王博，劉芳，張二春，沃晨亮，陳振家，錢璞毅，盧浩榮，曾文君，陳泰，危金普，萬仟，王韌，徐訊,

國家基因庫：共有、共為、共享

王博1，劉芳2，張二春1，沃晨亮1，陳振家1，錢璞毅1，盧浩榮1，曾文君1，陳泰1，危金普1，萬仟1，王韌1，徐訊1,2

1. 深圳國家基因庫，深圳 518120 2. 深圳華大生命科學研究院，深圳 518083

基因資源是國家的重要戰(zhàn)略資源，保存、保護和合理利用基因資源將成為未來維護國家安全、打造核心競爭力的堅實基礎(chǔ)和有效保障，然而我國在基因數(shù)據(jù)存儲、樣本存儲等方面均起步較晚，無法滿足國內(nèi)日益增長的生命科學相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展需求。針對上述問題，2011年中國政府批復依托深圳華大生命科學研究院(原深圳華大基因研究院)建設(shè)我國首個讀、寫、存一體化的綜合性生物遺傳資源基因庫——深圳國家基因庫(亦稱國家基因庫)。本文總結(jié)了國內(nèi)外較有影響力的基因資源大平臺的發(fā)展概況，著重闡述了國家基因庫的定位與使命，以及“三庫兩平臺”的結(jié)構(gòu)與功能——生物遺傳資源的存儲、讀取、合成運用和開放共享。自2016年9月正式運行以來，國家基因庫作為公益性、開放性、支撐性、引領(lǐng)性的戰(zhàn)略性科技平臺，已具備千萬級可溯源樣本存儲能力，十萬級基因組/年的存儲和計算能力，建成首個國產(chǎn)化Pb (Petabases)級基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出平臺以及千萬堿基/年高效合成平臺，同時基于自身平臺能力，國家基因庫建立了全面的開放共享機制，開展資源數(shù)據(jù)共享和公共平臺服務(wù)，對生命科學研究和生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的支撐和助力初見成效。

基因庫；樣本庫；數(shù)據(jù)庫；基因測序；合成生物學平臺

基因是地球生物繁衍生息的寫證，基因的存續(xù)代表著一個物種的延續(xù)。隨著人類基因組計劃的啟動和實施，基因與人的關(guān)系正逐漸被解析，基因組學研究及相關(guān)技術(shù)的跨越式發(fā)展，全球重要物種的基因圖譜破譯標志著基因組學研究進入了黃金時代。基因資源是國家的重要戰(zhàn)略資源，保存、保護和合理利用基因資源將成為未來維護國家安全、打造核心競爭力的堅實基礎(chǔ)和有效保障。國際上部分發(fā)達國家在國家級基因資源的部署早已遙遙領(lǐng)先，美國國立生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)、歐洲生物信息研究所(European Bioinformatics Institute, EMBL-EBI)、日本DNA數(shù)據(jù)庫(DNA Data Bank of Japan, DDBJ)等三大庫早已確立了在全球科學發(fā)展中的地位。

中國在2011年，由國家發(fā)展改革委員會、財政部、工業(yè)和信息化部、衛(wèi)生健康委員會(原衛(wèi)生部)聯(lián)合批復依托深圳華大生命科學研究院(原深圳華大基因研究院)籌建中國首個讀、寫、存一體化的綜合性生物遺傳資源基因庫——深圳國家基因庫(后簡稱國家基因庫)。歷時5年，國家基因庫于2016年9月22日建成并開始運營。這是繼世界三大庫之后，全球第四個建成的國家級基因庫。與三大庫相比，國家基因庫不僅僅以保存數(shù)據(jù)為主要功能，更是一個以“三庫(生物樣本資源庫、生物信息數(shù)據(jù)庫和動植物資源活體庫)兩平臺(數(shù)字化平臺和合成與編輯平臺)”為結(jié)構(gòu)部署的綜合性基因庫，讀、寫、存全生命周期，樣本、活體、數(shù)據(jù)全貫穿。國家基因庫作為我國生命科學研究和生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供基礎(chǔ)性和公益性服務(wù)平臺，對生物遺傳資源進行存儲、讀取、合成運用和開放共享，為我國生物技術(shù)和生命經(jīng)濟發(fā)展提供有力支撐。本文總結(jié)了國內(nèi)外較有影響力的基因資源大平臺的發(fā)展概況，著重闡述了國家基因庫“三庫兩平臺”的功能建設(shè)和開放共享機制，并展望了國家基因庫對中國生命科學領(lǐng)域發(fā)展的助力與支撐作用。國家基因庫的發(fā)展與壯大，將為中國在全球生命科學領(lǐng)域的引領(lǐng)地位提供有力的基石。

1 國內(nèi)外較有影響力的大平臺概況

1.1 生物樣本庫

國際上不乏知名的樣本庫，首先最具有國際影響力的組織是國際生物和環(huán)境樣本庫協(xié)會(Inter-national Society for Biological and Environmental Repositories, ISBER)。該組織1999年成立，是美國研究病理學會下轄的一個分支機構(gòu)。該機構(gòu)通過建立規(guī)范和標準，利用培訓等方式影響發(fā)展中國家的樣本庫建設(shè)，使其達到一定的質(zhì)量和標準。目前ISBER下轄有6個不同類型的生物樣本庫，分別為動物樣本庫、環(huán)境樣本庫、人體樣本庫、微生物樣本庫、博物館樣本庫、植物/種子樣本庫。此外，ISBER設(shè)置了若干個專門性的工作組，通過白皮書或其他出版物，及時解決生物樣本庫建設(shè)和管理過程中遇到的問題，逐步推進ISBER在生物樣本庫建設(shè)過程中各個領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)性和權(quán)威性。

在美洲與ISBER同樣具有影響力的還有美國國家癌癥中心生物樣本庫和生物樣本研究辦公室(Office of Biorepository and Biospecimen Research, OBBR)。OBBR在2005年由美國國立癌癥研究所(National Cancer Institute, NCI)成立，致力于制定一個共同的生物樣本庫標準，用于指導、協(xié)調(diào)和發(fā)展機構(gòu)搜集生物樣本資源的能力和提高所搜集生物樣本的質(zhì)量，確保其滿足研究需要。

英國在生物樣本庫的建設(shè)部署也同樣始于1999年，而1999年提議設(shè)立的英國生物樣本庫(UK Biobank)歷經(jīng)7年于2006年開始試運營。UK Biobank是目前世界上已建成的規(guī)模最大的人類遺傳隊列生物樣本庫，該樣本庫搜集了50萬來自英國各地40~69歲志愿者捐贈的樣本，涵蓋血樣、尿樣、遺傳數(shù)據(jù)和生活方式等個人醫(yī)療詳細信息，分析來自他們生活習慣、環(huán)境和遺傳因素對健康的影響[1]。

歐盟國家起步于2008年計劃籌建泛歐洲生物體樣本庫與生物分子資源研究平臺(Better Biology Makes Reality Interesting，BBMRI)。BBMRI旨在整合和升級歐洲現(xiàn)有生物樣品收集、技術(shù)和專家資源平臺，目前來自歐洲24個國家超過200個機構(gòu)加入了這一平臺，有超過1000萬例樣本的資源[2]。

值得一提的是丹麥國家生物樣本庫(Danish National Biobank)，丹麥國家生物樣本庫建于2012年，目前儲存有798萬余份生物樣本。丹麥國家生物樣本庫作為未來丹麥國家樣本的中心不僅從物理上整合新收集樣本，并從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理層面統(tǒng)籌全國各個衛(wèi)星庫的樣本信息。在完備的人口登記制度和醫(yī)療體制下，每名丹麥人的生物樣本都可以被保留下來，且具有完善的相關(guān)信息。

國際上這些代表性的樣本庫呈現(xiàn)大型化、專業(yè)化、信息化、產(chǎn)業(yè)化趨勢，而科學的管理計劃、綜合的經(jīng)營模式是其成功的因素[3,4]。與歐美相比，我國的生物樣本資源庫起步時間并不算晚，并且我國人口眾多，疾病和生物樣本資源極其豐富，是任何國家無可比擬的，但是在規(guī)模化、信息化、管理操作規(guī)范化方面仍然落后于世界發(fā)達國家，主要表現(xiàn)在缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標準、封閉式發(fā)展導致資源分散、整體生物樣本資源質(zhì)量堪憂、存在不少“垃圾庫”、缺乏產(chǎn)業(yè)化為應(yīng)用導向等方面。如何建設(shè)高質(zhì)量、高標準的生物樣本庫，建立共享機制促進樣本資源共享，打破行業(yè)“孤島”，保證其可持續(xù)性發(fā)展，是當前亟待解決的問題[5]。

1.2 數(shù)據(jù)庫

國際上數(shù)據(jù)庫主要為起步較早的三大庫，均是在20世紀80~90年代已開始搭建，分別為美國國家生物技術(shù)信息中心(NCBI)、歐洲生物信息研究所(EBI)和日本DNA數(shù)據(jù)庫(DDBJ)，結(jié)合生物信息的免費共享政策，已經(jīng)成為國際生物信息數(shù)據(jù)存儲、交換、獲取方面的核心機構(gòu)。它們對常用的生物數(shù)據(jù)類型已經(jīng)積累了PB級的數(shù)據(jù)量，其中涵蓋了多種數(shù)據(jù)類型，如核酸與蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)二、三級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、化學小分子數(shù)據(jù)與代謝通路數(shù)據(jù)等。

國內(nèi)在基因相關(guān)的數(shù)據(jù)庫搭建上近年來也有不同維度的代表，例如生命與健康大數(shù)據(jù)中心(BIG Data Center, BIGD, http://bigd.big.ac.cn/)，建立多組學數(shù)據(jù)的生命與大數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)，建立生物大數(shù)據(jù)匯交存儲、整合挖掘、共享管理與轉(zhuǎn)化應(yīng)用體系，研發(fā)生物大數(shù)據(jù)匯交管理平臺和多組學數(shù)據(jù)資源體系，主要包括組學原始數(shù)據(jù)歸檔庫(Genome Sequence Archive, GSA)、基因組數(shù)據(jù)庫(Genome Warehouse, GWH)、基因組變異數(shù)據(jù)庫(Genome Vari- ation Map, GVM)、基因表達數(shù)據(jù)庫(Gene Expression Nebulas, GEN)、甲基化數(shù)據(jù)庫(Methylation Bank, MethBank)、生物信息工具庫(Biological Tool Codes, BioCode)和生命科學維基知識庫(Science Wikis)等[6]。再有國家組學數(shù)據(jù)百科全書(The National Omics Data Encyc-lopedia, NODE)隸屬于中國科學院上海生命科學研究院，主要歸檔高通量測序數(shù)據(jù)，包括近10年來市面可見到的測序公司生產(chǎn)的測序儀產(chǎn)出的數(shù)據(jù)，如454、Ion Torrent、Illumina、SOLiD、Helicos和Complete Genomics等。另蛋白質(zhì)組學整合資源庫(Integrated Proteome Resources, iProX, https://www.iprox.org/)，是一家在中國建立的蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)與知識中心，旨在促進蛋白質(zhì)組學資源在世界范圍內(nèi)的共享。iProX目前由一個蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)提交系統(tǒng)和一個蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫組成。這些數(shù)據(jù)庫多數(shù)具有各自獨特的專長，但均以數(shù)據(jù)單獨形式存在，缺少與樣本的關(guān)聯(lián)，未能發(fā)揮出更大的價值。

1.3 活體庫

活體庫是一個全新的提法，國內(nèi)外暫無統(tǒng)一的概念和完全一致的機構(gòu)，我們認為凡是能用來衍生出下一代的生物可繁殖體均稱之為“活體”，對生物的延續(xù)有著重要的意義。列舉幾個國內(nèi)外著名的在物種保護及生物多樣性保護相關(guān)的機構(gòu)。

挪威的斯瓦爾巴德全球種子庫被稱為世界末日種子庫(The Svalbard “Doomsday” Seed Vault, https:// www.nordgen.org/sgsv/)也被稱為“植物諾亞方舟”。位于距離北極點約1000公里的挪威斯瓦爾巴群島的一處山洞中，旨在為國際植物種質(zhì)資源提供備份，保護作物的多樣性。該種子庫堪稱全球最安全的基因儲存庫，其安全性堪比美國國家黃金儲藏庫，甚至可以抵御地震和核武器。

史密森尼熱帶研究所(The Smithsonian Tropical Research Institution, STRI, https://stri.si.edu/)，其主要致力于熱帶地區(qū)物種多樣性的研究和保護。它主導巴拿馬以及南美地區(qū)多個保護區(qū)的規(guī)劃與建設(shè)，如通過森林動態(tài)監(jiān)測和物種保育繁殖相結(jié)合，為巴拿馬熱帶雨林的重建提供了新的解決方案，再造巴拿馬本土物種森林，保護巴拿馬本土物種和生物多樣性。

圣地亞哥動物園的“冷凍動物園”，是目前世界上最大的冷凍動物園，其冷庫中保存著來自于800多個物種的8400多只動物身上的超過10 000種活細胞、精卵細胞和胚胎組織等。圣地亞哥冷凍動物園期望能夠在全球范圍內(nèi)建立一個冷凍動物園網(wǎng)絡(luò)，利用干細胞和試管受精等技術(shù)，從而為地球上最珍稀物種的未來提供終極保障。

中國科學院昆明野生動物細胞庫利用我國西南地區(qū)動物種類繁多、資源豐富的特點，從動物遺傳種質(zhì)資源保護和利用角度，建立具有我國動物資源特色的野生動物細胞庫。

阿拉伯瀕危野生動物繁育中心開展了多個當?shù)刈顬l危物種繁育的項目，目前該繁育中心總共繁育了接近200種阿拉伯瀕危野生動物，涉及范圍非常廣泛，極大程度上保存了當?shù)卣湎游锏倪z傳資源。

我國是生物多樣性最豐富的國家之一，同時也是生物多樣性受威脅最嚴重的國家之一。我國擁有復雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)類型，高等植物35 000多種，居世界第3位，脊椎動物6400多種，占世界總種數(shù)的13.7%。盡管我國生物多樣性保護取得了積極進展，但生物多樣性下降的總體趨勢尚未得到有效遏制[7]。生物多樣性保護的最佳方式之一即是活體庫的建設(shè)，預(yù)期未來10年，中國將會有更多、更新型的活體庫。

1.4 測序平臺

隨著基因產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基因數(shù)據(jù)的產(chǎn)出已逐步被商業(yè)化為各類不同的服務(wù)，而作為研究型、開放公益的測序平臺在國內(nèi)外卻寥寥無幾。

英國維康桑格研究所(Wellcome Sanger Institute, https://www.sanger.ac.uk/)是世界最著名的基因組測序研究中心之一，建于1992年，已具備12.7 Pb/年的基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力，主要開展癌癥與基因變異、細胞遺傳學、人類基因?qū)W和寄生蟲與微生物等方面的研究。憑借其強大的數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力，桑格研究所使用UK Biobank的樣品開展科研，不斷地將數(shù)據(jù)存入EBI，持續(xù)豐富和更新EBI原有的數(shù)據(jù)庫。

近十幾年來，各國出現(xiàn)了大量的測序技術(shù)服務(wù)公司，部分知名基因組研究中心也紛紛建立了自己的測序中心，具備強大的基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力。除維康桑格研究所外，美國的博羅德研究所(Broad Institute, https://www.broadinstitute.org/)也已經(jīng)具備6 Pb/年的基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力。而法國也投資7.6億歐元開展“法國基因組醫(yī)療2025計劃”并在全法國范圍內(nèi)建立12個基因測序平臺中心。

我國基因組學在過去十幾年中也有較大發(fā)展，部分科研機構(gòu)和高校具備一定的數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力。同時，我國涌現(xiàn)出大量以營利為目的的測序技術(shù)服務(wù)公司，這些公司大多依賴國外測序技術(shù)設(shè)備、試劑和耗材等。

1.5 合成生物學平臺

DNA合成是合成生物學研究關(guān)鍵核心支撐技術(shù)，對多個生物技術(shù)領(lǐng)域都具有重要價值。隨著合成生物學的快速發(fā)展，全球DNA合成的需求以及DNA合成產(chǎn)業(yè)的規(guī)模呈現(xiàn)出逐年遞增的趨勢[8]。建設(shè)高通量自動化DNA合成中心，搶占發(fā)展先機，已成為世界各國新的生物經(jīng)濟競爭點。

美國伊利諾伊高級生物制造工廠(Illinois Biolo-gical Foundry for Advanced Biomanufacturing, iBioFAB, https://experts.illinois.edu/)，是世界上第一個用于合成生物學應(yīng)用的自動化中心。該平臺在功能建設(shè)上主要強調(diào)以算法驅(qū)動、以全自動方式完成項目研究。具體功能模塊由兩部分組成：(1)是自動化循環(huán)運行“設(shè)計–構(gòu)建–測試–分析”的計算機設(shè)計架構(gòu)；(2)是自動化集成系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動化DNA組裝、克隆、表達、表達產(chǎn)物檢測等實際功能。

愛丁堡基因組平臺(The Edinburgh Genome Fo-undry, EGF, https://www.genomefoundry.org/)，于2015年在英國愛丁堡大學建設(shè)，致力于使用高度自動化設(shè)備組裝大型DNA片段的研究機構(gòu)。功能上包括：(1)可用于復雜DNA構(gòu)建的軟件Genetic Constru-ctor，用于設(shè)計大型DNA模塊或組合文庫；(2)多功能自動化設(shè)備，適用于多種模式DNA組裝，如Golden Gate組裝、Gibson組裝，以及酵母基因重組、質(zhì)粒DNA制備等實驗；(3)具備細胞表型分析能力，包括定量PCR、質(zhì)譜、高通量生物反應(yīng)器及發(fā)酵動力學分析等。同時，可實現(xiàn)對所有的設(shè)計、構(gòu)建和測試過程的進行全程監(jiān)控，為深度機器學習和流程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

帝國理工學院DNA合成平臺，2016年成立，目標是建立一個先進的DNA合成和構(gòu)建平臺，支持英國的合成生物學工業(yè)發(fā)展，并為學術(shù)界和工業(yè)界的研究人員提供培訓和支持。功能上包括：(1)一系列商業(yè)和專有的BioCAD/CAM工具，用于快速和可擴展的生物學實驗設(shè)計；(2)常規(guī)和超聲液體處理工作站，利用軟件編程與調(diào)度，實現(xiàn)多個DNA片段的并行構(gòu)建和組裝；(3)裝配用于數(shù)據(jù)采集的高通量分析/測試設(shè)備，實現(xiàn)對生物產(chǎn)品的表征和定量分析；(4)建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)的實驗室信息管理系統(tǒng)(LIMS)，用以追蹤實驗的工作流程及數(shù)據(jù)參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)分析來完成建造–設(shè)計循環(huán)，利用對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計解釋和模型創(chuàng)建來優(yōu)化原來的設(shè)計循環(huán)。

三大平臺愛丁堡基因組平臺(EGF)、伊利諾伊高級生物制造工廠(iBioFAB)、帝國理工學院DNA合成平臺的功能定位在合成生物學自動化高通量“設(shè)計–合成–測試–學習”工程化閉環(huán)的基礎(chǔ)建設(shè)與應(yīng)用。從頂層設(shè)計層面，各平臺均存在長期運用模式上的缺陷，其共性問題因技術(shù)源端控制力不足，導致下游技術(shù)對接領(lǐng)域如醫(yī)療、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范的支撐作用受到很大限制。

2 國家基因庫的戰(zhàn)略定位與重要使命

國家基因庫(China National GeneBank, CNGB, https://www.cngb.org)是服務(wù)于國家戰(zhàn)略的國家級公益性創(chuàng)新科研及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，也是我國首個獲批籌建的國家級綜合性基因庫，將建設(shè)成為引領(lǐng)我國生命科學和生物經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略性科技力量。它坐落于深圳大鵬區(qū)金沙灣，以海量生物資源的“讀、寫、存”能力為基礎(chǔ)，實現(xiàn)樣本、數(shù)據(jù)、活體全貫穿，搭建起基因資源挖掘的公益性、開放性、支撐性、引領(lǐng)性服務(wù)平臺，促進基因組學在精準醫(yī)學、精準健康、未來農(nóng)業(yè)、海洋開發(fā)、微生物應(yīng)用等方面的前沿探索與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，真正實現(xiàn)基因資源的共有、共為、共享。

農(nóng)業(yè)時代，一個國家擁有的耕地越多優(yōu)勢越大；工業(yè)時代，擁有的石油、礦產(chǎn)等能源越多優(yōu)勢越大；而在生命時代，擁有更多的基因資源同時能對基因資源進行認知和利用，則意味著更大的優(yōu)勢。國家基因庫的建成對于中國具有重大意義。

(一)有利于保護并充分利用我國特有的遺傳資源。建設(shè)國家基因庫有利于維護我國生物信息安全，提高我國基因組數(shù)據(jù)的儲存、分析和管理能力，促進基因及數(shù)據(jù)資源共享利用，增強我國在生命科學大數(shù)據(jù)時代的國際話語權(quán)，對于推動我國生命科學和生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展，搶占未來生物經(jīng)濟的戰(zhàn)略制高點、掌控基因戰(zhàn)略資源，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。國家基因庫將充分整合各方資源，形成特色突出、平臺開放、資源共享的合作交流機制，提高樣本資源使用的合理性、合法性和資源效益最大轉(zhuǎn)化性，支撐民生、醫(yī)療健康及科研探索，推動生物創(chuàng)新技術(shù)成果落地。

(二)有利于提升我國生命科學的創(chuàng)新能力和信息共享程度。積極貫徹落實黨的十九大關(guān)于“加快建設(shè)創(chuàng)新型國家”的戰(zhàn)略部署，國家基因庫將搭建基因信息資源公共服務(wù)平臺，打造可持續(xù)的新型基因庫系統(tǒng)，支持科研機構(gòu)深入挖掘基因信息數(shù)據(jù)，在健康管理、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境改造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域探索新前沿，拓展新學科，實現(xiàn)新突破，不斷提升我國生命科學創(chuàng)新能力，并通過大項目、大科學、大數(shù)據(jù)的整合，加快從資源存儲、基礎(chǔ)科研到技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的周期，促進基因組學向臨床醫(yī)學、分子育種、生殖健康等領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化，在大健康領(lǐng)域不斷催生新技術(shù)、新產(chǎn)品和新模式，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對我國生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新能力的提升必起到巨大的推動作用。

3 致力于全球最大的綜合性國家級基因庫

3.1 “三庫兩平臺”貫穿生命科學領(lǐng)域的“讀、寫、存”能力

國家基因庫已初步建成“三庫兩平臺”的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)和功能?！叭龓臁?，由生物樣本資源庫、生物信息數(shù)據(jù)庫和動植物資源活體庫組成，建立了樣本、數(shù)據(jù)、生命體“存”的能力；“兩平臺”為數(shù)字化平臺、合成與編輯平臺，建立“讀”與“寫”的能力(圖1)。

3.1.1 生物樣本資源庫

國家基因庫生物樣本資源庫致力于建設(shè)理念超前、大規(guī)模高通量、低成本、全自動的生物樣本庫(圖2)，形成特色精品庫、資源庫，保存本國特有的遺傳資源，建立行業(yè)新標準，提升國內(nèi)樣本庫的整體水平，促進科研成果轉(zhuǎn)化和生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖1 國家基因庫功能關(guān)系圖

在硬件建設(shè)上，已具備多溫層存儲系統(tǒng)、自動化樣本處理流水線、實驗室及配套設(shè)施，并聯(lián)合國內(nèi)制冷企業(yè)研發(fā)大型高效深低溫–80℃自動化存儲設(shè)備，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控，打破行業(yè)壁壘，驅(qū)動深低溫存儲產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新，引領(lǐng)國內(nèi)深低溫存儲產(chǎn)業(yè)向安全、低溫、低能耗新方向發(fā)展。

在存儲能力上，已實現(xiàn)1000萬管可溯源生物樣本存儲能力，收集的樣本涵蓋血液、尿液、唾液、糞便、組織、細胞、蛋白、核酸等多種類型，形成支撐大型人群特色資源庫、植物資源庫、動物資源庫和微生物資源庫的全球最大綜合性生物資源樣本庫之一。

圖2 生物樣本資源庫組圖

A：?80℃自動化冷庫；B：自動化液氮罐；C：入庫操作系統(tǒng)。

在信息化管理上，通過自主研發(fā)針對生物樣本全周期管理的多個軟件，實現(xiàn)支撐樣本采集、預(yù)處理、運輸、庫存管理、數(shù)據(jù)產(chǎn)出、開放共享的全人群覆蓋、全流程貫穿、全過程質(zhì)控的信息化系統(tǒng)，形成了整體統(tǒng)一、模塊獨立、靈活組合的分布式信息化管理平臺，保障數(shù)據(jù)標準化、行為記錄質(zhì)控及信息安全可控，全面提升資源整合與應(yīng)用能力。

在支撐服務(wù)水平方面，已形成面向科研和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的可溯源、高質(zhì)量、特色鮮明的人群資源庫、植物資源庫、動物資源庫和微生物資源庫等，完善生物樣本庫行業(yè)標準體系，引領(lǐng)生物樣本庫行業(yè)向國際規(guī)范化、流程標準化及管理科學化的發(fā)展方向。

在標準化建設(shè)方面，致力于研究和制定生物樣本采集、存儲和管理相關(guān)的標準和技術(shù)規(guī)范，促進樣本庫行業(yè)管理體系標準化和規(guī)范化的發(fā)展。

3.1.2 生物信息數(shù)據(jù)庫

相比于國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫，國家基因庫基于數(shù)據(jù)資源的“共有、共為、共享”原則，搭建形成國家基因庫生命大數(shù)據(jù)平臺(China National GeneBank Database, CNGBdb, https://db.cngb.org/)，面向全球科研用戶提供樣本信息及組學數(shù)據(jù)歸檔、計算分析、知識搜索、管理授權(quán)和關(guān)聯(lián)可視化等數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)了樣本與數(shù)據(jù)資源的整合貫穿共享。同時，為了更好地管理海量、多維度、多源頭的組學數(shù)據(jù)，國家基因庫自主研發(fā)了《全樣本管理系統(tǒng)》、《國家基因庫數(shù)據(jù)處理平臺》等多個管理軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、自動化生物信息計算分析流程、數(shù)據(jù)質(zhì)量標準化和數(shù)據(jù)服務(wù)靈活化的全貫穿信息化系統(tǒng)，形成了統(tǒng)一、自動化的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理平臺，保障數(shù)據(jù)標準化、統(tǒng)一化，全面提升了數(shù)據(jù)整合與應(yīng)用能力。

以CNGBdb為基礎(chǔ)，國家基因庫對外開放了數(shù)據(jù)、平臺和應(yīng)用的3個能力層，且在平臺開放層中，構(gòu)建了數(shù)據(jù)信息加密和管理的模塊和流程。通過不可逆的加密和對敏感數(shù)據(jù)的存儲隔離，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的受控與權(quán)限訪問，保障數(shù)據(jù)的存儲和共享安全?；?個能力開放層，CNGBdb實現(xiàn)了內(nèi)外部樣本信息與組學數(shù)據(jù)的整合，并依據(jù)《國家科技資源共享服務(wù)平臺管理辦法》規(guī)定，逐步推進和實現(xiàn)樣本與數(shù)據(jù)資源面向社會開放共享。2017年10月，CNGBdb上線試用，2018年10月正式發(fā)布。截至2019年4月已累積注冊用戶2979個，訪客數(shù)102 783人次，接收并處理了樣本與數(shù)據(jù)使用相關(guān)業(yè)務(wù)咨詢970余次。

(1)數(shù)據(jù)資源歸檔與共享

國家基因庫核酸序列歸檔系統(tǒng)(CNGB Nucleotide Sequence Archive, CNSA, https://db.cngb.org/cnsa/)作為CNGBdb的數(shù)據(jù)歸檔模塊，為科研用戶提供了快捷的在線提交生物研究項目、樣本、實驗、組裝等信息和數(shù)據(jù)的功能，同時也提供公開數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)受控管理等服務(wù)。截止2019年4月，該系統(tǒng)已歸檔565.75 TB的測序數(shù)據(jù)，其中221.26 TB數(shù)據(jù)已開放共享。

(2)樣本資源整合與共享

CNGBdb中的樣本資源信息共享服務(wù)平臺(E-BioBank, EBB, https://db.cngb.org/ebb/)，致力于建立全球生物樣本庫目錄、制定統(tǒng)一規(guī)范的資源信息整合體系，創(chuàng)造公平、可靠的資源樣本信息共享環(huán)境，促進樣本資源科學合理地利用。截止2019年4月，E-BioBank平臺已整合共享的樣本資源信息累計48.9萬條份，涉及我國農(nóng)業(yè)、林業(yè)、微生物、海洋等領(lǐng)域的生物遺傳資源等。

(3)專業(yè)科學的數(shù)據(jù)庫

國家基因庫在原有40個數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化整合，形成覆蓋動植物生物多樣性、微生物和人類疾病健康等領(lǐng)域的10個專業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)分析平臺(表1)。

國家基因庫生命大數(shù)據(jù)平臺(CNGBdb)自上線以來，已支撐29篇文章發(fā)表，如蒙古族人全基因組學研究“”[9]等。CNGBdb充分發(fā)揮了科研支撐平臺的公共服務(wù)作用，為這些項目的樣本信息和組學數(shù)據(jù)的梳理、歸檔、脫敏、分析與受控訪問提供了全面支撐，得到國際高水平學術(shù)期刊的認可，支持在其期刊上發(fā)表的基因組學文章所使用的數(shù)據(jù)僅保存于CNGBdb，無需備份至境外數(shù)據(jù)庫，符合我國的人類遺傳資源條例管控。這代表著國家基因庫完全有能力存儲、管理和保護我國重要遺傳資源，對我國遺傳資源信息和基因數(shù)據(jù)安全保護具有重要意義。

表1 專業(yè)生物信息數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)分析平臺列表

3.1.3 動植物資源活體庫

國家基因庫動植物資源活體庫的建設(shè)，立足于基因庫“存”和“讀”的能力(即生物資源樣本庫的保存和數(shù)字化平臺的測序能力)，將活體庫建設(shè)成為數(shù)字化的生物多樣性基地和生物資源庫。

其優(yōu)勢在于生物資源的轉(zhuǎn)化技術(shù)能力，能夠?qū)⑸镂锓N轉(zhuǎn)化為信息準確和質(zhì)量可控的生物遺傳資源，促進生物物種遺傳資源的保存和保護及合理利用。活體庫是數(shù)字化生態(tài)型植物園建設(shè)者，其聯(lián)合開展的中國云南瑞麗珍稀植物園數(shù)字化項目(圖3)，全面采集植物園植物物種進行基因組學測序，完成了世界首個生態(tài)型植物園基因組數(shù)字化研究，從基因組學的角度認知瑞麗地區(qū)生物多樣性和物種的保護工作。

3.1.4 數(shù)字化平臺

國家基因庫數(shù)字化平臺，又稱“讀”平臺，讀出生物的堿基，即為測序平臺。其擁用一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化測序儀，是世界領(lǐng)先的基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出中心。支撐引領(lǐng)數(shù)字化農(nóng)業(yè)、數(shù)字化地球、數(shù)字化人生、百萬傳感染病研究及防治計劃、百萬出生大人群研究計劃等重大科研項目。其綜合優(yōu)勢目前在國內(nèi)外任何機構(gòu)中仍無可比擬。

(1)規(guī)模大。目前已經(jīng)具備15 Pb/年的基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力，即每年可完成15萬人全基因組測序，并且將逐步拓展，成為世界最大的基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出中心。(2)效率高。在樣品準備、測序、測序數(shù)據(jù)質(zhì)控和交付處理等實驗操作過程全部實現(xiàn)了自動化操作和信息化管理，測序儀實現(xiàn)全年365天、24小時不間斷運行。(3)能力全面。具備全面的應(yīng)用技術(shù)能力，包括全基因組測序、全外顯子組測序、全基因組甲基化測序、RNA-Seq、Meta基因組測序、ChIP-Seq文庫、單細胞測序、ATAC-Seq、人線粒體基因組測序、免疫組庫測序、大片段測序、10× genomics測序和stLFR測序等。全面的技術(shù)能力可全面支撐精準醫(yī)療、農(nóng)業(yè)育種、海洋開發(fā)、微生物應(yīng)用、生物多樣性等領(lǐng)域的各類民生、科研和產(chǎn)業(yè)項目。(4)成本低和自主可控。數(shù)字化平臺使用國產(chǎn)化新型超高通量測序儀，試劑、耗材均不依賴進口。該系列測序儀具有單位產(chǎn)出高、成本低和成本自主可控等優(yōu)點。

圖3 云南瑞麗珍稀植物園

圖4 國產(chǎn)化超高通量測序中心

3.1.5 合成與編輯平臺

國家基因庫合成與編輯平臺，又稱“寫”平臺。目標圍繞形成可支撐每年千萬至億級堿基合成產(chǎn)能的自主知識產(chǎn)權(quán)合成軟硬件體系，持續(xù)保持基因組合成與編輯在能力、效率、成本領(lǐng)先地位；支撐工業(yè)微生物、動植物及疾病相關(guān)基因組合成，推動基因組合成與編輯的科研及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。國家基因庫建設(shè)的合成與編輯平臺，在設(shè)立和發(fā)展上突破了三大平臺技術(shù)源端控制力不足的壁壘，定位于通用性及專業(yè)性、規(guī)?；幕蚪M編寫基礎(chǔ)設(shè)施，將支撐合成生物學科學與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，聚集資源培養(yǎng)并引進創(chuàng)新型人才，有利于增強我國在新一輪科技革命中搶占先機。

在功能上與國家基因庫“存”、“讀”平臺相輔相成，打通基因科技“讀、寫、存”技術(shù)聯(lián)動，通過技術(shù)迭代進行核心技術(shù)的成本指數(shù)級降低，促進基因科技產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的廣泛拓展，形成的國家級資源庫將成為全球范圍首個打通基因科技上下游應(yīng)用的創(chuàng)新性體系。數(shù)字化平臺快速解讀基因信息的能力以及生物信息數(shù)據(jù)庫存儲將提供海量基因組學數(shù)據(jù)與資源，通過基因組泛寫技術(shù)切入能夠在功能快速驗證及產(chǎn)業(yè)價值挖掘方面有重大潛在價值。

例如在環(huán)境治理方面，通過對高耐受性微藻進行全基因組和轉(zhuǎn)錄組等數(shù)據(jù)收集與分析，定向性在耐污高降解力方向進行基因組改寫以進一步提高極端環(huán)境的耐受性與降解能力，產(chǎn)出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)生物資源庫將為環(huán)保產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提升提供新的思路。

再如在疾病檢測標準建立方面，在多維度基因組解讀數(shù)據(jù)的積累基礎(chǔ)之上，利用基因組泛寫技術(shù)可定向構(gòu)建含高頻疾病突變位點的細胞系，為疾病的臨床檢測提供相應(yīng)的檢測標準品，也可為相應(yīng)位點的地貧疾病研究構(gòu)建細胞模型。

3.2 開放共享

國家基因庫作為服務(wù)于國家戰(zhàn)略的國家級公益性、開放性、支撐性基礎(chǔ)科研平臺，旨在建立全面的開放共享機制支撐公共科研需求。一方面積極貫徹落實國家關(guān)于生物遺傳資源與科學數(shù)據(jù)管理的相關(guān)政策法規(guī)，推動行業(yè)內(nèi)資源數(shù)據(jù)的整合，加強我國生物遺傳數(shù)據(jù)與生命科學數(shù)據(jù)的規(guī)范管理和利用。另一方面，在滿足國家基因庫公益類服務(wù)、科研合作類服務(wù)開展的前提下，利用國家基因庫“三庫兩平臺”的剩余能力向公眾提供技術(shù)與服務(wù)以支撐科研，支撐我國生物產(chǎn)業(yè)提升創(chuàng)新能力，推動我國生命經(jīng)濟快速發(fā)展。

3.2.1 資源數(shù)據(jù)開放共享

國家基因庫積極響應(yīng)國家相關(guān)政策法規(guī)，開放共享自有的樣本、數(shù)據(jù)資源，為積極推動行業(yè)內(nèi)資源數(shù)據(jù)的整合提供平臺，努力打破資源數(shù)據(jù)“孤島”現(xiàn)狀，合理與國內(nèi)外國家級資源數(shù)據(jù)共享平臺實現(xiàn)互通，促進全國乃至全球資源保護與戰(zhàn)略性開發(fā)。

目前，已通過國家基因庫生命大數(shù)據(jù)平臺，面向全球科研用戶提供樣本信息及組學數(shù)據(jù)歸檔、計算分析、知識搜索、管理授權(quán)和關(guān)聯(lián)可視化等數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)了樣本與數(shù)據(jù)資源的整合貫穿共享，進一步提升了國家基因庫的開放共享程度。截止2019年4月，CNGBdb已標準化、規(guī)范化管理和整合生物樣本資源信息達百余萬份及組學數(shù)據(jù)565.75 TB。其中48.9萬條樣本信息和221.26 TB組學數(shù)據(jù)已面向全國乃至全球的科研用戶開放共享。參與共享體系的醫(yī)院、高校及科研機構(gòu)達30余家。此外，國家基因庫還積極與國內(nèi)外資源數(shù)據(jù)開放共享平臺交流、合作、互通。國際上，國家基因庫已與國際癌癥基因組聯(lián)盟(International Cancer Genome Consor-tium, ICGC)、全球基因組生物多樣性聯(lián)盟(Global Genome Biodiversity Network, GGBN)實現(xiàn)資源互通；在中國，積極參與國家人類遺傳資源共享服務(wù)平臺華南中心的建設(shè)，實現(xiàn)與中國戰(zhàn)略生物資源網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺等國家級資源平臺的互通。

3.2.2 儀器設(shè)施開放共享

國家基因庫作為生物遺傳資源的綜合性公共平臺，響應(yīng)并落實國家對大型基礎(chǔ)設(shè)施開放共享的號召，充分發(fā)揮國家基因庫國家級科研支撐平臺的公共服務(wù)作用，積極探索并初步形成大型儀器設(shè)施開放共享及可持續(xù)性發(fā)展新模式。以提供公共平臺服務(wù)的方式來實現(xiàn)大型儀器設(shè)施開放共享，促進生命科學研究及生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語與展望

國家基因庫將持續(xù)秉承“共有、共為、共享”的理念與宗旨，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，為粵港澳大灣區(qū)建設(shè)、“一帶一路”、健康中國2030等國家戰(zhàn)略部署提供技術(shù)儲備和實施平臺，并持續(xù)保持基因領(lǐng)域的國際競爭力與影響力，支撐和助力中國生命科學領(lǐng)域發(fā)展。

在生物樣本庫建設(shè)上，進一步提升自動化及信息化存儲能力、加強對外服務(wù)水平，形成特色鮮明、開放共享的資源平臺，充分發(fā)揮平臺的支撐和對外服務(wù)功能，在統(tǒng)一標準規(guī)范下，推動信息、技術(shù)、資源的共享與交流，促進基因組學在精準健康、精準農(nóng)業(yè)、海洋開發(fā)、微生物應(yīng)用等方面的前沿探索與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，催生新技術(shù)、新產(chǎn)品和新模式。在生物信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)上，將積極發(fā)揮建設(shè)與運營的經(jīng)驗和能力，通過國內(nèi)外的聯(lián)盟組織，參與標準制定、安全認證、技術(shù)輸出以及開放共享等相關(guān)工作，以此推動技術(shù)改革、促進應(yīng)用普及、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，達到增強我國在國際生命科學研究和應(yīng)用領(lǐng)域的話語權(quán)、實現(xiàn)資源數(shù)據(jù)共有、共為、共享的效果。在動植物資源活體庫建設(shè)上，努力成為中國乃至世界著名的生物資源中心，促進資源數(shù)字化和多組學研究，支撐基礎(chǔ)科研開展與成果突破，帶動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、實踐、創(chuàng)新性應(yīng)用，保障我國生物科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需生物多樣性資源的安全。在數(shù)字化平臺建設(shè)上，終將建成世界規(guī)模最大、成本最低的基因組數(shù)據(jù)產(chǎn)出中心，提高我國在生命科學領(lǐng)域的核心競爭力、提高我國生物遺傳資源的安全性做出貢獻。在合成與編輯平臺建設(shè)上，將不斷推動軟件控制、硬件設(shè)備和合成生物學應(yīng)用整合，彌補國際上現(xiàn)有合成設(shè)施的不足。在增強自身對基因組編寫設(shè)計能力的同時，促進存儲的生命大數(shù)據(jù)向與國計民生息息相關(guān)的精準醫(yī)療、環(huán)境修復等方向應(yīng)用轉(zhuǎn)化，最終建立基因組“讀、寫、存”一體化的創(chuàng)新路徑，擴大國家基因庫公共服務(wù)平臺的支撐廣度，推動全球樣本和信息數(shù)據(jù)資源產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

基因組學的發(fā)展能有力推動精準醫(yī)學、傳感染病防治、農(nóng)業(yè)育種、海洋開發(fā)、微生物應(yīng)用、生物多樣性等領(lǐng)域的發(fā)展。隨著各國都競相推出精準醫(yī)學計劃和開展大人群基因組項目，數(shù)據(jù)產(chǎn)出能力將成為各國重要的競爭力，國家基因庫的發(fā)展與壯大，將為引領(lǐng)中國在全球生命科學領(lǐng)域的地位提供了有力的基石，為我國生物技術(shù)和生命經(jīng)濟發(fā)展提供有力支撐。

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The China National GeneBank—owned by all, completed by all and shared by all

Bo Wang1, Fang Liu2, Erchun Zhang1, Chenliang Wo1, Jason Chen1, Puyi Qian1, Haorong Lu1, Wenjun Zeng1, Tai Chen1, Jinpu Wei1, Qian Wan1, Ren Wang1, Xun Xu1,2

Genetic resources are important national strategic resources. Their preservation, protection and rational utilization form a solid foundation to guarantee national security and to build national competitiveness for the future. Due to a relatively late starting point, China is actively catching up with global peers in storing genetic samples and data. In view of this, in 2011 China approved a plan to build its first nation-level comprehensive gene bank, the China National GeneBank (CNGB), and entrusted BGI-Research to implement its construction and operation. It is China's first gene bank for “reading, writing and storing” bioresources. In this paper, we summarize the development of influential platforms at home and abroad, and focus on CNGB’s position, mission, and its structure of "Three Banks and Two Platforms". CNGB launched its official operation in September 2016 and aims to develop a world-class, non-profit and strategic platform that supports science and technology development. It has built capacities to store tens of millions of traceable samples and to analyze handreds of thousanda of WGS each year. It has also set up China’s first Pb-level digitalization platform and a high-efficient synthesis platform with a production rate of ten million bases per year. Based on such capacities, CNGB has established its open sharing mechanism for biological samples and data, provided public platform services for life science research, and achieved initial results in supporting innovation and development of the bio-industry.

gene bank; biorepository; database; genome sequencing; synthetic biology platform

2019-05-23;

2019-07-29

王博，碩士，研究方向：基因組學。E-mail: wangbo@cngb.org

徐訊，博士，研究員，研究方向：基因組學、生物信息學等。E-mail: xuxun@genomics.cn王韌，博士，研究員，研究方向：農(nóng)學。E-mail: wangren@cngb.org

10.16288/j.yczz.19-148

2019/8/5 20:59:59

URI: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20190805.2059.007.html

(責任編委: 張勇)