文｜觀察未來(lái)科技
人類的基因組常被比作是一本書寫生命的“天書”——人類憑借A、T、C、G四種堿基，卻配對(duì)出了高達(dá)60億的可能，堿基的無(wú)窮組合也蘊(yùn)含著人類進(jìn)化、生老病死的奧秘，而DNA則分布在23對(duì)染色體中。
2000年6月，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)比爾·克林頓在白宮東廳宣布，人類基因組草圖已公布，他稱之為“人類有史以來(lái)最重要、最神奇的遺傳圖譜”。
基因組的公布，徹底改變了人類遺傳學(xué)的方向。除了“基因改造”——通過(guò)改造基因來(lái)影響疾病、選擇與命運(yùn)外，另一個(gè)重要的方向就是“基因診斷”，要知道，基因可用于預(yù)測(cè)或明確疾病、身份、選擇以及命運(yùn)。
從基因解讀到疾病預(yù)測(cè)
人類基因組就是一個(gè)人所有的DNA，含有約31.6億個(gè)DNA堿基對(duì)，包括大約2-3萬(wàn)個(gè)基因。這些基因中除了編碼蛋白質(zhì)的兩萬(wàn)多個(gè)基因之外，還包含了數(shù)千個(gè)RNA基因。如果從單個(gè)細(xì)胞中取出并拉伸成鏈，長(zhǎng)度能夠達(dá)到2米。
這些基因分片段組合，通常被分成23對(duì)，稱為染色體，其中包括22對(duì)常染色體，1對(duì)性染色體。基因不僅可以通過(guò)復(fù)制把遺傳信息傳遞給下一代，還可以使遺傳信息得到表達(dá)。不同人種之間頭發(fā)、膚色、眼睛、鼻子等不同，都是基因之間的差異導(dǎo)致的。
2001年，人類啟動(dòng)了解碼人類基因組的計(jì)劃，成為醫(yī)學(xué)和遺傳學(xué)的里程碑。2003年，人類基因組計(jì)劃基本完成，不過(guò)，受到當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，最后得出的圖譜并不算完美——“人類基因組計(jì)劃”的科學(xué)家們從染色體DNA中獲得了大量的短序列，這些短序列與相鄰區(qū)域重疊，構(gòu)成更大的連續(xù)序列——重疊群。
人類基因組圖譜的最新版本于2013年發(fā)布，被稱為GRCh38。從那時(shí)起，它就被反復(fù)修補(bǔ)。然而，一直以來(lái)，它仍然缺少5%-10%的基因組，包括所有的著絲粒和其他困難區(qū)域，如編碼核糖體RNA序列的大量基因。這些缺失的基因組藏于大量重復(fù)基因拷貝的長(zhǎng)序列中。直到今年4月，人類基因組的完整序列才首次在Science上重磅發(fā)布。
完整的基因測(cè)序開創(chuàng)了基因組學(xué)的新時(shí)代，隨著人類基因組逐漸被破譯，一張生命之圖將被繪就，人們的生活也將發(fā)巨大變化。人類對(duì)人類本身的了解還將邁上新的臺(tái)階，很多疾病的病因?qū)⒈唤议_，治療方案就能“對(duì)因下藥”，生活起居、飲食習(xí)慣也有可能根據(jù)基因情況進(jìn)行調(diào)整。
不僅如此，對(duì)于基因組的認(rèn)識(shí)，還為基因診斷開辟了道路。史蒂夫．賈伯斯（Steve Jobs）是全世界最早分析自己基因的二十人之一。2003 年 10月，賈伯斯被碓診罹患胰腺癌，而且還是只有 1%的美國(guó)胰腺癌患者會(huì)罹患的罕見(jiàn)胰腺癌“胰島細(xì)胞神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤”。
賈伯斯在 2004 年接受了胰腺癌手術(shù)，但2008 年病情復(fù)發(fā)。2009年他還接受了活體肝移植手術(shù)。賈伯斯在因第二次癌癥復(fù)發(fā)而接受治療時(shí)，訪問(wèn)了布洛德研究所（Broad Institute）——布洛德研究所是哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院共同創(chuàng)辦的全球基因分析領(lǐng)域中最著名的機(jī)構(gòu)之一，曾主導(dǎo)人類基因組計(jì)劃。
賈伯斯發(fā)現(xiàn)，要用當(dāng)前的醫(yī)學(xué)技術(shù)冶療自己罹患的罕見(jiàn)癌癥存在著局限性，因此他希望能根據(jù)自己的基因開發(fā)出新的藥物。他讓硏究所解讀了他的部分基因組定序，并以此為基礎(chǔ)接受了預(yù)期效果最佳的癌癥標(biāo)靶治療。研究所透過(guò)基因分析找到了誘發(fā)癌癥的突變基因，遺憾的是，當(dāng)時(shí)并末開發(fā)出適合賈伯斯的藥物。
賈伯斯身體狀況極度惡化，最終離開了人世。雖然賈伯斯最終還是逝世，但他接受的基因組分析技術(shù)后來(lái)卻被用于醫(yī)院診療。比爾蓋茨和賴?yán)づ寮褪窃谥蕾Z伯斯秘密進(jìn)行了基因信息分析后，對(duì)布洛德研究所創(chuàng)立的基因組分析創(chuàng)投公司Foundation Medicine 進(jìn)行了投資。
Foundation Medicine 從2012 年至今分析了 300 多個(gè)與癌癥有關(guān)的基因，專門為患者找出適合自己的抗癌藥物。不過(guò)，盡管基于基因分析的個(gè)人化醫(yī)療具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但費(fèi)用卻非常昂貴，以致目前仍未普及。賈伯斯在 2011 年分析個(gè)人基因組時(shí)就花了超過(guò) 10萬(wàn)美元。
然而，如今，隨著基因分析市場(chǎng)創(chuàng)新性地發(fā)展，基因分析費(fèi)用已大幅下降。現(xiàn)在只要花 100 美元左右，就能通過(guò)美國(guó)企業(yè)llumina基于新一代定序的新平臺(tái)NovaSeq來(lái)解讀一個(gè)人的所有基因。隨著費(fèi)用下降，現(xiàn)在，基因檢查已經(jīng)普及到了一定的程度?？梢哉f(shuō)，個(gè)性化診斷和治療成為現(xiàn)實(shí)，只是早晚的問(wèn)題。
“配方”而非“藍(lán)圖”
雖然解讀基因讓疾病預(yù)先診斷成為可能，但是基因始終只是“配方”而非“藍(lán)圖”，這也為基因診斷帶來(lái)了諸多的不確定性。
“精神分裂癥”是一種獨(dú)特的心理疾病，精神分裂癥患者們經(jīng)常會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)重的認(rèn)知功能障礙（思維崩潰）。這種疾病在歷史上曾被稱為早發(fā)性癡呆癥。
精神分裂癥患者多見(jiàn)于青年男性，他們將緩慢經(jīng)歷不可逆的認(rèn)知功能衰退，并且會(huì)在幻聽的控制下做出古怪的行為。此外，這些患者的腦海中會(huì)反復(fù)出現(xiàn)各種幻想，而他們組織信息與執(zhí)行任務(wù)的能力也將喪失，同時(shí)會(huì)伴有新詞、恐懼與焦慮的產(chǎn)生，似乎整個(gè)人完全變了一個(gè)模樣。最終，這些患者將喪失全部理性并深陷精神廢墟的迷宮。
就像許多其他遺傳病一樣，精神分裂癥也分為家族性與散發(fā)性兩大類。在某些具有精神分裂癥患者的家族中，這種疾病能夠在幾代人之間傳遞。實(shí)際上，關(guān)于精神分裂癥的第一條病因?qū)W線索正是來(lái)自雙胞胎實(shí)驗(yàn)。
20世紀(jì)70年代，研究結(jié)果表明該病在雙胞胎之間具有驚人程度的一致性。在同卵雙胞胎中，兩位雙胞胎均患有精神分裂癥的概率為30%～50%，而在異卵雙胞胎中，這個(gè)數(shù)字僅為10%～20%。如果精神分裂癥的定義能夠拓寬到將輕度社會(huì)與行為障礙也包含在內(nèi)，那么同卵雙胞胎患病的一致性將提升到80%。
20世紀(jì)80年代，許多雙胞胎實(shí)驗(yàn)都進(jìn)一步證實(shí)精神分裂癥具有遺傳因素。在綜合各方數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，人們發(fā)現(xiàn)同卵雙胞胎之間的一致性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出異卵雙胞胎，從而充分說(shuō)明了遺傳因素在精神分裂癥中的作用。此外，完整的精神分裂癥與躁郁癥家族史也是反映該病存在遺傳因素的重要證據(jù)。
終于，20世紀(jì)90年代末期，隨著大規(guī)模平行DNA測(cè)序或新一代測(cè)序技術(shù)等新興DNA測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，遺傳學(xué)家可以對(duì)任何人類基因組中數(shù)以億計(jì)的堿基對(duì)進(jìn)行測(cè)序。2013年，在某項(xiàng)涉及散發(fā)性精神分裂癥的大型研究中，人們對(duì)623位青年患者（他們的父母與同胞均未患?。┑募易宄蓡T進(jìn)行了基因測(cè)序。
研究人員在617位患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)父母雙方都沒(méi)有的突變。平均而言，每位患者體內(nèi)只會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變，當(dāng)然偶爾某位患者體內(nèi)也會(huì)存在多個(gè)突變。其中將近80%的突變都出現(xiàn)在父本染色體上，同時(shí)患者父親的年齡也是一項(xiàng)重要的風(fēng)險(xiǎn)因素，而這說(shuō)明突變可能發(fā)生在精子形成階段。可以預(yù)見(jiàn)的是，許多此類突變涉及的基因都與神經(jīng)元之間的突觸或神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育有關(guān)。
但問(wèn)題是，哪些基因與家族性精神分裂癥有關(guān)？事實(shí)是，鑒定這些復(fù)雜的家族性疾病相關(guān)基因非常困難。在某種疾病中尋找散發(fā)性或者自發(fā)性突變基因的希望非常渺茫。雖然我們可以通過(guò)比較來(lái)鑒別兩套基因組之間的細(xì)微差異，但是這種方法對(duì)于數(shù)據(jù)規(guī)模與計(jì)算能力的要求非?？量?。而尋找導(dǎo)致家族性疾病的多個(gè)基因變異就像是大海撈針。
究竟哪些基因突變的組合會(huì)增加患病風(fēng)險(xiǎn)，哪些部分又毫無(wú)意義？按照遺傳學(xué)原理，父母與子女自然而然地共享著部分基因組，但是哪些共享部分又與遺傳病相關(guān)？換言之，大多數(shù)基因更像是“配方”而不是“藍(lán)圖”。
雖然基因不能指定具體成分，但是卻可以把控全局，其作用更像是某種類型的公式。如果我們修改了原有的藍(lán)圖，那么最后的產(chǎn)品也必定會(huì)發(fā)生變化。
比如，機(jī)器設(shè)備中不會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中沒(méi)有的零件。但是調(diào)整配方或公式卻未必能讓產(chǎn)品按照我們的意愿改變：如果我們?cè)谧龅案獾臅r(shí)候?qū)ⅫS油的用量翻了兩番，那么其效果將與原來(lái)的蛋糕大相徑庭。也就是說(shuō)，我們不能根據(jù)孤立基因突變的檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)詮釋它們對(duì)于形態(tài)與命運(yùn)的影響。
并且，某些基因的本質(zhì)仍然無(wú)法預(yù)測(cè)，而這種限制帶來(lái)的意義可能更加深遠(yuǎn)。大多數(shù)基因?qū)⑼ㄟ^(guò)與觸發(fā)器——環(huán)境、概率、行為，甚至還包括父母環(huán)境危險(xiǎn)因素暴露與產(chǎn)前暴露——之間的交互作用來(lái)決定生物體的形態(tài)、功能以及對(duì)未來(lái)的影響。但事實(shí)證明，大部分此類交互作用都無(wú)章可循。僅憑遺傳學(xué)根本無(wú)法預(yù)示此類基因-環(huán)境交互作用的最終效應(yīng)。實(shí)際上，通過(guò)某位患病雙胞胎來(lái)預(yù)測(cè)另一位發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的研究基本上也都未獲成功。
如今，基因診斷的發(fā)展已經(jīng)成為不可阻擋的必然，不久之后，基因突變的排列組合或許就將被用于預(yù)測(cè)人類表型、疾病與命運(yùn)的變化。
盡管某些疾病可能永遠(yuǎn)也不適合進(jìn)行基因檢測(cè)，但是也許在某些重癥精神分裂癥或心臟病、高外顯率的家族性癌癥中，只需要通過(guò)少數(shù)基因突變的排列組合就可以進(jìn)行預(yù)測(cè)。一旦將這種對(duì)“過(guò)程”的理解寫入預(yù)測(cè)性算法，那么我們就能夠計(jì)算出不同基因突變間交互作用對(duì)于宿主生理與心理特征的影響。
我們通過(guò)計(jì)算算法就可以決定心臟病、哮喘或性取向發(fā)展的概率，并且還將針對(duì)每個(gè)基因組的命運(yùn)指定相對(duì)危險(xiǎn)度的水平。最終，人們會(huì)整理出一本適用于預(yù)生存者疾病防治的手冊(cè)。但在此之前，基因檢測(cè)首先要回應(yīng)不確定的難題。