我國(guó)科學(xué)家首次完全自主實(shí)施國(guó)家級(jí)人類全基因組項(xiàng)目。圖片來(lái)源:百度圖片
■本報(bào)記者 李惠鈺
屬于中國(guó)人自己獨(dú)特的基因“密碼”有望被精準(zhǔn)破譯。近日，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點(diǎn)專項(xiàng)之“中國(guó)十萬(wàn)人基因組計(jì)劃暨中國(guó)人群多組學(xué)參比數(shù)據(jù)庫(kù)與分析系統(tǒng)建設(shè)”項(xiàng)目正式啟動(dòng)，并進(jìn)入為期4年的項(xiàng)目實(shí)施階段。
“這是我國(guó)科學(xué)家首次完全自主實(shí)施的國(guó)家級(jí)人類全基因組項(xiàng)目。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈工大生物信息技術(shù)研究院院長(zhǎng)王亞東在啟動(dòng)會(huì)上介紹，項(xiàng)目組將選取十萬(wàn)中國(guó)自然人群作為研究對(duì)象，進(jìn)行基因組、暴露組、表型組等組學(xué)研究，揭示中國(guó)人群特有基因組變異、變異頻率及其影響，最終繪制完成屬于國(guó)人自己的基因組變異圖譜和多組學(xué)健康地圖。
“目前，我國(guó)在人類基因組研究方面的總體科學(xué)影響力，還不能認(rèn)為是達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。” 中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中心首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士趙國(guó)屏評(píng)價(jià)道，“在組學(xué)研究進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，結(jié)合精準(zhǔn)醫(yī)療方向?qū)嵤?lsquo;中國(guó)人群多組學(xué)參比數(shù)據(jù)庫(kù)與分析系統(tǒng)建設(shè)’這一大研究計(jì)劃，輔以正在開展的大規(guī)模人群隊(duì)列研究和正在籌劃中的‘人類表型組’計(jì)劃，是我們實(shí)現(xiàn)‘彎道超車’的大好機(jī)遇。”
為什么要選定“十萬(wàn)人”
人類基因組變異多數(shù)都是無(wú)害的，但也有些變異可導(dǎo)致疾病，如癌癥、心腦血管疾病、糖尿病等。中國(guó)十萬(wàn)人基因組計(jì)劃就是要比較全面而精準(zhǔn)地鑒定中國(guó)人的基因組變異及相關(guān)的其他組學(xué)(包括表型組)數(shù)據(jù)，形成比較完善的基因組變異參比數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)基本數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，將大大促進(jìn)我國(guó)科學(xué)和醫(yī)學(xué)工作者，鑒定與不同人群表型(包括各種復(fù)雜疾病)相關(guān)的基因組變異，以利于疾病防治，保證全民健康。
“我國(guó)尚未建立高精度的中國(guó)人參考基因組，大量精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)前沿研究缺少參考數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為我國(guó)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的重大瓶頸問題。”王亞東坦言，啟動(dòng)中國(guó)十萬(wàn)人基因組計(jì)劃就是瞄準(zhǔn)了這一瓶頸問題。
王亞東表示，該計(jì)劃將構(gòu)建世界級(jí)精度中國(guó)人參考基因組和多組學(xué)參比數(shù)據(jù)庫(kù)，這是我國(guó)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，將滿足精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究的關(guān)鍵共性需求，有助于挖掘健康和疾病的遺傳與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的相關(guān)性、建立精準(zhǔn)的疾病防治方案。
那么，為什么要選定十萬(wàn)人作為參比人群?實(shí)際上，“研究環(huán)境和基因相互作用對(duì)健康的影響，研究腫瘤等重大疾病易感性的個(gè)體遺傳差異，罕見變異(頻率低于千分之五)可能是重要的研究對(duì)象。”王亞東在接受媒體采訪時(shí)指出，我國(guó)人口接近14億，遺傳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)統(tǒng)計(jì)遺傳學(xué)理論，要達(dá)到本項(xiàng)目精確地鑒定罕見變異的目標(biāo)，即變異檢測(cè)的精度達(dá)到萬(wàn)分之一，十萬(wàn)人只是一個(gè)最小限度的基因組測(cè)序數(shù)量。
那這十萬(wàn)人又是如何選取出來(lái)的呢?一方面是依托精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究專項(xiàng)等國(guó)家科研項(xiàng)目，從已有的研究隊(duì)列中選取樣本;另一方面，項(xiàng)目還將建立一個(gè)開放的平臺(tái)，志愿者也可以參與其中。
為了保證樣本的全面性和多樣性，項(xiàng)目基本涵蓋了我國(guó)東北、西北、華北、華中、華東、華南、西南7大地區(qū)的漢族樣本。同時(shí)，還選擇了包括藏族、蒙古族、壯族、回族、滿族等9個(gè)人口數(shù)量在500萬(wàn)以上的少數(shù)民族群體，在接下來(lái)的項(xiàng)目推動(dòng)過程中，將逐步擴(kuò)展到56個(gè)民族。
實(shí)施過程將面臨重大挑戰(zhàn)
人類約有2.5萬(wàn)個(gè)基因，要想把十萬(wàn)人每個(gè)人體內(nèi)的基因密碼全部解開，面臨的首要挑戰(zhàn)就是十萬(wàn)人基因組變異檢測(cè)的計(jì)算復(fù)雜性和質(zhì)量控制。
趙國(guó)屏對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者解釋道，全基因組是指全部30億堿基長(zhǎng)的人類基因組序列。只有通過包括全基因組測(cè)序又高于現(xiàn)在常用的二代測(cè)序的方法，才能夠發(fā)現(xiàn)基因組上的單核苷酸變異(SNV)、插入/缺失變異(INDEL)和結(jié)構(gòu)變異(SV)等所有基因組變異。
“在過去的基因組計(jì)劃，雖然GWAS(全基因組關(guān)聯(lián)分析)研究曾經(jīng)用到萬(wàn)人以上的樣本，但全基因組測(cè)序的計(jì)劃從未有如此大的樣本。”趙國(guó)屏表示，該項(xiàng)目產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模巨大，數(shù)據(jù)總量可達(dá)到10PB，從基因組測(cè)序數(shù)據(jù)中檢測(cè)基因組變異的計(jì)算量巨大，可達(dá)到2000萬(wàn)CPU小時(shí)，需要建立高效的計(jì)算分析平臺(tái)完成所有數(shù)據(jù)分析工作。
除此之外，目前，國(guó)際上的基因組變異檢測(cè)方法準(zhǔn)確率較低，其中SNP準(zhǔn)確率低于99%，INDEL準(zhǔn)確率低于95%，SV準(zhǔn)確率低于90%。如何確保此次項(xiàng)目數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度也是一大難點(diǎn)。
“因此，我們需要建立高效的計(jì)算分析平臺(tái)完成所有數(shù)據(jù)分析工作，研發(fā)更高精度的基因組分析算法、軟件和工作流，以及基因組變異檢測(cè)的質(zhì)量控制體系，確保基因組變異檢測(cè)的準(zhǔn)確性。”王亞東說(shuō)。
面對(duì)龐大數(shù)據(jù)算法方面的挑戰(zhàn)，上海交通大學(xué)Bio-X研究院院長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士賀林則建議，除了算法改進(jìn)和計(jì)算機(jī)能力的更新，未來(lái)側(cè)重點(diǎn)還應(yīng)考慮放在對(duì)海量“垃圾”序列的劃界和處理上。
除此之外，賀林還對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者指出，中國(guó)十萬(wàn)人基因組計(jì)劃完成之后，立即面對(duì)的是如何解讀所得到的大量序列數(shù)據(jù)與健康和疾病之間的關(guān)系。建立遺傳咨詢行業(yè)被認(rèn)為是唯一出路，然而在我國(guó)的職業(yè)大典上，至今還找不到遺傳咨詢師這一職業(yè)。
集中力量實(shí)現(xiàn)“彎道超車”
繼成功繪制人類基因組測(cè)序“中國(guó)卷”和水稻基因組圖譜后，進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)科學(xué)家繼續(xù)向著生命科學(xué)的深處進(jìn)軍，繼續(xù)參與了人類基因組新計(jì)劃HapMap計(jì)劃、腫瘤基因組計(jì)劃和千人基因組計(jì)劃，并且在成功完成HapMap計(jì)劃的基礎(chǔ)上，針對(duì)若干重大疾病，大規(guī)模地開展GWAS研究工作，獲得了可喜的成就。
據(jù)趙國(guó)屏介紹，在過去二十年里，利用人類基因組研究的技術(shù)與知識(shí)，中國(guó)微生物(包括病毒)基因組研究進(jìn)展迅速，在傳染病防控的基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用方面迅速走向國(guó)際前沿。另外，中國(guó)在干細(xì)胞、腫瘤防治、胎兒遺傳疾病早期檢測(cè)、慢性病代謝病防治方面的進(jìn)步也有目共睹，其中干細(xì)胞的研究已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際前沿水平。但是，我國(guó)在基因組，特別是人類基因組研究方面的總體科學(xué)影響力，還達(dá)不到國(guó)際領(lǐng)先的水平。
趙國(guó)屏認(rèn)為，對(duì)基因組的研究，本質(zhì)上是對(duì)基因型的認(rèn)識(shí)。我們目前所使用的關(guān)于人類基因組的比較系統(tǒng)和可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大部分是由以西方人群為主的國(guó)際研究項(xiàng)目所提供，這對(duì)于服務(wù)中國(guó)人的健康與醫(yī)藥事業(yè)是不適應(yīng)的。另一方面，以往國(guó)際項(xiàng)目對(duì)于相應(yīng)表型信息的采集，基本上是項(xiàng)目導(dǎo)向，比較分散難以整合，再加上其中亞洲人樣本有限，也更為開展基因型與表型的相關(guān)分析帶來(lái)了基礎(chǔ)性的問題。
“造成這個(gè)問題的根本原因就是我們?cè)谶^去二十年中，對(duì)于我們自己產(chǎn)生的基因組數(shù)據(jù)的整合、交互和共享沒有組織并實(shí)施持之以恒的大規(guī)模的工程性管理、支撐、服務(wù)、研究和開發(fā)工作。”趙國(guó)屏再次強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
而此次啟動(dòng)的中國(guó)十萬(wàn)人基因組計(jì)劃正好給了我們“彎道超車”的大好機(jī)遇。中國(guó)人“多組學(xué)”相關(guān)項(xiàng)目的整合，為中國(guó)人類基因組研究走向工程化，為中國(guó)人類基因組數(shù)據(jù)能夠真正在整合與共享基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效的挖掘與研發(fā)創(chuàng)造了條件。相信這個(gè)項(xiàng)目的扎實(shí)推進(jìn)，一定能為我國(guó)健康事業(yè)和生命科學(xué)研究事業(yè)作出根本性的貢獻(xiàn)。
據(jù)悉，該項(xiàng)目設(shè)立五個(gè)課題，分別由哈爾濱工業(yè)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所、華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院等五個(gè)科研單位領(lǐng)銜，將有20個(gè)大學(xué)、科研院所和企業(yè)的166位專家學(xué)者參與到項(xiàng)目中。
“現(xiàn)在我國(guó)測(cè)序設(shè)計(jì)和分析能力是有的，但力量卻是分散的，這次項(xiàng)目是一個(gè)機(jī)會(huì)，希望能夠把力量集中起來(lái)。現(xiàn)在，在籌備的過程中，也看到了這方面希望。”趙國(guó)屏說(shuō)。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2018-01-11 第5版 技術(shù)經(jīng)濟(jì)周刊)
