DNA双螺旋结构发现70周年，基因组学革命“狂飙”到了哪一步？

1953年3月底的一个周末，剑桥大学卡文迪许实验室。詹姆斯•沃森（James Watson）和弗朗西斯•克里克（Francis Crick）把一篇仅900个单词的文稿交给临时打字员，也就是沃森的姐姐，并告诉她：她正在参与的，将是生物学领域中自达尔文进化论以来最为轰动的事件。

不久后，4月25日，《自然》杂志刊出了这篇文章，该文开头写道：“我们拟提出一种脱氧核糖核酸（DNA）盐的结构，这种崭新的结构具有相当大的生物学意义。”

沃森和克里克在1990年代初期摆出了一个类似于他们最初用来描述DNA结构的造型。图源：冷泉港实验室

两个年轻人，一个25岁的生物学博士和一个不到37岁的在读研究生（注：克里克本来在1937年开始读物理学研究生，由于二战中断，至1950年转到生物学领域再次开始攻读博士学位），由此掀开了现代分子生物学的大幕，这才有了此后的基因测序技术、基因重组技术以及基因编辑技术。到今年4月，该文已有超过8500次引用。

沃森和克里克于1953年4月25日发表的《自然》杂志论文，该文全文仅900字

DNA双螺旋模型和相对论、量子力学一起，并称为20世纪三大科学发现，克里克，沃森和威尔金斯为此获得1962年诺贝尔生理和医学奖。

2023年4月25日是DNA双螺旋结构发现70周年纪念日。透过这把金钥匙，短短70年，人类不仅解读了“生命天书”的书写规则，更在不断深入“阅读”其内容的基础上，开启了全新的“创作”之路。DNA双螺旋结构的发现，指引着人类从认识基因走向合成生命，在造福人类自身的同时，也将给未来世界带来更多可能。

2023年，基因组学革命“狂飙”到了哪一步？

70年前科学家的这一发现，将生物学研究带入分子时代。携带着生命遗传信息的DNA，以如是美妙的姿态，于纳米级的空间内，传递着生物世界变化万端、生生不息的奥秘。

对生命科学史而言，2023年还别具意义——80年前，诺贝尔物理学奖获得者埃尔温·薛定谔发表《生命是什么》演讲，吸引了一大批物理学家投身生命科学；20年前，美、英、日、法、德、中6国科学家历经多年努力，共同绘制完成人类基因组序列图，也“绘制”出生命科学史上的一座里程碑。

80年、70年、20年过去，如今，基因组学革命“狂飙”到了哪一步？中国相关领域在世界格局中又处于怎样的位置？“解码生命”的意义何在，又会带来哪些产业风口？新华每日电讯记者就诸多热点话题，与多位权威专家学者展开对话。

“生命的奥秘比我们想象的更复杂，但我们摸索到一条路了”

如果没有遗传研究的发展和成熟的基因分析技术，人类不会想到，大象和鼹鼠是一家，鲸和河马是近亲，兔子与人类的亲缘关系比兔子与老鼠的要密切得多，而人类与黑猩猩的基因差异只有1.6%。

生命，在这颗星球的天空、海洋、沙漠、森林处处绽放，而人类对其奥秘的认识，尚如一个孩童刚刚睁开看世界的眼眸。

记者：DNA双螺旋结构发现、人类基因组计划完成，这些标志性事件有着怎样的意义？

贺林（中国科学院院士）：这些事件对人类和科学界的影响和价值可以说是划时代的。

以70年前DNA双螺旋结构的提出为例，它实质性地启动了分子生物学时代，使遗传研究深入到分子层面去“解码生命”。自此，人们清楚了解了遗传信息的构成和传递途径。在以后的70年里，以分子遗传学为首的各学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了清晰阐明，并且大大推动了DNA重组技术，开拓了生物工程领域的研究和应用。

杨焕明（中国科学院院士）：大约20年前，我拿到人类基因组草图时真的很高兴，因为这是历史性进步，它揭开了人类很多奥秘，是全人类的共同遗产和共同财富。

同时，在草图面前，我也更加明白我们对生物的理解是多么肤浅，我们站在前人的肩膀上、站在新的起点上，看到前方有更辽阔的世界、更多的岔路口，生命的奥秘比我们想象的更复杂，但我们摸索到一条路了。

尹烨（华大集团CEO）：人类基因组计划和曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划，并称为20世纪的三大科学工程。这三大科学工程促进了物理和生命科学发展的范式转变，即从原来的以个人兴趣和假说为导向的小科学运作模式，转向了以大数据和平台为导向的大科学工程模式。

人类基因组计划的成功，使人类第一次得到了自身全基因组结构和序列的完整讯息，使得大量的基因研究有了“导航仪”。

“一个人类基因组测序的成本，从20年前的30多亿美元，降到今天的100美元”

人类基因组计划1985年提出、1990年正式启动，开始时由美、英、法、德、日5个发达国家参与。1997年11月，出席中国遗传学会青年遗传学工作者讨论会的汪建、于军、顾军、贺福初、贺林、曾益新、顾东风、杨焕明等中青年遗传学家们，齐聚湖南张家界，在数天的会议中坚定了一颗雄心：争取拿到1%的测序任务，赶上人类基因组计划的末班车。

张家界的三千奇峰泰然屹立，八百秀水如常流淌，但其间酝酿的这个梦想和之后的各方努力，促成中国成为这一关乎人类的宏伟计划里发展中国家的唯一代表。6国科学家共同努力完成壮举，并构建出“共有、共为、共享”的人类基因组精神，为后续基因科学的发展奠定了核心基石。

而张家界的奇峰秀水，本身就是生物基因的宝库，中国也是生物多样性最丰富的国家之一。在“1%”项目的推动下，国内对家禽、家畜、农作物和真菌、细菌、病毒、寄生虫，以及其他资源生物基因组的测序快箭上弦、万箭齐发。

记者：DNA里蕴藏着怎样的秘密？时至今日，中国基因组学的研究情况发生了怎样的变化？

贺林：DNA能够精确地自我复制，使亲代与子代间保持遗传的连续性；能够指导蛋白质合成，控制新陈代谢过程和性状发育；在特定条件下，能够产生可遗传的变异。它是解码生命的开始。

与20年前相比，中国在基因组学研究领域的国际地位明显提升，与世界同行竞争的能力增强不少。但这是一个你追我赶的领域，任何“领先”都是没有绝对保障的。另外，基因产业在我国发展迅速，产生的经济效益也相当可观。

贺福初（中国科学院院士）：人类基因组计划最大的贡献在于推动核酸测序能力的“超摩尔定律”增长，进而催生了基因组学驱动的生物医学研究范式变革。时至今日，基因组学已迈入“成熟期”。

其他生命组学方面，蛋白质组学仍有“成长的烦恼”，代谢组学“方兴未艾”。因此，我们虽已进入基因组时代，但仍呼唤多组学或生命组学时代的到来。

徐讯（深圳华大生命科学研究院院长）：一个人类基因组测序的成本，从20年前的30多亿美元，降到今天的100美元，成本下降了7个数量级；而时间上，从数年到一天完成，技术的发展让基因组测序越来越容易。

在世界范围看待中国近20年在基因组学领域的发展历程，可以说是从参与到同步。在部分领域，我国已实现自主可控，比如测序仪，并且我国测序仪在通量、精度、性价比上全球领先，获得了全球认可。但单分子长片段测序仪等还需要进一步追赶。

同时也需看到，目前，我国用于蛋白质组检测的高端质谱、用于蛋白质结构解析的冷冻电镜、大多数生命科学的关键试剂盒尚需依赖进口。我们亟待进一步打好生命科学的“地基”，推动高端科研设备、源头核心工具进一步自主可控，推动国产设备不断迭代，不断攻克关键核心技术。

基因组学行业三大风口

业界形成共识，基因组学行业有三大风口：精准医学、未来农业、生物制造。

按目前的医学技术，我们能检测出7000多种基因病变，但能诊断的不足300种，精准医学还有巨大的发展空间；通过改良土壤里微生物的基因，沙漠里也有望长出水稻；生物制造在医学、药物、农业、材料、环境和能源等领域具有广阔的应用前景……

记者：一系列基因组学计划的实施，以及蛋白质组、转录组等的发展，给医学、农业、能源等各个领域带来了怎样的变化？

贺福初：人类基因组计划及后续基因组研究成功催生了“精准医学”概念，开启了个性化医疗的临床实践。但仅凭基因组学难以真正普及“精准医学”，针对此难题，中国科学家另辟蹊径，发展出蛋白质组学驱动的精准医学。

例如，我所在的实验室通过对肝细胞肝癌患者样本蛋白质组的大数据分析，可将同一病理分型的肿瘤进一步分为三个分子亚型，且亚型的分类与预后密切相关，目前正在进行后续转化研究，以期让更多肝细胞肝癌患者受益。

徐讯：精准医学本质上是通过以基因组为核心的多组学技术，对大样本人群与疾病进行生物标志物的分析、鉴定、验证与应用，从而精确找到疾病的原因和治疗的靶点，实现个性化精准治疗，提高疾病诊治与预防的效益。

在未来农业方面，通过基因组进行定制化精准育种，可适应不同种植环境、农业不同产品的需求。

在生物制造方面，通过合成生物学等基因组读写技术，可以生物发酵等方式实现材料、关键药物成分、能源等生产制造。

吴丽文（湖南省儿童医院神经内科学科带头人、医生）：作为一名临床医生，我感到基因组学发展非常快，很多现在能诊断的疑难病，放在十几年前，就诊断不出来，甚至会误诊。

我接诊过一个8岁的女孩，运动发育落后，走路、跑步、爬楼功能都很弱，后来发展到要靠人背着去上学。她早上起床后或午后状况要好一些，呈现出波动性，我们考虑她属于先天性肌无力综合征，而不是重症肌无力疾病，于是有针对性地给她做了基因检查。结果查出就是基因突变带来的波动性肌无力，而以目前的医疗水平，对这种病症已有非常好的治疗方案，她现在能走能跑能跳，已经过上正常生活。

近些年基因组学的快速发展，也与仪器机械、材料科学的整体进步分不开。基础科研的脚步要走在临床科研之前，临床实践再反哺技术迭代。精准医学只要有一个点突破了，就能解决很多家庭天大的难题。

尹烨：据测算，人类基因组计划带来的投入产出比是巨大的，38亿美元投入带来了数千亿美元的回报。并且该技术的高速发展，带来了物理、化学、数学和信息技术的快速协同发展，并在精准医学、公共卫生、现代农业、能源环保以及生物多样性领域带来全面突破。

医学上，最具标志性的应用当属无创产前基因检测，通过孕妇的外周血即可检出胎儿的染色体结构异常，从而避免了包括唐氏综合征在内的大量出生缺陷的发生，让无数家庭告别“基因悲剧”。

农业上，人类基因组计划草图完成后，大量重要作物的基因组开始不断解密。对中国最具代表性的，当属水稻。我们在国际上率先完成了水稻基因组框架图和精细图，奠定了在亚洲基因组学的地位。2018年，经中国科研团队积极争取，《自然》杂志同意水稻的两大栽培系命名不应为“japanica”和“indica”，而改为“geng(粳)”“xian(籼)”。（记者王若辰、张格）

来源：新华每日电讯、科学网

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