金思德生物:生物学家欲启动所有生命体DNA测序!

金思德生物:生物学家欲启动所有生命体DNA测序!

  生物学家是否能够完成世界上包括印度尼西亚这只美丽的天堂鸟在内的所有的植物和动物基因测序呢?

  史无前例的宏伟计划

  一说到基因组测序,有远见的人总是能推出雄心勃勃的计划:比如英国的生物银行(Biobank)计划对50万人进行基因组测序或者冰岛致力于研究其全国所有人口的基因组数据。2017年2月,史密森尼学会生物多样性基因组学基金会和位于中国深圳的基因测序巨头华大基因公司共同组织了一场会议,部分与会研究者推出了史无前例的宏伟计划:宣布他们有意对地球上所有生命最终完成DNA测序。

  他们称之为地球生物基因组计划(EBP)的项目尚未获得任何专有资金的支持,有可能需要花费几十亿美元。加利福尼亚大学戴维斯分校的进化基因组专家的哈瑞斯•勒文(Harris Lewin)是两年前推出这一宏伟计划的专家组成员之一。他说,这项计划将朝着大胆的目标迈出第一步,首先重点关注真核物种,即包括植物、动物以及如变形虫等单细胞生物在内的所有物种。

  EBP的工作策略及其总体设想在2017年生物基因组学会上受到了广泛关注。这项盛会吸引了许多生物保护专家、进化生物学家、系统学家以及其他生物学家,他们都对将基因组学应用于其专长领域表现出了极大兴趣。“这是一个宏伟的设想,”奥利佛•莱德(Oliver Ryder)作为加利福尼亚圣迭戈动物园生物保护研究院的生物保护学家进一步解释道,“如果我们想真正地弄清楚生物到底是如何进化的,那么基因组生物学就是解开这个谜团的钥匙。”

  莱德及其同行讨论了EBP与人类基因组计划的相似之处。人类基因组计划在30年前提出的时候也被讽为痴人说梦,充满争议,当时被认为是技术上的天方夜谭。早期的不懈努力最终不仅成功完成了人类基因组的首次测序,而且开发出了全新的DNA技术,成为许多医疗研究前沿的中心,奠定了一个200亿美元产业的基础。“人们从人类基因组测序的经验中认识到,DNA测序是生物学中一个伟大的进步。”勒文说。

  许多关于EBP项目的细节还需要进一步明确。如同当前所提出的,项目的第一步是从真核生物的各科中(总共大约有9 000科)挑选出一个物种,然后尽可能详细地测定其DNA序列,从而为类似生物提供参考基因组数据,或者提供比参考人类基因组更好的数据。下一步是从15万至20万属中挑选典型物种进行测序。最后,EBP参与机构就可大致获得剩余已知150多万种真核生物的基因组数据。如果需要,这些低精度的基因组数据可以通过与同科参考物种的基因组进行对比,从而提升精度,或者进一步做详细的DNA测序,EBP的共同组织者吉恩•罗宾逊(Gene Robinson)解释道。他是一位行为基因学研究者,同时还是伊利诺伊大学厄巴纳分校卡尔•沃斯(Carl R. Woese)基因生物学研究所所长。

  如果要对整个真核物种进行DNA测序,这个项目的花费将与人类基因组测序工程相当,勒文、罗宾逊和EBP共同组织者约翰•克莱斯(John Kress)估计。克莱斯是史密森尼学会国家自然历史博物馆的进化生物学家。当年对人类基因组的30亿个碱基进行识别和测序花费了约27亿美元,约相当于现在的48亿美元。项目组织者认为,如果能够获得同等程度的支持,那么EBP的真核物种测序工作可以在10年内完成。

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  在这张生命树示意图中,所有经过命名的真核生物物种很少有完整的基因组数据,但是细菌和古生菌倒是有不少数据。在几百万种真核生物中,连低精度的基因组序列数据都非常少

  持续下降的DNA测序成本

  之所以持如此乐观的态度,是因为DNA测序的成本在持续下降。来自加利福尼亚州山景城全基因组(Complete Genome)公司的会议发言人提出,随着测序技术不断提升,他的公司计划在1年内将全部真核物种测序的成本降低到大约100美元。基因组数据精度将更高,而成本将更低。“在我看来,将来某个时候我们就可以将地球上所有的生物基因组测序工作完成。”勒文说。

  尽管研究者花费几十亿美元不去研究人类,而是去认识物质的基础理论或者宇宙的神秘本源,这令人十分不解,但是EBP已经在起步阶段获得了不少的便利,因为不少研究共同体已经在进行着自己宏伟的测序工作。这其中包括基因组10K项目,计划从10 000种脊椎动物的每属中选择一个物种进行基因组测序;i5K项目,对5 000种节肢动物进行基因组解码以及B10K项目,对所有10 500种鸟类进行基因组测序。EBP可以帮助协调、编辑甚至资助这些项目。“EBP的概念是社区的社区。”勒文说。

  DNA测序需齐心协力

  许多基因组测序领域的巨头公司也非常希望能够参与到这个庞大的项目中,例如中国的华大基因公司、英国的维康基金会桑格研究院等。但是在最近举行的规划会议上,很明显,等待EBP项目的首要挑战不只是资金问题。尽管来自巴西、中国和英国的研究者已经对本国参与到项目中表达了某种热忱,出席会议的20位代表还是强调了拓展其国际性将发展中国家纳入其中的必要性,尤其是那些生物多样性程度非常高的国家,只有这样才能提升项目的最终成果。他们建议,EBP可以在这些地区帮助开发提升测序能力、培育技术专家。全球基因组生物多样性网络正在从全球博物馆和其他生物保存机构收集物种清单和图像,能够提供相当多的所需DNA样本,但是更广泛地参与才是更重要的,托马斯•吉尔伯特(Thomas Gilbert)说。他是位于哥本哈根的丹麦国家自然历史博物馆的进化生物学家。

  规划专家组同样强调有必要开发标准程序,来保证获得高精度的基因组序列,同时还要留存每种所测序生物的相关信息。例如在何处收集到这种生物,它的外观是什么样的等等。好几位专业人士注意到,从野外获得DNA样本是最大的挑战也是最主要的开销。博物馆中的各种物种并不总是得到妥善保管,其携带的DNA并不足以保证获得高精度的基因组数据。即使最近收集并冷冻保存的植物和动物标本也不见得总能得到妥善处理并保存完整的DNA数据,供职于华大基因公司和哥本哈根大学的进化生物学家张国捷表达了担忧。缺乏标准最终会破坏项目的可利用度,纽约市洛克菲勒大学的神经学家的埃里克•贾维斯(Erich Jarvis)认为:“我们为地球上所有物种花费了大量的精力,到头来却是竹篮打水一场空。”

  勒文乐于相信这种情况不会发生。勒文在2017年生物基因组学会议的闭幕致辞中对EBP做了规划,许多研究者围绕在他身边,希望知道自己如何才能助他一臂之力。“把共同体成员聚集在一起总是好的,”何塞•洛佩兹(Jose Lopez)说,他是佛罗里达州劳德代尔堡市诺瓦东南大学的生物学家,而且他带领的团队完成了GIGA项目,对7 000种海洋无脊椎动物进行基因测序,“这项工作任重道远。我们需要让尽可能多的能够做出贡献的专业人士参与到项目中。”

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