《生物经济:一个革命性时代的到来》刘沐芸博士访谈录 节选六

作者:刘沐芸    来源:个体化细胞治疗技术国地实验室

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面向未来的生物经济时代,才刚刚开始



刘沐芸博士访谈录






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组学的深入研究,有利于我们对生物系统的全面理解

“‘组学’研究的大一统正在进行中,而‘生命密码’作为基因合成领域的核心研究,代表了未来10年、甚至是21世纪生物学的研究方向。DNA不仅是生物学刚刚兴起的一门‘通用语’,还注定是21世纪生物学编年史上浓墨重彩的主要篇章。”您预测,组学时代还会有哪些亟待去研究的领域?从测序角度看,“生命之树”还有哪些亟待采摘的果实?

刘沐芸

组学是一门新兴技术的合称,是有助于我们全面识别和量化理解生物系统在某一个特定的时间点的全部分子合集的技术。组学和分子技术指的是,研究、病能工程设计、合成或修饰相同“omes”技术。生物系统指的是细胞、组织、器官和生物体液或有机体等。能用于绘制和测量细胞内的分子和旁路,在帮助我们理解细胞的同时,能指导我们实现细胞的工程化设计、改造等。比如,CRISPR技术能让我们可以更高效、更精准地实现基因的编辑。


总体上,组学包含了“细胞内遗传信息”,比如表观遗传、转录组、蛋白质组等;“细胞内代谢产物”比如代谢组、糖组学等,以及微生物组、单细胞组等其他组学。关于组学的研究,确实是由于多因素的重合,如读取、分析、存储等工具的出现和迭代等的交互融合,我们在基因组学的读取方面取得了较大进展,随着测序读取工具的普及、计算机性能的提升和成本的下降,学界在进一步向基因组研究、开发纵深推进的同时,也逐步在向其他组学研究拓展


为什么我们说,组学的深入研究有利于我们对生物系统的全面理解,我们要全面由当前的“读取”走向“编辑”的话,不仅需要掌握生命设计图(基因组),还需要掌握其他生命系统的具体“活动”和“开关”如调控、转录、翻译等反应细胞内的遗传信息,对细胞内代谢产物和其他如微生物组学等组学有深入了解。因此,从总体科学研究里程碑的推进来看,还需要对不同的组学进行纵向深入研究,以及组学间的横向融合研究、分析。不同的组学其特征不一样,如基因组是生命的设计图,相对较为静态,有的是即时性、动态变化的,如代谢组学,有的是执行具体操作的,如转录组等。因此,需要有对应的工具,算法和专业的研究团队。


基因测序的快速进展受益于工具、设施和分析方法的同步进步,其他组学的研究也需要辅以不同的工具、匹配的分析方法或算法获取信息。我们说一个学科的进步有几个因素在驱动,一是来自下游用户的需求,二是要有合适的工具,三要有研究团队持续参与,四是法律法规等社会因素的支持,以及合格标本的可获得性和持续性,更需要有稳定的资金持续予以支持,以及部分技术成果转化时下游应用市场的看好,基于下游的应用市场的潜能爆发,具有远见的资本逆向支持和培育、加速下游应用市场形成的工具、技术和产品开发应用,缩短开发周期也很重要。



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亟须建立一个国家层面统一归口的生物数据库

“人类基因组正是一张藏宝图,它开启了新天地的大门,而探索这个基因组新世界的寻宝竞赛正在火热进行中”,“地球上还有极多的DNA有待人类探索,大部分的物种和基因都在等待人类发现”,“随着技术进步,以及人类与日俱增的雄心壮志和好奇心,各种基因组计划的规模也随之迅速扩张。”能否介绍一下主要国家在基因组计划方面的“作为”如何?中国作为一个发展中大国,是否应该更加有所作为?
刘沐芸

选几个有代表的讲一下。美国的“All of Us Research Program”,其主要目标为是鉴定新的癌症亚型,与药厂等私人部门合作测试精准疗法的临床效果,拓展对癌症疗法的认识(抗药性、肿瘤复发等),并汇编代表性样本中的详细健康数据,以便科学家更好地了解疾病机制,并更快推动个性化治疗的发展。拟纳入100万人,研究预算14.55亿美元,为期10年。


法国的法国基因组医疗2025(France Génomique),其主要目标为将法国打造成世界基因组医疗领先国家,将基因组医疗整合至患者常规检测流程,建立起一个国家基因组医疗产业,从而推动国家创新和经济增长。拟纳入样本50万人,研究经费6.7亿欧元,研究期限10年。


英国的十万人基因组计划(100,000 Genomes Project),主要研究目标为推进基因组医疗整合至英国国家医疗服务体系,并使英国在该领域引领全球;加速对癌症和罕见病的了解,从而提升有助于患者的诊断和精准治疗;促进基因组领域的私人投资和商业活动;提升公众对基因组医疗的知识和支持。拟纳入样本10万人,研究经费2.4亿英镑,研究期限5年。


澳大利亚的基因组学健康未来使命(Australian Genomics Health Futures Mission),其主要研究目标为罕见疾病、罕见癌症和复杂疾病的“旗舰式”临床研究;将技术应用转化为患者护理的临床试验;加强学术和研究合作。这项行动还将制定国家标准和方案,以加强数据采集和分析;提升基因组学对更广泛社区的价值;并鼓励政府与慈善家和企业建立伙伴关系。样本数10万人,研究经费5亿澳元(约合3.7亿美元);研究期限10年。


日本的罕见病和未确诊疾病计划(IRUD),其主要研究目标为针对目前发现的单个病理突变来开发创新候选药物,将新型技术应用在NGS基因组分析尚未解决的病例上,以及促进国际数据共享。研究经费达7亿日元/年,这是一项长期研究项目。


中国迫切要做的是建立一个国家层面统一归口的生物数据库,将中国不同层级资助研究项目产生的数据归口汇聚,统一管理,首先完成国内的同一数据库的开放共享,然后与国际交互共享和互相备份,尽快扭转我国数据在国内没有归口、反而是归口国际三大数据库(美国、欧盟和日本)的发展态势



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是时候全新思考人与自然的关系了

伴随地球生物多样性的减少,《基因组革命:基因技术如何改变人类的未来》一书指出“目前的物种灭绝速率已高出背景灭绝速率,甚至比地质时代那五次大灭绝时期的平均灭绝速率还要高”“我们才在短短300年间就失去了75%的的动植物物种”,甚至预言“300年后,人类也极有可能要面对地球史上第六次大灭绝,即‘人类大灭绝’的到来”,对这样的分析和预测,您怎么看?
刘沐芸

COVID-19爆发之前,我们谁都无法想象,会有一个事件对我们的工作、生活、社交产生如此深远的影响,不仅重塑了我们的工作形态,也重塑了我们的社会关系,重塑了我们对“人与自然”关系的思考与认识,共生与和谐

突发的COVID-19大流行,让我们重新认识了大自然的力量,一种未知的病毒经由自然潜入人类生活的社区,然后迅速扩散至全世界,截止目前,感染人数仍在不断攀升。COVID-19爆发以来,我们都致力于找到病毒的源头,但在寻找源头的同时,我们也应该思考我们与自然的关系,以及我们与自然该如何共处。

因为,每一次新发病毒及其导致的传染病,其实都反映了复杂生态系统中人、动物、病菌和环境之间的平衡被破坏后重新平衡的一个动态调节过程。在人类发展历史中,大流行病并不只有这一次,从人类结束游牧的狩猎生活进入定居的农耕生活开始,人类生活方式的转变就标志着人类与自然之间的关系开始了系统、广泛的改变。

自公元前430年的雅典发生瘟疫开始,人类历史上总计发生了17次传染性疾病大流行,几乎每次传染病大流行的背后都有人类行为变化的印迹。驯养家禽、家畜后出现的动物源性传染病,比如天花、恶性疟疾、麻疹、肺鼠疫等,这些新发的传染病反过来给人类社会带来灾难性影响。

公元541年的贾斯丁瘟疫和1348年的黑死病造成的死亡人数是历史性的。1918年的流感大流行造成的死亡人数超过5000万,1981年出现的艾滋病至少导致3700万人死亡。后续还发生了2009年的禽流感、2014年的基孔肯雅病、2015年的寨卡病毒,以及2014年出现并一直延续至今的埃博拉病毒等。因为人类行为的改变有意、无意间改变了病毒或病原菌赖以生存的寄生环境,促使病原菌发生宿主迁移(Host-switching),这就需要病原菌自身发生一些基因序列的改变以便能适应新的宿主。近20年内出现的几次冠状病毒流行病较为典型地体现了这一特征。

冠状病毒一直存在于自然界,包括2002至2003年的SARS-CoV,2012年的MERS-Cov,2019年底出现至今并引发COVID-19大流行的SARS-Cov-2,迄今为止引发了3次传染病流行。相同的是,病毒都是经由中间宿主跳跃到人类;不同的是,前两种都是在出现症状后才有传染性,而后者具有无症状传染的特征。这是否也是一种病毒为了适应新宿主而产生的进化呢?是否从另一种角度表明,多重、复杂的环境变化使人类社会已进入大流行时代?

只是,我们能为此做出改变吗?
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