人類基因組測序的緣起

　　雖然公眾對于開展人類基因組測序已經翹首以待，但是為這項計劃舉辦的首次協調會卻令人泄氣。1984年夏季，美國能源部（DOE）健康與環境研究項目主任查爾斯·德利西（Charles DeLisi）召開了專家會議，旨在評估人類基因組測序技術的可行性。自20世紀80年代早期以來，能源部的研究人員一直在致力于調查輻射對人類基因的影響。1945年，有數十萬日本人在廣島與長崎原子彈爆炸期間遭受了不同劑量的輻射，而當時幸存的1.2萬名兒童現在已經是四五十歲的中年人了。那么他們體內發生了多少種基因突變？到底是哪些基因發生了突變？這些突變發生在什么時間？由于輻射誘導的突變很容易隨機發生在整個基因組中，因此通過單次單基因測序來尋覓突變基因就如同大海撈針。1984年12月，來自全美各地的知名科學家再次齊聚一堂，他們將要對全基因組測序用于核輻射兒童基因突變檢測的可行性進行評估。本次會議在猶他州的阿爾塔舉行，而博特斯坦與戴維斯就是在此邁出了關鍵一步，他們設計出了通過基因連鎖與基因多態性構建人類遺傳圖譜的方法。

　　用于核輻射兒童基因突變檢測。基因連鎖與基因多態性構建人類遺傳圖譜。

　　從表面上來看，阿爾塔會議沒有取得任何成果。參會的科學家們意識到，20世紀80年代中期興起的測序技術還不具備定位人類基因組中突變基因的能力。但是這次會議卻成為啟動全面基因測序的關鍵轉折點。1985年5月以及1986年3月，有關基因組測序的系列會議分別在圣克魯茲與圣達菲召開。1986年夏末，詹姆斯·沃森煞費苦心地將在冷泉港舉辦的會議命名為“現代人之分子生物學”，而這場活動或許對于推動人類基因組計劃起到了決定性的作用。此處就像當初的阿西洛馬，連綿起伏的山峰倒映在寧靜的水晶灣里，校園般的寧靜與炙熱的討論形成鮮明對比。

　　現代人之分子生物學，人類基因組計劃的決定推動點。

　　本次會議上公布了一系列最新的研究成果，而這也讓基因組測序突然間從技術上變得觸手可及。其中最關鍵的技術突破或許要歸功于研究基因復制的生物化學家凱利·穆利斯（Kary Mullis）。為了能夠進行基因測序，我們首先要具備充足的DNA起始原料。由于單個細菌細胞可以繁殖達到百億級別的數量，因此它們也為測序提供了豐富的細菌DNA。但是想要獲得同樣數量級的人類細胞談何容易。不過穆利斯已經發現了一條捷徑。他先用DNA聚合酶在試管中得到一份人類基因拷貝，接著再以該拷貝為模板進行復制，然后經過數十次的復制循環獲得大量拷貝。每個復制循環都可以讓DNA得到擴增，從而實現了目標基因產量的指數增長。該技術最終被命名為聚合酶鏈式反應，人們將其簡稱為PCR（polymerase chain reaction），它對于實現人類基因組計劃至關重要。

　　為什么我們有能力進行基因組測序？因為PCR，聚合酶鏈式反應。

　　埃里克·蘭德（Eric Lander）是一位由數學家轉行的生物學家，他為與會者講述了新型數學模型在尋找復雜多基因遺傳病相關基因中的應用。此外，來自加州理工學院的勒羅伊·胡德（Leroy Hood）還介紹了一種半自動測序儀，它可以讓傳統的桑格測序過程加快10倍到20倍。

　　沃爾特·吉爾伯特是DNA測序領域的先驅，他提前利用餐巾紙的空白處測算出了人類基因組測序所需的人員與成本。根據吉爾伯特的估計，完成人類基因組中30億個堿基對的測序工作需要斥資30億美元，同時每年大約需要征召5萬名科研人員，相當于每個堿基對的測序成本為1美元。吉爾伯特跨步走到臺前，在黑板上寫下成串的數字，在現場觀眾中引發了一場激烈的爭論。吉爾伯特公式隨后被證實具有驚人的準確性，而它也再次將人類基因組計劃打回到冰冷的現實。如果我們客觀地來看待這件事，就會發現基因組測序的成本并非高不可及：阿波羅計劃在巔峰時期曾經雇用了近40萬人，其投入的總成本累積約為1 000億美元。假如吉爾伯特沒有算錯的話，那么人類基因組計劃的成本甚至還不到登月計劃的三十分之一。悉尼·布倫納后來開玩笑地說，資金或者技術可能不是制約人類基因組計劃的瓶頸，而整個過程極度單調乏味才是阻礙其發展的根源。他甚至對此大加調侃，也許基因組測序工作應該作為懲罰犯人的手段，例如，分別判處搶劫犯、過失殺人者以及蓄意謀殺犯承擔100萬、200萬以及1 000萬個堿基對的測序工作。

　　之前的文章分享過，人類基因組測序花費巨大，是因為技術水平規模達不到，只能靠苦力硬算。

　　當天傍晚，落日的余暉灑滿了海灣，詹姆斯·沃森向幾位科學家講述了他自己面臨的窘境。5月27日，就在會議舉行的前一天晚上，沃森15歲的兒子魯弗斯·沃森（Rufus Watson）從白原市（White Plains）的一家精神病醫院里逃了出來。人們后來發現魯弗斯在離鐵路不遠的樹林里游蕩，于是他又被帶回了精神病醫院。就在幾個月前，魯弗斯曾試圖打破世界貿易中心的窗戶跳樓自殺，他也因此被診斷為精神分裂癥患者。沃森堅信該病源自遺傳，現在人類基因組計劃出現得恰逢其時。精神分裂癥研究沒有動物模型可供參考，同時遺傳學家也無法通過基因多態性來識別相關基因。“讓魯弗斯獲得新生的唯一辦法就是了解他的病因。目前我們僅有的手段就是對其基因組進行測序。”