用基因大數(shù)據(jù)打造“生命周期表”

“計劃通過對地球上的生命進行基因、表型、生態(tài)等方面信息和知識的梳理、歸納和分析，發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)背后的生命規(guī)律，最終實現(xiàn)‘數(shù)字化動植物，數(shù)字化地球’的宏偉目標。”華大基因副總裁、首席技術官方曉東所說的“計劃”，是華大基因近日發(fā)布的“生命周期表計劃”。

此前，華大基因CEO尹燁發(fā)布“2020計劃”及“生命周期表計劃”時表示，“生命周期表計劃”的開展，意義并不亞于“元素周期表”。

基因測序+數(shù)據(jù)挖掘 探尋生命之樹秘密

對于生命科學來說，在生命周期中起著類似化學元素在化學中基礎性作用的是基因。然而，生命個體的基因遠比化學元素復雜。

“像化學家從各種物質(zhì)中鑒別出元素那樣，我們先要從豐富的物種中通過測序檢測出盡可能多的基因。這就是生命周期表計劃的基礎部分——針對地球上所有物種的基因組測序。”方曉東告訴科技日報記者，難點在于收集世界各地不同來源的物種樣本，生物樣本的采集、授權(quán)和轉(zhuǎn)移寄送并非易事。

有了物種樣本后，科研人員借助高通量測序技術和大數(shù)據(jù)分析挖掘。“首先要獲得目標物種的基因組序列圖譜。為確保測序的準確性，我們要保證測序數(shù)據(jù)量平均覆蓋全基因組幾十甚至上百次，并通過足夠聰明的算法和高性能的計算機來推算出目標基因組的序列，進而根據(jù)分子進化論計算推斷出物種的譜系關系。”方曉東說，這些生物大數(shù)據(jù)，不僅體量巨大，維度也非常高，要挖掘隱藏在背后的生命運行規(guī)律非常困難，譜系關系相對還是比較簡單的分析。

華大基因的研究，希望通過對生命數(shù)據(jù)的積累，促進生命科學研究從量變到質(zhì)變奇點的發(fā)生，讓人類更好地了解生命運行規(guī)律，與大自然和諧相處。

首選哺乳動物 為保護瀕危動物打call

“生命周期表”計劃第一期測序?qū)ο筮x擇了哺乳綱。用方曉東的話來說，“幾乎找不到不選它的理由”，不僅是因為哺乳綱和人類的生存發(fā)展息息相關，也是基于多年來研究動植物基因組的經(jīng)驗。

“我們和國內(nèi)多家動物園、科研單位合作，拿到了很多哺乳綱樣本的材料。”方曉東表示，相對其他物種，哺乳動物的基因組在大小和復雜度上較簡單，這便于在現(xiàn)有技術條件和經(jīng)費下，更好更快地完成生命周期表計劃的前期成果，為后續(xù)研究提供更多經(jīng)驗和技術儲備。

鼠兔到底是鼠還是兔？大熊貓是熊還是浣熊，為啥它們不愛吃肉？“鼠兔是指兔亞科鼠兔屬動物，是跟普通大白兔很接近的動物。鼠兔的種屬分類以前就搞清楚了，基因測序進一步證實了上述關系。”方曉東直言，通過對北京奧運會吉祥物熊貓“晶晶”的測序研究，進而為大熊貓歸屬于熊科動物提供論據(jù)，還解釋了大熊貓不喜歡吃肉，是因為感受肉類鮮美的T1R1基因失去活性。

值得關注的是，基因測序研究也為瀕危動物保護提供了重要參考。華南虎目前數(shù)量上升很快，但整個種群全是6只華南虎的后代，基因多樣性堪憂，被世界自然保護聯(lián)盟列為極度瀕危的十大物種之一。

“在無法改變近親繁殖現(xiàn)狀的情況下，必須加強基因病的研究，控制有害基因擴大化。”方曉東建議，對現(xiàn)存種群個體進行全面測序，保存盡可能多的華南虎基因信息，以便盡快探索使用基因編輯等技術來防治華南虎基因病。

解碼生命奧秘 已測序500多種高等動植物

目前，全球已測序高等動植物中（含未公布），39%由華大基因和合作伙伴共同完成，已測序的高等動植物有500多種。“生命周期表”在此基礎上，擬完成5600多種哺乳動物的測序，其后將逐步完成物種數(shù)字化計劃。

“代表性的動物有常見的家畜，如豬、馬、貓、狗等，以及動物園里的明星——熊貓、獅虎、大象等。植物則包括了禾本科的水稻小麥等，以及豆科、茄科、薔薇科和十字花科等植物。”方曉東稱，這些物種的測序分析，極大推進了對生命之樹的整體認識。比如，厘清了動物中一些物種在進化樹上的位置關系，證實了植物中一些物種單倍體和多倍體的演化順序，后續(xù)要擴大范圍實現(xiàn)物種全覆蓋。

尹燁透露，“生命周期表計劃”第一期測序?qū)ο鬄楝F(xiàn)存27目157科的哺乳綱，已有超過127科物種被認領。項目組將通過眾籌的方式，推動該科物種的基因組分析、解讀和知識傳播、保護。

      “關于植物的選擇，第一期會優(yōu)先啟動藥用植物計劃，這符合我國中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，與大眾健康密切相關。”方曉東說，中長期計劃則是在3-5年內(nèi)，覆蓋所有代表性的開花植物，甚至解密所有的動植物基因組，構(gòu)建物種的生命周期表。