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【国科科技港】为地球上的所有生命测序

2019-07-31来源:中国过滤设备网

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多国科学家宣布,将在未来10年内对地球上约150万种动物、植物、原生动物和真菌等真核生物进行基因组测序,这一雄心勃勃的计划被命名为“地球生物基因组计划”,是继人类基因组计划之后的又一个生物学“登月计划”。

 

据《自然》杂志、路透社等媒体报道,2018年11月1日,来自美国、英国、中国等国家的科学家在英国伦敦宣布,将在未来10年内对地球上约150万种动物、植物、原生动物和真菌等真核生物进行基因组测序,这一雄心勃勃的计划被命名为“地球生物基因组计划”,预计耗资47亿美元,与人类基因组计划的总支出相当(考虑通货膨胀),将对人类和地球生命的未来产生深远的影响。

 

地球生物基因组计划


地球生物基因组计划的概念是三年前提出的。2015年11月,在美国自然历史博物馆的史密森尼研究所召开的一次研讨会上,来自美国、英国、中国、巴西等国家的科学家、政府官员齐聚一堂,讨论对地球上所有生命进行基因组测序的基本思路、策略和可行性,大家一致同意测定地球上已知的主要真核生物基因组,并首次提出“地球生物基因组计划”的概念。

 

2017年1月,由史密森尼研究所和中国深圳华大基因研究院联合组织了一次新的研讨会,对地球生物基因组计划的路线图和组织结构进行了研讨,提出10年规划,讨论形成的主要共识公开发表在2018年4月的《美国科学院院刊》上。

 

根据地球生物基因组计划路线图,科学家将对不同科或属的代表性物种进行基因组测序和注释,预计涉及的物种将超过150万种。在工作策略上,将按动物、植物、原生动物和真菌的不同种属组织单独的基因组计划,便于管理,避免重复。

 

整个计划总预算47亿美元,分三期进行,共十年,其中第一期三年,主要进行计划的前期准备,比如组织框架的搭建、确定研究团队、制定统一标准、收集物种样品及进行约9000个不同科的代表性物种基因组测序工作,预计需要6亿美元,第二期四年,第三期三年,预算分别为16亿美元和25亿美元,主要进行基因组测序、分析和注释,对现有物种分类进行修订,生物多样性保护研究以及气候变化对生物多样性影响研究等等。

 

11月1日,来自美国、欧盟、中国、日本、加拿大、巴西、澳大利亚等国17个研究机构的科学家在英国伦敦宣布,地球生物基因组计划正式启动,其中英国惠康桑格研究所主持的“达尔文生命树计划”将率先启动。达尔文生命树计划将对英国现有的6.6万种物种进行基因组测序,计划前五年投资1亿英镑。桑格研究所是由全球最大慈善机构之一的惠康信托基金于1993年建立的非盈利机构,其名称则是纪念因发明蛋白质和DNA测序方法而两次获得诺贝尔化学奖的英国科学家弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger),该研究所曾承担人类基因组计划24条染色体中的8条染色体测序任务,是美国之外为人类基因组计划的完成贡献最大的国际研究机构。10月份,作为达尔文生命树计划的一部分,一个25种英国本土物种基因组计划已提前启动,以纪念桑格研究所成立25周年。

 

美国加州大学戴维斯分校是地球生物基因组计划的领导机构,该校的哈里斯·勒温(Harris Lewin)教授是该计划的主席,他在新闻发布会上表示,“地球生物基因组计划可视为新生物学的基础设施”,“有了所有现存真核生物基因组蓝图,将成为新发现的巨大来源,以理解新的生命规律、进化如何运作、保护稀有和濒危物种的新方法,以及农业和医药研究提供新的资源”。在评价率先启动的达尔文生命树计划时,勒温表示,“达尔文生命树计划是地球生物基因组计划一个非常重要的进步,将成为其他国家同行的典范。”

 

除了达尔文生命树计划,国际上还有十多个基因组计划加入地球生物基因组计划这一大家庭,包括中国深圳华大基因和国家基因库主持的万种植物基因组计划(10KP)和万种鸟类基因组计划,将分别对1万种以上的植物和真菌或鸟类进行基因组测序,目前该计划已进入样品收集阶段;还包括美国能源部联合基因组研究所发起的千种真菌基因组计划,美国农业部发起的百种农业害虫基因组计划(AG100),美国贝勒医学院发起的5000种昆虫基因组计划,丹麦哥本哈根大学领衔的国际蚂蚁基因组联盟200种蚂蚁基因组计划,以及占全球生物多样性10%的巴西组织的巴西基因组计划等。

 

地球生物基因组计划工作组宣布,所有数据都将存储在公共领域数据库中,可供研究使用,预计产生的数据量将比美国社交网站Twitter或视频网站Youtube积累的数据还要多。


源于人类基因组计划


这个庞大的地球生物基因组计划被称为继人类基因组计划之后又一个生物学“登月计划”,也正是因为人类基因组计划的成功实施奠定的科学基础、技术基础和人才基础。

 

20世纪80年末,美国能源部和国立卫生研究院相继提出人类基因组计划。1990年10月1日,美国主导的人类基因组计划正式启动,由DNA双螺旋结构发现者、诺贝尔生理或医学奖得主詹姆斯·沃森担任项目总负责人,后来法国、英国、日本、德国和中国相继加入,形成了一个庞大的国际科研合作网络。克雷格·文特尔(Craig Venter)在私人资本的支持下,提出不同于国际人类基因组计划的新思路,单挑整个人类基因组计划国际联盟,加快了人类基因组计划进程。

 

2000年6月26日,美国克林顿总统携当时人类基因组计划国际联盟负责人的弗朗西斯·柯林斯(Francis Collins)和文特尔,在美国白宫对全世界宣布,人类基因组计划工作框架图绘制完成。2003年底,人类基因组精细图谱最终完成,涵盖了约30亿碱基对序列的99%,准确率达到99.99%,含有约20500个编码蛋白质的功能基因。最终,人类基因组计划耗资27亿美元(考虑通货膨胀率,约合2018年的50亿美元)、历时13年得以完成,被誉为生命科学领域的“登月计划”和“曼哈顿原子弹计划”。

 

在此期间,在人类基因组计划国际联盟和文特尔领衔的基因组研究所(TIGR)和赛莱拉公司的数以万计科学家和研究人员的共同努力下,不仅顺利完成人类基因组测序和注释,而且破译了果蝇、线虫、酵母及十多种微生物的基因组。

 

受到人类基因组计划成功的鼓舞和启发,2016年5月,美国科学与技术办公室提出国际微生物组倡议,拟对人体、动物体、土壤、海洋和大气等各种生态系统中的微生物基因组进行系统研究,目前已获得1.21亿美元政府及社会资本资助,预计还将从各种私人公司和慈善机构获得4亿美元的支持。

 

自从2003年人类基因组计划完成以来,科学家已清楚地意识到,基因组是深入了解物种特征、阐明地球生物进化关系和保护生物多样性的重要基础。据科学家预测,地球上现存约有1000~1500万种真核生物以及数以万亿计的原核生物,其中已知的生物物种大约有230万种,但是只有不到15000种进行过全基因组或部分基因组测序,其中大多数都是细菌和古细菌等原核生物,真核生物不超过3500种,仅占已知真核生物物种的0.2%,而深度测序的真核生物则不超过100种。

 

与此同时,由于人类活动造成的气候变化、栖息地破坏、物种过度利用等问题,地球生物多样性正面临前所未有的挑战。根据世界野生生物基金的报告,代表生物多样性丰度的生命行星指数从1970年到2012年下降了58%。而国际自然保护联盟调查显示,已有超过9万的真核物种被列为受威胁物种,其中有2万种以上的生物接近灭绝。更有专家警告,到2050年,地球上约有一半的现存物种将走向灭绝,不仅威胁到地球生态系统的平衡,也将严重影响人类的食物、医药、生物材料和能源供给。

 

适时启动地球生物基因组计划,将是解决这些问题的关键。


 或将产生深远影响


启动地球生物基因组计划,在技术上也是可行的。由于人类基因组计划的积淀,基因组技术快速发展,测序速度和效率大幅提高,测序成本则从几十亿美元下降到约1000美元。与此同时,信息学、自动化和人工智能等技术的进步,都将为地球生物基因组计划的顺利实施提供巨大支撑。

 

科学家相信,通过地球生物基因组计划,将有机会鉴定更多的新物种,重新认识地球生物的进化关系、适应性和物种形成过程,了解物种在生态系统中作用,阐明物种灭绝的原因和濒危物种的命运,甚至重建对人类生存更有利的生态系统,当然还将为人类提供更多的食物、医药、材料和能源来源。根据地球生物基因组计划路线图,将有望发现至少10万种新的真核生物物种。

 

地球生物基因组计划预期经济收益也将非常可观。人类基因组计划引发的“基因组革命”,已对人类医学、动物保护、粮食安全、农业生物技术、可再生能源等方面产生巨大影响。据2012年《自然》杂志一篇文章预测,仅美国而言,人类基因组计划的投资回报率就高达141:1,而且形成了一个近万亿的新产业。虽然目前还无法估量其经济收益,但是地球生物基因组计划的科学家们预计,对几乎所有地球复杂生物进行基因组测序和注释,将带来至少与人类基因组计划相当的经济回报。


本文来源:南方周末特约撰稿  汤波



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