生命科学进展论文

21 世纪是生命科学的世纪

摘要：以近20 年( 1989-2008)诺贝尔生理学或医学奖以及化学奖中与生命科学有关的奖项资料[1,2]为依据论述了 21 世纪生命科学在自然科学中的领头地位。同时,对 21 世纪生命科学的几个重要研究领域进行了评述, 其中包括人类基因组计划、基因组学与发育生物学的关系、基因组学与生物进化及生命起源的关系、生物信息学的作用和地位, 以及现代生物技术的开发应用对 21 世纪人类生活的影响。

关键词：生命科学; 生物技术; 基因组计划; 生物信息学; 基因组学

1 世纪之交, 生命科学在自然科学中的地位决定了 21 世纪是生命科学的世纪

20 世纪是自然科学发展史上最辉煌的时代。进入20世纪以来, 科学技术的发展无论在深度还是广度上,都远远超过了过去几千年的总和。其间,相对论、量子理论的提出及其产生的影响,使得人们不得不承认 20 世纪是物理学的世纪。然而,在20 世纪50 年代初所建立的DNA双螺旋结构模型的指导和引发下,近50年来生命科学在分子水平上取得了长足发展。特别是在20 世纪的最后20 年中, 生命科学的迅猛发展更加令世人瞩目。正在运行中的人类基因组计划标志着生命科学已进入大科学时代,已成为当前全球关注的热点; 1997 年宣布的体细胞克隆绵羊多利的克隆成功是 20 世纪自然科学最激动人心的科研成果之一[3];利用基因技术培育的转基因食品已摆上了普通百姓的餐桌; 基因疗法已开

始用于挽救患者的生命, 随着生命科学的发展,在不久的将来, 世界还将会有更多的奇迹出现。[4]

美国科学信息研究所出版的Science Watch每年都要公布一次全世界最热门的研究项目。1995 年和1996 年中,除各有一项外全为生命科学项目, 1997年所列的16 个项目则全部为生命科学所囊括。

作为反映当今世界科学进展的权威刊物, 美国的Science周刊每年都要评出本年度世界十大科学进展,同时对下年度的科学发展作出预测。在1997、1998 和1999 年的评选结果中, 共有一半以上的成果被生命科学领域占据。其中, 干细胞研究更是雄居1999 年度榜首。

作为反映科学研究水平的权威统计, SCI ( Science Citation Index , 科学引文索引)共

收录全世界4623种科技刊物,其中,影响因子最高的前 50 种刊物就有43 种(占86%)为生命科学刊物。

在20 世纪的前半叶,由于物理学和化学向生命科学领域的渗透,极大地推动了生命科学的发展,使生命科学由器官、组织、细胞水平发展到分子水平,而20 世纪后半叶, 分子生物学的飞速发展又反过来为物理学、化学、计算机科学和众多的应用科学提供了用武之地,一个以生命科学为核心, 多学科协同攻关的自然科学新时代已经来临[ 5]。因此, 许多世界著名的科学家纷纷发表评论, 公认21 世纪是生命科学的世纪、人类已经走进生命科学世纪。

221 世纪生命科学的几个重要研究领域

2. 1人类基因组计划是21 世纪生命科学的敲门砖

人类基因组计划(Human Genome Project, HGP)是20 世纪生命科学中最宏伟的计划, 其全称是人类基因组作图和测序计划。其总的目的是以美国为主, 通过国际合作, 在15 年( 1990- 2005 年)内由美国政府投资 30 亿美元, 完成人基因组 23 对染色体上约10 万个基因的作图(包括遗传图和物理图)和DNA全长的测序, 并进一步研究生物学和医学上有重要意义的基因的结构和功能[ 6]。

该计划自1990年正式实施以来,通过全球科学家的努力,取得了出乎意料的迅速发展。1996 年,人类基因组遗传图和物理图已基本完成, 并进入大规模测序阶段。到1999 年 6 月已完成了人类基因组5% 的测序, 1999 年底,由美、英、日三国科学家组成的研究小组测定了人体第22 对染色体所有碱基对的准确位置。该对染色体是人体23 对染色体中最小的一对, 上面共有大约6000 万个碱基对, 存在与神经纤维肉瘤等遗传性疾病有关的基因。破译出它的遗传密码,将有助于找到一些遗传性疾病的治疗方法。这一激动人心的研究进展一经公布, 立即引起生物学界的欢呼雀跃, 被中国科学家评为 1999 年度世界十

大科技进展之首。另据2000年2月20日5科学时报报道, 1999年9月, 中国科学院遗传研究所人类基因组中心获准参与HGP,负责测定人类基因组全部序列的 1%, 具体是第3 号染色体上约 30万个碱基对的序列。这使我国成为参与这一计划的唯一发展中国家。至今, 测序任务已经完成过半,已将1400 万个碱基对的数据递交给国际基因数据库。据报道,由于国际学术界的共同努力, 2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果[7]。

在对人类基因组进行大规模测序的同时, 新基因,特别是有关重大疾病基因和重要功

能基因的分离、鉴定的工作也在紧锣密鼓地开展起来。一些重要功能基因和重大疾病基因(如神经性耳聋基因、糖尿病基因、肿瘤基因、衰老相关基因等)已被克隆。随着人类基因组作图和测序计划的完成, 更为艰巨的任务是阐明基因组功能。这首先需要了解细胞的全部基因表达谱和蛋白质谱及其调控机制。分子生物学研究的重点也将从基因组转到蛋白质组。在方法学上也需要很大的突破, 创造出高效、快速、能同时检测成千上万的基因活动的方法。在这种形势下, 已经有人提出生物学已进入后基因组时代或功能基因组时代。

如果把人类基因组的核苷酸序列全部打印出来,就将达百万页之多[7],将相当于几百卷百科全书的厚度,如果进一步将其中最重要的编码人体的蛋白质(约十万种)的所有基因全部都鉴定出来, 再进一步分析、测定所有蛋白质的结构和功能,这将需要几代人甚至十几代人的不断奋斗,这将是人类历史上无与伦比的伟大壮举。这一宏伟工程的完成, 将揭示有关人体生长、发育、衰老、患病和死亡的秘密,最终将对人类社会产生不可估量的影响。

此外, 值得一提的是, 我国参加HGP 国际合作的时间虽晚, 承担的任务不大, 但在科学界的倡议下,国家自然科学基金委员会先后在1993 年和1998年组织了中华民族基因组中若干位点基因结构的研究等两项国家自然科学基金重大项目。国家 863 计划以及国家重点基础研究发展规划也从不同的角度对中国的HGP 进行了资助,已经制订了根据中国人群资源优势的特点,突出基因组多样性和疾病基因识别, 并围绕这两方面目标引进和发展人类基因组研究新技术的基本战略,成立了以上海医科大学附属瑞金医院陈竺教授为首的国家人类基因组南方研究中心,建立了全国性的遗传资源收集、保存网络,引进和建立了包括遗传和物理作图, 较大批量DNA测序、基因定位、克隆、突变检测和生物信息学等在内的较完整的基因组研究体系。在人类基因组多样性方面, 大规模地采集了我国多民族人群的DNA样品, 对包括台湾高山族在内的中国南、北方30 个不同民族、人群的源流关系进行了系统分析,并与国际上的15个参考人群进行了比较,得出了中华民族可分为南、北两大人群,史前人群迁徙由南向北推进,以及东亚人群基因库可能源于非洲的观点。另一方面, 在疾病基因研究方面,夏家辉教授领导的湖南医科大学遗传学国家重点实验室克隆了遗传性高频耳聋的致病基因。在肿瘤相关基因的研究中,中国学者在白血病和某些实体肿