的科學革命，研究者們獲得了大量關於生命本質以及潛藏在健康與疾病中的進化動力的知識。華盛頓大學聖路易斯分校基因組研究所的主任Richard K. Wilson是這兩場革命的先驅者之一。自首次在加州理工與Leroy Hood合作開發第一台自動化測序儀(當時對基因進行測序還是一門手工藝術)以來，Wilson活躍於遺傳分析領域已有四分之一個世紀。
根據湯森路透的基本科學指標(ESISM)顯示，Wilson目前名列分子生物學和遺傳學高被引作者10強榜單，這一榜單是基於過去10年所發表論文的被引情況。反映較近期工作的8篇熱點論文發表於近兩年，他在其中的貢獻使其榮列本刊(2011年3/4月)年度熱門作者榜。總之，Wilson是5篇被引用次數超過1 000的論文的共同作者，其中當然包括2001年Nature上的「The initial sequencing and analysis of the human genome」( E.S. Lander等, 409[6822]: 860-921, 2001)，該文被引已超過8 000次。
Wilson現年52歲，1981年於俄亥俄州邁阿密大學獲得微生物學學士學位，五年後於俄克拉荷馬大學獲得化學和生物化學博士學位。隨後四年他以research fellow的身份與Leroy Hood一起工作，直到後來加入華盛頓大學，並於1993年成為基因組測序中心的聯合主任，2002年任職基因組研究所主任，同時擔任華盛頓大學的遺傳學教授。
Science Watch最近終於成功採訪了Wilson，雖然僅僅是通過行動電話。
記者：90年代中期您要開展為期6年的線蟲測序項目，能將那時您對未來基因測序的想像與後來的實際結果進行一下比較嗎？
要說想像實際上可以追溯到1989年前後，當時我們開始思考如果完成了人類基因組測序我們能從中學到些什麼。那時候我們就知道，如果你對某種疾病感興趣，需要花費長達10年的時間和數不清的錢去鑒定相關基因，比如Francis Collins花了很多時間研究纖維囊腫。然而我們也知道如果有了整個基因組百科全書，必然會帶來規模經濟效益，這樣就不需要再進行那些昂貴又耗時的尋找基因的工作了。事實證明確實如此。
現在，你看看癌症基因組學，我們不僅能對整個人類基因組進行測序，還有了參考基因組，我們可以詳細地比較一個病人的基因組與參考基因組，找到所有不同的基因。我們可以比較一個腫瘤組織和正常組織，找出病程中腫瘤所發生的突變。因此，從完成預期的角度來說，完全實現了。癌症僅是其中一個例子。我們曾經構想，對於其他任何一種人類疾病，只要有致病基因存在，我們就能用參考序列去尋找和發現其中的突變，這正是現在所進行的事。
記者：您有沒有對某些方向的進展比較失望，或者覺得與期望有落差？
我會說沒有。有許多人總想攻擊人類基因組序列，說它沒有回報。我不同意，我可以舉出許多例子，正是得益於基因組序列，這些疾病現在才可以更好地治療、診斷、治癒(對某些病例)。我一點兒也不失望。非要說的話，可能由於我是個乏味的知識分子，唯一讓我失望的是許多人從基因組測序中獲得了名和利，這有點兒玷污了它。但對生物學和生物醫學研究來說，它從大多數方面給予了豐厚的回報。
更重要的是，我們花了10年的時間改進技術並發展計算機工具，才首次完成了基因組測序。這帶來了大量的額外的技術進步，將我們帶到了今天，只需花費與以前相比不值一提的錢在一個月內就能測完人類基因組。基因組工程應該獲得肯定。
記者：您的實驗室測過的基因組中最有趣的兩個或三個是什麼？您從中學到的「最酷」的東西是什麼？
人類基因組已經成為我們的謀生手段，我們現在的工作主要集中在人類健康與疾病上。那個我們仍將繼續完善的參考基因組真的已經成為所有重要東西的源泉。我們還參與了一些具有里程碑意義的基因組如小鼠基因組，它非常有用，讓我們可以研究從人類基因組中發現的基因，看看這些基因突變後究竟會發生什麼，功能非常強大。
但是我認為「最酷」的是黑猩猩和鴨嘴獸。黑猩猩的重要性不言而喻，因為我們需要理解進化上與我們最接近的基因組。我們發現了許多意料之中的情況，也有一些令人意外的情況。我們還在試圖弄清黑猩猩的基因組與人類的到底有多接近。
記者：黑猩猩基因組有哪些讓您感到意外？
嗯，人類基因組中有些區域在黑猩猩中是缺失的，同樣，黑猩猩中的某些區域也在人類中缺失。如果你只比較共有的基因組序列，它們的相似性達99%。但是，如果你將人類和黑猩猩互相缺少的部分都考慮進去，它們的相似性就只有97%了。
記者：這些基因組區域是編碼區還是非編碼區？
有點兼而有之的意思，我們還在嘗試理解這意味著什麼。我們知道人類與黑猩猩在生物學上有一些重要的差異。黑猩猩不易患皮癌，我們仍在嘗試搞清楚究竟哪段基因組與這一現象相關。黑猩猩不會得阿爾茨海默氏病以及人類易患的其他類型的神經系統疾病。所以，還有很多東西需要研究。
記者：還有鴨嘴獸，從它的基因組中您獲得了什麼？
那是個有趣的故事，第一個發現鴨嘴獸的英國探險家帶了幾個標本回到倫敦時，沒人相信它們是真實的。人們認為這些東西是標本製作師的創作：將爬行動物的一部分、鳥類的一部分和哺乳動物的一部分組合在了一起。有意思的是，基因組實際上也是這麼反映的。你得到了一些看起來像爬行動物基因的序列和另一些看起來非常像鳥類基因的序列，其中有些與下蛋有關。當然，你還得到一些哺乳動物的基因。關於鴨嘴獸最奇特的一件事是，不像大多數哺乳動物有兩條性染色體，它們有10條。它們可以有10條X染色體或者有5條X和5條Y染色體。它們的Y染色體與人類相比要更大，在基因成分上更複雜。
記者：您現在怎麼理解人類基因組中只有相對較少的基因？在人類基因組剛被測出來時，這個結果即便不令人失望，也稱得上是一個新的發現。
我們之前認為人類基因組將包含約10萬個基因，這一數字很令人滿意。後來我們對蠕蟲進行測序，發現它只有約20 000或25 000個基因。人類基因組測序完成後，基因的數目一降再降，目前認為人類的基因數大約在21 000或22 000。人們對此都很不安：「我們怎麼能比蠕蟲或者低等哺乳動物的基因數目還少？」答案是基因的含義已經隨著基因組一起進化了。人類基因更複雜，所以我們不需要10萬個基因。我們做得很好，與具有同樣基因數目的蠕蟲相比，我們可以成為更複雜的生物體。
在一個較低等的哺乳動物中，一個特定功能可能只有一個基因負責，而在更高等的哺乳動物中，同一個基因可能有多個拷貝，每個拷貝之間都稍有不同。這些基因都由複製產生並且在進化中保留了數百萬年。因此，一個基因可能與低等哺乳動物中的相似，但它增加了一些編碼區，具有更多的外顯子，可以通過剪切變成多種形式，所以不需要多個拷貝或多個基因。
記者：您的研究所參與了許多主要的測序計劃，包括千人基因組計劃。這些計劃的目的是什麼？你們還要開展哪些項目？
確實有許多大項目。其中一個是癌症基因組圖譜計劃，對腫瘤基因組進行測序。另一個是人類微生物組計劃，目標是用基因組學方法研究不同的身體系統像消化道中的微生物群落，檢查健康、疾病、營養缺乏、服用特定藥物等情況下微生物群落的改變情況。
千人基因組計劃在第一個人類基因組完成之後就產生了，我們知道必須研究許多其他人的基因組才能了解人群中存在哪些變異。如果要尋找能夠代表遺傳性事件(如癌症易感性)的基因，就需要知道基準是什麼，正常情況是什麼。因此，研究思路就是跨民族尋找許多人，測一千個人的個體基因組。那樣就可以建立起變異的基準目錄，這就是該計劃的開始。
記者：您怎樣形容你們從癌症基因組測序中獲得的知識，這將會促進臨床研究嗎？
我們正在一點點地累積。嗯，雖然我們可以很高興地說已經研究了白血病、乳腺癌、肺癌、前列腺癌等等，但我們目前還不知道可以使所有種類的癌症都受益的最主要信息。當然，我們正在認識不同種類癌症各自的小秘密。
如果非要我挑一個特別重大的發現，我會選目前已經完成的關於白血病的工作(例如，E.R. Mardis等的Recurring mutations found by sequencing an acute myeloid leukemia genome,New Engl. J. Med., 361[11]: 1058-66, 2009)。可能因為我們最早從白血病起家，因此在這方面走得最遠，研究的病人最多，比其他任何癌症都多。舉個例子，我們知道對臨床上大約60%的急性白血病病人可以進行細胞遺傳學檢查，比如在顯微鏡下觀察癌細胞的染色體，但是沒有指示物讓你知道他們的病會朝好的方向發展還是朝壞的方向發展，所以腫瘤醫生實際上用相同的化療方案對所有人進行治療。但是作為腫瘤學家，你可能更願意知道用化療藥物單獨治療是否會成功，是否需要採用更昂貴且風險更大的骨髓移植。
現在的指示物是我們從少數關鍵基因中發現的突變，它將告訴我們，患者是否有高風險型白血病。簡單地對每個新患者進行該基因的測序，就能在早期決定治療方案，是繼續用化療藥物進行治療還是向前邁進一大步直接進行骨髓移植。這正是你想實現的，你希望最終能夠使用專門針對不同類型突變設計的藥物。在這方面我們僅僅接觸了冰山的一角。
記者：最後一個問題：你測了自己的基因組嗎？
沒有，我對此有點抗拒。目前，我認為只有兩個理由需要測序基因組。其一是希望藉此吹噓我們的成就，而我不想這樣做；其二是罹患了癌症，想找出線索讓腫瘤醫生更好地進行治療。我們現在對許多類型的癌症都有了足夠的了解，可以從基因組測序中獲得可以實施的發現。在這個領域還有很多工作要做，但是非常有前景。
翻譯：王浩鑫 審校：馬建華
TAG:科學觀察 |