结构基因组学的三大挑战

结构基因组学的三大挑战 圄 荟语 经过公共和私营 研究机构的多年努力 之后,人类基因组图 谱于2001年2月公 布.人类基因组是含 有约3O亿条信息的 序列,这些信息构成 "制造"出一个人类的 物理配方.无数的时 评家将人类基因组的 公布说成是科学和医 学史上的一个里程 碑,事实确是这样. 人类基因组序列 处处有用(例如,它对 研究遗传感病性是个 基础),但对政策制定 者的一个关键启示 是,测序仅是一个测 定蛋白质功能的更大 得多的探索的开端. 蛋白质的构成由 DNA来编码.正是蛋 白质大分子及活细胞 的其他组分的极复 杂,极平衡的相互作 用的功能将对基因组 学革命产生最终报 偿:创新的医学检验, 药品和治疗这个新 探索有时被称为"后 基因组学",将需要在 基础设施和培训方面 给予巨大的投资,而 且提出棘手的伦理, 法律和政治问题.政 府官员,立法人员,司法人员,学术人员及公众,在 今后的岁月里要面对一些难以解决的问题.调查 现代生物学的几个新的子领域之一"结构基因组 这是 学",就可对这些挑战和机遇有先见之明.经合组织全球科学论坛最近的一项政府问咨询的 科技大视野, 题目. 有关蛋白质三维物理结构的知识非常重要,因 为结构与生物学功能息息相关.例如,有关艾滋病 毒(H1V)的关键蛋白质组分的原子配置的知识,使 科学家们可以出一种小分子,这种小分子打 人这个蛋白质中干扰其功能,因此放慢艾滋病病 程. 完整基因组图谱已可以获得,这鼓励了一些科 学家提出,应当获得千万个蛋白质的相应的结构 信息.因此出现了"结构基因组学"之说.有趣的 是,学术界和工业界几乎同时提出了结构基因组 学倡议.因为这些工作极费金钱和时间,所以严重 的问题出现了:公共和私营部门的最适宜的作用 是什么,公众的钱如何花以便得到理想的成果—— 使科学进步,促进经济增长,将研究果实送交公 众 后基因组学可能也是未来工业竞争力和财富 创造的一个主要源泉.公共权力机构担心会落后 于别国是不足为奇的.美国研究人员从慷慨的政 府得益,因此在此领域内建立了强大的领导 地位,日本研究人员落后不远,而欧洲人正在寻找 经由国家和欧盟计划适当结台的进步大道.结构 基因组学的三个方面——研究基础设施(设旌和设 备),研究范围,知识产权等,值得科学决策者特别 关注. 研究基础设施为先.蛋白质结构包含一 系列复杂,困难的步骤.测定一个中等的蛋白质的 结构要从相应的基因序列的简单知识开始,一般 要花数周到几个月的时间.这种工作必须由博士 级的科学家来做,要用高级仪器和高性能计算机. 要对结构基因组学所提出的挑战的大小有个概 念,不妨以低等生物为例,即使低等生物的基因组 也对上万个不同的蛋白质编码(对人类而言,这个 数字也许超过1O万).两个基本的实验方法——x 射线晶体学和核磁共振是要用到的. 结构测定用的x射线用电子储存环产生.储 存环成本可达数亿美元,由政府建造和运行,每台 机器可同时服务十几个实验.大学的科学家的工 作如得到政府有关机构的批准和资助,他们就不 必负担x射线费.私营企业如能负担适当比例的 运行费用,也可以在x射线设施上进行产权研 '科技太视野 圆 全球科技经济膝望 美医学专家说治疗炭疽热要在症状出现前 9月11日美国遭恐怖组织袭击后,目前在美国东南 部佛罗里达州西棕榈濉一个名叫博卡-莱顿的小城市, 已发现三例可怕的炭疽热感染患者(其中一人已经死 亡). 炭疽热由一种能形成孢子的细菌导致,孢子被吸人 体内将产生致命毒性+通常导致肺炎.该病的潜伏期约7 天,但彻底发病需要长达60天,其治疗手段是使用抗生 紊.炭疽热是一种动物传染病,人类感染病例少见.20世 纪,美国只发现18个吸人性炭疽热病例最近美国得克 萨斯州和北达科他州各了一例皮肤性炭疽热病例. 在人类感染的炭疽热病例中,95%属于接触动物或动物 组织导致的皮肤性炭疽热.炭疽热也可以通过食用受圬 染的肉感染,但美国疾病控制和预防中心尚未接到消化 性炭疽热报告. 炭疽热的早期症状包括咳嗽,但很快会发展为严重 的呼吸障碍和痉挛.起韧的症状类似流感,易被忽略.专 家认为,医生必须在感染者出现症状前对他们使用抗生 素,才能有效治疗,否则一旦发病,病人在几天内就会死 亡? 专家称人类可对生物过程进行纳米分析 纳米生物技术是一项涵盖生物学,化学和物理学的 综合性跨领域技术.它的出现与发展,将会对未来人类疾 病的诊断与治疗提供新的可能.来自20个国家的约400 名专家日前在德国参加第二届"纳米生物技术"大会时, 就纳米生物技术的发展及应用前景进行了探讨. 德国纳米生物技术专家指出,将来人类可以对生物 过程进行纳米级的微量分析,而这项技术的成熟可以使 人们制造出一种用于验血的生物芯片,并把它用于多种 疾病更进一步的早期诊断.同时,纳米生物技术的成果也 会为制造人造器官和人造皮肤提供便利.如今科学家们 已经能够利用烧伤患者未被破坏部分的皮肤细胞制成被 烧伤部位的人造皮肤,并使其具有正常的代谢作用.将来 纳米生物技术的进一步发展还会为医生有效治疗脑血栓 提供可能,纳米微粒也将会在摧毁脑肿瘤方面起到重要 作用. 当然,与会科学家们也强调,这些应用计划目前多数 还属设想.但他们相信,纳米生物技术的研究完全有可能 在未来10年内取得重大突破,并且具有广泛的应用前 景.? 究. 几个国家正在研制自由电子激光器,这种激光 器产生的x射线束强度可比电子储存环的X射线 高几个数量级.虽然这种设施仍然极其费钱,但可 向周围提供足够的x射线. 第二个大挑战与结构基因组学范围相关.因 为结构分析非常费钱费时,所以在选择一组适于 分析的蛋白质时必须慎之又慎.工业研究人员更 喜欢关注与疾病有关的分子(如病毒霉),因为这 些分子可能是有希望的"药品靶子".学术研究人 员可能更倾向于研究能洞察更广泛的问题如细胞 代谢作用或进化论的蛋白质.在这些不同类型的 追求之间没有明确的界线也许需要确定一些协 调的机制来促进有关分析什么蛋白质的信息交 流,并避免不必要的工作重复. 知识产权构成第三个关键挑战.围绕着基因 组研究成果的专利性产生的问题是有争论的,复 杂的,在一套一致的条例出现之前,法院将要忙碌 一 段时间.蛋白质结构本身可申请专利的程度还 没有完全解决.它们与有关同一蛋白质的遗传序 列的基本专利毫无联系.从某种意义上说,知识产 权体现着对结构基因组学进步的阻碍,因为许多 研究人员不愿意将可赚钱的信息投入公共领域, 这是可以理解的.尚不清楚的是,参加人类基因组 计划的科学家和机构达成的(极强调原始数 据的迅速公布)是否可以轻易地转移到政府资助 例如,美国,欧洲和日本 的结构基因组学计划上. 三者的专利法规差异会使问题进一步复杂化,它 们的发表成果和及其应用于专利保护之间的"宽 限期"适用规定有所不同. 有趣的是,科学进步本身可能使围绕着基因和 蛋白质结构专利性发生的一些难题不攻自破.对 一 项专利的授予要从属于发现的"新颖性"和"非 明显性".科学家们希望终有一天能够用计算方法 仅从基因组序列取出蛋白质结构,因而省时,省 钱,省力.如果这种情况出现,结构确定就会变得 寻常而便宜.这样会迅速改变现代生物学发展的 法律环境.? (侯国清译自经合组织科技和工业理事会主 席根津《基因组学革命》一文)