基因王國之二：靈感的碰撞——從基因到基因組

出品：科普中國

作者：李雷

監(jiān)制：中國科普博覽

在《基因王國之一》中我們正式為大家介紹了基因，相信很多人也意識到，原來科學家眼里的基因和我們普通人日常說的基因其實不大一樣，而且在不同語境下，基因可能也有不一樣的含義。

盡管目前基因有很多定義和理解，但我們這里盡可能采用在學術界相對通用的認知，基因就是傳統(tǒng)定義的可以翻譯成多肽之類的標準片段，而基因組則是整個DNA上的遺傳序列。

你肯定會好奇一個問題，人體到底有多少基因呢？今天，我可以大體告訴你一個數(shù)字，大概是兩萬到兩萬五千個基因。

不過，這個數(shù)字可不是那么容易得出的。為了得到這個數(shù)字，人類發(fā)起了一場全世界的大合作，也就是和曼哈頓計劃、阿波羅計劃并列的二十世紀三大工程之一——人類基因組計劃。

人類基因組計劃的圖標

（圖片來源：wiki）

面對巨大挑戰(zhàn)，全人類并肩作戰(zhàn)

在桑格等人開發(fā)出DNA測序技術之后，人們開始大量使用這種技術來對基因序列進行檢測。不過，這個檢測的速度是很慢的。

首先，如何大量獲取DNA就是一個難題，比如我們一個正常細胞只有一套DNA，這個含量是p克（皮克，萬億分之一克，也就是10^-12克）級別的。這是什么概念呢？不考慮人體的腸道微生物和食物里的DNA，我們一個人正常情況下全身所有的DNA加起來也就是幾十克，而進行測序，必須有大量的DNA，所以往往需要收集很多細胞。

這里多虧了一位叫做穆利斯的科學家，他創(chuàng)造性地建立了一種可以在體外（也就是實驗室里）直接以原有的DNA為模板來大量擴增DNA的辦法。這種辦法只需要一小部分DNA作為模板，然后加上聚合酶、引物（大家可以理解為引導的DNA，分別位于DNA的兩側，一般很短）以及ATGC堿基混合物，接下來就可以在儀器上快速地把DNA以指數(shù)的速度復制出來。

這套技術有一個大家更熟悉的名字，叫聚合酶鏈式反應，也就是PCR。

PCR流程

（圖片來源：wiki）

不過，難題還沒解決。要知道，PCR技術一次性的擴增的長度有限，往往是數(shù)百個堿基，而桑格開發(fā)的第一代基因測序技術，也一次性只能讀取幾百個堿基序列，在當時，成本大概是幾十美元左右。

大家可以算一下，如果每次只能檢測幾百個，要想研究明白人類基因組的30億堿基對，耗時估計需要幾十年，成本更是幾十億才可能完成全部的序列檢測。

這在當時，無論是哪個實驗室或者哪個組織，都是無法完成的巨大挑戰(zhàn)。這種情況下，只能由國際合作來共克困難了。

于是，中、美、英、法、日、德六個國家一起發(fā)起了人類基因組計劃，這個計劃預計耗時十多年、花費30億美元來完成對人類基因組的總體測序。我國是最晚加入這個計劃的，承擔了人類基因組計劃的1%。

花開兩朵，各表一枝

在人類基因組計劃進行的同時，新技術也在不斷誕生?？茖W界從不乏敢于創(chuàng)新者，以文特爾為代表的另一群科學家，決定放棄人類基因組計劃采取的辦法，他們采用了一種創(chuàng)新的技術，那就是鳥槍法。這個名稱其實很通俗，意思就是“拿著槍對著一群鳥開槍”。

兩種方法的背后，代表著不同的測序理念。

我們把人類基因組比作一條由ATGC組成的長長線條，第一代測序的辦法就是把人類基因組分成一段一段的，大家各自完成每一段基因組的序列讀取，這也是人類基因組計劃采用的主要策略。

而文特爾則認為，壓根沒必要這么做！干脆把人類基因組完全打碎成更小的片段，直接測每一段的序列，最后通過強大的計算辦法來將其組合起來，舉個極其簡單的例子，如果有三段結果，ATGC,TGCG,CGTA,那么根據(jù)數(shù)學計算，可以將這三段組合成ATGCGTA這樣的更長序列，當然，實際過程要遠比這個復雜。

鳥槍法測序示意圖

（圖片來源：nature）

于是，在2001年，兩個團隊幾乎同時完成了人類基因組的組裝，正式奠定了人類基因組的基本信息。

孰優(yōu)孰劣？可沒這么簡單！

這里，我們需要指出幾個問題。

首先，這兩種技術并沒有絕對的優(yōu)劣之分，雖然現(xiàn)在學術界往往把桑格的技術稱為一代測序技術，把文特爾他們采用的技術稱為二代測序技術的雛形，因為這種策略將在二代測序中大顯身手。但是兩種技術實際上各有千秋，一代測序技術盡管慢，但是準確度非常高，被稱為測序金標準。而文特爾的技術速度快、成本低，但是準確度要低一些，并且后來的二代測序技術中既有基因組碎片化的過程，更有高通量橋式邊合成邊測序這種關鍵技術。

其次，當時并不是嚴格意義上的各自獨立，在人類基因組計劃進行中，科學家們會把階段性成果發(fā)布出來共享，彼此之間技術也在互相交融發(fā)展。

最后，這次大規(guī)模的合作，其實也是兩種測序技術的互相印證過程，也為二代測序的崛起奠定了基礎。

在完成了人類基因組計劃之后，生命科學迅速進入了新的時代，借助著新技術，人類很快實現(xiàn)了對許多生物的測序，小鼠、大鼠、獼猴、水稻、小麥等等，至今，已經(jīng)有上萬種生物實現(xiàn)了基因組測序，這些資源，極大地方便了科學家們對于生命醫(yī)學的研究。

不過，基因組是完美版本嗎？為什么還有不斷進行的基因組研究呢？稍微劇透一下，在下回中，我們將會來聊一聊基因組的研究。

編輯：孫晨宇