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人類基因組計(jì)劃25年給大科學(xué)六大啟示

    1989年，人類基因組計(jì)劃開(kāi)始前，班伯里學(xué)術(shù)峰會(huì)在紐約冷泉港實(shí)驗(yàn)室舉行。圖片來(lái)源：Cold Spring Harbor Lab. Library & Archives

    25年前，新創(chuàng)建的美國(guó)人類基因組研究國(guó)家中心（NHGRI，現(xiàn)在的國(guó)家人類基因組研究所）和美國(guó)及國(guó)際合作伙伴聯(lián)手，發(fā)起了“人類基因組計(jì)劃”（HGP）。接下來(lái)發(fā)生的事情，代表了最具歷史意義的科學(xué)努力之一：歷經(jīng)13年，對(duì)人類基因組全部30億個(gè)堿基對(duì)進(jìn)行測(cè)序。

    甚至僅在幾年前，關(guān)于HGP的討論還主要關(guān)注此項(xiàng)目已經(jīng)或?qū)?duì)認(rèn)識(shí)人類疾病帶來(lái)何種見(jiàn)解。然而，直到今天人們才逐漸明晰，除了極大地加速生物醫(yī)學(xué)研究，HGP還開(kāi)啟了一種做科研的新方式。

    作為生物學(xué)領(lǐng)域的首個(gè)大規(guī)模項(xiàng)目，HGP為眾多基于合作的研究項(xiàng)目鋪就了道路。自2000年起，僅NHGRI便參與發(fā)起了超過(guò)25個(gè)此類項(xiàng)目。這些對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究提出了新挑戰(zhàn)，比如要求來(lái)自不同國(guó)家和學(xué)科的多個(gè)團(tuán)隊(duì)共同分享并分析海量數(shù)據(jù)集。

    對(duì)于年輕的研究人員來(lái)說(shuō)，他們很容易忘記今天正試圖解決的很多問(wèn)題，在25年前甚至都沒(méi)有被前輩思考過(guò)。同樣容易被忽視的還有這樣一種見(jiàn)解，即HGP仍在向那些追尋大科學(xué)項(xiàng)目的人提供建議。

    美國(guó)國(guó)家人類基因組研究所所長(zhǎng)Eric D. Green、冷泉港實(shí)驗(yàn)室名譽(yù)主席James D. Watson和國(guó)立衛(wèi)生研究院院長(zhǎng)Francis S. Collins日前聯(lián)合撰文，闡述了HGP為今天基于合作的科學(xué)項(xiàng)目提供的六大關(guān)鍵經(jīng)驗(yàn)。

    擁抱合作。HGP不可避免地打破了研究人員獨(dú)自埋頭苦干、回答一小部分科學(xué)問(wèn)題的常規(guī)。它還同假設(shè)驅(qū)動(dòng)的研究背道而馳，反而關(guān)注將為很多后續(xù)研究提供借鑒的基礎(chǔ)信息的發(fā)現(xiàn)。

    HGP匯集了來(lái)自很多國(guó)家、學(xué)科和年齡層的2000余名研究人員，每個(gè)小組則對(duì)應(yīng)著不同的資助機(jī)構(gòu)。成功來(lái)自于資助者強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)、對(duì)任務(wù)重要性的共同認(rèn)知，以及研究人員為了集體利益愿意放棄個(gè)人成就。

     很多合作型基因組學(xué)項(xiàng)目隨之而來(lái)。這包括：對(duì)人類基因組中的序列變異進(jìn)行分類的千人基因組計(jì)劃、描繪導(dǎo)致癌癥的突變特征的癌癥基因組圖譜，以及利用基因組測(cè)序和其他技術(shù)研究微生物群落的人類微生物群系項(xiàng)目。

    合作型科研的一個(gè)常見(jiàn)障礙是參與者不愿擁抱新的合作。然而，各種努力以及集中起來(lái)的數(shù)據(jù)和資源會(huì)使每個(gè)人都受益的意識(shí)不斷強(qiáng)化，并且正在使舊的觀念遭到擯棄。

    數(shù)據(jù)分享最大化。HGP改變了生物醫(yī)學(xué)研究中關(guān)于數(shù)據(jù)分享的既有規(guī)范。一旦大量的基因組作圖和測(cè)序數(shù)據(jù)開(kāi)始產(chǎn)生，為縮短數(shù)據(jù)產(chǎn)生和發(fā)布相隔時(shí)間而建立相關(guān)政策的勢(shì)頭很快便發(fā)展起來(lái)。這些努力促成了1996年“百慕大原則”的采用。當(dāng)時(shí)，參與此項(xiàng)目的主要團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人同意在超過(guò)一定規(guī)模的基因組序列集產(chǎn)生的24小時(shí)內(nèi)將其提交至一個(gè)公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)。

    從那以后的這些年里，此項(xiàng)努力變成一種基石。2003年，勞德代爾堡協(xié)議延伸了相關(guān)原則。2008年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）擴(kuò)展了其數(shù)據(jù)分享的期望，將全基因組關(guān)聯(lián)研究包括進(jìn)來(lái)。2014年，“百慕大原則”開(kāi)始執(zhí)行擴(kuò)展的基因組數(shù)據(jù)共享政策。這要求利用NIH資助產(chǎn)生或分析出來(lái)的幾乎所有大規(guī)模基因組數(shù)據(jù)都要共享。

    廣泛存在的數(shù)據(jù)共享正帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。這包括：分析和移動(dòng)大量數(shù)據(jù)集存在的計(jì)算和輸送上的困難，以及對(duì)于人類數(shù)據(jù)（尤其是基因組和臨床數(shù)據(jù)）來(lái)說(shuō)，如何保護(hù)研究參與者的隱私問(wèn)題。各種舉措已經(jīng)推出，以解決這些問(wèn)題。例如，對(duì)強(qiáng)大可靠的計(jì)算平臺(tái)的需求，正帶來(lái)生物醫(yī)學(xué)研究中云計(jì)算使用的快速增長(zhǎng)。

    制定數(shù)據(jù)分析計(jì)劃。對(duì)于HGP的規(guī)劃，本身存有缺陷。回顧過(guò)去，早期未受到充分關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域是數(shù)據(jù)分析。首個(gè)人類基因組序列以一種零零碎碎的方式產(chǎn)生了。為獲得每條染色體的連續(xù)序列，上千個(gè)單獨(dú)組裝的序列片段（每個(gè)約100～300千堿基）不得不通過(guò)計(jì)算被連接在一起。當(dāng)對(duì)此類計(jì)算過(guò)程的需求（最終證實(shí)在技術(shù)上非常有挑戰(zhàn)性）變得明顯時(shí)，已處于項(xiàng)目相對(duì)較晚期。通過(guò)一小群生物信息學(xué)家的巨大努力，這一任務(wù)在幾個(gè)月的時(shí)間里完成。如果規(guī)劃中給予更多關(guān)注，此項(xiàng)工作便不會(huì)面臨如此大的壓力。

    近年來(lái)，一些基因組學(xué)項(xiàng)目（諸如千人基因組計(jì)劃和癌癥基因組圖譜）已經(jīng)展示了對(duì)于數(shù)據(jù)分析計(jì)劃的早期設(shè)計(jì)會(huì)如何為數(shù)據(jù)產(chǎn)生策略提供信息。最近，對(duì)美國(guó)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃的規(guī)劃包括了如何最好地整合和分析預(yù)期的大量數(shù)據(jù)類型的討論——從電子健康檔案到基因組分析，以及來(lái)自環(huán)境監(jiān)測(cè)器和可穿戴人體傳感器的信息。

    優(yōu)先考慮技術(shù)開(kāi)發(fā)。1990年10月，HGP參與者在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中充分意識(shí)到，繪制和測(cè)序人類基因組的工具和方法，作為更大型項(xiàng)目的一部分需要被研發(fā)出來(lái)。事實(shí)上，項(xiàng)目促成了多項(xiàng)關(guān)鍵基因組學(xué)技術(shù)的開(kāi)發(fā)以及分子生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、機(jī)器人學(xué)和計(jì)算領(lǐng)域的實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，并且?guī)?lái)了以創(chuàng)新性方式利用工具和方法的策略。在一些情況下，多重漸進(jìn)式改進(jìn)被拼湊在一起，產(chǎn)生了革命性的進(jìn)展，比如最終被用于產(chǎn)生首個(gè)人類基因組序列的毛細(xì)管DNA測(cè)序設(shè)備。

    從一開(kāi)始便鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)于今天的大型項(xiàng)目同樣至關(guān)重要。在這方面領(lǐng)先一步的是美國(guó)“通過(guò)推動(dòng)創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開(kāi)展大腦研究”（BRAIN）。項(xiàng)目的總體目標(biāo)是變革對(duì)人類大腦的認(rèn)識(shí)，將首先關(guān)注新一代工具的研發(fā)，以對(duì)大腦中所有細(xì)胞類型進(jìn)行定義、建立其相互連接的地圖，并記錄來(lái)自同功能和行為關(guān)聯(lián)起來(lái)的回路信號(hào)。

    關(guān)注進(jìn)展的社會(huì)影響。HGP的創(chuàng)始人意識(shí)到，從繪制和測(cè)序人類基因組中獲得的信息會(huì)對(duì)社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。HGP由此成為首個(gè)包含了致力于分析更廣泛社會(huì)問(wèn)題的大型研究項(xiàng)目，比如怎樣保護(hù)人們的隱私并預(yù)防歧視。這一項(xiàng)目分支——被稱為倫理、法律和社會(huì)影響研究——由NIH劃撥給HGP預(yù)算的約5%來(lái)支持。它是生物倫理學(xué)研究領(lǐng)域迄今最大規(guī)模的投資。

    社會(huì)和倫理方面的考慮出現(xiàn)在當(dāng)下很多尖端的科學(xué)研究中。最引人注目的例子包括利用CRISPR/Cas9基因編輯工具改變?nèi)祟惡推渌锓N的基因組，以及快速跟進(jìn)臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以便在傳染病暴發(fā)期間迅速研究潛在治療方法。不幸的是，大多數(shù)合作型項(xiàng)目并未像HGP那樣，將專門的生物倫理學(xué)研究包括進(jìn)來(lái)。

    大膽而不失靈活。HGP的目標(biāo)很大膽?？紤]到關(guān)于人類基因組究竟該如何被繪制并且最終被測(cè)序的表達(dá)不夠清晰，該項(xiàng)目在開(kāi)始時(shí)遭到一些質(zhì)疑也就不足為奇了。

    在專家看來(lái)，HGP成功的關(guān)鍵在于學(xué)術(shù)帶頭人一直持有開(kāi)放態(tài)度，以及他們能定期停頓下來(lái)評(píng)估狀況。1993年和1998年，HGP最初的5年計(jì)劃分別得到更新。

    只要總體目標(biāo)基于明確的時(shí)間表和定性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，有著偉大目標(biāo)的大型項(xiàng)目便能取得成功。它們還需要一種必要時(shí)迭代計(jì)劃的意愿。等著完全清楚最終目標(biāo)將如何被實(shí)現(xiàn)，要面臨著錯(cuò)失機(jī)會(huì)的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)闄C(jī)會(huì)只有在研究人員開(kāi)始工作后才會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)。這已成為若干大型項(xiàng)目的規(guī)范，其中包括BRAIN項(xiàng)目和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)