2010：基因组学推动生命科学大步向前

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2010年末，关于河南安阳曹操墓真伪的争论如火如荼。然而，来自上海的一个沉重的消息引起了许多关注。复旦大学现代人类学教育部重点实验室宣布，将从全国各地收集曹姓男性的dna样本，并打算通过基因组学的手段来验证出土的头骨是否是曹姓本人。

突然间，基因组科学成了一个热门话题，这个话题“走进了普通人的家”。

事实上，随着2000年人类基因组框架图和2003年完整的人类基因组图的公布，dna测序技术在近十年来继续高速发展，基因组科学极大地促进了生命科学的发展，受到各国政府和学术机构的高度重视。

2010年，基因组科学研究取得重大进展。在美国科学杂志评选的当年十大科学进步中，有三项与基因组科学相关——尼安德特人基因组、外基因组测序和下一代基因组学。这也反映了这门科学在2010年的蓬勃发展。

几个重要物种的基因组图谱已经完成

2010年，期待已久的大豆基因组序列终于确定了。

同年1月，美国农业部、美国能源部联合基因组研究所和其他单位的研究人员在《自然》杂志上联合宣布，研究小组使用全基因组鸟枪法测序法对大豆基因组的11亿个碱基进行测序，并公布了第一份豆科植物全基因组序列图。这也是全基因组鸟枪法测序的最大的植物基因组。

"这是大豆研究中的一个重要里程碑."加里·斯泰西，博士，美国能源部国家大豆生物技术中心主任。

随着图谱的完成，大豆作为世界上主要的油源，其基因组科学研究取得了新的突破。

2010年11月，香港中文大学、华大遗传研究所、农业部重点基因组实验室和农业科学院宣布，他们对17个野生大豆和14个栽培大豆的全基因组进行了重测序，共发现630多万个单核苷酸多态性位点，并建立了高密度分子标记图谱，作为封面故事发表在《自然-遗传学》上。

“这是世界上首次大规模获得野生和栽培大豆群体的基因组数据。”华大基因研究所的许逊博士告诉《科学时报》记者。

大豆基因组的精确序列图及其全基因组的大规模遗传多态性分析为大豆遗传性状的鉴定提供了便利，而对其他物种基因组的研究则不受限制。

最影响中国人神经的基因组图谱是国宝大熊猫。

由深圳华大基因研究所、中国科学院昆明动物研究所、成都大熊猫研究基地和中国大熊猫保护研究中心共同完成的《大熊猫基因组测序与组装》于1月21日以封面故事的形式在国际权威杂志《自然》上发表，并荣获2010年中国十大科技进步。

这项研究表明，大熊猫有21对染色体和2.4亿对碱基，包括2万多个基因，其基因组仍然具有较高的杂合度。"这也标志着基于短序列的基因组测序、剪接和组装技术的重大突破."许逊指出。或许，这一研究进展将使人类更早地了解大熊猫“黑眼圈”的奥秘。

此外，在过去的12个月中，来自包括中国在内的许多国家的研究人员报告了许多重要物种的基因组图谱，如苹果、黄花蒿、黄瓜、寄生蜂、蚂蚁、蚜虫和珍珠鸟。

未来，基因组测序的规模将越来越大。记者从华大遗传研究所了解到，仅在2011年，马铃薯、绵羊、牦牛、几种鸟类等物种的基因组图谱可能会陆续绘制出来。

基因组科学揭示了人类的变化

在这篇文章的开头，“用曹氏的dna来鉴定曹操的头骨”并不是中国的专利。据英国《每日邮报》报道，比利时学者测试了希特勒家族39名亲属的dna，以证明希特勒的种族。

这些作品的发展依赖于基因被祖先深深烙印的事实。

以基因为研究目的的基因组科学，使描述人类和动物的变化以及其他地理基因组学和人类学研究成为可能。

2010年，世界各国的研究人员在这一领域取得了很大进展，中国科学家的研究也呈现出多点开花的态势。

2009年12月15日，中国科学院院士、中国科学院昆明动物研究所研究员张亚平在《美国国家科学院院刊》上发表文章说，通过对680份藏族人线粒体dna样本的分析，现代藏族人的大部分母性遗传成分可以追溯到新石器时代以来移居青藏高原的中国北方人。

2010年，复旦大学的研究人员也对西藏居民进行了“基因调查”。研究人员推测，西藏居民最早可能来自北亚，接近蒙古和贝加尔地区的北方人。国家计划生育研究所和北京基因组研究所的最新研究结果进一步揭示，藏族祖先可能已经通过横断山脉向上游迁移，最终到达青藏高原。

这个发现不止于此。同样在2010年，BGI分析了中国藏族和汉族的常染色体epas1基因，结果发表在《美国科学》杂志上。本研究初步推测该基因在青藏高原的藏族和平原的汉族人群中是分离的。

除了在西藏人类学领域取得的重要成就，科学家们在2010年仍然收获颇丰。随着社会学的相关研究，基因组科学将在人类学领域获得更大的空。

2010年，另一项关于古代人类的基因组研究震惊了世界，并被许多不同机构列入世界十大科学新闻。

2010年5月6日，许多国际知名机构在《科学》杂志上发表了一份文件，称研究人员通过新的两轮dna靶向序列捕获测序技术，分别对三个古代尼安德特人头骨化石片段进行了dna测序。

在进化化学中，尼安德特人是我们的近亲。它们大约在40万年前出现，分布在欧洲和西亚，在3万年前灭绝。

研究表明，获得的基因组序列图占整个基因组的60%，而现代人大约有1% ~ 4%的尼安德特人基因。

马克斯·普朗克研究所的贾译尊·帕博激动地说:“第一个版本的尼安德特人基因组序列实现了人类的一个长期梦想。”我们第一次发现了区别于所有其他生物的遗传特征，包括那些在进化过程中与我们最接近的生物。”

中国的发现同样令人兴奋。中国科学院院士、中国农业大学教授李宁成功提取了具有9000年历史的猪骨dna。通过测序研究，发现它们是家养的家猪，将中华民族家养动物的驯化历史推到了一万年的水平。

也许，在未来的基因组科学研究中，关于人类历史的观点将会不断更新。

人们热切期待下一代测序技术

古代dna的成功测序和组装依赖于测序技术的进步。同样，不同于前两代的下一代测序技术，也在2010年的基因组科学研究中显示了其鲜明的优势，被评为世界十大科学进步之一。

下一代测序技术是基于纳米孔的单分子阅读技术，可以直接阅读序列信息，简单快捷；另一方面，前两代技术需要荧光或化学发光物质的帮助，这可以通过读取整合到dna链中的光信号来间接确定。

尽管这种测序方法仍存在基因组覆盖不完全等缺陷，但并不影响其繁荣。

例如，斯坦福大学的生物工程学家斯蒂芬·奎克和其他研究人员在《自然-生物技术》杂志上发表文章称，他们使用一种新开发的单分子测序仪对自己的基因组进行测序，只需4周时间，试剂费用约为4.8万美元。

与此同时，Ion Rapids的下一代硅片序列器也取得了突破。利用这项技术，科学家在2010年的《科学》杂志上发表了三份低成本的完整人类基因组序列。

在这方面，英国纳米孔公司的总裁评论说，这项技术预示着基因测序领域的一个飞跃，也许基因组测序可以在不到1000美元的未来完成。

中国科学院基因组研究所副所长于君告诉《科学时报》记者，根据目前的经验曲线，即使是目前广泛使用的第二代测序技术，也可能在一两年内实现“千美元基因组”的构想；然而，“100美元基因组”的想法可能还有很长的路要走，迫切需要革命性的技术。

然而，我们已经看到了希望。2010年4月6日，日本大阪大学工业科学研究所的川上一郎和谷口正弘宣布，新一代dna测序技术的可行性首次得到验证。

这篇发表在《自然-纳米技术》杂志上的文章表明，研究人员已经成功地测量了构成dna的核酸碱基分子中的电流，他们使用了一个只有1纳米的超短距离电极，并成功地识别了核苷酸。

幸运的是，科学家们并不“喜新厌旧”。“不同代的测序技术并不相互排斥，尤其是具有不同化学原理的基本技术。它们在特定应用中功能互补，并将长期共存。”于君强调。

2010年，随着测序技术的快速发展，中国科学家也不甘落后。

据了解，由中国科学院基因组研究所和半导体研究所联合开发的具有部分自主知识产权的第二代测序仪预计将于今年3月下线，这不仅将打破国外测序公司的垄断，也将大大降低中国基因组测序的成本。

此外，中国科学院基因组研究所和Inspur集团成立了一个联合实验室，共同开发第三代基因测序仪，第一个原型预计将于2013年问世。

毫无疑问，新一代测序技术将对人类未来的生活产生深远的影响。

测序分析的概念带来了突破

随着新一代测序技术的广泛应用，测序速度将越来越快，成本将大大降低。然而，测序产生的大量数据会给以后的生物信息分析带来很大的压力。

"我认为生物信息学分析是基因组测定过程中最关键的技术."BGI副总裁王军曾这样说过。

然而，在2010年，基于基因组的生物信息学分析也取得了丰硕的成果。

同年10月，中国科学院基因组研究所和中国科学院上海生物科学研究所植物生理生态研究所在《自然-遗传学》上发表文章。结合第二代测序技术和研究人员开发的基因型分析方法，构建了水稻高密度单倍型图谱，对籼稻品种的14个重要农艺性状进行了全基因组关联研究，并确定了与这些农艺性状相关的候选基因位点。

《自然-遗传学》和其他杂志的文章也显示，伦敦帝国理工学院的研究人员通过许多全基因组关联研究，发现了许多与现代热点疾病相关的基因，包括糖尿病和冠心病。

事实上，研究人员还表示，通过“全基因组关联研究”比较两个不相关的人可能会产生许多有用的研究信息，但如果辅以家族遗传关系，测序数据将更加准确。

2010年3月，《科学》发表了一篇文章，称美国首次对一个四口之家的全基因组进行了测序。由于家族遗传背景，研究人员更准确地锁定了与米勒综合症相关的四个基因。

"家庭测序将成为未来基因研究和疾病治疗的新工具."于君说。

随着研究的深入，世界上最大的表观遗传学研究项目也开始了。据了解，BGI和伦敦国王学院的twinsuk团队将合作，对5000对双胞胎基因组的化学修饰进行深入研究。

除了扩展测序结果的分析方法和样本选择，2010年，研究人员还对测序概念和方法进行了新的尝试。

2010年5月，发表在《自然-遗传学》杂志上的一篇文章称，科学家成功捕获了四名患病婴儿的外显子，并使用基因组导向捕获工具——安捷伦的固相测序仪成功对其进行了测序；华盛顿大学医学院的研究人员也在《科学》杂志上报道，他们利用外显子测序找到了恶性眼病的关键基因。

毫无疑问，这项技术已经引起了各方的关注，并被列为世界十大科学进步之一，它将越来越多地应用于更多疾病的研究，以发现包括癌症在内的多种疾病的致病基因和易感基因。

于君评论说，与全基因组测序相比，外显子组测序是相对经济和有效的。它只需要外显子区域的dna，具有更深的覆盖率和更高的准确性。

公共数据库提供的大量外显子数据为科学家更好地解释研究结果提供了便利。

显然，在未来，基因组测序分析的概念将随着测序技术的升级而改变。

各方眼中的基因组科学

如上所述，在过去的2010年，世界上几乎每个月都有两三个家族的全基因组和外显子组测序被用来检测疾病的基因突变。

可以看出，基因组科学正越来越接近人们的生活。英国医学研究临床科学中心的分子遗传学家蒂姆·艾特曼说，基因组测序将在未来10到20年内变得更加流行。

在美国，尽管其食品和药物管理局严格控制私人基因组公司的产品，但随着基因组测序成本的不断降低，越来越多的医生开始使用全基因组或外显子组测序技术进行诊断。

基因组科学给普通病人带来了治愈疾病的希望，那么它对科学研究会有什么深远的影响呢？

《自然》杂志对1000多名生物学家的调查显示，几乎所有生物学家都在某种程度上受到人类基因组计划的影响。

大多数人认为他们自己的研究受益于人类基因组测序，46%的人认为影响是巨大的；同时，近三分之一的人几乎每天都在使用基因组；甚至69%的受访者说是人类基因组计划改变了他们的职业和研究方向。

“对于像我这样的年轻研究人员来说，很难想象没有基因组它将如何工作。”一位受访者这样说。

除了生命科学领域研究的迅速发展，世界各国政府都在期待基因组科学的进一步发展。

2008年初，由英国桑格研究所、美国国家人类基因组研究所、中国华大基因研究所等多个机构联合发起了一个名为“千基因组”的项目。据说，科学家们将对世界各地至少2000个人的基因组进行测序，从而生成一个庞大而开放的人类基因变异目录，并发现基因与人类疾病之间的秘密关系。

2010年，非洲也宣布参与基因组革命。同年，世界各国政府和组织启动了最新的基因组计划，包括遗传地理计划和英国10k计划。此前，中国实施的人类和水稻基因组研究计划也引起了全世界的关注。

“最近，中国科学院基因组研究所和沙特阿拉伯王国阿卜杜拉齐兹国王科技城联合开展的枣椰基因组研究项目，也标志着中国基因组科学在国际舞台上的重要地位。”于君非常自豪。

在过去的一年里，基因组科学得到了突飞猛进的发展。人们有理由相信，随着dna测序技术的快速发展，中国和世界的基因组科学将走向更加辉煌的未来。(吴昊)