基因王国之二：灵感的碰撞——从基因到基因组

在《基因王国之一》中，我们正式为大家介绍了基因。相信很多人也意识到，原来科学家眼里的基因和我们普通人日常说的基因其实不大一样，而且在不同语境下，基因可能也有不一样的含义。

尽管目前基因有很多定义和理解，但是我们这里尽可能采用在学术界相对通用的认知，基因就是传统定义的可以翻译成多肽之类的标准片段，而基因组则是整个DNA上的遗传序列。

你肯定会好奇一个问题，人体到底有多少基因呢？今天，我可以大体告诉你一个数字，大概是两万到两万五千个基因。

不过，这个数字可不是那么容易得出的。为了得到这个数字，人类发起了一场全世界的大合作，也就是和曼哈顿计划、阿波罗计划并列的二十世纪三大工程之一：人类基因组计划。

人类基因组计划的图标（图片来源：wiki）

面对巨大挑战，全人类并肩作战

在桑格等人开发出DNA测序技术之后，人们开始大量使用这种技术来对基因序列进行检测。不过，这个检测的速度是很慢的。

首先，如何大量获取DNA就是一个难题，比如我们一个正常细胞只有一套DNA，这个含量是p克（皮克，万亿分之一克，也就是10^-12克）级别的。

这是什么概念呢？不考虑人体的肠道微生物和食物里的DNA，我们一个人正常情况下全身所有的DNA加起来也就是几十克，而进行测序，必须有大量的DNA，所以往往需要收集很多细胞。

这里多亏了一位叫做穆利斯的科学家，他创造性地建立了一种可以在体外（也就是实验室里），直接以原有的DNA为模板来大量扩增DNA的办法。这种办法只需要一小部分DNA作为模板，然后加上聚合酶、引物（大家可以理解为引导的DNA，分别位于DNA的两侧，一般很短）以及ATGC碱基混合物，接下来就可以在仪器上快速的把DNA以指数的速度复制出来。

这套技术有一个大家更熟悉的名字，叫聚合酶链式反应，也就是PCR。

PCR流程（图片来源：wiki）

不过，难题还没解决。要知道，PCR技术一次性的扩增的长度有限，往往是数百个碱基，而桑格开发的第一代基因测序技术，也一次性只能读取几百个碱基序列，在当时，成本大概是几十美元左右。

大家可以算一下，如果每次只能检测几百个，要想研究明白人类基因组的30亿碱基对，耗时估计需要几十年，成本更是几十亿才可能完成全部的序列检测。

这在当时，无论是哪个实验室或者哪个组织，都是无法完成的巨大挑战。

这种情况下，只能由国际合作来共克困难了。

于是，中、美、英、法、日、德六个国家一起发起了人类基因组计划，这个计划预计耗时十多年、花费30亿美元来完成对人类基因组的总体测序。我国是最晚加入这个计划的，承担了人类基因组计划的1%。

花开两朵，各表一枝

在人类基因组计划进行的同时，新技术也在不断诞生。科学界从不乏敢于创新者，以文特尔为代表的另一群科学家，决定放弃人类基因组计划采取的办法，他们采用了一种创新的技术，那就是鸟枪法。这个名称其实很通俗，意思就是“拿着枪对着一群鸟开枪”。

两种方法的背后，代表着不同的测序理念。

我们把人类基因组比作一条由ATGC组成的长长线条，第一代测序的办法就是把人类基因组分成一段一段的，然后大家各自完成每一段基因组的序列读取，这也是人类基因组计划采用的主要策略。

而文特尔则认为，压根没必要这么做！干脆把人类基因组完全打碎成更小的片段，然后直接把每一段的序列测一下，最后通过强大的计算办法来将其组合起来，举个极其简单的例子，如果有三段结果，ATGC,TGCG,CGTA,那么根据数学计算，可以将这三段组合成ATGCGTA这样的更长序列，当然，实际过程要远比这个复杂。

鸟枪法测序示意图（图片来源：nature）

于是，在2001年，两个团队几乎同时完成了人类基因组的组装，正式奠定了人类基因组的基本信息。

孰优孰劣？可没这么简单！

这里，我们需要指出几个问题。

首先，这两种技术并没有绝对的优劣之分，虽然现在学术界往往把桑格的技术称为一代测序技术，而把文特尔他们采用的技术称为二代测序技术的雏形，因为这种策略将在二代测序中大显身手。但是两种技术实际上各有千秋，一代测序技术尽管慢，但是准确度非常高，被称为测序金标准。而文特尔的技术速度快、成本低，但是准确度要低一些，并且后来的二代测序技术中既有基因组碎片化的过程，更有高通量桥式边合成边测序这种关键技术。

其次，当时并不是严格意义上的各自独立，在人类基因组计划进行中，科学家们会把阶段性成果发布出来共享。并且彼此之间技术也在互相交融发展。

最后，这次大规模的合作，其实也是两种测序技术的互相印证过程，也为二代测序的崛起奠定了基础。

在完成了人类基因组计划之后，生命科学迅速进入了新的时代，借助着新技术，人类很快实现了对许多生物的测序，小鼠、大鼠、猕猴、水稻、小麦等等，至今，已经有上万种生物实现了基因组测序，这些资源，极大地方便了科学家们对于生命医学的研究。

不过，基因组是完美版本吗？为什么还有不断进行的基因组研究呢？稍微剧透一下，在下回书中，我们将会来聊一聊基因组的研究。

编辑：孙晨宇

出品：科普中国

作者：李雷

监制：中国科普博览