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从人类基因组到人造生命：克雷格·文特尔领路生命科学 |
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当时，大量的人类基因组测序工作所采用的是“链终止法”或称“末端终止法”，即先将大片段的DNA分子用限制酶切成小的片段作为PCR模板，再在每组PCR体系中按一定比例掺入一种2，,3，双脱氧核苷三磷酸 (ddNTP)，该化合物的加入将会使得DNA合成终止。经过4组反应 (对应4种ddNTP) 后，各种不同大小的片段末端即为该种核苷酸。再通过变性胶电泳，最终在自显影图上读出相应的DNA序列。“链终止法”虽然能够准确地读取特定DNA片段的序列，但该方法应用于基因组测序也存在着很多弊端：首先，该方法只能处理碱基数目较少的DNA，无法应付如人类基因组这般由上亿个碱基对构成的DNA库。可想而知，如果要将其用限制酶切割成小的片段一一进行末端测序，最终的工作量将是惊人的。其次，该方法还需要大量完全相同的DNA拷贝，因此在测序前要构建人工染色体，并在细菌中“克隆扩增”，以增加目的片段的拷贝数。这样无形中也加大了整项测序工作的成本和时间。因此这项跨世纪的计划不仅耗资巨大，而且需要各国大量的人力、物力的共同参与方可完成。当时在NIH参与工作的Venter也认为用传统的“链终止法”的测序效率实在太低，他提出一种更为简单快捷的测序方法：将基因组打断为数百万个DNA片段，并对每个片段进行末端测序，然后应用一定算法的计算机程序将具有相同末端序列的片段重新整合拼接在一起，从而得到整个基因组序列。该方法称为霰弹枪测序法 (Shotgun sequencing)，俗称“鸟枪法”。但此提议却遭到NIH的研究者的一致反对。他们认为人类的染色体在端粒和着丝点处有着大量重复的序列，应用“鸟枪法”进行测序时，这些高度重复的序列会导致程序计算出错误的结果。对于人类如此复杂的生命机体而言，该方法的精确性有待商榷。尽管Venter四处游说，但仍然无法为他的这一方法获得公共资金支持，这让他颇为沮丧。
1992年，Craig Venter在马里兰州的罗克维尔成立了他的第一家非盈利的基因组研究机构——TIGR (The Institute for Genomic Research)。三年后，Venter所领导的TIGR研究所完成了第一个单细胞自由生物流感嗜血杆菌Haemophilus influenzae Rd的全基因组序列测定。当时TIGR使用了14台测序仪，仅3个月的时间就完成了必需的28463个测序反应，从而验证了霰弹枪测序法，同时也让NIH的官员感到颇为难堪。1996年，他们又第一个完成了具有最小基因组的单细胞生物生殖支原体Mycoplasma genitalium以及詹氏甲烷球菌Methanococcus jannaschii的全基因组测定，再一次证明了自己的实力。
2.2 Craig Venter的人类基因组计划
国际人类基因组计划启动8年后的1998年，在PerkinElmer公司3.3亿美元 (仅是国际计划的1/10) 的投资下，Venter又建立了名为塞雷拉基因组 (Celera Genomics) 的私立公司，正式开始自己的人类基因组计划。他坚定地采用快速但颇具风险的霰弹枪测序法，并声称要在3年内完成人类基因组的序列测定。此时，由政府支持的人类基因组测序工作已经花了8年时间，但仅仅测定了基因组的3%。虽然科学家们对Venter的“狂言”表示怀疑，但当时Francis Collins领导的美国国家人类基因组研究所还是因此加快了研究进度。遗憾的是，面对Venter这样一个科学奇才，他们的努力仍然望尘莫及。2000年4月6日，Venter的研究小组向全世界宣布他们已经完成了人类基因组的测序工作。然而，他们拒绝将得到的数据和全人类共享，也禁止他人自由发布或无偿使用他们得到的基因数据，而且他们已经将人类的6500个基因申请专利保护，这对于国际基因组联盟来说无疑是当头一棒。最终美国总统克林顿和英国首相布莱尔联合发表声明称人类基因组数据不允许专利保护，且必须对所有研究者公开，才使得人类基因组图谱这一全人类的财富没有变成私有。不久，国际基因组联盟也完成了人类基因组工作草图的绘制。
2000年6月26日，美国总统克林顿等六国领导人共同宣布人类基因组计划的草图完成。虽然，Venter为基因申请专利的举动不能被接受，但也正是由于他的贡献，使得预计15年才能完成的工作，提前3年便得已竣工。2001年2月国际人类基因组测序联盟和Venter在Celera公司的研究团队的人类基因组工作草图的具体序列信息、测序方法以及序列的分析结果分别发表于Nature与Science杂志。Craig Venter和人类基因组研究所所长Francis Collins一起分享了当年A&E Network颁发的生物年度奖 (Biography of the Year)。
Venter的成功，也是他的创新点就在于计算机技术的运用：Venter用计算机程序模拟基因定序，而不再通过手工操作测序。这样就可以将一个细胞的所有基因分成无数个DNA片段，提供给测序机“解码”。再通过相应的程序算法处理由此产生的琐碎数据，并把解读的“密码”一步步拼接成完整的基因组序列。大量工作交给计算机后，极大地提高了测序工作的效率。“传统基因技术用数十年才能完成的工程缩减到数月、数周，甚至数天完成”，就连对Venter批评很多的诺贝尔奖得主James Watson也不得不承认他的发现是“科学上的伟大时刻”。
在人类基因组测序的竞争中，研究人员表现出了令人难以置信的凝聚力、专注和惊人的速度。今年4月Nature杂志发表专刊《人类基因组十年记》。5月21日“首个单细胞生命”在Venter手中诞生。这一历史性突破，可以说是对“人类基因组计划完成十周年”的最好纪念，同时也是进入“后基因组时代”的十年来生命科学迅速发展的最精彩的诠释。
