2010年《科學(xué)》十大科學(xué)進(jìn)展

2010年《科學(xué)》十大科學(xué)進(jìn)展

世界上首次大規(guī)模獲得野生和栽培大豆基因組“重測(cè)序”,但進(jìn)展卻未盡2010年，等待很長(zhǎng)時(shí)間的大豆序列終于被研究。當(dāng)年1月,來(lái)自美國(guó)農(nóng)業(yè)部、美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所等單位的研究人員聯(lián)合在《自然》宣布,該研究團(tuán)隊(duì)利用“全基因組鳥(niǎo)槍測(cè)序法”對(duì)大豆基因組的11億個(gè)堿基進(jìn)行測(cè)序,公布了第一張豆科植物完整基因組序列圖譜。這也是目前利用全基因組鳥(niǎo)槍測(cè)序完成的最大植物基因組。“這是大豆研究一個(gè)重要的里程碑?！泵绹?guó)能源部大豆生物技術(shù)國(guó)家中心主任GaryStacey博士認(rèn)為。伴隨著該圖譜的繪制完成,作為世界上主要油料來(lái)源的大豆,其基因組科學(xué)研究進(jìn)展又獲新突破。2010年11月,由香港中文大學(xué)、華大基因研究院、農(nóng)業(yè)部基因組重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院等單位宣布,他們對(duì)17株野生大豆和14株栽培大豆進(jìn)行了全基因組“重測(cè)序”,總共發(fā)現(xiàn)了630多萬(wàn)個(gè)SNP(單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)),建立了高密度的分子標(biāo)記圖譜,并作為封面故事刊登于《自然—遺傳學(xué)》雜志?！斑@是世界上首次大規(guī)模獲得野生和栽培大豆群體基因組數(shù)據(jù)?！比A大基因研究院徐訊博士告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者。精確的大豆基因組序列圖譜和其全基因組大規(guī)模遺傳多態(tài)性分析,為大豆遺傳性狀的鑒定提供了便利,而有關(guān)其他物種基因組的研究也不遑多論。最牽動(dòng)國(guó)人神經(jīng)的基因組圖譜繪制,莫過(guò)于國(guó)寶大熊貓。由深圳華大基因研究院、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、成都大熊貓繁育研究基地和中國(guó)保護(hù)大熊貓研究中心等單位共同完成的《大熊貓基因組測(cè)序和組裝》,于1月21日以封面故事形式在國(guó)際權(quán)威雜志《自然》上發(fā)表,并獲評(píng)2010年中國(guó)十大科技進(jìn)展。該項(xiàng)研究表明,大熊貓有21對(duì)染色體和2.4億對(duì)堿基,包含基因2萬(wàn)多個(gè),并且其基因組仍然具備很高的雜合率?！斑@同時(shí)也標(biāo)志著基于短序列的基因組測(cè)序、拼接和組裝技術(shù)獲得了重大突破。”徐訊指出,或許,這項(xiàng)研究進(jìn)展將讓人類更早地知道大熊貓的“黑眼圈”之謎。此外,在過(guò)去的12個(gè)月里,先后有包括中國(guó)在內(nèi)的多國(guó)研究人員在《自然》、《科學(xué)》等雜志上報(bào)告完成了蘋(píng)果、青蒿、黃瓜、寄生性金小蜂、螞蟻、蚜蟲(chóng)、珍珠鳥(niǎo)等多個(gè)重要物種的基因組圖譜。今后,基因組測(cè)序規(guī)模將越來(lái)越大。記者從華大基因研究院獲知,僅僅2011年,就可能有土豆、綿羊、牦牛、幾種鳥(niǎo)類等多項(xiàng)物種的基因組圖譜陸續(xù)繪制完成。藏族、少數(shù)民族地區(qū)的基因研究本文開(kāi)頭提到的“利用曹姓DNA鑒定曹操頭骨”并非國(guó)人專利。據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道,比利時(shí)學(xué)者曾對(duì)希特勒家族的39位親屬進(jìn)行DNA檢測(cè),來(lái)證明希特勒的族裔。這些工作的開(kāi)展,借助的正是“基因留有祖先深刻烙印”這一事實(shí)。而以基因?yàn)檠芯磕康牡幕蚪M科學(xué),恰恰使描述人類及動(dòng)物變遷等地理基因組學(xué)和人類學(xué)研究成為可能。2010年,世界各地的科研人員在該方面研究均有較大進(jìn)展,我國(guó)科學(xué)家的研究也同樣呈現(xiàn)多點(diǎn)開(kāi)花局面。2009年12月15日,美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》刊載的中國(guó)科學(xué)院院士、中科院昆明動(dòng)物研究所研究員張亞平等人的文章稱,通過(guò)對(duì)680份藏族人群線粒體DNA樣本分析表明,現(xiàn)代藏族人的絕大部分母系遺傳組分,可能追溯至新石器時(shí)期以來(lái)遷入青藏高原的中國(guó)北方人群。2010年,來(lái)自復(fù)旦大學(xué)的研究人員也對(duì)西藏地區(qū)居民進(jìn)行了“基因普查”。研究人員推測(cè),西藏居民可能最早來(lái)自北亞人群,接近蒙古和貝加爾湖區(qū)域等地區(qū)的北方人群。而國(guó)家計(jì)劃生育研究所和北京基因組研究所的最新研究結(jié)果則進(jìn)一步揭示,藏族先民可能是經(jīng)橫斷山脈向上游遷徙,最后抵達(dá)青藏高原。發(fā)現(xiàn)還不止于此。同樣是2010年,華大基因研究院對(duì)我國(guó)藏族、漢族人群常染色體EPAS1基因進(jìn)行分析,研究結(jié)果刊于美國(guó)《科學(xué)》雜志。這項(xiàng)研究初步推測(cè)出該基因在青藏高原世居藏族人和平原漢族人中出現(xiàn)分離的年代。除了在藏族人類學(xué)領(lǐng)域取得了重要成就,科學(xué)家在2010年仍大有收獲。如果佐以社會(huì)學(xué)的相關(guān)研究,基因組科學(xué)或?qū)⒃谌祟悓W(xué)研究領(lǐng)域獲得更大的空間。另一項(xiàng)關(guān)于古人類的基因組學(xué)研究更在2010年震驚世界,并同時(shí)位列多個(gè)不同機(jī)構(gòu)評(píng)選的世界十大科學(xué)新聞。2010年5月6日,多家國(guó)際著名機(jī)構(gòu)在《科學(xué)》雜志上發(fā)文表示,研究人員通過(guò)DNA兩輪靶向序列捕獲的測(cè)序新技術(shù),實(shí)現(xiàn)了分別對(duì)3個(gè)古代尼安德特人頭骨化石片段DNA的測(cè)序。尼安德特人在進(jìn)化學(xué)上是與我們最為接近的親族。它們出現(xiàn)在大約40萬(wàn)年前,分布遍及歐洲和西亞,并于3萬(wàn)年前滅絕。研究表明,所獲得的基因組序列圖占其整個(gè)基因組中的60%之多,而現(xiàn)代人具有約1%～4%尼安德特人的基因。來(lái)自馬普研究所的SvantePaabo興奮地表示:“尼安德特人基因組序列首個(gè)版本的獲得,完成了人類長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)夢(mèng)想。我們首次發(fā)現(xiàn)了將我們與其他所有生物區(qū)別開(kāi)來(lái)的基因特征,包括那些在進(jìn)化過(guò)程中距離我們最近的親族。”中國(guó)的發(fā)現(xiàn)也同樣令人振奮。中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李寧等成功提取出距今已有9000年歷史的豬骨化石DNA,通過(guò)測(cè)序研究發(fā)現(xiàn),其是經(jīng)過(guò)馴化的家豬,這將中華民族的家畜馴化史推到萬(wàn)年層面?；蛟S,在今后的基因組科學(xué)研究中,有關(guān)人類歷史學(xué)的觀點(diǎn)將不斷更新。新一代測(cè)序技術(shù),進(jìn)展迅速、有效實(shí)現(xiàn)人類基因組測(cè)序古DNA的成功測(cè)序和組裝依賴于測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步。同樣,有別于前兩代的下一世代測(cè)序技術(shù)也在2010年的基因組科學(xué)研究中“小荷已露尖尖角”,并入選世界十大科學(xué)進(jìn)展。下一世代測(cè)序技術(shù),是基于納米孔的單分子讀取技術(shù),可以直接讀取序列信息,簡(jiǎn)便快捷;反觀之前的兩代技術(shù),則需要熒光或化學(xué)發(fā)光物質(zhì)的協(xié)助,通過(guò)讀取整合到DNA鏈上的光學(xué)信號(hào)而間接確定。雖然該測(cè)序方法仍有基因組覆蓋不完整等缺陷,但并不影響其風(fēng)生水起。例如,斯坦福大學(xué)的生物工程師StephenQuake等研究人員在《自然—生物技術(shù)》發(fā)文稱,他們利用一臺(tái)新開(kāi)發(fā)的單分子測(cè)序儀,對(duì)其本人的基因組進(jìn)行了測(cè)序,僅耗時(shí)4個(gè)星期,試劑費(fèi)約48000美元。與此同時(shí),離子激流公司的下一代硅芯片測(cè)序儀也獲得突破。利用該技術(shù),科學(xué)家們于2010年在《科學(xué)》雜志上公布了3個(gè)低成本的完整人類基因組序列。就此,英國(guó)納米孔公司總裁發(fā)表評(píng)論說(shuō),這一技術(shù)預(yù)示了基因測(cè)序領(lǐng)域的跳躍變化,或許今后不超過(guò)1000美元就可以完成一個(gè)基因組測(cè)序。中科院基因組研究所副所長(zhǎng)于軍告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者,基于現(xiàn)在的經(jīng)驗(yàn)曲線,即使目前廣泛運(yùn)用的第二代測(cè)序技術(shù),也可能在一兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)“千美元基因組”的設(shè)想;但是對(duì)于“百美元基因組”的設(shè)想可能還有一段路要走,急需革命性技術(shù)的出現(xiàn)。然而,我們已然看到了希望。2010年4月6日,日本大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所的川合知二和谷口正輝宣布,新一代DNA測(cè)序技術(shù)的可行性首次通過(guò)驗(yàn)證。這篇發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》上的文章顯示,研究者通過(guò)電測(cè)方法,利用只有1納米的超短距離電極,成功地測(cè)量出構(gòu)成DNA的1個(gè)核酸堿基分子中流動(dòng)的電流,成功識(shí)別了核苷酸。令人欣喜的是,科學(xué)家們并沒(méi)有“喜新厭舊”。“不同代的測(cè)序技術(shù)并不互相排斥,尤其是化學(xué)原理不同的基本技術(shù),它們?cè)诰唧w應(yīng)用方面存在功能上的互補(bǔ)性,將長(zhǎng)期共存。”于軍強(qiáng)調(diào)。在測(cè)序技術(shù)快速發(fā)展的2010年,中國(guó)科學(xué)家同樣不甘落后。據(jù)了解,中科院的基因組研究所及半導(dǎo)體所聯(lián)合開(kāi)發(fā)、具有部分自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代測(cè)序儀預(yù)計(jì)在今年3月下線,這不但能打破國(guó)外測(cè)序儀公司的壟斷,還將大大降低我國(guó)基因組測(cè)序的成本。此外,中科院基因組研究所已和浪潮集團(tuán)成立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,將共同研發(fā)第三代基因測(cè)序儀,預(yù)計(jì)第一臺(tái)樣機(jī)于2013年問(wèn)世。毫無(wú)疑問(wèn),新一代的測(cè)序技術(shù)必將對(duì)人類的未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。全基因組重測(cè)序:家庭測(cè)序,重點(diǎn)關(guān)注外顯子組隨著新一代測(cè)序技術(shù)的廣泛使用,測(cè)序速度將越來(lái)越快,成本則大大降低。但是,測(cè)序產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)卻會(huì)給后期的生物信息分析帶來(lái)巨大壓力?！拔艺J(rèn)為生物信息分析是在基因組測(cè)定過(guò)程中最關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)?！比A大基因研究院副院長(zhǎng)王俊曾這樣表示。不過(guò),就在2010年,基于基因組的生物信息學(xué)分析研究也取得了豐碩成果。當(dāng)年10月,中科院基因組研究所、中科院上海生科院植物生理生態(tài)研究所等單位在《自然—遺傳學(xué)》雜志發(fā)表文章。研究人員結(jié)合第二代測(cè)序技術(shù)和自主開(kāi)發(fā)的基因型分析方法,構(gòu)建了高密度的水稻單體型圖譜,并對(duì)秈稻品種的14個(gè)重要農(nóng)藝性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析,確定了這些農(nóng)藝性狀相關(guān)的候選基因位點(diǎn)。同樣來(lái)自《自然—遺傳學(xué)》等雜志的文章還顯示,倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員也通過(guò)多次全基因組關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)了多個(gè)包括糖尿病、冠心病在內(nèi)的與現(xiàn)代熱點(diǎn)疾病相關(guān)的基因。事實(shí)上,研究人員還表示,對(duì)兩個(gè)毫不相干的人進(jìn)行“全基因組關(guān)聯(lián)分析”對(duì)比,或許能夠得出許多有用的研究信息,但如果輔以家庭遺傳關(guān)系,那么測(cè)序數(shù)據(jù)會(huì)更加準(zhǔn)確。《科學(xué)》雜志在2010年3月發(fā)表文章稱,美國(guó)首次為一個(gè)四口之家進(jìn)行了全基因組測(cè)序。由于有家庭遺傳背景關(guān)聯(lián),研究人員更精確地鎖定了與米勒綜合征相關(guān)的4個(gè)基因。“家庭測(cè)序?qū)⒊蔀榻窈蠡蜓芯亢图膊≈委煼矫娴囊粋€(gè)新工具。”于軍表示。隨著研究的深入,一項(xiàng)世界最大的表觀遺傳學(xué)研究項(xiàng)目也已啟動(dòng)。據(jù)了解,華大基因研究院與倫敦國(guó)王學(xué)院TwinsUK團(tuán)隊(duì)將通力合作,對(duì)5000對(duì)雙胞胎的基因組的化學(xué)修飾進(jìn)行深入研究。除了對(duì)測(cè)序結(jié)果分析方法及樣本選擇的拓展,2010年,研究人員還對(duì)測(cè)序理念和方式進(jìn)行了全新嘗試。2010年5月,刊于《自然—遺傳學(xué)》的一篇雜志文章稱,科學(xué)家們使用基因組定向捕獲工具——安捷倫的SOLiD,成功捕獲了4個(gè)患病嬰兒的外顯子組并測(cè)序成功;而華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員也在《科學(xué)》上表示,他們利用外顯子測(cè)序,找到了一種惡性眼疾的關(guān)鍵基因。毫無(wú)疑問(wèn),這項(xiàng)備受各方關(guān)注、位列世界十大科學(xué)進(jìn)展的技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于更多疾病研究,用來(lái)尋找包括癌癥在內(nèi)的多重疾病的致病基因和易感基因。于軍評(píng)論說(shuō),與全基因組重測(cè)序相比,外顯子組測(cè)序相對(duì)經(jīng)濟(jì)、高效。它只需針對(duì)外顯子區(qū)域的DNA即可,覆蓋度更深、準(zhǔn)確性更高。而公共數(shù)據(jù)庫(kù)提供的大量外顯子組數(shù)據(jù),更是為科學(xué)家更好地解釋研究結(jié)果提供了便利。顯而易見(jiàn),在未來(lái),基因組測(cè)序分析理念將隨著測(cè)序技術(shù)的升級(jí)而不斷變革?；蚪M計(jì)劃的啟動(dòng)和影響正如上文所述,在已經(jīng)過(guò)去的2010年里,全世界每個(gè)月幾乎都有兩到三個(gè)家族全基因組和外顯子組測(cè)序被用于檢測(cè)疾病的基因突變。由此可以看出,基因組科學(xué)離人們的生活越來(lái)越近。英國(guó)醫(yī)學(xué)研究臨床科學(xué)中心的分子遺傳學(xué)家TimAitman表示,基因組測(cè)序在未來(lái)的10年到20年內(nèi)將更加普及。在美國(guó),盡管其食品與藥品管理局嚴(yán)格控制私人基因組公司的產(chǎn)品,但隨著基因組測(cè)序費(fèi)用的不斷降低,越來(lái)越多的醫(yī)生開(kāi)始利用全基因組或外顯子組測(cè)序技術(shù)進(jìn)行診斷?；蚪M科學(xué)帶給普通患者治愈疾病的希望,那么對(duì)科學(xué)研究又會(huì)有怎樣深遠(yuǎn)的影響?《自然》雜志對(duì)超過(guò)1000名生物學(xué)家的一項(xiàng)調(diào)查顯示,幾乎所有生物學(xué)家都在一定程度上受到人類基因組計(jì)劃的影響。絕大部分人認(rèn)為自身的研究獲益于人類基因組的測(cè)序,其中46%的人認(rèn)為影響巨大;同時(shí),有接近1/3的人幾乎天天都使用到基因組;甚至有69%的受訪者表示,是人類基因組計(jì)劃改變了他們的職業(yè)和研究方向?！皩?duì)于像我這樣的年輕研究者,沒(méi)有基因組,很難想象將如何工作。”一位受訪者如此表示。除了能夠?qū)ι茖W(xué)領(lǐng)域的研究快速推進(jìn),各國(guó)政府都在期待基因組科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。2008年初,一項(xiàng)被稱為“千人基因組”的計(jì)劃由來(lái)自英國(guó)桑格研究所、美國(guó)國(guó)立人類基因組研究所、中國(guó)華大基因研究院等多家機(jī)構(gòu)共同啟動(dòng)。據(jù)稱,科學(xué)家們將對(duì)全球至少2000個(gè)人類個(gè)體的基因組進(jìn)行測(cè)序,從而生成一個(gè)龐大的、公開(kāi)的人類基因變異目錄,來(lái)尋