基因的力量：一次北歐生命科學(xué)考察

李偉

博物館中的進化論

丹麥首都哥本哈根最著名的景點就是看海邊的美人魚像。但是有另外一個地方，常常被忽略，卻能令人大開眼界。這就是丹麥的自然歷史博物館。這座博物館包括了三個分館：動物博物館、地質(zhì)博物館和植物博物館。最有特色、藏品最出眾的，當屬動物博物館。

動物博物館的中心是一副巨型的梁龍骨架，它有17米長，超過10米高，是世界上保存最完整的6具恐龍化石之一，其40%的骨架都是由原始化石組成。這個比例在所有博物館藏品中是最高的。2009年，古生物學(xué)家萊蒙德的兒子，在美國懷俄明州的采石場發(fā)現(xiàn)了此具梁龍骨架。骨架被挖掘出之后在鹿特丹被修復(fù)組合，并進入拍賣市場。丹麥自然歷史博物館以超過650萬美元的巨資買了下來，成為博物館的標志性展品。

哥本哈根自然歷史博物館的工作人員在安裝鯨骨架，這頭鯨長14米，體重超過30噸

博物館的另一大特色是對鯨骨骼標本的收藏。丹麥地處北歐門戶，世界第一大島——格陵蘭島在其管轄之內(nèi)，鯨資源非常豐富。經(jīng)常有鯨擱淺于格陵蘭的海灘上，因此丹麥科學(xué)家有更多的機會取得這些龐然大物的標本。展館中就陳列有藍鯨骨骼標本，全長十幾米，頭骨有鏟車那么大。鯨的心臟就像一口巨大的鐘，掛在充滿保存液的玻璃缸中展出。其實，被展出的藍鯨骨骼在其家族中只能算是普通身材。作為地球最大的生物，其身長可以達到30余米。我們在博物館的倉庫里就看到了更大的藍鯨骨骼，像一列小火車。

丹麥動物博物館展示了許多特有的極地物種，如北極熊、馴鹿、麝牛，還有復(fù)原的猛犸等等?？茖W(xué)家們并非簡單陳列，而是力圖以進化論的體系與邏輯構(gòu)建展覽。比如在鯨的展室中，還展室了牛、羊等偶蹄類動物。達爾文在環(huán)游世界時，已經(jīng)知道鯨并不是魚而是哺乳動物，但他并不知道是哪些哺乳動物進入海洋后，演化成了鯨，也就是說鯨的進化路徑并不清楚。這個問題也困擾了生物學(xué)家許多年。

直到近些年基因測序技術(shù)大規(guī)模使用后，科學(xué)家們通過對基因的研究和比對后才發(fā)現(xiàn)，我們最常見的牛羊等偶蹄類動物，和鯨有相近的親緣關(guān)系。它們是鯨的近親。后來在孟加拉發(fā)掘出一種古生物化石，通過對化石DNA的提取和測序，它被認為是鯨的進入大海的祖先。這個我們從沒見過的遠古生物也被丹麥科學(xué)家們復(fù)原出來，做成了模型：它就像一只狼，但沒有了耳朵，有著鋒利的牙齒，身體更具流線型，手腳都長出了蹼，而尾巴則像蜥蜴。

華大基因為丹麥動物博物館的科學(xué)家們提供了技術(shù)支持。合作主要在生物多樣性方面，包括鴿子基因組、螞蟻基因組、社會動物行為遺傳的研究等，發(fā)表了一系列的文章。至今最突出的成果，是2014年在《科學(xué)》上以?？问桨l(fā)表的鳥類基因組系統(tǒng)演化史項目，該項目徹底解決了現(xiàn)代鳥類起源和演化的歷史爭議，是演化生物學(xué)的一次重大飛躍。

“物種從何而來、如何演化、如何發(fā)展，是生物演化研究中最基礎(chǔ)的問題?；蚪M的應(yīng)用使我們得以重現(xiàn)歷史，回答這些最根本的科學(xué)問題?！比A大基因科學(xué)家張國捷說，“這是迄今為止對同一類群物種最大規(guī)模的基因組演化歷程分析，也是我們利用比較基因組學(xué)揭示生物宏觀演化歷史的重要一步。”

Jon Fjelds？教授是張國捷在丹麥動物博物館的合作伙伴。Jon留著長長的胡子，與達爾文有幾分相似。他不僅是一名出眾的生物學(xué)家，也是一名畫家——為各種鳥類畫插圖。這些精美插圖被應(yīng)用于《科學(xué)》雜志上。在他龐大的標本倉庫中，最重要的收藏是一只渡渡鳥的頭骨和完整的內(nèi)臟標本。渡渡鳥早已滅絕，世界上只有兩處博物館保存著渡渡鳥化石。

Jon向我們解釋，鳥類是白堊紀物種大滅絕事件中的幸存者，其后它們在短期內(nèi)經(jīng)歷了一次超級物種大爆發(fā)。然而，現(xiàn)代鳥類的演化歷史和親緣關(guān)系，這一最基本的問題卻是困擾了學(xué)界數(shù)世紀的未解之謎。另外，鳥類快速演化形成了超過1萬個不同物種，產(chǎn)生這些鳥類生物多樣性背后的分子機制也知之甚少。

為了回答這些問題，華大基因與眾多科學(xué)家組成的國際鳥類基因組聯(lián)盟，共同完成了48只鳥類物種的基因組測序、組裝和全基因組比較分析。這48只鳥包括烏鴉、鴨、隼、鸚鵡、企鵝、朱鹮、啄木鳥、鷹等，囊括了現(xiàn)代鳥類的主要分支。

哥本哈根自然歷史博物館展出了很多極地動物，以進化論為主線構(gòu)建了展覽的陳列

之前所有試圖重建鳥類演化樹的努力，無論是用部分DNA測序，還是使用解剖學(xué)、行為學(xué)的特征都遇到很多的困難，所得到的演化樹之間充滿矛盾。研究人員表示，現(xiàn)代鳥類在早期發(fā)生了快速的物種形成大爆發(fā)，因為這一快速擴張的時間很短，沒有演化出足夠多的序列差異，因此很難區(qū)分早期分支的親緣關(guān)系。為了估計鳥類之間的關(guān)系圖譜和分化時間，研究人員決定采用全基因組的信息來構(gòu)建鳥類的物種演化樹。

作為研究重要成果，這棵新的鳥類演化樹徹底解決了鳥類的早期分支問題，還對一些曠日持久的相關(guān)爭議給出了確切的答案。比如，新發(fā)現(xiàn)確認了水生鳥類有三次獨立的起源;主要的陸生鳥類如鳴鳥、鸚鵡、啄木鳥、貓頭鷹、鷹、隼等都來自同一祖先;這種祖先的鳥類是頂級的捕食者，它同時也是一種在美洲已滅絕的巨型恐鳥的祖先。

全基因組分析結(jié)果提示，現(xiàn)代鳥類的擴張發(fā)生在6600萬年前的大滅絕事件前后。這次物種大滅絕事件殺死了地球上的所有恐龍，只有部分鳥類存活了下來。之前的一些研究推測現(xiàn)代鳥類的擴張應(yīng)該發(fā)生在大滅絕事件之前的1000萬年到8000萬年，而全基因組分析的結(jié)果推翻了之前的結(jié)論。

基于這些基因組數(shù)據(jù)，研究者認為僅有很少的鳥類從大滅絕事件中存活了下來。后來這些鳥類逐漸演化出了1萬多種新鳥綱（Neoaves）鳥類，95%的現(xiàn)存鳥類來自這一新鳥綱鳥類。大滅絕事件釋放的環(huán)境也許為鳥類新物種的形成創(chuàng)造了良好條件，導(dǎo)致它們在不到1500萬年的時間里快速產(chǎn)生了很多新物種，在很大程度上也解釋了為何現(xiàn)代鳥類具有如此豐富的多樣性。

基因組測序技術(shù)日漸成熟、成本下降，以及構(gòu)建演化樹計算方法和比較基因組學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，這些條件使研究人員能更好地解決這些科研難題。

上圖：哥本哈根大學(xué)的艾斯克（左）是丹麥的學(xué)術(shù)明星。他通過研究古DNA探索生物演化的歷史進程下圖：丹麥生物學(xué)家吉爾伯特教授通過基因測序研究鳥類的進化線索。他也是一名畫家——為各種鳥類畫圖

2015年6月，研究項目進一步擴展到所有鳥類，啟動了“萬種鳥類基因組”項目，預(yù)期在5年內(nèi)建構(gòu)1.05萬種現(xiàn)生鳥類的基因組圖譜，實現(xiàn)對鳥類生命之樹的數(shù)字化重建。這是國際上首次對同一大類群的所有現(xiàn)生物種進行完整的基因組研究。

用基因組研究歷史

哥本哈根大學(xué)的艾斯克（Eske Willerslev）教授是丹麥的學(xué)術(shù)明星，在電視上經(jīng)常能看到他的演講或?qū)λ牟稍L。他是大學(xué)地質(zhì)遺傳研究中心的主任，研究方向是古DNA和生物演化。如果說歷史學(xué)家只能講述最近四五千年的故事，考古學(xué)家的視野再遠一些，可以描述一兩萬年前的狀況，那么作為古DNA研究者，艾斯克將目光深入到幾十萬年前的生物世界。他最古老的一份研究樣本取自70萬年前一具被冰封的古馬骨骼。

艾斯克的辦公室里貼著一張2010年《自然》雜志的封面海報。封面文章是他與華大基因的合作成果，他們完成了世界上首個古人類基因組項目。從格陵蘭島上4000多年前薩卡克（Saqqaq）文明的一個古人類的頭發(fā)中，艾斯克提取出細胞核DNA碎片，做出了世界首例古人類全基因組的深度序列測定和解讀。這篇文章引起了巨大反響。

他對于古DNA的研究始于1999年?！白铋_始的時候為了獲得古DNA，我們在北極地區(qū)打冰柱，研究冰柱里面的DNA序列?！卑箍苏f，“通過冰柱不僅可以獲得植物的DNA，還有各種微生物DNA，偶爾也能發(fā)現(xiàn)動物DNA?！边@一學(xué)科可以研究古代環(huán)境的變化如何對生物體產(chǎn)生影響。很長時期以來，科學(xué)家們只能通過化石標本的外形來判斷標本是什么物種，對多數(shù)殘缺的樣品而言，推測往往很困難。植物的化石可以保存得比較完整一點，但是動物的化石保存下來非常困難。

2010年之后，由于新基因測序技術(shù)獲得重要發(fā)展，艾斯克發(fā)現(xiàn)許多研究工作可以借助基因測序取得突破，讓想象成為可能。其中就包括關(guān)于格陵蘭島原住民的遷徙問題，他們究竟是來自亞洲還是來自歐洲？這個問題爭論了很多年。

艾斯克此前在格陵蘭島發(fā)現(xiàn)了一個古人頭發(fā)的樣品?！爱敃r我和華大基因的同行討論后，決定用新的測序技術(shù)來研究這一樣品，但是那時候很多人覺得這是不可能的工作。因為在古樣品里，受到的污染非常嚴重，樣品里會有很多的微生物污染，所以絕大部分的樣品里都是微生物的DNA，不可能拿到人的DNA?！卑箍苏f。

在古DNA研究里有兩個很重要的挑戰(zhàn)，一個是微生物污染問題，另一個就是在制備DNA樣品時，絕對要避免引入現(xiàn)代人的DNA。因為人在操作樣品過程中，實驗者可能會把自身的DNA混雜進去。此前發(fā)表過很多人類古DNA的文章，但后來發(fā)現(xiàn)許多都是現(xiàn)代人的污染，而不是一個真實的古人DNA。“所以我們開發(fā)了一個新技術(shù)，叫DNA指紋技術(shù)，可以實時檢測在整個實驗中DNA的變化過程，以防止在實驗操作過程中，會有現(xiàn)代人的樣品和環(huán)境微生物DNA混雜進來，這個技術(shù)本身就是一個重要的突破。”艾斯克解釋說。

另一個問題是，此之前的古DNA研究僅能得到200個左右堿基長度的DNA序列。但實際上如此少的DNA片段，沒有辦法告訴我們太多的有用信息。現(xiàn)在通過新的測序技術(shù)，我們可以一下子研究整個基因組序列。

經(jīng)過反復(fù)嘗試，艾斯克和華大團隊通過各種方法的改進，最后終于獲取到了格陵蘭古人的DNA樣品。所以這篇文章發(fā)表后引起了很大的轟動，是當時全世界第一個最完整的古人全基因組序列?！耙簿褪钦f我們可以像研究現(xiàn)代人DNA序列一樣，來研究古代人DNA序列。這樣就有了可比性。例如我們可以搞清楚，在人類的遷徙過程基因交流有怎樣的變化。這是一個重要的技術(shù)性突破，有了這個技術(shù)之后我們就可以攻克很多有趣的難題?！卑箍苏f。

他很快又將這一研究方法擴展到大洋洲，希望搞清楚大洋洲古人類的緣起。他們是從非洲直接遷徙過來的，還是來自東亞？他通過對一個大洋洲古人的毛發(fā)獲得了首個大洋洲古人的全基因組序列。再通過與其他人類群體比較后發(fā)現(xiàn)，大洋洲古人包含了非洲和亞洲兩個族源，此前兩種假說都成立。

另一項研究是關(guān)于歐洲人的演化歷程——到底是先于亞洲人，還是后于亞洲人？同樣，亞洲人的演化過程，與美洲人是否同步，還是先有亞洲人，再有美洲人？通過基因測序及比對，他們發(fā)現(xiàn)早期人類遷徙是一個很快速的過程，當人類祖先走出非洲后，很快就分布到了全球各個區(qū)域。艾斯克團隊最近發(fā)表了一篇文章，研究了100多個青銅時代的古代歐洲人的DNA樣品，發(fā)現(xiàn)在那時期的歐洲人群里已經(jīng)有了非常大的多樣性，甚至已經(jīng)有中東地區(qū)的人群混雜在當時歐洲人中，說明當時人群遷徙如同今天一樣，是很頻繁的現(xiàn)象，這是超乎意外的發(fā)現(xiàn)。

在動物演化方面，艾斯克對馬骨骼化石碎片進行了基因組測序。這副化石深埋于加拿大育空領(lǐng)地薊溪遺址（Thistle Creek）古老的永久凍土層，有70萬年的歷史，是目前世界上最古老的可以獲得基因組序列的樣品。這項研究為包括遠古人類在內(nèi)的諸多已滅絕物種的基因組圖譜繪制奠定了重要的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。2014年為華大基因啟動的北極熊基因組測序研究項目提供了珍貴的北極熊群體樣品，該研究以封面故事發(fā)表在《細胞》雜志上，揭示了北極熊適應(yīng)北極極地氣候之謎。

艾斯克團隊最近的一項工作，是通過古DNA研究導(dǎo)致病原菌的演化過程。他們在古人的牙齒里發(fā)現(xiàn)許多微生物，其中有很多是病菌或者病毒。通過跟現(xiàn)代病毒的比較，可以完整地看到這種病毒不斷變化的過程。

黑死病曾是人類的噩夢，在歷史上多次爆發(fā)。但是在更遠更古老的人類樣品里，他們也發(fā)現(xiàn)了這些病菌的存在。因此，這些病毒并非只是在中世紀爆發(fā)時才開始產(chǎn)生，在遠古時代就已經(jīng)存在了。通過古DNA的技術(shù)，還可以揭開病毒或者細菌的逐漸演化的過程?！坝幸恍┎《驹缦葧r候非常致命，人一旦被感染，就會很快死去。但是宿主沒有了，對病毒的繁殖和擴散也不是有利現(xiàn)象，會導(dǎo)致病毒的滅絕?！卑箍私忉屨f，“慢慢地，在歷史演化過程中，病毒本身也在不斷地演化，演化產(chǎn)生一些變異，能夠使人更好地耐受，直到它傳播給其他個體后，之前的宿主才會死?！庇谑峭ㄟ^對古代病毒和現(xiàn)代病毒序列的比較，以及古今人類基因組變化的規(guī)律，就可以看到宿主和病毒有共同變化的趨勢，這對研究現(xiàn)代病毒的變異也很有借鑒意義。

個體化醫(yī)療

Jan Staffan Normark先生曾擔任諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎評委會秘書長，他也是一位著名的遺傳學(xué)家。每年給獲獎?wù)叽螂娫挘ㄖ@獎的消息，是Staffan的一項重要工作。由于時差原因，獲獎?wù)卟灰欢艿谝粫r間接到電話。但為了公正性，委員會必須盡快通知獲獎科學(xué)家。所以每到這個時候，Staffan就會為自己準備一些零食，一邊打電話一邊消磨時間。在辦公室里，評委們都會有一張正襟危坐的畫像，而Staffan的畫像則是蹺著二郎腿吃零食的形象。

Staffan告訴我們，諾貝爾獎的評獎有兩個標準：第一是新的發(fā)現(xiàn);第二是對新發(fā)現(xiàn)的價值認定。有的成果很快就被認為極具價值，而另一些則過了多年之后才重獲認可。這也能解釋為什么在青蒿素發(fā)現(xiàn)30多年后，屠呦呦才走上諾獎的領(lǐng)獎臺。

如果把時間軸拉長到最近半個多世紀，不難發(fā)現(xiàn)，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的“價值”，始終圍繞著以基因研究為重心的遺傳學(xué)領(lǐng)域。迄今為止，只有四人曾經(jīng)兩度獲得諾貝爾獎，而其中就有兩人是因為遺傳學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)而得獎。弗雷德·桑格兩度獲得諾貝爾化學(xué)獎，萊納斯·鮑林獲得化學(xué)獎及和平獎。這項諾貝爾獎得主的名單就像一份遺傳學(xué)發(fā)展史的名人錄：摩根、繆勒、比德爾、泰特姆、克里克、沃森、威爾金斯、尼倫伯格、莫諾、史密斯、巴爾的摩，還有科恩。

如同兩獲諾獎的英國生化學(xué)家桑格所說：“從1943年開始，（基因測序）這個主題就成了我的研究重心，這源于這項工作固有的魅力和我自身的信念，因為我深信測序?qū)斫馍镔|(zhì)非常重要?！?/p>

目前最受諾獎青睞的領(lǐng)域當屬個體化醫(yī)療，仍舊與基因研究密切相關(guān)。

個體化醫(yī)療，又稱藥物基因組學(xué)，也就是說藥物是根據(jù)患者的基因組定制的。目前，大多數(shù)藥物要么適合所有人服用，要么誰都不能用。參與藥物測試的患者都是隨機選取的，只有測試結(jié)果顯示該藥物在大規(guī)模樣本中安全有效，才能投放市場。

藥物基因組學(xué)有望改變這一狀況。不同藥物的代謝方式受到遺傳因素的影響，隨著科學(xué)家逐步解讀出這些因素，醫(yī)生應(yīng)該有可能在將來據(jù)此為患者開藥?；驒z測結(jié)果應(yīng)該能夠幫助醫(yī)生預(yù)見哪些病人對哪類特定的藥物反應(yīng)最好。此外，它還可以指引醫(yī)生避開會使特定DNA患者產(chǎn)生不良反應(yīng)的藥物，從而讓治療變得更加安全。

瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院的研究員賀兵博士，正在與華大基因合作，通過全基因測序的方法去研究糖尿病腎病的遺傳因素。他畢業(yè)于武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)院，1998年獲瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院博士。糖尿病是一種世界范圍內(nèi)的嚴重疾病，很多糖尿病患者會導(dǎo)向腎病，并引發(fā)腎衰竭?！斑@狀況可能由多種因素所致，但有明確的遺傳傾向。例如并非所有糖尿病人都會發(fā)生腎病，有家族史的危險倍增?！辟R兵說。

他的團隊正在從世界上一型糖尿病發(fā)病最高的芬蘭，收集了近90對兄弟/姊妹家庭的DNA樣品：二者均患糖尿病，但只一人有腎病，另一人無腎病為對照。DNA樣品由華大基因完成全基因組測序，以及序列結(jié)果的前期質(zhì)控分析和處理。目前重點分析蛋白編碼區(qū)以及相關(guān)的調(diào)控區(qū)的突變，初步的發(fā)現(xiàn)將進行第二輪更大樣品量（2500病人和3000對照）的統(tǒng)計學(xué)證實。最可能的致病突變進一步引入糖尿病小鼠的基因組，在動物實驗上最后證實是否發(fā)生類似人的腎病。目前賀兵的研究正在密切觀察小鼠的腎臟變化。如果能夠找到糖尿病腎病的基因，則可以對相關(guān)人群進行檢查和早期干預(yù)，并研制針對性的藥物。

借助基因研究，人類對于糖尿病已經(jīng)有了許多新的認識。在哥本哈根大學(xué)，我們見到了Torben Hansen教授，他也是諾和諾德基礎(chǔ)代謝研究中心代謝基因組學(xué)的負責人。Torben的一項主要課題便是針對糖尿病的遺傳基因研究。

格陵蘭的因紐特人是Torben的研究對象。“因紐特人的肥胖比率很高，但是他們雖然胖，卻很少有肥胖癥，健康指標也是正常的，糖尿病的發(fā)病率也不高?！彼杉舜罅恳蚣~特人的DNA樣本做測序，發(fā)現(xiàn)一個蛋白質(zhì)的表達對糖尿病形成有重要影響?！叭绻改鸽p方特定基因有突變，不能正常表達這個蛋白質(zhì)，就很容易患糖尿病。如果雙方都沒有突變，或者僅一方有，雖然肥胖，但是得肥胖癥、糖尿病的可能性就低?！盩orben說，“這就是為什么格陵蘭人只有15%的糖尿病發(fā)病率?！?/p>

他的另一項成果是針對單基因糖尿病的研究。研究人員在糖尿病患者人群中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的糖尿病類型——單基因糖尿病，它不屬于通常所說的一型或二型糖尿病，但往往會被誤診為后者。而對于單基因糖尿病患者施用胰島素通常起不到治療效果，有些甚至會加重病情或引起其他器官損傷。Torben教授與華大基因一起通過三年多的合作研究，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用基因芯片篩查的方法診斷區(qū)分單基因糖尿病，價格只有300美元。目前已有上萬個丹麥糖尿病患者使用次芯片進行篩查，調(diào)整治療方案。

Torben團隊還研究了妊娠糖尿病的問題。許多孕婦在懷孕期間患上糖尿病，但生完孩子后會好轉(zhuǎn)。Torben用10年的時間跟蹤研究了380名妊娠糖尿病患者，發(fā)現(xiàn)11%的女性在生育完后依然患有糖尿病。結(jié)合單基因糖尿病的芯片檢測，他發(fā)現(xiàn)這些依然患有糖尿病的婦女中大多有這18個基因突變中的部分突變，這些突變大大增加了妊娠糖尿病患者后期患上糖尿病的風險概率。如果孕婦事先對自己的基因狀況有了解，就可以進行適當?shù)娘L險控制和干預(yù)措施。

2001年，臨近人類基因組第一個草圖公布的時候，人類基因組計劃負責人弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）描述了對人類基因組前景的設(shè)想。他預(yù)測，到2010年，科學(xué)家將能夠解讀基因如何影響幾十種常見病，如乳腺癌和心臟疾病等，為預(yù)防性治療鋪平道路。再給醫(yī)學(xué)10年的時間，就可以使用“定制藥物”來治療這些疾病了。到2030年的時候，基因藥物會將發(fā)達國家居民的平均壽命延長到90歲。

這些大膽的預(yù)言已經(jīng)開始被逐步證明并實現(xiàn)。遺傳學(xué)已經(jīng)影響了對HIV、流感、癌癥等多種疾病的治療方案的設(shè)計。只針對特定基因型的乳腺腫瘤發(fā)揮作用的赫斯?。℉ercepin），已經(jīng)挽救了許多生命?；驒z測也使人們能夠開始預(yù)測患特定疾病的風險。目前為止，柯林斯的預(yù)言還未出錯。