在《基因王國之一》中，我們正式為大家介紹了基因。相信很多人也意識到，原來科學(xué)家眼里的基因和我們普通人日常說的基因其實(shí)不大一樣，而且在不同語境下，基因可能也有不一樣的含義。

盡管目前基因有很多定義和理解，但是我們這里盡可能采用在學(xué)術(shù)界相對通用的認(rèn)知，基因就是傳統(tǒng)定義的可以翻譯成多肽之類的標(biāo)準(zhǔn)片段，而基因組則是整個(gè)DNA上的遺傳序列。

你肯定會(huì)好奇一個(gè)問題，人體到底有多少基因呢？今天，我可以大體告訴你一個(gè)數(shù)字，大概是兩萬到兩萬五千個(gè)基因。

不過，這個(gè)數(shù)字可不是那么容易得出的。為了得到這個(gè)數(shù)字，人類發(fā)起了一場全世界的大合作，也就是和曼哈頓計(jì)劃、阿波羅計(jì)劃并列的二十世紀(jì)三大工程之一：人類基因組計(jì)劃。

人類基因組計(jì)劃的圖標(biāo)（圖片來源：wiki）

面對巨大挑戰(zhàn)，全人類并肩作戰(zhàn)

在桑格等人開發(fā)出DNA測序技術(shù)之后，人們開始大量使用這種技術(shù)來對基因序列進(jìn)行檢測。不過，這個(gè)檢測的速度是很慢的。

首先，如何大量獲取DNA就是一個(gè)難題，比如我們一個(gè)正常細(xì)胞只有一套DNA，這個(gè)含量是p克（皮克，萬億分之一克，也就是10^-12克）級別的。

這是什么概念呢？不考慮人體的腸道微生物和食物里的DNA，我們一個(gè)人正常情況下全身所有的DNA加起來也就是幾十克，而進(jìn)行測序，必須有大量的DNA，所以往往需要收集很多細(xì)胞。

這里多虧了一位叫做穆利斯的科學(xué)家，他創(chuàng)造性地建立了一種可以在體外（也就是實(shí)驗(yàn)室里），直接以原有的DNA為模板來大量擴(kuò)增DNA的辦法。這種辦法只需要一小部分DNA作為模板，然后加上聚合酶、引物（大家可以理解為引導(dǎo)的DNA，分別位于DNA的兩側(cè)，一般很短）以及ATGC堿基混合物，接下來就可以在儀器上快速的把DNA以指數(shù)的速度復(fù)制出來。

這套技術(shù)有一個(gè)大家更熟悉的名字，叫聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，也就是PCR。

PCR流程（圖片來源：wiki）

不過，難題還沒解決。要知道，PCR技術(shù)一次性的擴(kuò)增的長度有限，往往是數(shù)百個(gè)堿基，而桑格開發(fā)的第一代基因測序技術(shù)，也一次性只能讀取幾百個(gè)堿基序列，在當(dāng)時(shí)，成本大概是幾十美元左右。

大家可以算一下，如果每次只能檢測幾百個(gè)，要想研究明白人類基因組的30億堿基對，耗時(shí)估計(jì)需要幾十年，成本更是幾十億才可能完成全部的序列檢測。

這在當(dāng)時(shí)，無論是哪個(gè)實(shí)驗(yàn)室或者哪個(gè)組織，都是無法完成的巨大挑戰(zhàn)。

這種情況下，只能由國際合作來共克困難了。

于是，中、美、英、法、日、德六個(gè)國家一起發(fā)起了人類基因組計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃預(yù)計(jì)耗時(shí)十多年、花費(fèi)30億美元來完成對人類基因組的總體測序。我國是最晚加入這個(gè)計(jì)劃的，承擔(dān)了人類基因組計(jì)劃的1%。

花開兩朵，各表一枝

在人類基因組計(jì)劃進(jìn)行的同時(shí)，新技術(shù)也在不斷誕生?？茖W(xué)界從不乏敢于創(chuàng)新者，以文特爾為代表的另一群科學(xué)家，決定放棄人類基因組計(jì)劃采取的辦法，他們采用了一種創(chuàng)新的技術(shù)，那就是鳥槍法。這個(gè)名稱其實(shí)很通俗，意思就是“拿著槍對著一群鳥開槍”。

兩種方法的背后，代表著不同的測序理念。

我們把人類基因組比作一條由ATGC組成的長長線條，第一代測序的辦法就是把人類基因組分成一段一段的，然后大家各自完成每一段基因組的序列讀取，這也是人類基因組計(jì)劃采用的主要策略。

而文特爾則認(rèn)為，壓根沒必要這么做！干脆把人類基因組完全打碎成更小的片段，然后直接把每一段的序列測一下，最后通過強(qiáng)大的計(jì)算辦法來將其組合起來，舉個(gè)極其簡單的例子，如果有三段結(jié)果，ATGC,TGCG,CGTA,那么根據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算，可以將這三段組合成ATGCGTA這樣的更長序列，當(dāng)然，實(shí)際過程要遠(yuǎn)比這個(gè)復(fù)雜。

鳥槍法測序示意圖（圖片來源：nature）

于是，在2001年，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)完成了人類基因組的組裝，正式奠定了人類基因組的基本信息。

孰優(yōu)孰劣？可沒這么簡單！

這里，我們需要指出幾個(gè)問題。

首先，這兩種技術(shù)并沒有絕對的優(yōu)劣之分，雖然現(xiàn)在學(xué)術(shù)界往往把桑格的技術(shù)稱為一代測序技術(shù)，而把文特爾他們采用的技術(shù)稱為二代測序技術(shù)的雛形，因?yàn)檫@種策略將在二代測序中大顯身手。但是兩種技術(shù)實(shí)際上各有千秋，一代測序技術(shù)盡管慢，但是準(zhǔn)確度非常高，被稱為測序金標(biāo)準(zhǔn)。而文特爾的技術(shù)速度快、成本低，但是準(zhǔn)確度要低一些，并且后來的二代測序技術(shù)中既有基因組碎片化的過程，更有高通量橋式邊合成邊測序這種關(guān)鍵技術(shù)。

其次，當(dāng)時(shí)并不是嚴(yán)格意義上的各自獨(dú)立，在人類基因組計(jì)劃進(jìn)行中，科學(xué)家們會(huì)把階段性成果發(fā)布出來共享。并且彼此之間技術(shù)也在互相交融發(fā)展。

最后，這次大規(guī)模的合作，其實(shí)也是兩種測序技術(shù)的互相印證過程，也為二代測序的崛起奠定了基礎(chǔ)。

在完成了人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)迅速進(jìn)入了新的時(shí)代，借助著新技術(shù)，人類很快實(shí)現(xiàn)了對許多生物的測序，小鼠、大鼠、獼猴、水稻、小麥等等，至今，已經(jīng)有上萬種生物實(shí)現(xiàn)了基因組測序，這些資源，極大地方便了科學(xué)家們對于生命醫(yī)學(xué)的研究。

不過，基因組是完美版本嗎？為什么還有不斷進(jìn)行的基因組研究呢？稍微劇透一下，在下回書中，我們將會(huì)來聊一聊基因組的研究。

編輯：孫晨宇

出品：科普中國

作者：李雷

監(jiān)制：中國科普博覽