風蕭蕭_Frank
以文會友
謝曉亮
《 人民日報 》（ 2018年01月15日 09 版）
如何才能保持和提高創新能力？這是每個從事前沿科學研究的人麵臨的共同挑戰。在某一個研究領域裏，大家都在使用相似的研究思路和方法解決同一個問題，往往很難突破。如果能夠借鑒其他研究領域的思路和方法，常會有新的機會，也就是說學科交叉是學術創新的重要途徑。
但學科交叉要求我們不斷擴展知識麵，熟悉其他領域的最新進展，並擁有大膽嚐試的勇氣。我在大學期間就開始嚐試這種學習方法，雖然本科專業是化學，但我還旁聽了許多物理係、數學係的課程，在美國做研究生時開始對生物感興趣，我一直在學新東西，6年前開始涉獵醫學領域。
同時，我會經常反思我的研究課題，關注新領域，並與其他學科的科學家溝通，期望能碰撞出新的“火花”。這也許是我在化學、物理、生物、醫學等學科交叉領域內取得一點成績的原因。
國家現在大力發展基礎研究和學科交叉，這是建設創新型國家的重要措施，我國科研創新能力一定會再上一個新台階。
bbbbbb
北京大學謝曉亮：通往精準醫學之路
《賽先生》特約撰稿人 彭雲
2014年，兩個健康的試管嬰兒來到人世，被視為“帶動”單分子生物學技術的一大進步。因為他們的健康有賴於出生前一項單分子層麵的檢測技術，該技術讓他們減少了攜帶父母體內的遺傳病基因的可能。這對於防患遺傳病和整個生物醫學都意義重大。在單分子生物學研究領域作出這樣的技術創新，並將其應用於試管嬰兒遺傳性疾病的預防，正是謝曉亮成為首個阿爾伯尼獎華人科學家得主的原因。不過，如此重要的單分子生物學還是一個年輕的學科。
謝曉亮在最新發表於JAMA的文章中介紹，在過去20年裏, 單分子成像與操縱領域的進展迅速，孕育出一門基於觀測單個分子理解生物過程的新學科——單分子生物學。在全世界許多實驗室的推動下，這個嶄新的領域改變了我們對於許多生物學問題的思考與理解，並產生出很多新知識。
謝曉亮與單分子生物學緣起於上個世紀90年代初。謝曉亮帶著在室溫下單分子成像的想法進入美國西北太平洋國家實驗室，成為該實驗室第一位中國籍科學家。
1998年，謝曉亮的研究組在《科學》上發表了對膽固醇氧化酶催化的研究 （圖1），這是一個單分子生物學的早期經典案例。膽固醇催化酶所含有的核黃素輔基在氧化態下是天然發光的熒光基團，而在還原態下則不發光，所以每一次熒光的“亮/滅”循環對應著一個酶分子催化狀態的翻轉。這一特點使得對單個酶分子反應的實時觀測成為可能。
“在單分子層麵上，化學反應是隨機發生的，即化學反應發生所需的等待時間是隨機分布的，而不像在擁有大量分子係統中的反應那樣有可被推測的結果。由於很多生物大分子，例如DNA，是以單分子或者少量幾個分子的形式存在於細胞之中，故能對單分子化學反應進行實時觀察就尤為重要。”謝曉亮在上述最新文章中表示。
圖1. 單個膽固醇氧化酶分子E的熒光信號顯示出酶反應發生時氧化態核黃素（FAD*，發熒光）和還原態核黃素（FADH2，不發光）狀態之間的轉換是隨機的。
對膽固醇氧化酶催化的研究成果奠定了單分子酶學領域發展的基礎，謝曉亮也成為該領域的奠基人。
謝曉亮在前述文章中指出，單分子酶學具有實際應用意義。例如，單分子測序儀可以監測單個DNA聚合酶分子將有熒光標記的核苷酸逐個合成到一個單鏈DNA模板上的過程，從而直接讀取DNA分子的序列。盡管單分子測序儀目前在成本、準確性和通量方麵尚不能與基於大量分子的DNA測序儀相競爭，但它具有一個獨特的優勢：能夠對很長的DNA序列進行測序。
“2007年以來基於大量分子（還不是單分子）的‘新一代’DNA測序儀的出現，已開啟了激動人心的個體化醫療的新紀元。”謝曉亮說。
在基礎研究領域，單分子生物學不僅在體外而且在活細胞內增進了人們對許多大分子係統工作機理的深入理解。繼單分子酶學之後，謝曉亮又開創了活細胞中的單分子研究。
謝曉亮解釋說，一個基因在單個細胞中隻有一個或者兩個拷貝，基因表達的過程和單個酶分子反應一樣，也是隨機發生。因此，單分子生物學與單細胞生物學是密切相關的。
近年來，謝曉亮的研究團隊對單個活細胞中mRNA和蛋白質分子逐個產生的隨機過程進行了詳細的研究，從而使得分子生物學的“中心法則”在單分子層麵上得到了定量的描述。2006年，其在《自然》和《科學》發表論文，首次介紹在活細胞中逐個觀察基因表達的方法，該方法讓科學家們能夠以前所未有的方式在單分子層麵上研究基因調控。
DNA以單分子（單個染色體）的形式存在於每一個人體細胞中，所以基因組的變化也是隨機發生的。相應地，人類生殖細胞分裂時發生的隨機重組使得每一個細胞都不相同，比如癌細胞中劇烈的基因組變化也使得原發腫瘤中的細胞之間存在高度的異質性。
在一個細胞中，最常見的基因組改變包括單核苷酸變異（SNV，一種單堿基對的點突變）和基因拷貝數變異（CNV）。謝曉亮在文中介紹，在人類整個基因組的六十億個堿基對中，任何一個特定的SNV便可能導致遺傳性疾病；CNV則通常發生在生殖細胞分裂時的染色體分離過程中以及腫瘤細胞內基因組的重排錯誤（包括插入、缺失、染色體倒位和易位）。“由於SNV和CNV在不同細胞中的發生是隨機的、不同步的，因此每個細胞都擁有不同的基因組，這使得單細胞測序成為必需。而直到最近，由於單細胞基因組學的發展，這種必需才變得可行。”他說。
約7000種單基因遺傳疾病會嚴重影響人類健康，並對病人家庭和社會醫療體係產生沉重負擔。例如染色體異常，即染色體層麵上的拷貝數變異，是流產及許多遺傳性疾病如唐氏綜合症的主要致因。如果能夠提前發現這些不好的基因變化，那麽將減少人們受到病痛的折磨的幾率。這些讓單細胞基因檢測成為被需要的技術。
給單個人類細胞做全基因組測序需要對其進行全基因組擴增（WGA） （圖2）。 謝曉亮研究組於2012年發表在《科學》的一篇文章，介紹了他們研發的一種新方法。這種方法被稱為“多重退火循環擴增法”（下文簡稱MALBAC）。
相比之前被廣泛應用的MDA方法，MALBAC能夠更準確地檢測SNV和CNV，在人體細胞中數字化地計數一個基因的拷貝數, 並且能夠沒有假陽性地檢測單個SNV，雖然仍可能會有一定的假陰性。
圖2. 單細胞的全基因組擴增（WGA）過程。
謝曉亮在北京大學生物動態成像中心的團隊與該中心的湯富酬團隊、白凡團隊、北醫三院的喬傑團隊以及北京腫瘤醫院的王潔團隊合作，成功地把MALBAC用於協助人工輔助生殖和癌症的研究。
“把MALBAC用於協助人工輔助生殖和癌症的研究，兩者皆對精準醫學有著重要意義。”謝曉亮在上述文章中說。
在人工輔助生殖領域，為了避免染色體異常和單基因疾病的遺傳，MALBAC已經被應用於胚胎植入前基因組篩查(PGS)和胚胎植入前遺傳學診斷(PGD) (圖3)。謝曉亮介紹說， 雖然PCR、熒光原位雜交（FISH）和DNA微陣列芯片等方法都已經被用於PGD和PGS，MALBAC能夠提供更高的精確度，並可以同時避免染色體異常和危險點突變的發生。
2014年，兩個“MALBAC嬰兒”的出生得到了大量的關注和報道，並在國際學術界引起反響。在這兩個案例中，研究人員成功地利用了MALBAC來篩選健康胚胎，使嬰兒基因組中避免帶有父母中一方所攜帶的遺傳疾病基因。MALBAC極低的假陽性和假陰性率完美地滿足了兩個嬰兒的父母希望後代不再攜帶嚴重的雜合致病突變的要求。這為那些患有遺傳性疾病或攜帶遺傳疾病基因的夫妻帶來了福音。
圖3. 人工輔助生殖體外受精植入前基因篩檢PGS示意圖（隻顯示一對染色體）。來自父親（綠色）和母親（紅色）的染色體DNA發生過同源重組。受精後，胚胎發育不需要的第一和第二極體（卵細胞上方的兩個小圓球）可以通過一個微細移液管取出，利用MALBAC方法進行WGA。對這兩個極體或胚胎囊胚期的少數細胞進行測序，染色體異常（最上麵）可以被避免，同時還可以檢查出帶有疾病基因的點突變（中間），從而增加健康嬰兒植入的成功率（下麵）。
“類似的方法可以減少某些疾病，如乳腺癌在下一代中的遺傳風險。”謝曉亮在文章中指出，選擇一個風險較低的等位基因，如特定的BRCA基因序列，在技術上目前是可行的，但在倫理層麵上還需要進一步討論。
據了解，謝曉亮與其團隊也正在努力嚐試將MALBAC技術應用於癌症的診斷。
眾所周知，癌症是一種基因組疾病。循環腫瘤細胞(CTC)在進入人體外周血液循環後可能介導癌細胞的轉移，並引發90%與癌症相關的死亡。而謝曉亮等人研究發現循環腫瘤細胞與原發腫瘤細胞有所不同。
他們使用MALBAC分析肺癌患者的單個循環腫瘤細胞基因組，發現其循環腫瘤細胞的CNV模式在一個病人體內以及在患同一種癌症的不同病人中是相似的，但在不同的癌症類型中是截然不同的。此外，這些循環腫瘤細胞中重複出現的CNV模式與患者的轉移灶腫瘤細胞CNV模式也是一致的。
在上述文章中，謝曉亮指出，“顯然, 染色體特定區域拷貝數的增減模式被腫瘤轉移所選擇。循環腫瘤細胞的CNV模式與癌症類型有關這一發現為研究人員提供了基於CNV模式進行無創癌症診斷的可能。因此，單細胞全基因組擴增方法的進一步發展將有助於科學家能夠更好地了解腫瘤異質性和癌症轉移的機製，而且有望實現對癌症的精準化診療。”
謝曉亮在文章的最後強調了自己的核心觀點，DNA以單分子的形式存在於每個細胞中，因此基因表達和基因組的變化是隨機發生的，這也使得在單細胞和單分子水平上的測量成為必需。
“單細胞基因組學發端於單分子技術與基因組學的交匯之處。”展望未來，謝曉亮寫道，“在單細胞中進行精確基因拷貝數的計數以及基因點突變的檢測現在不僅已成為可能，而且正在成為日益重要的技術。這些手段使得科學家們能夠在單個分子的層麵上檢測、理解並改善生命過程，也成為‘精準醫學’的生動案例。”
參考文獻：
[1]Xie XS. Single Molecules Meet Genomics: Pinpointing Precision Medicine. JAMA Published online May 14, 2015. doi:10.1001/jama.2015.5533
[2]Lu HP, Xun L, Xie XS. Single-molecule enzymatic dynamics. Science. 1998;282(5395):1877-1882.
[3]Zong C, Lu S, Chapman AR, Xie XS. Genome-wide detection of single-nucleotide and copy-number variations of a single human cell. Science. 2012;338(6114):1622-1626.
| 北大謝曉亮教授：單分子技術透視生命之謎 |
| 來源：北京大學 發布時間：2015/8/7 13:36:48 |
2012和2013年，由北京大學多個研究團隊合作完成的世界首個高精度人類男性和女性個人遺傳圖譜相關論文相繼發表於《科學》和《細胞》雜誌。這一工作采用的單細胞DNA擴增技術MALBAC，與以前的技術相比,該技術將單細胞全基因組測序的精確度大幅度提高，以至於能夠發現個別細胞之間的遺傳差異。
MALBAC技術是由北京大學生物動態光學成像中心（BIOPIC）主任、哈佛大學終身教授、美國科學院院士謝曉亮領導的團隊發明。他們的工作不僅大大拓展了單細胞基因組學研究技術，而且給現代醫學帶來了革命性的突破，是“精準醫學”的一個最佳範例 。
通過與BIOPIC的湯富酬教授團隊、北京大學第三醫院院長喬傑團隊的合作，2014年下半年，兩對攜帶遺傳疾病致病基因的夫婦在MALBAC技術的幫助下成功生下了健康的嬰兒。此外，MALBAC技術還正在用於探索針對腫瘤患者的個體化診斷和治療方案。
2015年7月18日，謝曉亮應邀在“未來論壇”上發表題為“單分子水平上的生命——通往精準醫學之路”的演講，回顧並展望了他在單分子基因組學上的基礎研究和生物醫學應用的探索之路。
北京大學生命科學院饒毅教授在現場介紹他時說：“謝曉亮的第一個基礎研究工作是1998年開展的單分子酶學，他開創了在單分子層麵對生命過程的研究。近年他又開始探探索在醫學上的應用。中國引進現代醫學後，在現代藥學方麵隻有少數幾個藥物作用領域的發現，在現代醫學技術上唯一的發明和應用就是謝曉亮和湯富酬、喬傑三個團隊合作誕生的‘MALBAC嬰兒’。”
中國醫學科學院院長曹雪濤認為，謝曉亮的MALBAC技術能夠改變整個生物醫學，其對未來精準醫學的發展和應用的貢獻是不可限量的。
“獲得終身教授的人很多，但真正能夠在人類曆史上，特別是科技史上留下印記的科學家非常少見，而謝曉亮將理論和技術結合，用技術解決科學問題，是引領整個科學界發展的真正的一流科學家。”曹雪濤評價說：“他是一個讓你無法預知將來還會做出什麽創造性工作的科學家。這是一個科學家具有潛在創造力、影響力、引領力的標誌。”
以下是根據現場錄音和演講PPT整理的演講全文，全文已由謝曉亮教授審閱。
女士們、先生們：
我今天的講座內容跨度會比較大，從物理學到化學、到生物、到醫學。
著名的物理學家理查德•費曼（Richard Feynman）曾經說過：“如果要用一句話來描述我們擁有的最重要的科學知識，這句話應該是：所有物質都是原子組成。”原子在宇宙中比比皆是，但是如果隻有獨立的原子，我們的世界會變得非常無趣，沒有生命、沒有愛。原子間的相互作用導致分子的產生，分子們進行化學反應，產生新的分子，這才有了生命。
那麽如果要用一句話來形容過去半個多世紀生命科學的主要進展，這句話應該是什麽？我想應該是：生命過程可以在分子水平上得到解釋。
單分子成像技術開啟研究生涯
我在北大讀本科時學的是化學，生物是到美國才學的。我1985年離開北大，來到美國加州大學聖地亞哥分校，攻讀物理化學博士學位。我因從小就喜歡動手，在美國學的是用超快激光來研究化學反應動力學。
在化學和生物化學的教科書裏，分子相互作用和化學反應總是在單分子的水平上描述的，可是迄今為止，我們的化學知識幾乎都是從含有大量分子的實驗中得到的，量大到摩爾（mole）的數量級。1摩爾是2克氫分子的分子數目，被稱作“阿伏伽德羅常數”。阿伏伽德羅是意大利的化學家、物理學家，雖然他定義了阿伏伽德羅常數，但他隻知道這是一個非常大的數，直到死也不知道到底是多大。現在我們知道，阿伏伽德羅常數是6.023x1023，這是個天文數字，我估算了一下，1摩爾1立方毫米的沙子，如果平鋪在中國大地上，可以形成一個60米深的沙漠。
90年代初，我在美國太平洋西北國家實驗室開始了我的獨立研究生涯，帶領一個團隊研究在常溫下用熒光來檢測單個分子（見上圖）。當時的研究非常令人興奮，有幾個小組在競爭，去年因為超分辨率熒光顯微技術獲得諾貝爾化學獎的兩位科學家Eric Betzig和W.E. Moerner那時也在做同樣的事。1994年7月，我第一次在《科學》雜誌上發表了文章，研究單分子的動態過程。在此前的研究生和博士後階段，我還沒在《科學》或《自然》雜誌上發表過文章。
這篇文章是和我的第一個博士後Bob Dunn合作的。當我們把這些技術發展起來以後，我有了一個預感，單分子技術在生物化學和分子生物學上將有重要的應用。所以我們就開始研究酶。
酶是生物過程的催化劑，加速生物化學的反應。我們把帶有熒光的膽固醇氧化酶分子固定在99%的瓊膠中，讓它們不能遊動，以便我們長時間地觀察膽固醇酶催化的膽固醇氧化反應。
這個酶有兩個態，在氧化態下，它有天然的熒光，在還原態下，它不會發光。酶作為生物催化劑，它在這兩個態之間循環，自己最後是沒有變化的。所以當我們觀測單個酶分子的熒光時，每一次熒光的“亮/滅”就對應著一個酶分子催化狀態的循環。這使我們第一次實時觀測到了單個酶分子的化學反應。在單分子層麵上，化學反應是隨機發生的，即化學反應發生所需的等待時間是隨機分布的，而不像在擁有大量分子係統中的反應裏，有可被推測的結果。因此單個酶分子的熒光強度隨時間變化的曲線是不會在下一個實驗中重複出現的，盡管這個曲線的統計結果是可以重複的。
因為這個工作，哈佛大學給了我一個資深教授的職位。這個工作之所以重要，是因為很多生物大分子，比如DNA是以單分子或者少量幾個分子的形式存在於細胞之中的，這個工作讓人們能對單分子的生物化學反應進行實時觀察。
大家知道，20世紀最重要的生物學發現是沃森（Watson）和克裏克（Crick）解出遺傳分子DNA的雙螺旋結構。DNA是由四種堿基（A、T和C、G）配對構成的。遺傳信息儲存在堿基的序列裏。
單分子酶學也具有實際應用意義。比如有人做了與我們類似的實驗，造出了兩個單分子DNA測序儀，其中一個美國加州的公司做的Pacbio測序儀,通過監測單個合成DNA的酶分子，將有熒光標記的四個堿基逐個加入到DNA模版上，以直接讀取DNA分子的序列。這個技術的特點是它能夠測很長的DNA序列。
在基礎研究領域，單分子生物學增進了我們對許多生物大分子工作機理的深入了解，讓我們在活細胞裏直接觀測蛋白質分子的逐個產生。分子生物學的中心法則告訴我們，在DNA上的遺傳基因會轉錄成mRNA，在翻譯過程中mRNA導致蛋白質的合成。
由於一個基因在單個活細胞裏隻有1到2個拷貝，基因表達過程就跟單個酶分子反應一樣，也是隨機發生的，所以單分子生物學與單細胞生物學是密切相關的。我們對單個活細胞的基因表達進行了非常詳細的研究，從而使得分子生物學的中心法則得到了定量的描述。
上圖右邊的機體細胞有同樣的基因和基因組，我們說它有同樣的基因型，但它們有不同的表型，一個有熒光，一個沒有熒光。這個細胞從一個表型變到另外一個表型，從沒有熒光的狀態變到有熒光的狀態，可以證明這個過程完全是由於單個蛋白質分子從DNA的單鏈上隨機脫落下來造成的。我覺得這是一個非常普遍的現象，單分子的小概率事件可以導致非常重要的生物學結果。
基因突變也是這樣。這個基因型和表型的關係跟我生活中最大的奧秘是相連的，我的兩個女兒是同卵雙胞胎。同卵雙胞胎被普遍認為有相同的基因組，我的雙胞胎女兒確實非常相似，但她們有各自的特點，也許這跟基因表達的隨機性是相關的。最近有研究表明，同卵雙胞胎的基因組實際上是不一樣的，因為我們的基因都是隨時間變化的。不管怎麽說，基因型和表型的關聯是生物學中非常重要的一個問題。
破解基因組的奧秘
生物遺傳學起源於孟德爾的遺傳法則。孟德爾是一位牧師，他的偉大是去世之後才被人們認可的。幾個月前，我應邀在捷克斯洛伐克給了一個“孟德爾講座”，有幸在他曾經工作過的修道院（見下圖）做了報告。
（右圖是孟德爾種植豌豆的田地，其上是他的雕像）
孟德爾的實驗（見上圖左圖）是把綠色的豌豆和黃色的豌豆雜交，開始是用純種豌豆雜交，雜交的結果還是綠色的，後來他把兩個雜交出的綠豌豆再次雜交，就發現有1/4的幾率可以得到黃色的豌豆。通過這個實驗，他推斷每個豌豆有2個等位基因，分別來源於上一代，一個是顯性基因（綠色），一個是隱性基因（黃色）。
後來人們發現，人類也遵循類似的遺傳法則。人的體細胞與豌豆一樣，正常情況下都是雙倍體，有46條染色體，其中23條來自父親，23條來自母親。染色體存在於細胞核內，是46條不同的DNA分子。它們有60億對堿基，攜帶2萬個基因。（編者注：人類基因組由30億對堿基構成，分布於23條獨立的染色體中。人類的體細胞是雙倍體含有46條染色體，生殖細胞是單倍體，含有23條染色體。體細胞中的兩套染色體分別源於父親和母親，它們所包含的堿基有微小的差異，因此人的全基因組包括約60億對堿基）。
基因組的主要變化是點突變（SNV）和基因拷貝數的變化（ CNV）。我們每個人之間的不同就是由於點突變，也就是單堿基發生了變化。60億對堿基中大約隻有千分之一的堿基在人與人之間是不同的。另外一個基因組產生變化的是基因拷貝數的變化（CNV）。一般來講，基因拷貝數應該是2，一個來自於父親，一個來自於母親，形成兩個等位基因。但有的時候，特別是發生癌症的時候，拷貝數可以變成1，3或者4，這叫染色體不正常。
2001年人類基因組計劃完成，也就是這30億對堿基的順序被測定了，這是人類曆史上的一個裏程碑，意義重大。當時美國的一個私人公司（領導人是Craig Venter）和美國組織的國際團隊（領導人是現任美國國家衛生局主任Francis Colon）展開了激烈的競爭，他們分別在《科學》雜誌和《自然》雜誌上發表文章。這項工作花了30多億美金，用的方法是第一代電泳技術。這是1980年獲得諾貝爾獎的技術，是由Fred Sanger(1918-2013)做出的。這是一個傳統的辦法，通過測DNA的長短來測序。
以這個技術為基礎研發的第一代測序儀由美國公司ABI生產，該產品是產學研結合的範例。加州理工學院的教授Leroy Hood和他的研究生Mike Hunkapiller先在他們的實驗室裏改造了傳統的 DNA測序方法，把電泳的方法用到毛細管裏，用激光來代替放射性DNA監測儀，然後成立了ABI公司。這是一家車庫公司，但後來這家公司很快壟斷了世界測序儀市場。剛才說的參與人類基因組計劃測序競爭的私人公司領導人Craig Venter就是買了250台這種儀器來完成的人類基因組的測序。
Craig Venter的一大科學貢獻是把人類的基因庫組裝起來，他發明的方法是很有意思的“鳥槍法”。比如說我要知道《三國演義》這本書裏文字的序列，但是我能得到的隻是打碎的一行一行的片段。Venter的方法是找很多本《三國演義》，然後打碎成一行一行的，由於是隨機的，所以每行的斷裂都不一樣，然後把得到的千千萬萬碎片上下重疊起來，就可以得到《三國演義》中原始的文字序列（見下圖）。當時沒有人覺得這個方法可行，而Venter堅信可以由此得到百分之八、九十的人類基因序列，雖然不是100%，但已經很了不起了。
如今十幾年過去了，測序儀技術有了突飛猛進的發展。2007年以來，新一代的DNA測序儀層出不窮，主要是因為CCD（電荷耦合元件）的應用，使得大家可以在很多不同的位置上觀測大量的序列，提高測序通量，這樣一來，測序價格的衰減比指數衰減還快。現在如果你想測你的基因組，一天之內就可以完成，價格大概1000美金。其中Illumina公司的儀器占據了90%的市場。第三代測序儀是單分子測序儀，但它現在在成本、準確性和通量方麵還不能與基於大量分子的DNA測序儀相競爭。
我的哈佛實驗室也做過一個測序儀，但是我們起步比較晚，這是因為到哈佛以後要學怎麽做教授，怎麽教書，怎樣申請基金。 我們隻發表了一篇文章，沒形成產品。中國目前還沒有自己的測序儀，但就像中國需要自己的飛機一樣，中國也需要自己的測序儀。這幾年我和北大的黃岩誼教授一直在合作做這個工作。
哈佛實驗室的新發明
新一代測序儀對醫學的貢獻是革命性的，它使個體化醫療成為可能。什麽是個體化醫療？就是通過個人的基因組測序，為預防、檢測和治療疾病提供個體化的解決方案，所以基因測序成為了個體化醫療的基礎。
一個著名的例子是，美國好萊塢影星安吉麗娜•茱莉公開宣布她切除了乳房，因為她知道自己攜帶一個有缺陷的基因BRAC1，她的醫生估算過，她有87%的幾率患乳腺癌，50%的幾率患卵巢癌。她宣布切除乳房的這一天，是2013年5月13日，當時我正好在美國衛生局進行一個申請項目的答辯。我的實驗室有一種技術，可以讓父母避免把嚴重的遺傳病遺傳給胎兒。評審委員會聽到朱莉的新聞後就問我，如果把我的技術用來避免把有缺陷的基因遺傳給下一代，倫理上行不行？我當時還沒想好，結果這個項目沒有在美國啟動。關於倫理問題，我到今天也沒有一個好的答案。但我今天想告訴大家，我們這兩年在北京大學的一個工作，是倫理上可以接受的。
這個新技術對我來講是一個新的單分子實驗。如果給我一個人的體細胞，我能告訴你這個人的基因組，就是46條染色體的序列是什麽樣的。
我們以前是測多細胞的，抽10毫升血來測。那麽我們為什麽要測單細胞的基因組？因為由於種種原因，基因組對每個細胞來講都不相同。比如說人類生殖細胞（精子、卵子）在分裂時發生隨機重組，使得每個生殖細胞都不相同。另外癌細胞中劇烈的基因組變化，也使得原發腫瘤中的細胞之間存在高度不同。
剛才說到在一個細胞中最常見的基因組改變包括點突變和基因拷貝數變化。這種變化是單分子的變化，所以是隨機的，不同細胞是不同步的，不知道它什麽時候發生，也不知道它在哪發生，因此每個細胞都擁有不同的基因組，這使得單細胞測序成為必須。隻不過以前技術上不可行。到目前為止，還沒有一台單分子測序儀可以把46條染色體從頭測到尾進行測序，我們必須借助於單細胞基因組的擴增，就是把46條染色體放大，然後進行高通量的測序。
第一種方法是PCR(聚合酶鏈式反應)技術，這是一個在1985年獲得諾貝爾獎的技術，有單拷貝的高靈敏度。在犯罪現場，隻要拿到一個DNA分子，我們就可以把信號放大到被檢測的點。但是如果用它來覆蓋全基因組，指數放大覆蓋率隻有6%。因為PCR技術是指數放大，讓一個DNA變成兩個，兩個變成四個。這種指數放大過程不夠精確，因為它是對拷貝進行拷貝，一旦拷貝件出錯，錯誤就會被傳下去，結果就不準了。
2012年，我在哈佛的實驗室發明了新的單細胞擴增方法——“多重退火環狀循環擴增法”（MALBAC）。它的最大優勢是線性擴增，而不是指數擴增，不針對DNA拷貝再做拷貝，我們隻拷貝原始DNA。就像一台複印機把原始的一份文件複製成多份，如果一次複製出錯的話，在擴增後的產物裏是微不足道的。哪怕單個細胞的30億個堿基對裏有一個堿基錯了，我們都能看出來，而且沒有假陽性。這種方法比此前廣泛應用的MDA(多重置換擴增)方法能更準確地檢測SNV（點突變）和CNV（拷貝數變異），將覆蓋率大大提高到了93%。
做出這個工作的是我哈佛實驗室的博士後宗誠航和我當時的博士研究生陸思嘉。目前，宗誠航正在 Baylor College of Medicine 做助理教授。陸思嘉在哈佛的博士論文就是關於MALBAC技術。他想看到他畢業論文的社會效應，所以兩年前回國跟我創立了做單細胞測序的公司——億康基因。他目前擔任億康基因的CTO。
我們當時做的第一個實驗就是測單個精子的序列。精子作為生殖細胞，是單倍體，有23條染色體，其中一半基因來自父親，一半基因來自母親。
如圖所示，綠的是父源DNA，紅的是母源DNA，每條染色體都是父源和母源基因的組合。由於基因組合交結的地方不一樣，所以每個精子的序列都是不一樣的。這就是為什麽兄弟姐妹都不一樣。
這項工作是與我以前BIOPIC的同事李瑞強教授合作的。精子來源於一位華人教授，我們檢測了他的99個精子，發現了幾個染色體不正常的精子細胞，其中一個缺第19號染色體，一個6號染色體出現了2個拷貝。好在這個人還算正常，因為任何一個正常的男子都會有～5%的精子出現拷貝數不正常的現象。這種不正常是由於細胞分裂時染色體沒有正常分裂。這種染色體不正常的精子會導致生殖障礙、流產、胚胎停育或者唐氏綜合症等遺傳疾病，盡管父母看起來完全健康，但就是有5%的出錯幾率。對男子而言，這5%的幾率是不隨年齡變化而變化的。但對女士的卵子來講，染色體不正常的幾率在30歲之前是25%，此後很快隨年齡的增長而上升，到40歲的時候是70%。這就導致發生生殖障礙的比率和流產的比率隨年齡的增長而增加，生育成功率則隨年齡的增長而遞減。
利用MALBAC技術，我們可以選擇一個染色體正常的受精卵來提高生育成功率，特別是對高齡產婦。這是可能的，因為她們染色體不正常的幾率並不是100%，即使在43歲以後，婦女仍然有正常的卵細胞，隻不過幾率小一些。即使是50多歲的婦女，隻要有一個染色體正常的受精卵，不管是本人的還是別人捐獻的，她懷孕的成功率就和年輕婦女一樣。也就是說有一個好的卵子是正常生育的前提條件。
中國是一個人口大國，出生缺陷率高，遺傳疾病患者多，大概有1%。不孕不育的夫婦也越來越多,高達育齡夫婦的10%，全國大約有一千萬對育齡夫婦存在不孕不育問題，漸漸成為一個嚴重的社會問題，此外，隨著現代化進程的推進，頭胎生育年齡逐漸增加，這個問題也會日益嚴重。不孕不育和遺傳疾病不僅為患者個人帶來了巨大的痛苦，也大大增加了家庭、社會與政府的負擔。
MALBAC寶寶的誕生
世界上第一個試管嬰兒誕生於1978年，迄今已有超過600萬個孩子是通過試管嬰兒技術出生的。Robert Edwards是試管嬰兒的創始人，他於2013年去世了。然而直到他去世前兩年，也就是2010年才榮獲諾貝爾獎，並獲得爵士封號。可以想象他當年的研究工作困難有多大，絕不僅僅是技術上的困難。
中國第一個試管嬰兒於1988年在北醫三院誕生，由張麗珠教授完成，她是現在北醫三院院長、著名婦產科醫生喬傑教授的導師。當時張教授比Edwards晚了10年，而這次喬傑院長走在了世界的前列。為了將單細胞基因組學在生殖醫學中進行應用，我和喬傑院長、湯富酬教授，還有億康基因公司展開合作。湯富酬是北京大學“生物動態光學成像中心”（BIOPIC）的一位年輕有為的科學家，BIOPIC成立於2010 年，致力於技術推動生物醫學的研究。作為BIOPIC的主任，在過去的幾年裏，我不斷往返於北大和哈佛之間。我們的合作是怎麽開始的呢？我當時需要一份精子活力的報告，找到喬院長幫忙，喬院長了解我們的技術以後，就說你可別光研究精子，一定要研究卵子，因為研究女人要比研究男人有意思得多。2010年，我們的“北京大學生物動態光學成像中心”（BIOPIC）成立了，立誌於用技術推動生物醫學的研究。
我們要做的實驗是對單個人卵細胞進行高精度的全基因組測序分析。下圖是一個卵母細胞，裏麵有兩根DNA是從父親來的，兩根DNA是從母親來的。剛才講過，基因在重組時的交結點不一樣，使得每個卵子和精子都不同。卵母細胞成熟過程中，會在旁邊產生一個第一極體和第二極體作為卵細胞減數分裂的產物，它們分別是雙倍體和單倍體，這兩個極體細胞是沒有用的，會在生殖細胞發育過程中被降解。我們為了不影響受精卵正常發育，所以選擇分析兩個極體細胞的全基因組來推斷這個受精卵的全基因組是否正常。
不正常的第一種情況是染色體拷貝數不正常。 原因是細胞分裂時染色體分裂異常，即使父母完全健康。這種染色體不正常會導致生殖障礙或者唐氏綜合症等遺傳疾病。
還有一種情況，如果父親或母親的基因有點突變，導致嚴重的遺傳疾病，它們也會傳給下一代。如果發生突變的基因隻在極體內，受精卵沒有點突變，那就沒事；如果傳到了受精卵裏，就會讓下一代患上遺傳疾病。
用MALBAC技術來進行單細胞基因組擴增，我們可以同時檢測並避免上述兩種情況，來提高生殖細胞健康發育的成功率，避免遺傳疾病發生。具體做法就是用激光打一個小洞，把毛細血管插進去，吸出兩個極體細胞來測序。如果疾病遺傳自母親， 我們用這個辦法。如果疾病遺傳自父親，我們則在受精第5天時取1—3個囊胚細胞來測序。
2013年，喬院長在北醫三院開始了臨床實驗，利用MALBAC技術進行胚胎遺傳診斷。我們第一個病例，是一位患有遺傳性多發性軟骨瘤（HME）的男性患者，他從10歲開始，幾乎每過兩三年就長一個瘤子，所以他的身上充滿了金屬。這種病是由於名為EXT2的基因發生單堿基雜合缺失，造成移碼突變。與孟德爾推測豌豆遺傳類似，他和正常女性生育的後代會有50%的概率患病。與豌豆實驗不同的是，這是人命關天的事，不能出任何差錯，所以我們特別需要MALBAC技術的精確性。
通過體外受精技術，共得到這對夫婦的18個胚胎，經過致病突變位點檢測和染色體篩查，發現共有7個胚胎是既沒有點突變，也沒有染色體異常的，喬院長從中選了第4號胚胎進行移植。
2014年9月19日，世界首例MALBAC嬰兒誕生了，我們去看這個孩子的時候，她真是完美，她一聲都沒哭，一直衝我笑。
第二個病例是一位攜帶少汗型外胚層發育不良致病突變基因的女性，她和丈夫已經有了一個遺傳了這種疾病的兒子，沒頭發、沒汗腺、沒牙齒，他們想要二胎生一個正常的孩子。此病的發病率是十萬分之一，美國電影演員邁克爾•貝瑞曼(Michael Berryman)也患有這種病，他沒有毛發、汗腺和指甲，一直在呼籲醫學界對他這種遺傳病進行研究。這個致病基因EDA1是在X染色體上，如果生男孩，患病的概率是1/2，如果生女孩不會發病，因為女孩有兩個X染色體，而致病基因EDA1是個隱性基因，但該女孩有1/2的概率攜帶這種致病基因。
通過試管嬰兒技術，共得到這對夫婦的5個胚胎，其中2個胚胎既不攜帶致病基因，也沒有染色體異常，喬院長選了一個看上去最健康的移植。這個孩子於2014年11月30日出生，不但正常而且肯定不再會把該疾病傳給後代。
總結一下，MALBAC技術可以同時避免染色體不正常和非常嚴重的基因點突變導致的遺傳疾病，使得我們可以提高生殖的成功率，得到健康的後代。
想要孩子的朋友可能會想，我們能不能用這種技術來選擇一個胚胎，讓孩子擁有更漂亮更聰明的基因？首先，基因組學還沒有發展到這種程度，能夠讓我們非常了解哪個基因是控製長相的，哪個基因是控製聰明程度的。那不是單基因的問題，而是多基因的事情。我們現在做的，就是避免非常嚴重的遺傳疾病。目前世界上大概有7000多種單基因遺傳疾病，常見的有400多種。避免這類遺傳疾病在倫理上是可以接受的。
能否在更廣泛的情況下使用這類技術？比如是否應該篩選掉得癌幾率高的BRAC1 基因，它導致癌症的幾率是70%， 而不是100%， 我們能不能讓父母決定嬰兒以後的命運？我認為這不是我們科學家或者醫生能解決的問題，整個社會應該進行倫理上的研究和討論。
MALBAC的第二個應用是癌症。在中國，癌症的發病率、死亡率逐年上升。根據2012年的統計數據，中國每年新發癌症病例約為312萬例，中國人一生患癌概率高達22%，死於癌症的概率為13%。
癌症是由於基因組改變所引起的疾病，針對癌症的很多重大課題都需要單細胞基因組學。首先是個體化治療，即靶向治療，就是要對症下藥，通過測序找到基因組哪裏出現了改變，現在很多新藥都是靶向治療。
癌症難以治愈和高死亡率的罪魁禍首是腫瘤的轉移。其機理是癌症先出現在原發灶，然後通過血液循環擴散到身體的其他器官。然而，癌症病人血液中腫瘤細胞數量很少，一般隻有幾個，傳統的研究手段往往基於大量細胞才能進行分析。因此我們的單細胞測序技術就可以用到循環腫瘤細胞的研究上。對病人來說，還有個好處就是抽血分析的檢查是無創的，不用做活檢。北大腫瘤醫院的王潔教授、BIOPIC的白凡教授，以及天津醫科大學的張寧等教授和我的實驗室一起參與了這項工作。
我們在一個肺癌病人的幾毫升血液樣本中共找了8個循環腫瘤細胞，對它們進行基因測序，看到基因組不同位置點突變，這突變信息為個性化治療提供了重要依據。但是，這8個循環腫瘤細胞的單堿基突變存在異質性——也就是說每個細胞都不一樣，這樣對癌症檢測意義不大。
我們同時也看到拷貝數的變化。正常體細胞裏的基因拷貝數是2，癌細胞要高於或低於2。實驗發現同一個肺癌病人的8個循環腫瘤細胞表現出高度一致的拷貝數變異模式。更有趣的是，不同病人的同種癌的基因拷貝數圖案也是一樣的，這就展現了一個好的前景。我們可以通過分析循環腫瘤細胞拷貝數圖案來推測癌症類型。最近我們跟張寧教授合作，又發現乳腺癌、肺癌、前列腺癌、結腸癌和胃癌具有不同的基因拷貝圖案（如下圖）。所以，現在我們想利用這些發現做不需活檢的無創癌症檢查，希望能多收集一些循環腫瘤細胞，這樣也許能夠做到癌症的早發現。
最後總結一下今天的講座。DNA是以單分子的形式存在於每個細胞中的。因此，基因組的變化是隨機的。這也使得單細胞和單分子水平上的檢測成為必需。單細胞基因組學是單分子技術與基因組學的交匯之處。在單細胞中測基因拷貝數以及單個點突變，現在不僅已成為可能，而且真正成為了一項日益重要的技術。
精準醫學是個體化醫學的一個新提法，最早由美國總統奧巴馬提出，大家對它有各種各樣的解釋。這個星期我參加了一個國內精準醫學專家的會議，會議給出了一個定義： 精準醫學是指在大樣本研究獲得疾病分子機製的知識體係基礎上，以生物醫學，特別是組學數據為依據，根據“患者個體”在基因型、表型、環境和生活方式等各方麵的特異性，應用現代遺傳學、分子影像學、生物信息學和臨床醫學等方法與手段，製定個性化精準預防、精準診斷和精準治療的方案。
我們和喬傑院長合作的工作是精準醫學的生動案例，有什麽比一個細胞更精細？比一個堿基更準確？
單分子手段使得我們能夠在單個分子的層麵上檢測、理解並改善生命過程。作為一個做基礎研究的科學家，我熱愛我的研究工作。科學家都希望研究成果能夠造福人類，但是基礎研究成果轉化為臨床應用是非常不容易的。我感到自己非常幸運，有機會與喬院長的團隊合作，使我們的科學工作能夠為有遺傳疾病的家庭帶來福音，我感到由衷的高興。
我感謝我現在哈佛和BIOPIC的團隊，以前的研究生和博士後，以及我的合作者們，BIOPIC的同事們。沒有他們的努力，我今天講不出這樣的故事。
