2007：寻找人类基因组差异

　　每逢年底，《科学》和《自然》等杂志都会评选出本年度一些重要的科学成果。在2007年出现的许多科学进展中，关于人类基因组差异的研究以及一种新的培育干细胞的方法，连同其他一些成果受到广泛关注。  



        今年4月，来自多个国家的科学家同时在《科学》和《自然·遗传学》杂志上发表了4篇关于Ⅱ型糖尿病的论文，报告了他们对于这种日益常见的疾病的研究成果。他们发现和证实了数个可能增加糖尿病发病风险的基因因素。令人感到振奋的不仅仅是这些发现本身：科学家在过去一年多的时间里以前所未有的速度发现了与许多常见疾病有关的基因和基因突变。这也是《科学》杂志选择关于人类基因组差异的研究作为今年科研突破进展的原因之一。  



        科学家一下子发现了一大批常见疾病的致病基因  



        在人类由30亿个碱基对、大约数万个基因组成的基因组中，哪些基因或者基因的突变可能导致疾病？这种寻找致病基因的工作通常如同大海捞针。一个令人难忘的例子是亨廷顿病。1993年，科学家发现了亨廷顿病（一种导致大脑神经元退化的遗传病，患者会逐渐失去运动控制能力和认知能力）的致病基因。找到这个致病基因花费了许多科学家十多年的时间，科学家需要找到同在一个家族的许多患者，才能设法定位这个基因。幸运的是，委内瑞拉的一个亨廷顿病患病率极高的大家族满足了这个条件。  



        对于其他一些疾病，尤其是基因因素不是特别明显的常见疾病，这种“家族”式的研究就不太好用。哈佛大学医学院的大卫·阿特休勒（DavidAltshuler）是今年4月《科学》杂志上关于糖尿病的论文的作者之一，他说，在21世纪的前几年中，科学家发现常见病致病基因的速度不过是每年一两个基因，这比此前十年的发现速度快了很多。但在2007年，科学家一下子发现了一大批常见疾病的致病基因。  



        这场致病基因淘金热的兴起要归功于人类基因组计划（HGP）和人类基因组单体型图计划（HapMap）。在这两个超级研究项目的成果基础上，科学家使用了一种称为“全基因组关联研究”的方法，寻找可能的致病因素。  



        这种新的方法把注意力集中在人类基因组的一种微小突变上。这种突变是指DNA上的某个“字母”被另外一个字母取代（例如AAG变成了ATG），它被称作“单核苷酸多态”（SNP）。科学家估计，在人类基因组中可能存在约1500万个单字母突变，或者说，在人类这个遗传结构相当统一的群体内，还有1500万个可能的  SN  P。借助于基因芯片等新技术，科学家可以同时分析一个人的基因组中的数十万个SNP。把许多健康人和疾病患者（这些人不一定必须属于同一个家族）的SNP结果放在一起，SNP的分布状况就可以显示出致病基因的一些蛛丝马迹。  



        这种全基因组关联研究已经吸引了许多科学家投身其中。2005年，英国的威康信托基金会（英国最大的生物医学资助机构之一）招募了数百名科学家，从事常见病的全基因组关联研究。他们分析了将近两万人的SNP。今年，这个研究协作体公布了他们的成果，为包括风湿性关节炎和冠心病等7种常见病找到了一些致病基因。4月发表的关于Ⅱ型糖尿病的研究共分析了超过3万人的SNP,找到和证实了10种和该病有关的基因。  



        个人基因组测序时代  



        大约7年前，当第一份人类基因组序列草图公布的时候，有一个问题似乎被许多人忽略了，它被称作“人类基因组序列”，可是那究竟是谁的基因组？事实上，人类基因组计划测定的是一小群人的基因组的混合体（这些基因组提供者的姓名是保密的）。由于地球上所有人的基因组99.9％的部分都是相同的，这份基因组图称得上是人类基因组的“参考”图。  



        但这并不意味着人与人之间基因组的少数不同之处并不重要。你与我的不同之处、对疾病的不同反应，都可能隐藏在这0．1％之间。然而在几年之前，获得个人的基因组序列似乎还是不太可能的事。  



        1990年人类基因组计划启动的时候，它打算使用15年的时间测出一份人类基因组序列。这项计划的预算是30亿美元。到了计划的后期，随着技术的进步，测序的费用显著下降，速度却越来越快。1998年，美国生物学家克雷格·文特尔（CraigVenter）领导的塞莱拉基因组公司开始着手进行独立的人类基因组测序工作，预算是3亿美元，这只是人类基因组计划的一个零头。2001年，两个项目组同时完成了测序工作。  



        3亿美元并非测序费用的底线。两年前科学家公布了黑猩猩基因组序列。测定这种与人类亲缘关系最近的物种的基因组只花费了不到3000万美元。  



        测序的费用还在不断下降。今年6月，美国贝勒医学院和454生命科学公司宣布，他们测出了DNA双螺旋结构的发现者之一、人类基因组计划的前负责人詹姆斯·沃森（JamesWatson）的基因组。这一颇具象征意义的项目只用了3个月时间，它被称为“第一个花费100万美元以下的个人基因组”。在此之前，文特尔也把自己的基因组序列公之于众。  



        100万美元的测序费用相对于30亿美元是一个巨大的进步，但是这对普通人而言仍然属于遥不可及的价格。一些科学家担心，首先测定名人的基因组，而不是按照研究的重要程度来决定先后次序，这可能会给基因组测序带来“富人游戏”的负面评价。另一方面，个人基因组测序还带来了一些棘手的问题。文特尔把自己的基因组存入了任何人都可以访问的公共基因库，这不但暴露了他自己的可能的遗传缺陷，还让人们有可能推测出他的家族的类似情况。这类本应属于隐私的信息如果让保险公司获得，有可能导致后者拒绝提供保险。  



        2006年，美国的XPrize基金会宣布设立了一个1000万美元的奖金，奖给首先能在10天之内测完100人的基因组的研究组，而且要求测定每人基因组的费用在1万美元以下。在此之前的2004年，美国国立人类基因组研究所启动了一项计划，最终目标是实现把人类基因组测序费用降至1000美元以下。  



        尽管距离这些目标的实现可能还需要一段时间，一些公司已经开始从事“准个人基因组测序”的服务。它们找到了一条测序的捷径：既然人类拥有99.9％相同的基因组，不妨只关注那些不同之处。例如，冰岛的一家从事基因组研究的公司最近推出了一项服务，只需要花费不到1000美元，就可以扫描你的100万个SNP。根据扫描结果，该公司还将指出顾客患上某些疾病的可能性。一家位于美国加州的公司也将提供类似的服务。  



        干细胞的进攻  



        今年另外一项重要的进展来自干细胞研究领域。  



        10年前，克隆羊多利曾经引起了世界轰动。多利是世界第一只体细胞克隆羊。把一只绵羊的体细胞核植入另一只绵羊的去核卵细胞中，可以培育出一个新的绵羊胚胎，最终有可能发育成一只完整的羊。绵羊体内几乎所有的细胞都拥有一份完整的生命蓝图，但是分化成组织器官的体细胞不能重新回到胚胎发育的状态。卵细胞能让体细胞核的“时钟”倒转，但究竟是什么控制着细胞内部的“时钟”？这个问题长期困扰着科学家。不久前，科学家终于发现了倒转细胞“时钟”的其他方法，这种方法只需要使用几个基因。  



        2006年，日本京都大学的山中伸弥领导的研究组发现，仅仅把4种基因转入小鼠的纤维原细胞，就可以让它们重新变成具有分化能力的细胞。他们把这种细胞称为“诱导多能干细胞”（iPS）细胞。今年6月，他们又证明了用这种方法培育出的小鼠iPS细胞可以和小鼠胚胎融合，发育成“嵌合体”小鼠，这说明iPS细胞非常类似于胚胎干细胞——一类可以分化成其他体细胞的细胞。  



        仅仅又过了5个月的时间，这种方法的应用范围就扩大到了人类细胞。今年11月，山中的研究组和来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的詹姆斯·汤姆逊（JamesThomson）和俞君英等人同时分别在《细胞》和《科学》杂志上报告说，利用这种方法，他们各自独立地培育出了人类iPS细胞。这些iPS细胞可以分化成其他类型的组织细胞。初步的测试表明它们与胚胎干细胞“非常类似”。  



        “这项研究将让干细胞研究领域产生革命，而且还有许多实际应用。”英国爱丁堡大学的生物学家伊恩·威尔穆特（IanWilmut）告诉笔者。威尔穆特领导了培育克隆羊多利的研究。《科学》和《自然》杂志都把这项研究评为今年最重要的科学进展之一。  



        山中的研究组培育人类iPS细胞时使用的基因“配方”与培育小鼠iPS细胞的“配方”一样，都是4种“转录因子”。汤姆逊的研究组也使用了4种基因，但是“配方”稍有不同。“这也表明这种方法尚未得到最优化。”威尔穆特评论说。  



        这项研究不仅为干细胞研究带来了希望，也造成了一个古怪的新情况：反对进行胚胎干细胞研究的人士把它当做新的弹药，因为它不需要破坏胚胎。自从上个世纪90年代末科学家培育出人类胚胎干细胞以来，这项研究一直受到宗教保守人士的攻击，因为获取人类胚胎干细胞需要使用人类早期胚胎。尤其是在美国，当2001年布什总统上台之后，他宣布禁止使用联邦政府的资金资助人类胚胎干细胞研究。  



        如今，这项iPS细胞研究似乎让反对者找到了新的论据，认为胚胎干细胞研究就更加不必要了，就连布什也对该研究表示了祝贺。但是科学家认为，胚胎干细胞研究仍然需要继续。甚至汤姆逊本人也在《华盛顿邮报》上撰文指出，这项研究“改变了一切，却什么都没有改变”。威尔穆特解释说，科学家仍然需要胚胎干细胞，用于和iPS细胞做比较，而且制作和培育胚胎干细胞的方法和知识对于iPS细胞的研究也有用处。  



        距离iPS细胞真正投入临床应用可能还需要数年时间。目前iPS细胞的安全性问题还有待解决，不过它至少可以用于实验室研究。