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中国基因: 一个新产业崛起的前夜

来源:365bet真人体育      发布日期:2002-09-19    浏览量:8229
1986年,诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco率先提出人类基因组计划(Human genome Project, HGP),旨在阐明人类基因组DNA中30亿个碱基对的序列。发现所有人类基因并阐述其在染色体上的位置,从而在整体上破译人类遗传信息。1990年10月美国正式启动人类基因组计划,中国和德国、英国、法国,日本不久也正式加入了这一计划。人类基因组计划被视作人类生命科学史上最伟大的工程之一,与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划并称为人类科学史上的三大工程。

20世纪末以来的几年里,科学界以极大的热情专注于生命科学领域的新主题,在那些关键的时刻,甚至几天就竖立起一座生命科学的里程碑。克隆羊、克隆牛、克隆猪……以及多种克隆动物的下一代相继诞生,同时,转基因技术、基因疗法、人类和其它物种基因组破译等领域相继取得重大突破。“21世纪是生物技术世纪”的预言似乎正在变成现实,以往人们不可思议的一切,似乎都变得可以期待。而在这场对人类自身奥妙空前规模的探索中,中国已经作出的和正在进行着的,不仅极大地促进了科学技术的繁荣,而且为迅速成长的现代化经济孕育了一个新产业。

从破译“天书”到解读“天书”

中国的人类基因组计划是1994年在国家自然科学基金会、国家高技术计划(即863计划)和国家重点基础研究计划(即973计划)的共同资助下开始启动的,目标定位于充分利用国内丰富的人类遗传资源,进行基因组多样性和疾病基因的识别研究。
1999年9月,中国作为参与人类基因组计划(HGP)中的唯一发展中国家,承担了人类基因组计划中1%的测序任务。在中国科学院遗传所基因组中心、国家人类基因组南方、北方研究中心共同努力下,2000年3月基本完成测序任务并绘制出“工作框架图”。中国的测序能力在参与人类基因组计划的六国中名列第四,超过法国和德国。2001年8月“中国卷”的完成图绘制完成,比原计划整整提前两年。

人类基因组图谱被喻为“人体天书”,人类基因组计划的主任弗朗西斯·柯林斯认为,这种“人体天书”实际上包括三本书:一本是历史书,讲述人类随时间发生的变化;一本是购物指南,描述了构建人体细胞的蓝图,其详细程度不可思议:一本是医学保健书,利用它,医生们可以找到疗效更直接的药物来预防和治疗疾病。

但是,科学家说,人体天书很不容易读懂,迄今为止的工作还只是人类基因组研究的开始。目前只看出了人类基因组密码的90%,已绘制出来的只是基因草图。在彻底破解每一个遗传密码、获得一个精确度达到99.9%的人类基因图谱,还有一段路要走。而要想阐想人类基因组全部基因的位置、结构和功能,则要走更长的路。而把研究结果变成药品,为人类征服多种疑难病症,其所需要的时间,甚至比破解人类遗传密码所耗费的时间更长。

中国已先后建立了一批高水平的医学中心和国家和部门重点实验室,引进和建立了包括遗传和物理作图、大规模DNA测序、基因定位、克隆、突变检测和生物信息学等在内的较完整的基因组研究体系,同时也获得了一批重要的研究成果。在疾病基因的研究方面,克隆了遗传性高频耳聋的致病基因,定位了若干单基因病的染色体点位,对白血病和某些实体肿瘤的结构、功能研究取得了一批具有国际影响的成果,在多基因病的定位方面也取得了初步成功。在功能基因研究方面,已获得来自造血—免疫、神经—内分泌、心血管系统以及肝脏的DNA片段,克隆了1000条以上新基因的全长cDNA,对不同人群的基因型一表型的相关性进行分析。此外,还建立了多民族人群的DNA样品库,对中国南、北30多个民族的遗传关系进行了研究。在生物信息学理论和算法研究方面也有一定的建树。

中国科学家在“中国卷”上共识别出122个基因。在已知的86个基因中,有55个基因功能明确,8个是与肾细胞癌、肌肉萎缩、贫血等疾病直接相关的基因。基因测序为生命科学在新世纪的发展奠定了基础,中国基因研究的重心正由“破译”转入加快“解读”。

据介绍,目前,中国科学家与国际同行同步进入第二阶段,即全面完成一张完整的“人类基因组DNA序列图”,这一阶段的工作包括填补现有的序列之间的空隙,将人类基因组整体序列的准确率提高到99.99%,预计这项工作将于2003年全部完成。作为人类基因组研究“领头羊”的中国科学院已启动包括药物筛选、水稻基因、脑科学在内的六大生命科学研究计划,近期研究重点是,给病人找到更适合的药物,给药物找到更适合的病人,即药物基因组学。

“通缉”致病细胞 将梦想成真

现代医学告诉人们,生、长、老、病、死和一切生命现象,都受作为遗传物质基础的基因所控制。20世纪70年代DNA重组技术的成功使得分离、克隆基因成为可能。在此基础上,不少遗传病和其他一些疾病的致病基因及相关基因相继被确定,并确定几乎所有的人类疾病都与基因的损伤或表达调控失常有关。

人类基因组计划的直接动因是要解决人类疾病的分子遗传学问题,疾病基因的定位、克隆和鉴定就成为人类基因组研究竞争的核心资源,也是基因研究应用成就最大之所在。尤其是只占人类基因组总序列约3%、可转录表达的cDNA,包含着与医学和生物制药关系极为密切的信息。科学家已确认其中第22号染色体与免疫系统、先天性心脏病、精神分裂、智力迟钝、出生缺陷、白血病以及多种癌症相关;第5、16和19号染色体的遗传图谱将进一步揭示某些癌症、糖尿病及其它疾病的成因。此外,科学家还发现了囊性纤维化、亨廷顿舞蹈病、遗传性结肠癌、乳腺癌等一大批重要疾病的基因,从而为这些疾病的基因诊断和未来的基因治疗奠定了基础。

参加人类基因组计划的英国科学家在2001年底宣布,他们已经破译了人类第20号染色体的遗传密码。第20号染色体是迄今破译的三对大类染色体中最大的一对,也是被破译的第一对具有典型长短臂结构的人类染色体。科学家通过对近6000万个碱基对的测序,找到了约720个基因,其中包括与糖尿病、肥胖症、小儿湿疹等疾病相关的基因,这将有助于这些常见疾病寻找新疗法。科学家还发现第20号染色体上的一个基因能增加部分人群感染新型克雅氏症的危险,新型克雅氏症是疯牛病在人身上的表现形式,在疯牛病危机之后的英国备受关注。

科学家在探究人体致病基因的同时,也发现了一些抗病基因。2001年12月日本京都大学科学家宣布发现了一种新型抗癌基因。实验证明,这一被命名为“PECK”的基因能够在名为“PAS”的致癌基因尚没有出现的时候,制造一种蛋白质来抑制能激活癌细胞的“MMP”酶,从而抑制癌细胞的增殖和扩散;同时,这种基因能保护内脏和组织的膜免遭破坏,这就从两个方面产生抑制癌症的作用。这一发现有望应用于新抗癌方法和药物的开发。

肿瘤虽然不难被人认出,但由于基因的活动和发展过程各不相同,因此要判断肿瘤及癌细胞的特性,通过基因识别是最好的方法。科学家相信,对所有不同种类的癌细胞进行跟踪追击,并很快将它们歼灭,这并不是空想。随着基因技术的发展,“通缉”癌细胞的梦想就要变成事实。

2002年初,北京大学医学部完成的一项研究,初步阐明人类细胞衰老的主导基因P16是人类细胞衰老遗传控制程序中的主要环节,揭示了P16基因在衰老过程中高表达的原因,初步揭开人类细胞衰老之谜。这是中国科学家在人类细胞衰老机理上取得的原创性贡献,为进一步探索人类细胞衰老奥秘提供了新途径。细胞衰老是生物衰老的基本单位,也是人类老年病发病的共同基础,“一切生物学关键问题必须在细胞中寻找”成为生物学家的共识。至少可以说人类某些细胞的寿命,是可以利用基因重组技术来进行调节的。

此前,日本科学家已发现人体“短命基因”。日本科学家应用人体基因组解析成果制作了探索基因的探针,在人和老鼠体内发现了缩短寿命的基因。“短命基因”最早由美国科学家1998年在果蝇细胞内发现,研究证明,抑制这种基因发挥功能,就可增加果蝇忍耐饥饿、高温及有害物质等的能力,延长其寿命。而人体“短命基因”的发现为开发长寿药提供了可能性。无论是“短命基因”的发现还是“衰老基因”的发现,专家肯定,利用这一科研成果将在几年内开发出有助于延开寿命的新药。

中国科学家作出的另一项重要贡献是,发现了基因突变导致白内障的机理,并在寻找遏制此种突变的遗传因子研究中取得重大进展。白内障的防治以往全部依靠手术治疗,费用昂贵。此项研究的目的是便是寻找基因突变中的致病机理,以探索一种简捷有效的药物治疗的途径。专家称,在彻底征服白内障的征程中,中国已进入了“最后一公里”。据披露,在青光眼、视网膜病变的研究方面,中国也建立了最新的模型,并发现一种叫做MAP的激酶在转基因技术下被激活,可以导致青光眼一类的疾病的发生。按照计划,相关研究将在5年内完成。

原本估计人类基因数量在10万个左右,但后来确定为大约为3万个。美国科学家进一步研究发现,每一种可以遗传给后代的人类基因平均有14种不同的版本,一种药物对于某个人的安全性和副作用如何,主要取决于这个人遗传的基因版本。这个重要发现为开发个性化药物奠定了坚实的基础,已经证实,利用其专利技术可以通过DNA预测一个人对某种药物的反应。

据参加国际人类基因组计划的科学家披露,未来几年里,主要工作将集中在以下几个方面:克隆和测定人类及模式生物的全长DNA序列;开发基因识别的软件;开展第三代遗传标记研究;继续研究由于基因组计划带来的社会、伦理和法律等方面的争议

干细胞研究:跻身世界先进行列

干细胞被研究一直被当作生命科学研究的热点和前沿课题,尤其是胚胎干细胞在临床医学、克隆动物、转基因工程、生物学基础研究等领域,都具有重要的理论价值与应用开发价值。迄今为止的研究已经证实人类胚胎干细胞在心肌梗死、心肌坏死、帕金森氏症、脊髓损伤、皮肤烧伤等修复与治疗方面,具有广阔的应用前景。胚胎干细胞应用研究已被列为2002年国际自然科学六大研究热点之一。

2001年9月西北农村科技大学的一个专家小组从人类胚胎干细胞中分化诱导成功获取心脏跳动样细胞团。这是中国科学家在国内第一次取的由人类胚胎干细胞分化得到的心脏跳动样细胞团,标志着中国在人类胚胎干细胞研究领域已跻身世界先进行列。这个专家小组1993年就开始进行胚胎干细胞分离与克隆研究,1995年在国内首次由早期胚胎分离克隆出牛、猪胚胎类干细胞,1997年由流产儿分离克隆出人类胚胎干细胞。

胚胎中的全能干细胞具有体外不分化的无限增殖能力,当处于合适的培养条件下,可定向分化形成多种细胞类型。浙江大学药学院的专家通过生物因子的作用和药物的诱导,于2002年1月中旬成功地从小鼠胚胎的全能干细胞中提取出了成熟的多能干细胞,并将胚胎干细胞体外定向分化成了自主跳动的单一心肌细胞。实验观察表明,这些细胞团均具有正常心肌细胞的自律性、应激性和兴奋性。

在此基础上,研究人员利用胚胎干细胞成功地构建了一个新药筛选模型。该模型不仅可以重现胚胎细胞发育过程的全部生物信息,反映人类疾病提发生机制和发展过程并提供药物作用的重要靶点,而且可以快速有效地对新药的疗效与安全性作出初步鉴定。据介绍,心血管疾病、糖尿病、癌症、帕金森症等目前严重困扰人类生存健康的疾病元旦是由细胞的异化和分化造成的。该新药筛选模型的建立,有望从基因层面上破解这些绝症的成因,并找到应对的有效方法创造了条件。

几乎与此同时,美国明尼苏达大学的一个科学家小组宣布,发现成年人骨髓中存在着一类干细胞,可以分化成任何类型的人体组织。据称,这种取自成体的干细胞分化能力之强,可以与胚胎干细胞相媲美。此前也有其它一些实验室和生物技术公司发现成人的皮肤、肌肉和骨髓中,存在着能分化为其他组织细胞的干细胞,但通过实验揭示一些成体干细胞的分化潜能有可能和胚胎干细胞一样强大,这是第一次。虽然这一研究成果还有待于进一步证实,但已引起特别的关注。

这种被称为“多能成体祖细胞”的干细胞似乎可以在培养液中无限期地生长,与胚胎干细胞极其相似,其中的一部分细胞系在生长近两年后,特性依然保持完成,无任何衰老迹象。研究人员称,从理论上讲“多能成体祖细胞”应该能够分化成心肌、大脑、肝脏和皮肤和各类神经细胞。这意味着,如果直接从患者体内提取“多能成体祖细胞”,将其培育成所需要的组织,有可能替代患者受损的组织器官。

按照科学家描绘的美妙蓝图,今后更换人体器官就像给汽车换零件一样简单,血细胞、脑细胞、骨骼和内脏都将可以更换,即使患上白血病、帕金森氏症和癌症这些绝症也能绝处逢生。
(待续)
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