|
人類基因組計(jì)劃從1990年啟動，2003年完成，為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)帶來了深刻變革。新冠病毒的發(fā)現(xiàn)、鑒別和溯源乃至疫苗研發(fā)，都離不開人類基因組計(jì)劃引發(fā)的DNA測序技術(shù)的飛速發(fā)展。然而，對人類基因組計(jì)劃及其催生的基因組學(xué)的質(zhì)疑聲一直不絕于耳，《紐約時(shí)報(bào)雜志》（New York Times Magazine）甚至曾宣稱該計(jì)劃是“歷史上最大、最昂貴、最激進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)研究計(jì)劃”。人類基因組計(jì)劃、基因組學(xué)以及近年發(fā)展起來的基因編輯到底為醫(yī)學(xué)帶來了哪些根本變革？未來發(fā)展還面臨哪些不確定性？2021年1月7日，《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》（NEJM）觀點(diǎn)欄目發(fā)表的文章闡述了上述問題，其作者為美國國立衛(wèi)生研究院主任Francis Collins、MIT和哈佛布羅德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）創(chuàng)始和現(xiàn)任所長Eric Lander、加州大學(xué)伯克利分校教授Jennifer Doudna和美國國立人類基因組研究所研究員Charles Rotimi。作為美國國立人類基因組研究所首任所長，Collins領(lǐng)導(dǎo)了人類基因組計(jì)劃的實(shí)施，Lander是該計(jì)劃2001年在Nature發(fā)表人類基因組草圖的第一作者，Rotimi倡導(dǎo)了人類基因組學(xué)研究多種族的重要性，而Doudna則因?qū)RISPR基因編輯技術(shù)的杰出貢獻(xiàn)獲得2020年諾貝爾化學(xué)獎。我們在此發(fā)表該文的全文翻譯（亦可訪問NEJM醫(yī)學(xué)前沿官網(wǎng)、APP或微信小程序）。 
人類分子遺傳學(xué)和基因組學(xué)——重要進(jìn)展和激動人心的可能性 Human Molecular Genetics and Genomics — Important Advances and Exciting Possibilities Collins FS, Doudna JA, Lander ES, Rotimi CN N Engl J Med 2021; 384:1-4 分子遺傳學(xué)在過去50年間取得的驚人進(jìn)展以及向基因組醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)變，在1970年，也就是美國醫(yī)學(xué)科學(xué)院成立時(shí)，是難以想象的（美國醫(yī)學(xué)科學(xué)院，Institute of Medicine，IOM；現(xiàn)稱美國國家醫(yī)學(xué)院，National Academy of Medicine，NAM）。當(dāng)時(shí)“基因組學(xué)”一詞尚未創(chuàng)造出來，構(gòu)成現(xiàn)代生物技術(shù)基礎(chǔ)的工具和技術(shù)還處于起步階段，而對幾個(gè)核苷酸進(jìn)行測序的方法也剛剛行得通1。IOM成立早期恰逢DNA領(lǐng)域取得顛覆性發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，生物研究界迅速采納了Boyer和Cohen的重組DNA技術(shù)、Sanger的DNA測序方法和Mullis的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）技術(shù)（圖1）。然而，即使在這一背景下，試圖對人類基因組進(jìn)行測序的“大科學(xué)”概念在當(dāng)時(shí)似乎也是激進(jìn)的。圖1. 人類分子遺傳學(xué)和基因組學(xué)領(lǐng)域重點(diǎn)進(jìn)展1987年，《紐約時(shí)報(bào)雜志》將人類基因組計(jì)劃描述為“歷史上最大、最昂貴、最激進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)研究計(jì)劃?！钡珡?990年人類基因組計(jì)劃啟動到2003年完成的幾年間，基因組技術(shù)取得了巨大進(jìn)展。DNA測序通量從每天1,000個(gè)堿基對增加到每秒1,000個(gè)堿基以上，這為低成本測序技術(shù)打開了大門，使基因組研究領(lǐng)域的進(jìn)展可以應(yīng)用于常規(guī)醫(yī)療?；蚪M研究已經(jīng)從試圖理解人類遺傳密碼的基本原理發(fā)展到分析上述密碼在不同人之間的差異，并將這一知識應(yīng)用于精準(zhǔn)針對疾病病因定制干預(yù)措施。基因組工具和數(shù)據(jù)集的發(fā)展改變了醫(yī)學(xué)研究的性質(zhì)，使科學(xué)家能夠進(jìn)行全面且強(qiáng)大的探索，而不再局限于檢驗(yàn)聚焦在關(guān)于幾個(gè)候選通路的假設(shè)。隨著人類基因組第一條參考序列的完成，我們的關(guān)注點(diǎn)從尋找基因轉(zhuǎn)移到探索其功能。在家族和人群中進(jìn)行的系統(tǒng)性遺傳圖譜有助于科學(xué)家精準(zhǔn)定位導(dǎo)致人類疾病的基因變異體。基因組計(jì)劃帶來的影響是深遠(yuǎn)的。5,000多種罕見孟德爾疾病致病基因的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了基因診斷、妊娠相關(guān)咨詢、新藥治療以及某些情況下的基因治療。在基因組區(qū)域和常見病之間發(fā)現(xiàn)的100,000多種穩(wěn)健關(guān)聯(lián)指明了新的生物學(xué)機(jī)制，例如小膠質(zhì)細(xì)胞在阿爾茨海默病中的作用、自噬在炎性腸病中的作用以及突觸修剪在精神分裂癥中的作用。上述發(fā)現(xiàn)還幫助我們開發(fā)出了識別心臟病、乳腺癌和其他疾病高?；颊叩亩嗷蝻L(fēng)險(xiǎn)評分，不過仍需對此類評分進(jìn)行進(jìn)一步嚴(yán)格測試，包括評估臨床結(jié)局。癌癥基因組研究揭示出體細(xì)胞突變促使腫瘤發(fā)生和生長的數(shù)百個(gè)基因，這些信息推動了新藥的研發(fā)?；蚪M分析還幫助我們解釋了為何一部分人接受某些治療有效或發(fā)生某些感染后可以生存，而其他人則治療無效或無法生存。基因組學(xué)研究的重點(diǎn)近期已從分析DNA變異發(fā)展到研究單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)模式，其推動力是用于單細(xì)胞RNA測序和染色質(zhì)分析的新方法。迄今，已有數(shù)千萬人體細(xì)胞被闡明，而我們正在通往繪制完整細(xì)胞圖譜的路上。這項(xiàng)工作正揭示出數(shù)百種新的細(xì)胞類型，并表明健康人和各種疾病患者之間的細(xì)胞類型差異。隨著全基因組測序成本從人類基因組計(jì)劃時(shí)的30億美元下降至如今的600美元，人們正努力建立包含成千上萬人全基因組測序和表型信息的大規(guī)模生物樣本庫。例如英國生物樣本庫（https://www./）和美國“我們所有人”研究計(jì)劃（https://allofus./）。我們的最終目標(biāo)是醫(yī)療系統(tǒng)能夠?qū)⒒蚪M信息與病歷相結(jié)合。要加強(qiáng)人類遺傳變異研究，我們還有許多工作要做。盡管對不同背景的人開展研究將有望揭示生物學(xué)機(jī)理和健康差異原因，但目前參與基因組研究的研究人員和參與者仍大多是歐洲血統(tǒng)。缺乏多樣性會妨礙生物學(xué)研究，加劇已經(jīng)很嚴(yán)重的健康差距，而且讓我們懷疑基因組研究中獲得的多基因風(fēng)險(xiǎn)評分、診斷和治療方法可否平等惠及所有人群。對不同血統(tǒng)背景的人開展研究可揭示出基因組變異是如何在人群層面造成以下各方面的差異：疾病易感性、藥物療效和基因組研究指導(dǎo)下的臨床診斷準(zhǔn)確性。通過此類研究，我們發(fā)現(xiàn)了非洲血統(tǒng)特異性APOL1變異體，該變異體有助于避免非洲昏睡病，但卻增加了腎衰竭風(fēng)險(xiǎn)；在美國的非洲血統(tǒng)非糖尿病性腎衰竭患者中，上述變異體是70%病例的原因。此外，SLC16A11的2型糖尿病風(fēng)險(xiǎn)單倍型存在于大約一半的美洲原住民中，而在歐洲或非洲血統(tǒng)的人中則很少，對于墨西哥裔美國人高出歐洲裔美國人的2型糖尿病患病率，上述SLC16A11單倍型可解釋約20%的差異。基因組研究還表明，PCSK9失活突變在非洲血統(tǒng)的人中比在其他人群中更常見；上述突變可降低膽固醇水平和心臟病風(fēng)險(xiǎn)，它為藥物研發(fā)提供了新啟示。我們正在實(shí)施幾項(xiàng)舉措從之前參與比例較低的人群吸引更多研究人員和參與者。例如，非洲人類遺傳與健康（Human Heredity and Health in Africa，H3Africa）計(jì)劃（https:///）建立了泛非實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟，該聯(lián)盟確保了500多名非洲科學(xué)家可獲得基因組技術(shù)，招募了60,000多名研究參與者，并建立了一個(gè)生物信息學(xué)網(wǎng)絡(luò)和三個(gè)區(qū)域生物樣本資源庫。我們早該采取措施縮小在參與基因組研究方面的差距；采取這些措施之后，預(yù)計(jì)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)帶來的益處將被更公平地分享。基因組測序技術(shù)使遺傳病的診斷取得迅速進(jìn)展，但其在研發(fā)和驗(yàn)證治療方面面臨較大挑戰(zhàn)。對于一些孟德爾疾病，我們已在詳細(xì)了解其病理生理學(xué)之后研發(fā)出分子靶向藥物。例如，1989年發(fā)現(xiàn)CFTR基因之后，我們已在此基礎(chǔ)上開展研究，并研發(fā)出可用于90%囊性纖維化患者的安全、有效的分子靶向藥物。但研發(fā)成功此類方法可能需要數(shù)十年時(shí)間，而且不能推廣到確切分子原因尚且未知的數(shù)千種其他遺傳病。直接針對基因的有效治療策略具有重要優(yōu)勢。經(jīng)過多年的起伏，基因治療正取得一些巨大成功，例如在脊髓性肌萎縮和血友病領(lǐng)域。這類研究的步伐在未來可能會大大加快，而精準(zhǔn)基因組編輯技術(shù)如今提供了新的治療途徑。過去8年間，CRISPR（規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)序列）-Cas9（CRISPR相關(guān)蛋白9）技術(shù)已成為研究和改變基因組的可及和適用工具。CRISPR-Cas9可產(chǎn)生觸發(fā)位點(diǎn)特異性DNA修復(fù)的靶向DNA斷裂，從而誘導(dǎo)基因組編輯。二代技術(shù)還可采用不需要修復(fù)DNA斷裂的核苷酸堿基編輯程序，進(jìn)而控制基因的轉(zhuǎn)錄輸出或改變基因組序列。隨著這些技術(shù)的不斷成熟，高效、準(zhǔn)確改變細(xì)胞基因組的可能性日益增加。繼工程核酸酶之后，CRISPR-Cas9工具使我們能夠高效敲除或編輯細(xì)胞或模式生物的幾乎任何基因，因而加快了基因組研究的步伐?；贑RISPR-Cas9的多項(xiàng)臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中或預(yù)計(jì)將很快啟動。盡管Cas9工程細(xì)胞尚未在較大規(guī)模上證明其有效性，但早期試驗(yàn)結(jié)果提示，此類細(xì)胞穩(wěn)定，且不會在人體內(nèi)引起急性不良反應(yīng)，盡管長期安全性尚待確定。目前的應(yīng)用領(lǐng)域主要是單基因病，我們可對適當(dāng)?shù)募?xì)胞進(jìn)行離體基因編輯，例如鐮狀細(xì)胞性貧血患者的骨髓造血干細(xì)胞。目前正探索開發(fā)可將基因編輯器靶向遞送到體內(nèi)適當(dāng)組織的遞送系統(tǒng)。基因組技術(shù)的進(jìn)展將繼續(xù)大力推動基礎(chǔ)科學(xué)向前發(fā)展，而且其中有些是我們無法預(yù)見的?，F(xiàn)在的受訓(xùn)科研人員已經(jīng)無法想象，在無法快速、自由獲取大量基因組、轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)標(biāo)記數(shù)據(jù)（而且我們正越來越多地獲取單細(xì)胞數(shù)據(jù)）的情況下，當(dāng)年的人類生物學(xué)研究是如何進(jìn)行的。此類數(shù)據(jù)集使我們有機(jī)會獲取通過復(fù)雜計(jì)算分析才能得到的生物學(xué)知識，所有生物學(xué)家都需要為此做好準(zhǔn)備。對人類遺傳變異及其生物學(xué)重要性的理解也將取得進(jìn)展，這將為國際常見病聯(lián)盟（International Common Disease Alliance）的醫(yī)學(xué)機(jī)制圖譜（Maps to Mechanisms to Medicine）愿景（https://www.o/）奠定基礎(chǔ)。我們通過寡核苷酸技術(shù)或基因編輯技術(shù)在體內(nèi)靶向基因突變的能力不斷增強(qiáng)，這應(yīng)該可以使得許多孟德爾疾病得到治療，甚至治愈。但我們?nèi)匀幻媾R許多不確定性，并且并非所有重大問題都可以僅靠科學(xué)來解答。例如，我們?nèi)绾未_保不同人群公平、包容地獲得研究機(jī)會，以及獲得基因組革命帶來的治療獲益？我們?nèi)绾纹胶饪茖W(xué)進(jìn)步和新出現(xiàn)的倫理問題，例如可否將基因組編輯技術(shù)用于可遺傳的基因編輯？我們?nèi)绾卧诒Ｗo(hù)參與者隱私和尊重文化傳統(tǒng)的同時(shí)，保持曾推動基因組科學(xué)的數(shù)據(jù)共享精神？這些問題凸顯為何在未來50年間，美國國家醫(yī)學(xué)院將比以往任何時(shí)候都更有存在的必要。
|
