【经典回顾】吴柏林：走进基因组医学时代

●“基因组医学”是以人类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命，它将对整个21世纪产生重大社会影响和重大经济效益。

●600多位全球顶尖的科学家提出，生命科学和临床医学结合，将是后基因组时代最重要的研究方向之一。

●基因和基因组已不再是一个时新的概念，而是日常医疗实践的基础。上海应率先进行这方面的研究。

  600位科学家的远见卓识

  在庆贺人类基因组计划完成的时候，人们欢欣鼓舞。因为这不仅仅是生物学研究的重大里程碑，更是从根本上改变了生命科学和医学研究的角度和着眼点。许多科学家和经济学家都有共识：从现在起未来的几十年乃至整个21世纪，生物医学的面貌将有很大的改变，而“基因组医学”必将在其中发挥重大作用。这是一个贯穿整个新世纪的重要概念，会带来生命科学的革命和临床医学的革命；同时也将成为一个造福于人类社会的重要实践，会产生重大的社会影响和经济效益。如在发达国家，医疗卫生保健的GDP已经高达15％；在发展中国家大约5％。随着社会的不断进步，人类对自身健康的重视会不断提高，医疗卫生保健在GDP中的比重只会上升。

  “基因组医学”（Genomic Medicine）的概念出现于上世纪末。短短几年，大量的科学文献提到这个概念并形成共识。如世界上顶尖的科学和医学杂志《科学》、《自然》、《JAMA》、《NEJM》都发表了一系列专题和评论，许多科学精英都认为这是一个很重要的方向。尤其是在2003年为纪念DNA双螺旋结构发现50周年，600多位全球顶尖的科学家讨论后基因组的研究方向，提出了许多设想，其中最重要的一个方面，就是将生命科学和临床医学结合，将人类基因组成果转化应用到临床实践中去。同年7月在澳大利亚举行的国际遗传大会也专门请了人类基因组计划的领袖弗朗西斯·考林斯主持讨论此专题。可见，“基因组医学”是一大批科学家的远见卓识。所以，2003年被称为是“基因组医学”的诞生日。

  如何使这种领先的概念付诸为实践呢？要进行新的更有效的生物医学研究，必须有新的思路，不可能停留在传统的针对某一课题的研究，也不仅仅是应用于医学的某些学科，而应该是将所有的人类基因组基础上的科研成果迅速转化成临床医学的整体应用。前不久，哈佛大学和麻省理工学院合作成立了一个专门从事基因组医学研究和开发的研究院。它的宗旨很明确，就是将生命科学和临床医学的研究整合在一起，将人类基因组目前已有的成果以及功能基因组学将获得的成果迅速转换为医学应用，并且开发可以推广到整个临床医学中应用的平台。这也是这两所顶尖的大学对外宣布自己在走进基因组医学时代中将成为领先，并已开始行动的宣言。

  深入解读人类基因组，不但对生物医学的研究产生重大影响，而且将会给医疗保健卫生事业带来革命性的变革。这是一个渐进的过程，好比是建一个大楼（图一）。有了人类基因组作为整个大楼的基础，许多生命科学新领域的研究都将建立。如计算生物学、发育生物学、代谢通路生物学、系统生物学等。这些整合的研究，在将来十几年、几十年间的革命性突破很可能大大超越以往上百年的成果。由此推动的临床医学研究，将从结构基因组，功能基因组和蛋白质组水平上认识疾病；从基因和环境相互作用水平上研究疾病；通过疾病基因组早期诊断、预防、治疗疾病；通过药物基因组、环境基因组深入到个体化医疗。基因组医学的知识将不再局限于遗传医学和基因组医学的专家而是贯穿于所有医生的医疗实践，当然也融入了公众和社会的日常生活。

  从遗传基因到遗传医学

  回顾一下遗传医学的发展历程，可以发现，几乎每过50年，人类就前进一大步。最早，1865年孟德尔提出遗传因子也就是“基因”的概念。大约50年后的1913年，第一个基因图问世。1953年发现了DNA的双螺旋结构。2003年测定了人类基因组全序列。150年来走了三大步。医学方面，最早将医学与遗传联系在一起的是1905年加罗德提出先天性代谢缺陷。50年后的1956年，第一次数清人类46条染色体，建立了人类染色体组。又过了50年，2003年，完成了人类基因组计划。向前看，到2050年，基因组医学将呈现出什么样的新面貌，相信一定又有一个飞跃。

  在过去几十年中，遗传医学的发展对医学的进步是显而易见的。因为有了遗传医学，大家才逐渐重视遗传学对医学的关系，关注遗传对健康的影响。Victor Mckusick从20世纪60年代开始搜集单基因遗传的性状和疾病，已达14000多种，包括数千种比较严重的疾病。其中已经确认与特定疾病相关的基因约一千多个。目前，遗传医学在临床中的最大应用是基因诊断和遗传筛查，凡是基因已克隆并找到突变的都能做，技术方法上也有很大进步。如我的研究室运用DHPLC对肌营养不良症基因诊断已从缺失、重复到点突变形成了一个半自动化的检测技术平台。

  染色体病：早期的核型分析只能对染色体数目或简单的结构异常进行检测。现在可以通过荧光技术对复杂的结构异常作进一步分析，如亚端粒FISH。大约8％的不明原因智力低下是由亚端粒缺失所造成。单基因病：如Connexin 26基因，大约40％的先天性耳聋是由这个基因突变引起。尽管基因诊断已能检测一千多种疾病，但大都是相对少见的单基因病。虽然对这些疾病的早期诊断已经实现，但大部分却不能治疗。所以，目前的基因诊断是立足于防患于未然，主要诊断儿科疾病和给家庭提供遗传咨询，让他们有机会在下次怀孕时作产前诊断，避免再生下患儿。由于现在有许多不育夫妻寻求试管婴儿，中国做试管婴儿的单位很多，为防止试管婴儿出生后有严重疾病，应该作植入前诊断。如染色体三体和一些单基因病都是可以检测的，可避免植入异常受精卵。这些诊断大多是针对特定群体的，而针对大范围群体的是遗传筛查。如最早应用的苯丙酮尿症新生儿筛查使全世界减少了几千例患儿，而且诊断出来就可以立即治疗，方法非常简单，即不吃含苯丙氨酸和可以转化为苯丙氨酸的食物。只要八岁前不吃，智力就可以恢复到中等，若二十岁前不吃其智力就几乎和正常人一样。中国现在只筛查苯丙酮尿症和先天性甲低。而用高通量的串联质谱仪作新生儿筛查，可同时分析几十个氨基酸和脂肪酸代谢物，一次就可以预测性诊断十几种代谢性疾病。

  迄今为止，基因诊断（包括产前诊断和植入前诊断及其遗传咨询）对医学的最大贡献是在儿科和妇产科，很大程度上降低了出生缺陷和严重遗传病。病理科也有很大改变，包括对遗传病、血液病、实体瘤和传染病的分子病理早期诊断。基因诊断中的DNA指纹识别在法医学中有很大的应用，当年引起万人空巷观看的辛普森案件就是典型事例。美国现在所有的死刑犯都要经过DNA鉴定，一则可以将真正罪犯绳之以法，二则可以纠正冤假错案。迄今，美国已对3000多位法官培训了遗传学和基因组学知识。尽管基因诊断和遗传筛查对内科医学也起到一定作用。但是内科医生仍然面临这样的挑战：许多病人都是复杂性疾病或多因子疾病。所以，以单基因病和染色体病为对象的遗传医学必然要发展成为以所有疾病为对象的基因组医学。

  从基因组到基因组医学

  虽然这二十年来遗传医学发展很快，但其影响力还不足以改变主流医学。遗传医学只能使医学进步，而基因组医学将可能成为改变主流医学的革命。因为它是针对广大群体所患的常见疾病。已经知道，除了外伤以外，所有的疾病都与遗传有关，只是遗传因素所起作用多少而已，还有许多环境的作用。即使是单基因疾病也会受环境影响导致外显率和表现度的不同。人们更关心的肿瘤和癌症，心脏和心脑血管疾病，与遗传病一起，是严重危害人类健康的三大“杀手”。这些疾病的基因型都是在出生时就决定了的，而发病与否都与环境因素有关。通过流行病学研究找出这些疾病的易感基因型并进行预测、预防，即通过改变环境因素、改变生活方式、药物性的预防治疗，就有可能在发病前预防。要使基因组医学进入以预测、预防为主的个体化医疗时代，功能基因组、SNP和HapMap的研究至关重要。

  功能基因组的研究，主要包括蛋白质组、转录组、代谢组、癌基因组、疾病基因组、药物基因组、环境基因组和行为基因组等。如蛋白质组计划，中国也参与了。选择八万个蛋白质中有代表性的3000－5000个蛋白质，用计算机模拟它们的折叠，把三维结构搞清楚。转录组的研究也进展较快，已确认的转录子有一万多个，有望在几年之内可以了解所有的真基因。癌症研究有很大进展，直肠癌在美国有90％治愈率，即五年生存率，而这个数字在十年前是60％。现在美国多数癌症平均5年生存率为50％，癌症不再是一个不治之症。英国开始建立癌基因组。癌基因组的两个目标：1）将所有与癌症有关的染色体不规则断裂都搜集起来，用计算机分析找出规律来。现代生物医学研究一定要通过计算机从整体上来研究，而不是传统地针对单个基因单个蛋白。2）通过流行病学研究将与癌症相关的所有SNP和基因型找出来。在癌基因组的基础上，科学家预期癌症的问题可能在十至十五年间基本解决。

  单核苷酸多态性图〔SNP〕是指对不同个体的基因组进行比较，从中找出DNA的基本组成单元——单核苷酸之间的碱基差别并作图。人类基因组平均每300对碱基中就有一个较常见的SNP，总数高达1000多万个。已知人类不同个体之间〔不论是哪一个种族、民族〕的基因组序列都具有99.9％的一致性，而这些SNP形成了各个体之间的0.1％的基因组差异，并由此决定了每个个体的差异。科学家相信，这个0.1％的差异很可能导致个体之间对许多疾病易感性的差别。单型图〔HapMap〕是对SNP的深入研究。单型被认为是DNA的基本结构单位，大约由5000－20000对碱基组成，含有特定的SNP且以共同方式遗传。每个个体所具有的不同单型，可以导致人与人之间对疾病的发生、药物的作用、环境的诱导等方面都有不同的反应和结果。破译人类基因组的单型图，将极大地方便科学家通过大规模比较不同个体的单型来发现那些与健康或疾病相关的基因变异；那些能够导致药物疗效高低或毒性强弱的基因变异；那些对相同环境诱导能够产生不同反应的基因变异。

  HapMap计划是继HGP完成测序之后的又一个国际合作项目，由美国、英国、加拿大、中国、日本和尼日利亚六国参加，于2002年10月启动，目标是在3年内完成对270个对象（代表了全球主要的种族和地区）的基因型分析。每个对象的基因型分析至少包括100万个SNP。比较这些基因型总数，将能发现几乎所有的常见单型，以其中50万个较常见的SNP（称为“标签”SNP，基本上代表了1000万个SNP）为对象绘制人类基因组的单型图。用这些“标签”SNP来研究比较健康组和疾病组之间不同的单型频率，可以低成本、高速度地发现致病基因。尽快建立人类基因组的单型图是加快研究许多与基因变异相关的严重疾病的重要工具，如癌症、心脏病、高血压、中风、糖尿病、哮喘、精神性疾病、老年痴呆等常见病都是由遗传因素（易感基因型）经环境因素诱导造成。

  基因组医学的现状和未来

  通过预测性遗传检查，基因组医学在诊断和预防方面的应用已经开始。例如，在白人中发病率较高的肝血色病虽然可以治疗但发病时已出现肝硬化现象，甚至致命。发现携带有易感基因型的人群就可以通过避免食用含铁食物来预防。又如，有几个与DNA修复系统有关的基因突变与肠癌相关。携带这些易感基因型的人25岁开始每3年作一次肠镜，40岁开始每年作一次肠镜，甚至可以作预防性切除手术（接受率达70％），这就使家族性肠癌的发病率下降了90％。乳腺癌也同样，虽然预防手术接受率只有50％，但对于易感人群的常规检查已使发病率下降了70％。类似的可以预测预防的例子还有凝血因子5和凝血因子2，携带有易感基因型的人群应避免口服避孕药和戒烟，以降低静脉血栓症的发病率。心肌炎与饮食运动有关系，也可以预测患病风险，通过改变饮食结构和生活习惯来进行预防。

  基因治疗在1999年经历了最痛苦的阶段。一位病情并不致命的志愿病人接受治疗后死于病毒载体诱发的自身免疫，美国当即下令暂停所有基因治疗的临床试验。同样，在对10位SCID的志愿病人成功地作了基因治疗后，其中两位病人却在三年内患白血病。这说明虽然在基因转移、表达等技术上过关了，但是还有许多问题需要研究。所以基因治疗的起伏还是很大。尽管基因治疗可能成为对遗传病的一种治疗手段，但不会成为主流。相比之下，基因疫苗前景更好，有望加入未来医疗实践的主流。基因疫苗是利用基因工程制作疫苗，它的优越性包括人体接受性好（无自身免疫）；既可作为免疫预防又可进行免疫治疗（免疫反应强，可同时激活抗体、细胞毒T细胞和T助细胞，据此已有许多癌症的基因疫苗治疗进入临床试验）；既能产生单克隆抗体也能产生多克隆抗体等。又因为基因疫苗用的只是编码抗原的基因，所以载体本身无复制能力，不具逆转录病毒的致病性，也不存在整合入基因组的问题。临床应用基因疫苗包括预防或治疗感染性疾病、癌症、自身免疫性疾病和过敏症等。目前，对乙肝、疟疾、流感、肺结核、癌症、艾滋病和SARS的基因疫苗正在研制中。甚至已将重组的乙肝病毒基因转入马铃薯中，类似的抗病原体的转基因植物也都在开发中。这些口服疫苗将对非洲贫困地区缺医少药的卫生防疫起到很大的作用。

  干细胞治疗很有前途。随着人们对克隆争议的渐渐冷却，干细胞分化和治疗性克隆的研究已经显示了很大的发展势头。人类若想长寿，那么就一定要解决衰老引起的器官衰竭。现在器官移植的手术已经非常高超，去年的世界第一例人造心脏移植手术本身也是非常成功的。美国已有成千上万例的肾、肝移植者生存率超过5－10年，而慢性排异仍然阻碍器官移植者长期生存，必须用大量的免疫抑制药物抗排异，但常引起感染或诱发心脏病致死。自体干细胞分化和治疗性克隆可能解决这个难题。最近有两个令人振奋的进展。一个是分离出了内耳干细胞。另一个是在脾脏中也发现了具有分化能力的干细胞。若能够在其它的细胞组织中也找到可诱导分化的干细胞，那将来器官来源的途径就很多了，自体干细胞器官克隆和移植也就很有潜力了。至于异体器官移植，因为每个人对药物的反应都不一样，相信对于器官移植的排异反应强弱也与每个人不同的基因型有关。通过药物基因组研究，外科医生就有可能了解每个病人最合适的免疫抑制药物种类和剂量，既使得人体不产生免疫排斥反应，又不至于将免疫力减低到会死于轻微感染。

  个体化医疗将信息技术和基因组信息整合进入医学，对疾病既要进行预测和预防、也要做针对特定目标的治疗。如药物基因组已经发现了几十种基因型，包括对于感染性疾病的易感基因型和防御基因型；对癌症的易感基因型；对药物代谢速率不同的基因型。如对一种淋巴癌的化疗药，有些人用很大剂量都没事，而带有TPMP基因突变的人剂量就一定要降低，否则会致命。

  基因组医学的发展离不开生命科学研究与医学实践。基因组医学的应用离不开对医生的遗传学和基因组学的训练；对病人的普及知识教育；以及可快速获得信息和分析信息的计算机系统，包括基因型数据库和表现型数据库，以便做出精确的个体化医疗决定（图二）。

  基因组医学的全球观

  以解剖学为基础的现代医学（根据疾病症状作诊断和治疗），正在逐步迈向基因组医学（可以在疾病症状出现前开展预测、诊断、治疗和预防）。在诊断方面，预测性遗传检查能够将诊断和预防联系在一起；在治疗方面，基因疫苗和干细胞治疗是新兴的，但药物治疗还是主流。以特定基因为目标的药物研发和针对特定基因型的个体化用药必将大力推动基因组医学的发展。将来，人们不仅要预防传染病，还可能预防很多常见病。医学各科的医生都需要了解他们的病人可能涉及的与疾病相关的遗传因素和环境因素。基因和基因组不再是时新概念，而是日常医疗实践的基础。科学家预期，到2050年，一个较全面、完整的以基因组为基础的医疗实践和卫生保健体系将有可能在发达国家成为标准和规范应用：

  在5－10年内，常规的基因诊断将能够预测个体对某些常见疾病和遗传性癌症的易感风险；

  在5－10年内，对肿瘤特征的基因诊断将能够对许多癌症（包括遗传性癌症和散发性癌症）作早期诊断；

  在10－20年内，安全的基因治疗将成为对某些遗传病的有效治疗手段；

  在10－20年内，安全的基因疫苗将成为对某些癌症的有效治疗手段；

  在10－20年内，针对特定病原生物基因组的基因疫苗将会普遍用于预防；

  在10－20年内，针对个体基因型的特异、高效、低毒性的基因药物将会广泛使用；

  在50年内，人类许多疾病发生、发展的分子机理将会阐明，并能够在疾病症状出现前或早期在基因水平上得以诊断和治疗；

  在50年内，与许多复杂性疾病发生、发展相关的基因变异及其环境的诱导作用将会阐明，并能够通过改变生活习惯和改进环境条件来降低患病风险，使得对这些疾病的预防成为可能。

  WHO已经关注这个问题，他们预测在20年之内基因组医学在发达国家将得到很大的发展和应用。但在发展中国家则相距甚远。目前，全球的生物医学研究中90％的资金是在发达国家，且研究的疾病主要针对世界总人口的10％。因此，WHO呼吁发达国家在基因组医学的研究、应用和普及教育等方面的重点应有所转变，用更全球化的眼光来看待疾病和它的后果。一方面伸出援手为发展中国家开发或提供较经济的DNA技术，如对感染性疾病的快速基因诊断；对4亿镰型细胞病和地中海贫血症的致病基因携带者的简便遗传筛查；对20亿乙肝病毒携带者的基因疫苗。另一方面号召各高等学府、研究机构和基金会选择更为国际化的课题。G8（即八个工业化国家）的“新非洲”提议也将基因组医学包括在内，通过消除基因组研究和应用的发展不平衡来推行全球健康平等。全球南北合作会议专为非洲设计的抗艾滋病的基因疫苗已进入临床试验。如能成功，则将使非洲在5－10年减少几千万HIV携带者。

  几个重大国际合作项目（如HGP、HapMap、Proteomics、CGP）中国都积极参与。上海现在发展很快，是发展中国家最发达的地区之一，某些方面甚至超过发达国家。应该拿出一定的资金来率先进行基因组医学研究，复旦大学要做具开创性、方向性、指导性的大项目，争取领先水平和领导地位。复旦的优势很多，其中发展强强联合最为明显，例如拥有非常优秀的生命科学院和医学院，可将基因组学、生命科学与医学很好地结合，相辅相成，取得突破。

  下面是我对中国开展基因组医学的具体建议：建立一个将基因组学和其他组学的研究成果迅速转化为医疗实践的研究开发机构。这将是一个跨学科、跨院校的集研究、开发和临床应用于一体的新型团队。目的是将生命科学和临床医学的研究整合在一起，开发便于应用的平台并推广到整个临床医学，以推动适合国情的基因组医学发展。近期目标是建立四个平台以促进生物医学的基础资源、临床研究和继续教育：

  第一个平台是以中国人的重大和常见疾病为主要对象，建立大规模的病人（DNA）、疾病（表现型）样本库和数据库，以及正常人群的对照样本库和数据库。这个平台需要组织各医学专科积极参与。这些样本库和数据库的建立是全面开展疾病基因组、行为基因组、药物基因组、环境基因组等研究的基石，尤其是对研究许多常见病的发生发展机理和遗传与环境的相互关系至关重要。

  第二个平台是对上述数据库中大量的资料进行整合分析并开发成为可供进一步临床研究和验证的平台。例如，利用该数据库，结合即将要完成的HapMap所提供的信息来研究与这些疾病相关的基因型（易感风险的科学证据），对已发现的易感基因型进行更大样本的验证以提供更为确切的医学证据。也可以用这些样本库和数据库帮助开发和验证针对特定基因或疾病的基因药物。

  第三个平台是开发高通量低成本的基因诊断、遗传筛查和预测性遗传检查的技术平台和一整套方法，使基因组医学可以推广应用于广大医疗机构。这是将来实行个体化医疗的重要基础，即以个人基因型为目标对疾病进行诊断、治疗和预测、预防，包括针对个人基因型的特异、高效、低毒性的药物治疗。

  第四个就是教育的平台。包括对未来医生和现任医生的教育、培训，对公众普及基因组医学及其相关的伦理、法律、社会影响（ELSI）等知识。因为公众有权知道与他们自身健康有关的生物医学进步和ELSI发展。可以通过科普网站及时向公众传播这些信息，也可以通过远程继续教育培训专业人员。

  （本文系作者在复旦大学上海医学院和生命科学学院的演讲）

  行家点评

  吴柏林博士极具真知灼见地阐述了以人类基因组研究为基础的生命科学在本世纪临床医学中的重要地位。这一观点已经受到了中国生命和医学科学研究领域的专家们的高度重视。在过去的几年里，中国的高等院校和科研单位在疾病基因组研究上依托国家人类基因组南、北方研究中心和国家医学遗传学重点实验室已取得了令人瞩目的成就。多个跨学科、跨院校的疾病基因组研究队伍已经初具规模，这为进一步开展基因组医学研究打下了坚实的基础。

  正如吴博士指出，针对中国人群中的重大和常见疾病的大规模的前瞻性的遗传和分子流行病学研究和样本收集是这一努力的先导。在此基础上建立起开放和共享的中国人群重大和常见疾病的样本库和数据库将成为基因组医学研究的基本资源。同时，必须强调对医生和公众的普及性教育是这一努力成功的保障。

  ——金力（复旦大学生命科学学院）

  人类研究自然的目的不是征服自然，而是了解自然、利用自然、改造自然，从而提高自身的生活质量。在人类研究自然的漫长道路上，对人类本身的了解是最艰难的。

  迄今为止，抗菌素的发明、疫苗的接种、对环境污染的控制等医学成就已经在很大程度上降低了疾病的发生率和死亡率，但是这些研究的结果和应用基本上涉及的是外在因素对人类健康的影响，并没有真正触及到人类生命本质的疾病始发潜质。目前的研究结果表明，除了外伤以外，所有的疾病都与人类的遗传有关，只是遗传因素所起作用多少而已。例如，肿瘤和癌症，心脏和心脑血管疾病，这些疾病的基因型都是在出生时就决定了的，当然是否发病还与环境因素有关。

  人类基因组计划的完成使得我们能够解读人类基因组，然而我们对于基因在疾病的发生、发展中的作用及其与环境因素的关系等问题知之甚少。基因组学的研究可以在基因水平上对疾病的诊断、治疗和预防采取措施，是一种对人类生命内在因素的干预，因此，这将是医学史上的又一次革命。

  纵观医学发展史，近代医学的突破性进展几乎都得益于相关学科的革命性研究成果。今天，生物学大家庭中医学的近邻——生命科学在基因组学方面已经获得重大进展，把这凝聚人类智慧的圣水播撒在医学的土地上，必将生发出绚丽的生命之花。我们已经迎来了生命－医学的新时代。

  ——王卫平（复旦大学副校长、复旦大学上海医学院院长）

  作者简介

  吴柏林，哈佛大学儿童医院基因诊断研究室主任、研究员；哈佛医学院病理学助理教授；哈佛医学院临床遗传和分子病理博士后流动站指导教授；复旦大学兼职教授；美国医学遗传学院临床分子遗传学专家委员。1986年上海医科大学医学遗传学硕士；1993年美国波士顿大学分子遗传学博士；1996年哈佛大学博士后。2001年中美医学大会临床遗传专题组共同召集人。长期在国内外从事遗传和医学的教学、科研、临床应用和科学普及，发表了各类论文60多篇，参与编写教科书5本、学术专著3本，编导医学教育电视片6部，著有《人体革命》一书。（转化医学网360zhyx.com）