美国病毒学家R·杜尔贝科1986年3月7日在美国《科学》杂志上发表了一篇题为《癌症研究的转折点——人类基因组的全序列分析》的文章,他指出:“人类DNA序列是人类的真谛,这个世界上发生的一切事情,都与这一序列息息相关。”该文后来被称为“人类基因组计划”的“标书”。
杜尔贝科与人类基因组计划
1989年,美国国立卫生研究院成立了以沃森任主任人的人类染色体研究中心。1990年,美国启动了“人类基因组计划”。这一计划由多国科学家参加,被称为“生命科学阿波罗计划”。
“人类基因组计划”的主要任务包括:找出人类DNA上的所有基因,确定30亿个碱基对的排列顺序;建立相应的数据库,进行数据分析,并分析此计划可能带来的人种、伦理及社会问题;对一些动物的遗传组成进行研究,包括大肠杆菌,果蝇和小白鼠等。
基因组,是指生物体内包括基因的所有DNA。人类基因组计划要测定的是人体23对染色体中的所有DNA的序列,它由31.647亿个碱基对组成,共有3万至3.5万个基因。换句话说,生命天书是由30多亿个字写成的,如果将这30多亿字排版到一张报纸上,那么大约需要20万页纸才能排完这部巨著。由此可以看出,读取这部巨著所要耗费的时间将是如何的惊人。如果没有先进技术方法作后盾,要想完整阅读这部书是很难想象的。
在“人类基因组计划”开始启动时,预计要用15年完成测序。但由于技术的发展,整个计划完成的时间一再提前。2001年2月12日,中、美、日、德、法、英等国科学家和美国塞莱拉公司联合公布了人类基因组图谱和初步分析结果。
“从小他就是一个思想很活跃的孩子,他常把各种东西混到一起。3岁时,他把鸡蛋打碎搅成油漆把房子刷成了黄色。他收集昆虫和蛆。我想当时对他很不理解。现在我才明白这是因为他的思维太活跃了。”这是PCR的发明者、美国生在得知儿子获诺贝尔奖之后说的话。正如他母亲所说的,穆利斯是一个从小就思想异常活跃的人。
PCR是聚合酶链反应的简称,它能在短时间内使DNA大量扩增。1983年,穆利斯回乡下度假途中的一个突发奇想:如果找到一种办法操纵分子复制技术这个环节的话,那么目标DNA不就可以以指数形式扩增了吗?穆利斯这一想法使分子生物学实验操作程序大为简化,将大量的人力、精力和时间从繁琐的重复性劳动中解放了出来。PCR因此被称为“DNA分子的拷贝机”。
如今,PCR技术应用已不再局限于分子生物学领域,它在基础医学、临床医学、人类基因组测序及法医学等领域都作出了巨大的贡献。
“人类基因组计划”中另一项发挥重要作用的测序技术就是“霰弹法”。这一技术是先将DNA从细胞核中分离出来,然后利用声波将每条染色体分为极小的片段,一共6000万片,再把每一片插入一台机器人控制的机器,由它进行高速解码,破译的结果传送给超级计算机,由超级计算机把每一片段重新组装成人体的23对染色体。换句话说,霰弹法好比拼图游戏,把拼图打乱重新组装起来。
1991年,美国科学家兼企业家文特尔开发了这项技术。1998年,文特尔组建了塞莱拉公司,他自己担任公司总裁和首席科技官。文特尔宣称他的将在3年内完成由“人类基因组计划”的研究工作!此后,“人类基因组计划”领导人科林斯与文特尔展开了科学竞赛,后来,美国总统克林顿出面调解,才使得两人合起手来。2000年6月26日,他们联合宣布成功绘制出人类基因组草图,而文特尔领导的塞莱拉公司仅用了两年时间就完成了这一工作!
文特尔
从小就得了一种罕见的疾病,缺乏视觉记忆功能。他勉强获得了高中毕业的文凭。参加越南战争回国后,他进入加利福尼亚大学圣地亚哥分校刻苦攻读生物化学。毕业后他获得了生理学和药理学博士学位,从此走上科研之路。文特尔敢于和实力雄厚的“人类基因组计划”竞争,一方面和他永不服输的性格有莫大的关系,另一方面也是因为他掌握着了强有力的测序技术——霰弹法。
生物芯片技术中发展最成熟和实现商品化的产品就是基因芯片。除了基因芯片之外,生物芯片还包括蛋白质芯片、芯片实验室等。基因芯片又称DNA芯片或DNA微阵列。它与我们计算机芯片相似,只不过它的材料不是半导体管,而是核酸分子。所谓探针,只是一段碱基序列,在探针上连接上一些可检测的物质,根据碱基互补的原理,利用但测到基因混合物中的特定基因。
基因芯片与传统的基因序列测定技术相比较,它的破译和检测基因速度非常快。目前,这一技术主要在基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面广泛应用。
它给分子生物学、细胞生物学及医学领域带来新的革命,成为后基因时代最重要的基因功能分析技术之一。