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人类遗传资源是无价之宝

作者:姜韶东 发布时间:2019-08-22 09:43:06 来源:光明日报 字体:   |    |  

  【科普小博士】

  遗传学发展的三次飞跃

  遗传学在发展中至少经历了三次飞跃。

  欧洲牧师孟德尔在菜园种植豌豆时留心观察,发现自花授粉的豌豆虽然花冠有白有红、豆粒有饱满有皱缩、未熟豆荚有绿色有黄色,但这些特点的遗传非常稳定。他有目的地设计杂交试验、认真记录后代植株的特点和数目,提出在亲代和子代间遗传的性状是由“遗传因子”决定的,而性状在亲子代间遗传时“遗传因子”遵循“分离定律”和“自由组合定律”。孟德尔关于“遗传因子”(也就是基因)的假设和两大定律的发现成为遗传学的肇始。

  半个多世纪后,美国科学家摩尔根通过研究果蝇中白眼、红眼的伴性遗传证明基因是实实在在存在的,并且位于染色体上。随后科学家们又证实基因的成分是DNA(脱氧核糖核酸)。这些成果给神奇的遗传现象找到了物质基础,成为遗传学的第二次飞跃。

  1953年,沃森、克里克与物理学家密切合作,用X射线衍射的方法发现了划时代的DNA分子双螺旋结构。而DNA分子双螺旋链上脱氧核糖核苷酸(dNTP,包括A、T、C、G四种)的排列顺序就是指导遗传的密码。破译这些密码信息,把它们和各式各样的遗传性状联系起来就组成了宝贵的遗传资源。所谓人类遗传资源,指的就是指导人类遗传的密码信息数据和承载这些信息的材料(包括含有人体基因组、基因等遗传物质的器官、组织、细胞等遗传材料)。

  遗传资源有什么用

  “龙生九子,九子各不同”是遗传学中经常被提到的一句话,而这句话描绘的生物个体间的差异就是“变异”。孩子和父母之间不会完全一样,兄弟姐妹之间也各有特点,普通人之间的差别就更多了——“变异”是生物界普遍存在的一种现象。变异与遗传相伴存在,遗传使变异不断积累,遗传资源由此变得丰富。

  一方面,丰富的遗传资源给科学研究提供了实验对象。一定程度上,自花授粉而性状区分明显的豌豆为分离定律、自由组合定律的发现提供了便利,位于X性染色体上的果蝇白眼、红眼性状对于证实“基因位于染色体上”也至关重要。典型的遗传性状、特征性的遗传现象为遗传规律的揭示铺就道路。另一方面,珍贵的遗传资源可以造福我们的生产生活。袁隆平发现水稻雄性不孕性遗传现象,利用野生稻、栽培稻等遗传材料研发高产杂交水稻,极大地解决了粮食紧缺的问题。农业专家利用遗传材料育种,为我们提供高品质的瓜果蔬菜、肉蛋奶、棉麻丝,改善我们的生活。医学专家通过对遗传性疾病的研究,为优生优育、健康管理提供科学依据。

  随着医学的进步,目前已发现有成千上万种疾病是由遗传物质发生改变或是由致病基因所控制的,这些发病与遗传因素相关的疾病统称为遗传病。遗传病涵盖的种类很多,除了21三体综合征、地中海贫血、白化病、唇腭裂这类我们熟知的遗传病外,像高血压、糖尿病、骨质疏松、抑郁症等现代人热议的疾病也与遗传因素密切相关。为了鉴别致病的遗传因素,诊断、预防、治疗遗传病,医学工作者需要对相关人类遗传资源进行收集、整理、筛选、分析和验证,建立理论基础并不断提出新的健康管理措施,从而守护公众健康。

  最早鉴别出来的遗传病是染色体病。1958年,法国临床医生J.勒热纳发现多出一条21号染色体(即:21三体综合征或称唐氏综合征)是先天愚型的病因,这是人类分析遗传材料鉴定的第一种染色体遗传病。随后,性染色体数目异常所致的女性先天性卵巢发育不全综合征、男性先天性睾丸发育不全综合征也被发现。我国老一辈科学家吴旻院士很早就建立了染色体遗传病的产前诊断方法,并于1962年应用羊水细胞中的性染色体诊断出国内第一例先天性睾丸发育不全综合征患儿。现在,无创产前诊断技术已经普及,使万千年轻夫妇获得了健康宝宝。

  更多的遗传病是单基因遗传病或多基因遗传病。由一对等位基因发挥主要效应所控制的遗传病叫作单基因遗传病,已经发现7000多种,众多新生儿缺陷的发生与此有关。而由来自多个位点的风险基因相互作用,在一定环境因素下累积致病效应的复杂疾病叫作多基因遗传病,临床上表现出一定程度的家族倾向。

  目前,大部分遗传病的潜在致病基因还不是很清楚,全球的科学家和医务工作者都在为此孜孜以求。在这方面,我国取得了一些重要成果:比如,夏家辉院士团队克隆出神经性高频听力下降的耳聋疾病基因,实现在我国本土克隆遗传病疾病基因零的突破;沈岩院士团队潜心分析临床遗传资源,在国际上首次发现SCN9A基因突变导致红斑肢痛症。随着关键家系遗传资源的积累,高通量测序技术的进步以及关联分析、连锁分析等生物信息学方法的运用,遗传病致病基因或易感位点的研究正越来越系统深入。公众利用最新的医学进展进行遗传咨询,可以起到健康管理或优生优育的目的。

  为何要立法保护本国的人类遗传资源

  那么,既然可以针对基因开发药物,为什么各国都要立法保护本国的人类遗传资源呢?

  现在我们知道,很多药物只能对一部分人群起效。用学术一些的语言说,就是根据群体遗传学的研究,遗传病与人类群体的遗传多样性密切相关。这也是为什么各国都致力于保护本国人类遗传资源的原因之一——一方面,遗传病在不同人群中呈现不同的易感性;另一方面,靶向性药物在不同人群中也呈现不同的治疗效果。

  例如,新药上市需要严格的临床试验论证,某种药物可能只在特定遗传背景的病人身上有效。肺癌靶向药物克唑替尼就很好地说明了特定人类遗传资源对于药物研发的重要性。在做克唑替尼的临床实验时,日本科研人员发现开始接受该药治疗的肺癌患者中只有一人有效,他们没有因为该药对大部分患者无效而放弃,而是逐个分析靶点,终于将该靶向药的目标人群锁定为具有EML4-ALK融合基因遗传背景的阳性晚期非小细胞肺癌患者。因此,利用我国人类遗传资源开展临床试验,才能获得相关药品和医疗器械在我国的上市许可,而准确的基因检测常常是开展精准医疗的先决条件。

  我国现代遗传学之父谈家桢先生20世纪即致力于我国人类遗传资源的保护和利用,在他的呼吁下,我国成立了南北两个基因组研究中心,参与了人类基因组计划1%的工作。目前,全国已建成或在建包括中华民族、重大疾病、生殖遗传、特殊人群、干细胞等各类标准化、规范化的人类遗传资源保藏基础平台和大数据中心,服务于科研、技术转化和公众健康。融合互联网、人工智能等新技术的国家人类遗传资源共享服务平台也已上线,一个更加高效快捷的人类遗传资源保护、利用时代正在走来。

  总之,人类遗传资源是无价之宝。我国人口基数大、民族多、疾病类型多、家系多,具有丰富的人类遗传资源。无论是促进科学研究、守护公众健康,还是维护国家安全和社会公共利益,人类遗传资源都是一个巨大的宝藏。

  (作者:姜韶东,系中国科学院生物物理所博士)

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