通往精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)之路國際著名的生物物理學(xué)家、哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系講席教授、美國科學(xué)院院士、北京大學(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心（BIOPIC）主任謝曉亮日前獲得美國生物醫(yī)學(xué)大獎阿爾伯尼獎。頒獎前夕，謝曉亮教授應(yīng)美國著名雜志美國醫(yī)學(xué)會雜志（THEJOURNALOFTHEAMERICANMEDICALASSOCIATION，JAMA）的邀請，發(fā)表了有關(guān)單分子技術(shù)與基因組學(xué)的評述，并對這兩個領(lǐng)域與蓬勃興起的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的關(guān)系作了詳細(xì)介紹。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(xué)技術(shù)的一大進(jìn)步。因為他們的健康有賴于出生前一項單分子層面的檢測技術(shù)，該技術(shù)讓他們減少了攜帶父母體內(nèi)的遺傳病基因的可能。這對于防患遺傳病和整個生物醫(yī)學(xué)都意義重大。在單分子生物學(xué)研究領(lǐng)域作出這樣的技術(shù)創(chuàng)新，并將其應(yīng)用于試管嬰兒遺傳性疾病的預(yù)防，正是謝曉亮成為首個阿爾伯尼獎華人科學(xué)家得主的原因。不過，如此重要的單分子生物學(xué)還是一個年輕的學(xué)科。謝曉亮在最新發(fā)表于JAMA的文章中介紹，在過去20年里,單分子成像與操縱領(lǐng)域的進(jìn)展迅速，孕育出一門基于觀測單個分子理解生物過程的新學(xué)科單分子生物學(xué)。在全世界許多實驗室的推動下，這個嶄新的領(lǐng)域改變了我們對于許多生物學(xué)問題的思考與理解，并產(chǎn)生出很多新知識。結(jié)緣單分子謝曉亮與單分子生物學(xué)緣起于上個世紀(jì)90年代初。謝曉亮帶著在室溫下單分子成像的想法進(jìn)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(xué)家。1998年，謝曉亮的研究組在科學(xué)上發(fā)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(xué)的早期經(jīng)典案例。膽固醇催化酶所含有的核黃素輔基在氧化態(tài)下是天然發(fā)光的熒光基團(tuán)，而在還原態(tài)下則不發(fā)光，所以每一次熒光的“亮/滅”循環(huán)對應(yīng)著一個酶分子催化狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。這一特點使得對單個酶分子反應(yīng)的實時觀測成為可能。“在單分子層面上，化學(xué)反應(yīng)是隨機(jī)發(fā)生的，即化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需的等待時間是隨機(jī)分布的，而不像在擁有大量分子系統(tǒng)中的反應(yīng)那樣有可被推測的結(jié)果。由于很多生物大分子，例如DNA，是以單分子或者少量幾個分子的形式存在于細(xì)胞之中，故能對單分子化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行實時觀察就尤為重要?！敝x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(yīng)發(fā)生時氧化態(tài)核黃素（FAD，發(fā)熒光）和還原態(tài)核黃素（FADH2，不發(fā)光）狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是隨機(jī)的。對膽固醇氧化酶催化的研究成果奠定了單分子酶學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)，謝曉亮也成為該領(lǐng)域的奠基人。謝曉亮在前述文章中指出，單分子酶學(xué)具有實際應(yīng)用意義。例如，單分子測序儀可以監(jiān)測單個DNA聚合酶分子將有熒光標(biāo)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(zhǔn)確性和通量方面尚不能與基于大量分子的DNA測序儀相競爭，但它具有一個獨特的優(yōu)勢能夠?qū)荛L的DNA序列進(jìn)行測序?！?007年以來基于大量分子（還不是單分子）的新一代DNA測序儀的出現(xiàn)，已開啟了激動人心的個體化醫(yī)療的新紀(jì)元。”謝曉亮說。開創(chuàng)新領(lǐng)域在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，單分子生物學(xué)不僅在體外而且在活細(xì)胞內(nèi)增進(jìn)了人們對許多大分子系統(tǒng)工作機(jī)理的深入理解。繼單分子酶學(xué)之后，謝曉亮又開創(chuàng)了活細(xì)胞中的單分子研究。謝曉亮解釋說，一個基因在單個細(xì)胞中只有一個或者兩個拷貝，基因表達(dá)的過程和單個酶分子反應(yīng)一樣，也是隨機(jī)發(fā)生。因此，單分子生物學(xué)與單細(xì)胞生物學(xué)是密切相關(guān)的。近年來，謝曉亮的研究團(tuán)隊對單個活細(xì)胞中MRNA和蛋白質(zhì)分子逐個產(chǎn)生的隨機(jī)過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究，從而使得分子生物學(xué)的“中心法則”在單分子層面上得到了定量的描述。2006年，其在自然和科學(xué)發(fā)表論文，首次介紹在活細(xì)胞中逐個觀察基因表達(dá)的方法，該方法讓科學(xué)家們能夠以前所未有的方式在單分子層面上研究基因調(diào)控。DNA以單分子（單個染色體）的形式存在于每一個人體細(xì)胞中，所以基因組的變化也是隨機(jī)發(fā)生的。相應(yīng)地，人類生殖細(xì)胞分裂時發(fā)生的隨機(jī)重組使得每一個細(xì)胞都不相同，比如癌細(xì)胞中劇烈的基因組變化也使得原發(fā)腫瘤中的細(xì)胞之間存在高度的異質(zhì)性。在一個細(xì)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(shù)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(dǎo)致遺傳性疾?。籆NV則通常發(fā)生在生殖細(xì)胞分裂時的染色體分離過程中以及腫瘤細(xì)胞內(nèi)基因組的重排錯誤（包括插入、缺失、染色體倒位和易位）?！坝捎赟NV和CNV在不同細(xì)胞中的發(fā)生是隨機(jī)的、不同步的，因此每個細(xì)胞都擁有不同的基因組，這使得單細(xì)胞測序成為必需。而直到最近，由于單細(xì)胞基因組學(xué)的發(fā)展，這種必需才變得可行?！彼f。專注精準(zhǔn)醫(yī)療約7000種單基因遺傳疾病會嚴(yán)重影響人類健康，并對病人家庭和社會醫(yī)療體系產(chǎn)生沉重負(fù)擔(dān)。例如染色體異常，即染色體層面上的拷貝數(shù)變異，是流產(chǎn)及許多遺傳性疾病如唐氏綜合癥的主要致因。如果能夠提前發(fā)現(xiàn)這些不好的基因變化，那么將減少人們受到病痛的折磨的幾率。這些讓單細(xì)胞基因檢測成為被需要的技術(shù)。給單個人類細(xì)胞做全基因組測序需要對其進(jìn)行全基因組擴(kuò)增（WGA）（圖2）。謝曉亮研究組于2012年發(fā)表在科學(xué)的一篇文章，介紹了他們研發(fā)的一種新方法。這種方法被稱為“多重退火循環(huán)擴(kuò)增法”（下文簡稱MALBAC）。相比之前被廣泛應(yīng)用的MDA方法，MALBAC能夠更準(zhǔn)確地檢測SNV和CNV，在人體細(xì)胞中數(shù)字化地計數(shù)一個基因的拷貝數(shù),并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(xì)胞的全基因組擴(kuò)增（WGA）過程。謝曉亮在北京大學(xué)生物動態(tài)成像中心的團(tuán)隊與該中心的湯富酬團(tuán)隊、白凡團(tuán)隊、北醫(yī)三院的喬杰團(tuán)隊以及北京腫瘤醫(yī)院的王潔團(tuán)隊合作，成功地把MALBAC用于協(xié)助人工輔助生殖和癌癥的研究?！鞍袽ALBAC用于協(xié)助人工輔助生殖和癌癥的研究，兩者皆對精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)有著重要意義?！敝x曉亮在上述文章中說。在人工輔助生殖領(lǐng)域，為了避免染色體異常和單基因疾病的遺傳，MALBAC已經(jīng)被應(yīng)用于胚胎植入前基因組篩查PGS和胚胎植入前遺傳學(xué)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(jīng)被用于PGD和PGS，MALBAC能夠提供更高的精確度，并可以同時避免染色體異常和危險點突變的發(fā)生。2014年，兩個“MALBAC嬰兒”的出生得到了大量的關(guān)注和報道，并在國際學(xué)術(shù)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后代不再攜帶嚴(yán)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（只顯示一對染色體）。來自父親（綠色）和母親（紅色）的染色體DNA發(fā)生過同源重組。受精后，胚胎發(fā)育不需要的第一和第二極體（卵細(xì)胞上方的兩個小圓球）可以通過一個微細(xì)移液管取出，利用MALBAC方法進(jìn)行WGA。對這兩個極體或胚胎囊胚期的少數(shù)細(xì)胞進(jìn)行測序，染色體異常（最上面）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（下面）。“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(fēng)險?！敝x曉亮在文章中指出，選擇一個風(fēng)險較低的等位基因，如特定的BRCA基因序列，在技術(shù)上目前是可行的，但在倫理層面上還需要進(jìn)一步討論。據(jù)了解，謝曉亮與其團(tuán)隊也正在努力嘗試將MALBAC技術(shù)應(yīng)用于癌癥的診斷。眾所周知，癌癥是一種基因組疾病。循環(huán)腫瘤細(xì)胞CTC在進(jìn)入人體外周血液循環(huán)后可能介導(dǎo)癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，并引發(fā)90與癌癥相關(guān)的死亡。而謝曉亮等人研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)腫瘤細(xì)胞與原發(fā)腫瘤細(xì)胞有所不同。他們使用MALBAC分析肺癌患者的單個循環(huán)腫瘤細(xì)胞基因組，發(fā)現(xiàn)其循環(huán)腫瘤細(xì)胞的CNV模式在一個病人體內(nèi)以及在患同一種癌癥的不同病人中是相似的，但在不同的癌癥類型中是截然不同的。此外，這些循環(huán)腫瘤細(xì)胞中重復(fù)出現(xiàn)的CNV模式與患者的轉(zhuǎn)移灶腫瘤細(xì)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(qū)域拷貝數(shù)的增減模式被腫瘤轉(zhuǎn)移所選擇。循環(huán)腫瘤細(xì)胞的CNV模式與癌癥類型有關(guān)這一發(fā)現(xiàn)為研究人員提供了基于CNV模式進(jìn)行無創(chuàng)癌癥診斷的可能。因此，單細(xì)胞全基因組擴(kuò)增方法的進(jìn)一步發(fā)展將有助于科學(xué)家能夠更好地了解腫瘤異質(zhì)性和癌癥轉(zhuǎn)移的機(jī)制，而且有望實現(xiàn)對癌癥的精準(zhǔn)化診療。”謝曉亮在文章的最后強(qiáng)調(diào)了自己的核心觀點，DNA以單分子的形式存在于每個細(xì)胞中，因此基因表達(dá)和基因組的變化是隨機(jī)發(fā)生的，這也使得在單細(xì)胞和單分子水平上的測量成為必需?！皢渭?xì)胞基因組學(xué)發(fā)端于單分子技術(shù)與基因組學(xué)的交匯之處?！闭雇磥?，謝曉亮寫道，“在單細(xì)胞中進(jìn)行精確基因拷貝數(shù)的計數(shù)以及基因點突變的檢測現(xiàn)在不僅已成為可能，而且正在成為日益重要的技術(shù)。這些手段使得科學(xué)家們能夠在單個分子的層面上檢測、理解并改善生命過程，也成為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的生動案例。”參考文獻(xiàn)1XIEXSSINGLEMOLECULESMEETGENOMICSPINPOINTINGPRECISIONMEDICINEJAMAPUBLISHEDONLINEMAY14,2015DOI101001/JAMA201555332LUHP,XUNL,XIEXSSINGLEMOLECULEENZYMATICDYNAMICSSCIENCE19982825395187718823ZONGC,LUS,CHAPMANAR,XIEXSGENOMEWIDEDETECTIONOFSINGLENUCLEOTIDEANDCOPYNUMBERVARIATIONSOFASINGLEHUMANCELLSCIENCE2012338611416221626書是我們時代的生命別林斯基書籍是巨大的力量列寧書是人類進(jìn)步的階梯高爾基書籍是人類知識的總統(tǒng)莎士比亞書籍是人類思想的寶庫烏申斯基