圖片：美國能源部人類基因組計劃
基因編碼在 DNA 中，由四種鹼基組成，即遺傳字母表中的字母（A、T、G、C）。染色體包含 DNA；它們位於細胞核內。 |
請大家坐穩。人類基因組測序競賽——現在正處於最後階段——正在加速。大約三週前，馬里蘭州的公司 Celera Genomics——賽道上的一個相對的新手，由克雷格·文特爾領導——似乎領先於熱門選手，即公共資助的人類基因組計劃。4月6日，Celera 宣佈，經過僅僅七個月的工作，他們已經破譯了人類基因組中接近所有 3,000,000,000 個鹼基對，或遺傳字母表的字母。
這個訊息讓一些觀眾準備換注。但事實上，比賽仍然難分勝負。自 1990 年以來一直穩步致力於破解人類基因組的人類基因組計劃也即將完成“工作草案”。而 Celera 的宣佈並不一定意味著他們已經獲得了獎品。
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Celera 的研究人員使用了一種“散彈槍方法”。他們取出一個人的 DNA（包含所有基因的分子），將其切成小塊，並確定每個片段中鹼基對的順序。然而，現在，他們必須將這些碎片重新組合在一起。只有當他們完成這個拼圖遊戲時，他們才能對基因組進行測序。但是，透過使用日夜不停地處理數字的巨型計算機，Celerea 可能會在未來的任何一週內完成此組裝。
圖片：阿爾忒彌斯製藥
果蠅 黑腹果蠅 已被遺傳學家使用近 100 年。現在它的基因組序列已完全為人所知。 |
無論誰贏得這場短跑比賽，下一場比賽——理解基因組的意義——將是一場有許多跑步者的馬拉松。這項任務將落在整整一代生物、醫學和資訊研究人員身上。僅僅是第一步，研究人員稱之為註釋，就很可能需要幾個月的時間。從整個 DNA 序列中，他們需要找到實際包含基因的 5%。在毫無意義的鹼基對字串中尋找估計的 80,000 到 140,000 個基因就像大海撈針。
然後，科學家們將不得不弄清楚各個基因的作用。這就是酵母、蠕蟲和果蠅可以提供幫助的地方：儘管它們看起來不像，但這些所謂的模式生物與人類共享許多遺傳資訊。百時美施貴寶功能基因組學執行董事馬克·科克特說：“我認為大約 40% 的酵母基因具有人類對應物或在人類中具有相似功能的基因。”而且這些生物比人更容易研究：它們繁殖更快，它們的基因很容易被操縱。與小鼠等動物相比，它們飼養成本更低。因此，通過了解它們的基因如何工作，我們可以瞭解我們自己的基因。
到目前為止，遺傳學家已經在“基因組方舟”上搭載了三個這樣的物種，對其基因組進行了完整測序：麵包酵母（釀酒酵母）、線蟲 秀麗隱杆線蟲 和果蠅 黑腹果蠅。（Celera 和伯克利果蠅基因組專案上個月剛剛在《科學》雜誌上聯合發表了果蠅基因組）。很快，從遺傳學角度來看，幾乎與人類相同的小鼠將加入這艘船：其基因組正受到公共資助的小鼠基因組測序專案和 Celera 之間另一場競賽的追捧。而斑馬魚，在幼年時是透明的，因此可以讓研究人員觀察其器官的生長，可能會成為下一個目標。
圖片：美國國立衛生研究院
小鼠通常是人類疾病的模型。一種稱為基因敲除的技術允許研究人員隨意刪除它們的任何基因。小鼠基因組在人類基因組完成後將成為下一個目標 |
好訊息是，由於這些生物的基因與我們自己的基因如此相似，它們可以幫助揭示治療遺傳性疾病的新方法。在 289 個已知的人類疾病基因中，多達 60% 在 果蠅 中有對應物。百時美施貴寶的蠕蟲研究員凱文·菲茨傑拉德說：“負責癌症、例如乳腺癌或阿爾茨海默氏症的一些相同基因和成分，實際上在蠕蟲和果蠅中都存在，而且它們的功能似乎非常相似。”
甚至簡單的麵包酵母，它只有我們數十億細胞中的一個細胞，也在研究癌症治療方法如何起作用方面發揮作用。迄今為止，酵母教會了科學家很多關於細胞分裂和 DNA 修復的知識，這些過程在癌症中會出錯。“西雅圖專案”是國家癌症研究所資助的一項旨在尋找新型抗癌藥物的專案，該專案的研究人員正在酵母細胞中誘變基因——例如 ATM 基因或錯配修復基因——這些基因通常會導致人類患癌症。然後，他們將這些誘變酵母細胞暴露於癌症治療中使用的一系列化合物中，以找到哪些化合物會殺死它們。結果為這些藥物如何起作用以及如何改進它們提供了線索。
圖片：ZFIN
斑馬魚是研究人員深入研究的最簡單的脊椎動物。在發育過程中，它是完全透明的。 |
多細胞生物更適合研究其他疾病，如阿爾茨海默氏症或糖尿病。有助於這些疾病和其他疾病的藥物通常會干擾細胞內的所謂訊號通路。沿著這些通路，傳遞著許多不同的資訊——每個資訊都以蛋白質的形式出現，而每個蛋白質都是潛在的藥物靶點。為了找到更多這些靶點——藥物可能會改變資訊或阻止訊號的位置——研究人員正在尋找蠕蟲和果蠅的突變。
總部位於加利福尼亞的專注於模式生物的公司 Exelixis 的執行長傑弗裡·杜克解釋說：“假設我們想找到一種新的抗糖尿病化合物。我們知道，在 II 型糖尿病中，大多數患者基本上對胰島素的作用有抵抗力。因此，你在模式系統中做的是建立一個突變或一系列突變，使這些生物對胰島素的作用產生抵抗力。然後，你基本上是在尋找抑制突變，即改變其他基因、改變生物體對胰島素敏感性的東西。然後，你找到相應的脊椎動物基因，並詢問它們是否會做同樣的事情。”而作用於這些基因產物的藥物可能具有與突變相同的效果——將胰島素反應恢復正常。
最後，當然，瞭解蠕蟲或果蠅的基因如何工作永遠無法完全解釋人類基因組。“任何專案都有第二個階段，那就是需要將其推斷到哺乳動物細胞中。這與你是在酵母、果蠅還是在 秀麗隱杆線蟲 中無關，”西雅圖 Rosetta Inpharmatics 總裁，前西雅圖專案協調員之一的斯蒂芬·弗蘭德說。但是，一旦讀取基因的競賽結束，研究其他生物體的基因組將為理解我們自己的基因提供寶貴的、即使是間接的經驗。