曹 兵/編譯
生物學(xué)家欲啟動(dòng)所有生命體DNA測(cè)序
曹 兵/編譯
生物學(xué)家是否能夠完成世界上包括印度尼西亞這只美麗的天堂鳥在內(nèi)的所有的植物和動(dòng)物基因組測(cè)序呢
一說到基因組測(cè)序,有遠(yuǎn)見的人總是能推出雄心勃勃的計(jì)劃:比如英國的生物銀行(Biobank)計(jì)劃對(duì)50萬人進(jìn)行基因組測(cè)序或者冰島致力于研究其全國所有人口的基因組數(shù)據(jù)。2017年2月,史密森尼學(xué)會(huì)生物多樣性基因組學(xué)基金會(huì)和位于中國深圳的基因測(cè)序巨頭華大基因公司共同組織了一場(chǎng)會(huì)議,部分與會(huì)研究者推出了史無前例的宏偉計(jì)劃:宣布他們有意對(duì)地球上所有生命最終完成DNA測(cè)序。
他們稱之為地球生物基因組計(jì)劃(EBP)的項(xiàng)目尚未獲得任何專有資金的支持,有可能需要花費(fèi)幾十億美元。加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的進(jìn)化基因組專家的哈瑞斯·勒文(Harris Lewin)是兩年前推出這一宏偉計(jì)劃的專家組成員之一。他說,這項(xiàng)計(jì)劃將朝著大膽的目標(biāo)邁出第一步,首先重點(diǎn)關(guān)注真核物種,即包括植物、動(dòng)物以及如變形蟲等單細(xì)胞生物在內(nèi)的所有物種。
EBP的工作策略及其總體設(shè)想在 2017年生物基因組學(xué)會(huì)上受到了廣泛關(guān)注。這項(xiàng)盛會(huì)吸引了許多生物保護(hù)專家、進(jìn)化生物學(xué)家、系統(tǒng)學(xué)家以及其他生物學(xué)家,他們都對(duì)將基因組學(xué)應(yīng)用于其專長領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大興趣。“這是一個(gè)宏偉的設(shè)想,”奧利佛·萊德(Oliver Ryder)作為加利福尼亞圣迭戈動(dòng)物園生物保護(hù)研究院的生物保護(hù)學(xué)家進(jìn)一步解釋道,“如果我們想真正地弄清楚生物到底是如何進(jìn)化的,那么基因組生物學(xué)就是解開這個(gè)謎團(tuán)的鑰匙?!比R德及其同行討論了EBP與人類基因組計(jì)劃的相似之處。人類基因組計(jì)劃在30年前提出的時(shí)候也被諷為癡人說夢(mèng),充滿爭(zhēng)議,當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是技術(shù)上的天方夜譚。早期的不懈努力最終不僅成功完成了人類基因組的首次測(cè)序,而且開發(fā)出了全新的DNA技術(shù),成為許多醫(yī)療研究前沿的中心,奠定了一個(gè)200億美元產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)?!叭藗儚娜祟惢蚪M測(cè)序的經(jīng)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)到,DNA測(cè)序是生物學(xué)中一個(gè)偉大的進(jìn)步?!崩瘴恼f。
許多關(guān)于EBP項(xiàng)目的細(xì)節(jié)還需要進(jìn)一步明確。如同當(dāng)前所提出的,項(xiàng)目的第一步是從真核生物的各科中(總共大約有9 000科)挑選出一個(gè)物種,然后盡可能詳細(xì)地測(cè)定其DNA序列,從而為類似生物提供參考基因組數(shù)據(jù),或者提供比參考人類基因組更好的數(shù)據(jù)。下一步是從15萬至20萬屬中挑選典型物種進(jìn)行測(cè)序。最后,EBP參與機(jī)構(gòu)就可大致獲得剩余已知150多萬種真核生物的基因組數(shù)據(jù)。如果需要,這些低精度的基因組數(shù)據(jù)可以通過與同科參考物種的基因組進(jìn)行對(duì)比,從而提升精度,或者進(jìn)一步做詳細(xì)的DNA測(cè)序,EBP的共同組織者吉恩·羅賓遜(Gene Robinson)解釋道。他是一位行為基因?qū)W研究者,同時(shí)還是伊利諾伊大學(xué)厄巴納分校卡爾·沃斯(Carl R.Woese)基因生物學(xué)研究所所長。
如果要對(duì)整個(gè)真核物種進(jìn)行DNA測(cè)序,這個(gè)項(xiàng)目的花費(fèi)將與人類基因組測(cè)序工程相當(dāng),勒文、羅賓遜和EBP共同組織者約翰·克萊斯(John Kress)估計(jì)。克萊斯是史密森尼學(xué)會(huì)國家自然歷史博物館的進(jìn)化生物學(xué)家。當(dāng)年對(duì)人類基因組的30億個(gè)堿基進(jìn)行識(shí)別和測(cè)序花費(fèi)了約27億美元,約相當(dāng)于現(xiàn)在的48億美元。項(xiàng)目組織者認(rèn)為,如果能夠獲得同等程度的支持,那么EBP的真核物種測(cè)序工作可以在10年內(nèi)完成。
在這張生命樹示意圖中,所有經(jīng)過命名的真核生物物種很少有完整的基因組數(shù)據(jù),但是細(xì)菌和古生菌倒是有不少數(shù)據(jù)。在幾百萬種真核生物中,連低精度的基因組序列數(shù)據(jù)都非常少
之所以持如此樂觀的態(tài)度,是因?yàn)镈NA測(cè)序的成本在持續(xù)下降。來自加利福尼亞州山景城全基因組(Complete Genome)公司的會(huì)議發(fā)言人提出,隨著測(cè)序技術(shù)不斷提升,他的公司計(jì)劃在1年內(nèi)將全部真核物種測(cè)序的成本降低到大約100美元?;蚪M數(shù)據(jù)精度將更高,而成本將更低。“在我看來,將來某個(gè)時(shí)候我們就可以將地球上所有的生物基因組測(cè)序工作完成。”勒文說。
盡管研究者花費(fèi)幾十億美元不去研究人類,而是去認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基礎(chǔ)理論或者宇宙的神秘本源,這令人十分不解,但是EBP已經(jīng)在起步階段獲得了不少的便利,因?yàn)椴簧傺芯抗餐w已經(jīng)在進(jìn)行著自己宏偉的測(cè)序工作。這其中包括基因組10K項(xiàng)目,計(jì)劃從10 000種脊椎動(dòng)物的每屬中選擇一個(gè)物種進(jìn)行基因組測(cè)序;i5K項(xiàng)目,對(duì)5 000種節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行基因組解碼以及B10K項(xiàng)目,對(duì)所有10 500種鳥類進(jìn)行基因組測(cè)序。EBP可以幫助協(xié)調(diào)、編輯甚至資助這些項(xiàng)目?!癊BP的概念是社區(qū)的社區(qū)?!崩瘴恼f。
許多基因組測(cè)序領(lǐng)域的巨頭公司也非常希望能夠參與到這個(gè)龐大的項(xiàng)目中,例如中國的華大基因公司、英國的維康基金會(huì)桑格研究院等。但是在最近舉行的規(guī)劃會(huì)議上,很明顯,等待EBP項(xiàng)目的首要挑戰(zhàn)不只是資金問題。盡管來自巴西、中國和英國的研究者已經(jīng)對(duì)本國參與到項(xiàng)目中表達(dá)了某種熱忱,出席會(huì)議的20位代表還是強(qiáng)調(diào)了拓展其國際性將發(fā)展中國家納入其中的必要性,尤其是那些生物多樣性程度非常高的國家,只有這樣才能提升項(xiàng)目的最終成果。他們建議,EBP可以在這些地區(qū)幫助開發(fā)提升測(cè)序能力、培育技術(shù)專家。全球基因組生物多樣性網(wǎng)絡(luò)正在從全球博物館和其他生物保存機(jī)構(gòu)收集物種清單和圖像,能夠提供相當(dāng)多的所需DNA樣本,但是更廣泛地參與才是更重要的,托馬斯·吉爾伯特(Thomas Gilbert)說。他是位于哥本哈根的丹麥國家自然歷史博物館的進(jìn)化生物學(xué)家。
規(guī)劃專家組同樣強(qiáng)調(diào)有必要開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)程序,來保證獲得高精度的基因組序列,同時(shí)還要留存每種所測(cè)序生物的相關(guān)信息。例如在何處收集到這種生物,它的外觀是什么樣的等等。好幾位專業(yè)人士注意到,從野外獲得DNA樣本是最大的挑戰(zhàn)也是最主要的開銷。博物館中的各種物種并不總是得到妥善保管,其攜帶的DNA并不足以保證獲得高精度的基因組數(shù)據(jù)。即使最近收集并冷凍保存的植物和動(dòng)物標(biāo)本也不見得總能得到妥善處理并保存完整的DNA數(shù)據(jù),供職于華大基因公司和哥本哈根大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家張國捷表達(dá)了擔(dān)憂。缺乏標(biāo)準(zhǔn)最終會(huì)破壞項(xiàng)目的可利用度,紐約市洛克菲勒大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家的埃里克·賈維斯(Erich Jarvis)認(rèn)為:“我們?yōu)榈厍蛏纤形锓N花費(fèi)了大量的精力,到頭來卻是竹籃打水一場(chǎng)空?!?/p>
勒文樂于相信這種情況不會(huì)發(fā)生。勒文在2017年生物基因組學(xué)會(huì)議的閉幕致辭中對(duì)EBP做了規(guī)劃,許多研究者圍繞在他身邊,希望知道自己如何才能助他一臂之力。“把共同體成員聚集在一起總是好的,”何塞·洛佩茲(Jose Lopez)說,他是佛羅里達(dá)州勞德代爾堡市諾瓦東南大學(xué)的生物學(xué)家,而且他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成了GIGA項(xiàng)目,對(duì)7 000種海洋無脊椎動(dòng)物進(jìn)行基因測(cè)序,“這項(xiàng)工作任重道遠(yuǎn)。我們需要讓盡可能多的能夠做出貢獻(xiàn)的專業(yè)人士參與到項(xiàng)目中?!?/p>
[資料來源:Science][責(zé)任編輯:遙 醒]