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生物醫(yī)藥 正文
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陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

本文作者: 任平 2022-11-22 15:02
導(dǎo)語:90年代中國人類基因組計劃,一次蕩氣回腸的群英接力.

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

1990年4月6日這一天,陳潤生記了30多年,當(dāng)時他49歲。

那是一個普通的日子,離陳潤生從德國紐倫堡大學(xué)學(xué)成回國,歸隊中國科學(xué)院生物物理研究所已有兩年多,期間他拿到“863蛋白質(zhì)工程”資助,升任研究員。

他一直思考未來的研究方向,讀了不少關(guān)于人類基因組計劃(HGP)的報道和討論。

就在這一天,陳潤生看到一篇由James Watson(被譽(yù)為“DNA之父”)發(fā)表于《Science》 的文章:“The Human Genome Project: Past, Present, and Future”。

在論文開頭,Watson寫到,“ HGP所用花費要比登月計劃少一個數(shù)量級,但它對人類生活的影響是更大的……當(dāng)我們最終能解讀DNA分子中編碼的遺傳信息時,它不僅能幫助我們了解正常人有什么功能,還能在化學(xué)水平上解釋遺傳因子在許多疾病中的作用,如奪走了成千上萬人的生命的癌癥、老年癡呆癥、精神分裂癥。”

這些描述讓陳潤生激動不已——世界對岸有人搞起了人類遺傳密碼。他決定給Watson寫封信,表明對這一卓越科學(xué)事件的理解與支持。

陳潤生當(dāng)時只是一個普通科研人員,毫無知名度,而Watson早在20世紀(jì)中期就拿下諾獎,并時任美國國立健康研究院(NIH)首位人類基因組研究中心的主任。

兩人素昧平生、身份懸殊,“我寫信過去并不指望有何反饋或回報,國內(nèi)根本找不到同行 ,只是想宣泄一下自己的情緒 。”

一個月后,陳潤生收到了來自NIH的郵件,信是Watson委托美國人類基因組計劃辦公廳的主任而寫,并隨信附了兩本材料。其中一本是被陳潤生珍藏多年、封皮起皺的美國人類基因組第一個五年計劃的正式文本。

這份漂洋過海的文本,開啟了陳潤生后半生重要的生信方向,也翻開了中國人類基因組研究的第一頁。

一封漂洋過海的來信

1987年,一位在美國工作的馬來西亞華裔林華安博士(Hwa A. Lim),首創(chuàng)生物信息學(xué)(Bioinformatics)一詞。他給出Bioinformatics的定義:生物信息學(xué)是一門收集、分析遺傳數(shù)據(jù)以及分發(fā)給研究機(jī)構(gòu)的新學(xué)科。

1990年10月,人類基因組計劃在美國正式啟動,生物信息學(xué)這一新學(xué)科也相伴發(fā)展。在美國人類基因組計劃正式文本中,著重提到了基因組信息學(xué):它是一個學(xué)科領(lǐng)域,包含著基因組信息的獲取、處理、存儲、分配 、分析和解釋的所有方面。

1991年,我國科學(xué)家討論如何參與基因組研究,重?fù)?dān)落到了時年66歲的吳旻身上。

吳旻1961年從蘇聯(lián)學(xué)成回國,開始創(chuàng)建中國的現(xiàn)代人體細(xì)胞遺傳學(xué)研究,70年代投身于食管癌的遺傳病因領(lǐng)域,在國內(nèi)首倡并開展對人類疾病進(jìn)行基因治療,1986年在“863”資助下開展基因治療研究。

到90年代,吳旻身兼數(shù)職,當(dāng)選中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士),并擔(dān)任中國科學(xué)院生物學(xué)部副主任。時局促動下,吳旻成為中國開啟人類基因組計劃和生物信息學(xué)科的牽頭人。

1991年5月,吳旻被任命為國家自然科學(xué)基金委員會生命科學(xué)部主任,任期至1995年。

吳旻想在任期里把參與HGP的事情辦成。1991年底,他向基金委遞交了中國人類基因組計劃的重大課題建議書,提出并組織我國人類基因組計劃重大項目。

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

吳旻

這一舉措獲得了中國很多著名科學(xué)家的支持,有談家楨(中國現(xiàn)代遺傳學(xué)奠基人)、鄒成魯(近代中國生物化學(xué)的奠基人之一,時任中國科學(xué)院生物學(xué)部主任)、強(qiáng)伯勤(主要從事腦發(fā)育以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)基因的結(jié)構(gòu)與功能研究)、陳竺(從事人類白血病和基因的研究)、羅遼復(fù)(80年代初由物理學(xué)向研究理論生物物理研究)、張春霆(80年代中期由物理學(xué)轉(zhuǎn)而研究計算生物學(xué)和生物信息學(xué))等,不一而足。

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

鄒成魯、談家楨、強(qiáng)伯勤、陳竺、羅遼復(fù)、張春霆

1992年國慶節(jié)的第兩天,吳旻游完泳穿衣時腳下一滑,身體向前撲倒,面部著地、滿臉是血,后經(jīng)醫(yī)院照X光發(fā)現(xiàn)鼻梁兩處骨折,左眉尖上縫了5針,打了破傷風(fēng)針。

此時,正是中國人類基因組計劃的重大課題建議書評審的關(guān)鍵時刻,4天后又要在基金委進(jìn)行一次答辯。時任生命科學(xué)部副主任的趙宗良心急如焚,卻無法替代上場。

10月6日,答辯如期進(jìn)行,吳旻頭裹紗布報告了我國人類基因組計劃項目實施的重要性和深遠(yuǎn)意義。

這場一波三折的答辯,終于收獲了順利通過的結(jié)果。吳旻在他的“我與科學(xué)基金”一文中提到:萬幸我沒有感染。

另一邊,陳潤生也在時刻關(guān)注國內(nèi)人類基因組研究的線索。這位42歲(1983年)加入中國共產(chǎn)黨的黨員,迫切想加入學(xué)術(shù)大集體中。

陳潤生仔細(xì)閱讀了美國HGP的正式文本。他認(rèn)為,信息分析包括序列的組裝與功能元件的標(biāo)識,是本項目的關(guān)鍵。

1992年,陳潤生得知吳旻正組織我國的人類基因組研究項目。但他不認(rèn)識吳旻,更不知如何把想法告訴吳旻。

陳潤生想了很久,非常怕被拒絕。他了解到,吳旻組織的團(tuán)隊主要來自醫(yī)學(xué)研究部門,沒有中科院的單位和人員。

那時候,陳潤生是中科院生物物理所的研究員,直接找吳旻既怕不見,又怕被拒,這樣就沒有回旋的余地。

思來想去,陳潤生還是讓自己的研究生徐軍試一試。

徐軍本科在清華大學(xué)就讀(現(xiàn)在美國加州洛杉磯工作),不僅聰明而且機(jī)敏。對于上門拜訪這件事,陳潤生囑咐, 如能見到吳先生,只談兩點:

“一是以我的名義,說我已經(jīng)跟Watson聯(lián)系過,并拿到美國HGP正式文本,一直想歸隊。我們做理論生物研究,是基因組研究所必需,也是互補(bǔ)的,希望能讓我們參加,補(bǔ)上序列組裝和數(shù)據(jù)分析這一環(huán);二是我們知道經(jīng)費緊張,我們理論研究只要帶著計算機(jī)和腦子就可以工作,不分經(jīng)費。”

沒想到,吳旻很順利地接見了徐軍,告知徐軍回去等消息。這邊吳旻立馬找到強(qiáng)伯勤、陳竺商議,并最終由強(qiáng)伯勤出面歡迎陳潤生團(tuán)隊的加入。

萬事開頭難,陳潤生感慨:“如果吳先生沒有接見徐軍,我肯定沒有機(jī)會在國內(nèi)最早從事生物信息學(xué)研究,也不會成為基因組學(xué)和生物信息學(xué)專家。”

1993年3月,江蘇無錫的放射原子研究所內(nèi),召開了一場重要的“中國人類基因組評審研討會”。

經(jīng)過充分討論,基金委全委會最終通過了吳旻的建議書。會后吳旻感言,“此項目歷經(jīng)一年多的多次評審,終于完成了立項。”

吳旻那時已經(jīng)67歲了,考慮到人類基因組研究是一項跨世紀(jì)的長期任務(wù),應(yīng)該讓年輕的科學(xué)家來擔(dān)此重任,故推舉當(dāng)時還年輕的陳竺、強(qiáng)伯勤擔(dān)任此項目的負(fù)責(zé)人,并吸收一批中青年科技骨干承擔(dān)項目的主要任務(wù)。

1993年9月28日,由國家自然科學(xué)基金委員會生命科學(xué)部組織的,以談家楨教授為組長的專家組,在滬論證并通過了強(qiáng)伯勤教授、陳竺研究員申請的《中華民族基因組中若干位點基因結(jié)構(gòu)的研究》重大項目,中國人類基因組計劃(CHGP)正式啟動。

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

江蘇無錫江蘇放射原子研究所內(nèi)的中國人類基因組評審研討會,吳旻(前排右一)

盡管與美國啟動HGP的30億美元相比,中國的經(jīng)費僅有300萬人民幣,但項目組仍然為陳潤生的課題分配了經(jīng)費。

陳潤生課題組的任務(wù)是DNA序列的拼接、組裝和功能元件(主要是編碼基因)識別的方法研究。

為此,他們建立了DNA序列的統(tǒng)計分析、分維分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜性、局域簡并度等多種方法,特別是在國際上首次提出密碼學(xué)方法,并將這些方法綜合起來用于基因識別等,提高了預(yù)測的成功率。

能把密碼學(xué)知識用于DNA序列分析也是機(jī)緣巧合。

大約是1991年下半年,陳潤生聽說曾肯成教授、裴定一教授要組織一個密碼學(xué)培訓(xùn)班。他想看看遺傳密碼是否與軍事或商業(yè)中使用的密碼有關(guān)聯(lián),因此和徐軍一起參加。

徐軍用了一年左右的時間完整地參加了培訓(xùn),陳潤生只參加了講座。

雖然了解了皮毛,但他們也學(xué)了一些方法,并嘗試把一些公式改成能計算四個字符(CGAT)的 DNA 序列,得到的結(jié)果頗佳。于是,密碼學(xué)分析技術(shù)也用到了基因組分析。

盡管陳潤生團(tuán)隊發(fā)展和應(yīng)用了多種算法,但是在基因組序列上依然只找到很少的編碼區(qū)。通過和國內(nèi)外同行交流,大家逐漸產(chǎn)生一個共識:人類基因組中用于編碼蛋白質(zhì)的序列很少。

陳潤生表示,“最初議論大約也就是10%,很快發(fā)現(xiàn)10%也估高了?!?/p>

如今,業(yè)內(nèi)知道的是人類基因組中編碼蛋白質(zhì)的基因序列,只占人類基因組的3%左右。但在上世紀(jì)九十年代初,雖然不能精確知道編碼序列所占的比例,“但只占一小部分的概念是非常清楚的?!?/p>

彼時,國內(nèi)外學(xué)術(shù)界很多人將約97%的“非編碼蛋白質(zhì)的序列“稱為 “junk”DNA ,  但陳潤生有了大膽的想法:這么大比重的 “junk” 不舒服,也不合邏輯!我堅信 “junk”DNA一定有功能。

1993年底,陳潤生決定把自己課題組的主要精力放到“基因組非編碼序列”的研究上。

盡管在理論物理所、生物物理所和一些學(xué)術(shù)會議上不斷談到這一研究,但最初幾年的外界響應(yīng)和課題組進(jìn)展都不大,原因很簡單,缺乏實驗數(shù)據(jù)。

與此同時,在吳旻的推動下,由陳竺和強(qiáng)伯勤組織領(lǐng)導(dǎo)的中國人類基因組研究,規(guī)模還很小,只是檢測了某些特定的基因位點,而沒有開展全基因組測序。

無論如何,中國的人類基因組研究邁出了重要的第一步。

中國人類基因組計劃的群體接力

中國人類基因組計劃和生物信息學(xué)的發(fā)展,還離不開另一撥人的努力。他們是此后成為華大基因早期骨干的楊煥明、于軍、汪建、劉斯奇。他們更為年輕,是國際 HGP 的見證者和參與者。

自1994年后,四人陸續(xù)回國,促使CHGP開始與國際HGP接軌。

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華大四位創(chuàng)始人,左起:汪建、劉斯奇、于軍、楊煥明

1993年,于軍辭去紐約大學(xué)研究助理教授職務(wù),加入“華盛頓大學(xué)基因組研究中心”,與人類基因組計劃的策劃和領(lǐng)導(dǎo)者之一的Maynard V.Olson成為同事。

在那里,于軍參與共建了HGP所需要的關(guān)鍵物理圖技術(shù),成為早期參與該計劃的唯一華人科學(xué)家,以及四人中離HGP最近的人。

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Maynard V.Olson

1993年,于軍最先找到汪建。他們同在華盛頓大學(xué),二人商量后一致認(rèn)為應(yīng)當(dāng)把人類基因組研究推廣到國內(nèi)。為此,他們還聯(lián)系了在丹麥的楊煥明和在德克薩斯的劉斯奇。

1994年,汪建在四人中第一個回國,創(chuàng)建北京華大吉比愛生物技術(shù)有限公司(GBI)。他是行動派,充滿挑戰(zhàn)欲,從1991年主導(dǎo)成立西雅圖華人生物醫(yī)學(xué)協(xié)會,到去往世界最高最深以及南北兩極的事跡中可見一斑。

汪建憑借丙肝和艾滋病試劑生意賺了第一桶金,這筆錢也成為在中國發(fā)展HGP的啟動資金。

楊煥明也于1994年回國,進(jìn)入中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)所。

回到陳潤生這邊。長期扎根中國的陳潤生注意到,中國的基因組研究隊伍正在壯大。在留洋學(xué)者回國的趨勢下,他走出國門與國外同行交流技術(shù)心得。

從1994年開始的十年里,陳潤生先后到訪香港中文大學(xué)、加州洛杉磯大學(xué)、哈佛大學(xué)、日本大阪大學(xué)蛋白質(zhì)研究所、臺灣理論科學(xué)中心等。

這些訪問大多為期三個月,陳潤生解釋到,“三個月能夠做成一件事兒,不然你去了跟別人聊聊天,什么也沒有落成?!?/p>

陸續(xù)的訪問開拓了陳潤生的視野,他成為很早就轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)模擬的學(xué)者,做了大量的電子結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的分析。

1996年9月,他在蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模擬和DNA序列分析領(lǐng)域的工作,被CODATA(是國際科技數(shù)據(jù)委員會,為國際科學(xué)聯(lián)合會下屬一級學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)) 邀請,在日本筑波大學(xué)做“小谷正雄紀(jì)念演講” 。

他成為這年獲得“小谷正雄 ”獎(以日本學(xué)名字命名,1960年,小谷正雄創(chuàng)辦日本生物物理學(xué)會,1978年當(dāng)選CODATA會長)的三人之一。

另一方面,國內(nèi)基因研究走上正軌,我國的生物信息學(xué)也有了發(fā)展起色。

1996年,清北兩校率先開設(shè)生物信息學(xué)課程。由于是新學(xué)科,師生沒有正式的教材,可借鑒的資料更是捉襟見肘。

為了推動生信學(xué)科的普及,陳潤生從1988年任教國科大時就注重教學(xué)講義的梳理。八年時間里,陳潤生的一系列理論推演手稿、查閱的外國技術(shù)文本、以及和國內(nèi)外同行的工作,成為當(dāng)時最完整詳細(xì)的教學(xué)講義。

1997年,有兩位重磅級學(xué)者加入:一是清華生物信息學(xué)所長李衍達(dá)院士,二是中科院理論物理所所長郝柏林院士。

陳潤生評價:他們是真正發(fā)展了“生信”的人。

此后,清華生命科學(xué)學(xué)院的孫之榮也參與其中,并成為組織國內(nèi)生物信息的學(xué)術(shù)會議的頭號人物。

如今的孫之榮75歲,仍奔走在學(xué)科建設(shè)中(這段故事將單獨成篇,添加作者吳彤微信icedaguniang提前分享交流)

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

李衍達(dá)、郝柏林、孫之榮

1997年11月,時任中國遺傳學(xué)會青年委員會主任的楊煥明,在湖南張家界組織了一次研討會。

這是我國學(xué)術(shù)界第一次召開與基因組學(xué)相關(guān)的研討會,楊煥明、汪建、于軍等人提出了中國人類基因組計劃(HGP)的戰(zhàn)略構(gòu)想,這成為他們共同事業(yè)的起點。

1998年,時任中科院遺傳所所長陳受宜和副所長朱立煌,邀請于軍和楊煥明等來遺傳所組建一個所級人類基因組中心。

于軍、劉斯奇隨即這一年回國。

1998年8月12日,在中國科學(xué)院遺傳研究所,汪楊于劉四人參與組建的人類基因組中心(現(xiàn)中國科學(xué)院北京基因組研究所)在北京成立,楊煥明任主任、汪建任執(zhí)行主任,于軍、劉斯奇任副主任。

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

陳受宜、朱立煌

陳潤生參加了這次中心成立大會。

時隔24年,他對當(dāng)時的場景仍然歷歷在目:“我記得會議是在遺傳所主樓前的院子里開的,側(cè)面有一棟小樓,專門騰空為基因組中心使用。房間里只有桌椅,有的桌椅也不全,沒有儀器設(shè)備,可以說是一窮二白。”

所有的努力都是為實現(xiàn)中國的基因組研究以及和國際接軌,但必須保證每一分錢都要花在刀刃上。

此時的吳旻雖退居二線,但他的一句話被所有人熟知:“絕不允許有任何人從事盈利或帶商業(yè)色彩的科研,要保住基礎(chǔ)科學(xué)這塊陣地?!?/p>

因此,在大規(guī)模的人類基因組測序之前,為了進(jìn)行各項準(zhǔn)備和鍛煉隊伍,1998年,中科院微生物所譚華榮團(tuán)隊、遺傳發(fā)育所楊煥明團(tuán)隊,以及生物物理所陳潤生的團(tuán)隊,商定先進(jìn)行一個微生物全基因組的序列測定。

這就是“破譯騰沖耐熱菌基因組的研究”,被視為人類基因組研究前的“練兵”。

在決定以云南騰沖熱泉里篩選出的泉生熱胞菌B4為研究對象之前,三支團(tuán)隊在中關(guān)村微生物所辦公樓的二層會議室召開了了關(guān)鍵會議。

當(dāng)時微生物所準(zhǔn)備了四、五個候選微生物,大的約有六百萬堿基,小的約三百萬堿基。大家分析了各種因素,如能否有新發(fā)現(xiàn)、是否幫助解釋生命演化、是否具有知識產(chǎn)權(quán)、以及最重要的一點——所需的經(jīng)費最低。

但智者千慮必有一失,因為沒有考慮這個細(xì)菌基因組的AT堿基含量很高(達(dá)到62.4%)GC含量很低(僅為37.6%),最后總的測序量一點也不比一個GC含量高的六百萬堿基的基因組少。

這就大大增加了楊煥明團(tuán)隊的測序量,以及拼接、組裝的難度。

另外,在這項工作一開始,還找不到現(xiàn)成的軟件工具。所有的拼接、組裝和基因標(biāo)識的算法和程序,都是陳潤生和團(tuán)隊從頭搭建,邊做邊改。

陳潤生的學(xué)生宣振宇、李蔚和楊劍成為此次項目的主要參加者,也為他們?nèi)蘸髤⑴c國際HGP的工作打下基礎(chǔ)。

1998年9月和10月,國家基因組北方研究中心(主任強(qiáng)伯勤院士,學(xué)術(shù)委員會名譽(yù)主任吳旻院士),以及南方研究中心(主任陳竺院士)相繼成立。

三個研究中心的建立,正式開啟了CHGP的大規(guī)模測序,也讓中國躋身國際HGP的進(jìn)程終于有了眉目。

1999年夏天,楊煥明來到吳旻的實驗室,他決定參加在英國劍橋舉行的國際基因組會議,并將希望在會上爭取國際基因組中1%份額的測序工作。

這是國際HGP協(xié)作組最后一次確定各國任務(wù)的會議。

楊煥明他們知道,這也許就是最后一次加入的機(jī)會了。如果不拼死一博,歷史性機(jī)遇有可能就會這樣錯過。

這個想法得到了吳旻的支持,加之Maynard V.Olson等專家的幫助,1999年9月1日,中國科學(xué)家應(yīng)邀出席第五次人類基因組大規(guī)模測序戰(zhàn)略研討會。

楊煥明為代表,帶著做了13遍的人類基因組序列的70萬個堿基對測序結(jié)果只身赴會,表明中國有能力承擔(dān)1%的測序任務(wù),并在2000年春末完成。

1999年9月5日,國際人類基因組測序協(xié)作組正式宣布,中國成為人類基因組計劃成員,承擔(dān)人類3號染色體短臂端粒一側(cè)約30厘摩爾(相當(dāng)于約3000萬個堿基對)區(qū)域的測序和分析任務(wù)(也稱“中國卷”),這占人類基因組測序工作的1%。

這一天,中國終于成為繼美、英、日、德、法后第六個參與HGP的國家。

1999年11月10日,1%計劃被列入我國的國家項目,并確定由華大基因牽頭,國家基因組南方中心、北方中心共同參與。

“97%的非編碼序列不是junk”

就在協(xié)作組官宣的4天之后,北京華大基因研究中心正式成立,搬址于北京順義區(qū)空港開發(fā)區(qū)B區(qū)6號樓。

在這棟廠房里,每個人都有一個格子的工位(約2米x2米),環(huán)境是開放的,不論是誰工位都一樣。

當(dāng)時的生信團(tuán)隊大約20人,負(fù)責(zé)人是王?。ㄔ稳A大基因 CEO,后創(chuàng)辦碳云智能科技),陳潤生的博士生李蔚臨時成為王俊的助手。

他們的首要工作是集成與發(fā)展算法,為大規(guī)模基因組的拼接、組裝和基因標(biāo)識服務(wù)。

為了能夠如期完成測序任務(wù),測序儀晝夜不停,人也分成了兩批,白班夜班地倒。沒有實驗臺,也沒有值班室,上夜班的同事一個人負(fù)責(zé)好幾臺機(jī)器。

算好每臺機(jī)器的下機(jī)時間,定好鬧鐘,拿上幾個實驗室的小圓凳拼起來,躺在上面蓋上衣服睡一會,鬧鐘響了就起來操作,一通折騰后睡意全無。

在這支年輕人居多的團(tuán)隊里,陳潤生也是其中一員。這時候的陳潤生身兼數(shù)職,本職還是中科院生物物理研究所的研究員,同時參與到HGP項目中,成了華大基因團(tuán)隊的一員。

此外,自從1999年起,他還被時任中科院計算所所長的李國杰聘為兼職博導(dǎo),幫忙建立一個計算生物學(xué)團(tuán)隊。

雖然分身乏術(shù),但陳潤生考慮到HGP的緊迫性,大部分時間還是給了它,“5天里有4天都在空港?!?/p>

那時候的華大基因,缺場地、缺資金、缺設(shè)備、缺人員。困難重重,壓力巨大,唯獨不缺的是決心。

他們在測序儀頂上擺放著三根玉米棒,下面貼著用白紙打印的一行紅字:窮棒子精神永放光芒!

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

實驗室一角

2000年5月,我國科學(xué)家終于完成了“中國卷”基因組序列草圖的測定工作,是六國里參與時間最晚,完成時間最早的國家。

2000年6月26日,時任美國總統(tǒng)的克林頓宣布,“人類有史以來制作的最重要、最驚人的圖譜——人類基因組草圖完成。”

與此同時,空港工業(yè)區(qū)B區(qū)6號樓里也舉行著一個小型的慶祝儀式。沒有鮮花,沒有喝彩的人群,甚至沒有留下一張合影。這些參與了中國卷的年輕人們,推算著新聞發(fā)布會的時間,吃了點水果就散了。

在此之后,陳潤生開啟了下一場研究。

從90年代初到新世紀(jì)初,參加基因組分析工作越多,陳潤生越堅信,非編碼序列具有生物學(xué)功能,自己研究進(jìn)展不大的原因是實驗數(shù)據(jù)太少。

那個年代,國際上從事非編碼研究的還不多,要了解非編碼的功能等于無米之炊。陳潤生有了一個想法,1999年末看到國內(nèi)人類基因組測序?qū)嶒灥呐畈_展,看到華大基因從無到有實現(xiàn)大規(guī)模測序的過程。

這讓他萌生了建立濕實驗室,從而獲取非編碼研究數(shù)據(jù)的想法。

但是搞理論的做分子水平的生物學(xué)實驗談何容易,人才、經(jīng)費、設(shè)備都是問題。

經(jīng)費最好解決,自德國留學(xué)回來后,陳潤生就被吸納到科技部“863蛋白質(zhì)工程”中,還有后來的CHGP項目,分給他的經(jīng)費大部分沒花掉,十余年內(nèi)攢了60萬元。

有了這筆經(jīng)費,陳潤生的工作就更容易啟動。

他從生物物理所請來了實驗做的比較好的鄧巍,以非編碼序列高達(dá)70%的多細(xì)胞模式動物線蟲作為切入點,并對轉(zhuǎn)錄本的長度范圍限定在50-500個堿基的序列進(jìn)行研究。

實際上,這種實驗方法在當(dāng)時并沒有先例可循。陳潤生團(tuán)隊從頭開始設(shè)計實驗流程、摸索實驗條件和參數(shù)。為了節(jié)省使用經(jīng)費,陳潤生利用在中科院計算所任職的機(jī)會,借用那里的大型計算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模測序分析。

這一待就是四年,2004年,時任中科院生物物理所所長的饒子和不止一次打趣陳潤生,“你快歸隊,你快回來,你干嘛老在外面漂?!?/p>

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

饒子和

正是這些“漂泊”的經(jīng)歷,陳潤生分別在計算所和生物物理所建立了兩支團(tuán)隊(目前共三十余人),終于在非編碼領(lǐng)域走出了一條路。

實驗方面,鄧巍把實驗相關(guān)的各種探索記錄形成了四百多個文件;理論方面,陳潤生團(tuán)隊建立了一套自己的非編碼基因預(yù)測方法。

獲益于這種廣泛的交叉研究,他們以線蟲為對象發(fā)現(xiàn)了161個新的非編碼基因,由此確定了兩個非編碼基因家族、發(fā)現(xiàn)了三個特異的非編碼基因啟動子。

更重要的結(jié)果是,他們證實,非編碼基因與編碼基因一樣,各自有一套獨立的轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)。

屆時,陳潤生團(tuán)隊所有發(fā)現(xiàn)的非編碼基因都被收錄于GenBank(最廣為人知的核酸和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫),并于2006年1月6日將論文發(fā)表在影響因子11+的《Genome Research》。

三天后,美國科協(xié)(AAAS)所屬的科學(xué)評述雜志《EurekAlert》 也發(fā)表了長文介紹了這一研究成果,不僅肯定了上述發(fā)現(xiàn),還指出實驗技術(shù)的效率比國際上提高了10倍。

接著,憑借線蟲研究中建立的整套非編碼基因的識別方法,陳潤生團(tuán)隊獨立承擔(dān)了人類3號染色體完成圖中非編碼基因的識別工作,發(fā)現(xiàn)了各類型非編碼基因近900個。

這些成果都包括在2006年發(fā)表于《Nature》的三號染色體完成圖的論文中。

每一個成果都來之不易,愿意從事非編碼研究的人還是太少。

自2000年起,陳潤生團(tuán)隊就開始搜集國際上被實驗證實的NcRNA基因及非編碼轉(zhuǎn)錄本,發(fā)展了相應(yīng)的軟件及檢索工具,建成了NcRNA數(shù)據(jù)庫——NONCODE。

這是當(dāng)前國際上最全的NcRNA數(shù)據(jù)庫,已成為很多研究的基本數(shù)據(jù)源,該工作的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)是提出了非編碼基因的分類系統(tǒng)。

文章剛一發(fā)表,2005年1月21日《Science》就介紹了該工作。此后,陳潤生團(tuán)隊又構(gòu)建了非編碼RNA和蛋白等相互作用數(shù)據(jù)庫——NPInter,這些均為國際非編碼基因研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

由于在實驗和理論上的一些成果,陳潤生團(tuán)隊的非編碼研究在國際和國內(nèi)有了一些影響,以后的研究也變得更容易開展。

現(xiàn)如今,陳潤生的研究仍然是非編碼,但更側(cè)重于“經(jīng)世致用”,比如核酸疫苗與核酸藥。而他牽頭研發(fā)的長鏈非編碼核酸藥物,則瞄準(zhǔn)腫瘤、烈性病毒與傳染病、衰老三個方向。

陳潤生在多次報告和論文中明確指出:人的遺傳密碼代表著人體的全部信息,現(xiàn)在只能用3%,對疾病診斷治療能準(zhǔn)確嗎?實際上,遺傳密碼的破譯給我們帶來了數(shù)不清的新靶點。如果能夠破譯剩下的97%的非編碼,這是根本上的原始創(chuàng)新。

在與雷峰網(wǎng)的交談中,陳潤生中途接了一個電話。他說到,“下午北京開發(fā)區(qū)要聊建核酸藥物和疫苗基地的事,基礎(chǔ)研究到一定階段一定是轉(zhuǎn)化,我們現(xiàn)在就是忙著轉(zhuǎn)化的事情?!?/p>

隨著國家“四個面向”,陳潤生過去做了30年的非編碼研究,慢慢因為學(xué)科的重要性開始服務(wù)社會,服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

回憶起從1993年決定轉(zhuǎn)向非編碼領(lǐng)域,陳潤生感慨起步之難:國家基金委的基金申請不到,評審斷言工作沒意義、沒根據(jù);長期獲得資助的“863蛋白質(zhì)工程”項目也不讓參加。

“直到90年代后期,我們在非編碼領(lǐng)域拿到了973項目,近幾年作為首席與同行們拿到了基金委的‘國家重大研究計劃’項目,說明非編碼這條路走對了。”

生信長河中的群英圖

90年代,中國的生物信息學(xué)發(fā)展幾乎與國際同步,根基是中國有一支理論生物物理的學(xué)術(shù)隊伍。

陳潤生在中國開設(shè)生物信息學(xué)課程、在HGP上的大放異彩,都與中國在理論研究上、與前輩們的薪火相傳息息相關(guān)。

1959年9月,陳潤生考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(下稱“中科大”)生物物理系,成為當(dāng)年考入中科大的1600名學(xué)生之一。

這群來自中國天南海北的學(xué)生,不僅是全國各省的佼佼者,還有個共同的名字,“中科大第一屆全國統(tǒng)考生”。

因為就在前一年,中科大剛剛成立,卻錯過招生時間,學(xué)生只好從其他高?!敖枵{(diào)”而來。因此,陳潤生這屆學(xué)生格外受重視,據(jù)說錄取線也比清北高一點。

中科大首任校長是郭沫若,提議創(chuàng)辦一所科技型大學(xué),并確定學(xué)校名稱、成立大學(xué)籌備委員會、起草校歌歌詞,種種決策皆他所為。

在成立之初,中科大就承載了我國政治界和科學(xué)界的共同構(gòu)想。嚴(yán)濟(jì)慈、華羅庚、錢學(xué)森、貝時璋、錢臨照、趙忠堯、郭永懷、趙九章、王元、龔升等一批中科院學(xué)者出動,組成了中科大的教學(xué)陣容。

當(dāng)選為中央研究院第一屆院士,被選聘為中國科學(xué)院學(xué)部委員(院士)的貝時璋,就是此后推動中國生物物理發(fā)展的核心人物。

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

貝時璋先生

1958年,學(xué)校成立伊始,貝時璋做了兩件大事:創(chuàng)建中國科技大學(xué)生物物理系、創(chuàng)辦中國科學(xué)院生物物理研究所(以下簡稱“生物物理所”)。

當(dāng)時生物物理學(xué)還是一門飽受爭議的學(xué)科,有些知名學(xué)者甚至斷言:“只有生理學(xué),沒有生物物理學(xué)!”

貝時璋頂著反對聲音創(chuàng)辦了生物物理這門交叉學(xué)科,并單獨劃分了一支理論生物學(xué)研究小組。組長是鄭竺英,成員有:郁賢章,王湘生,陳傳涓,汪云九。

貝時璋對該組成員的業(yè)務(wù)方向都有具體指導(dǎo),如,他讓郁賢章多注意生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能,讓汪云久側(cè)重生物系統(tǒng)中的控制和信息。

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

理論組同志合影(第一排左起:夏發(fā)生、杜莆、顧凡及。第二排左起:孫紋琦、朱潔萍、鄒嘉玉、鄭竺英、石淑珍。第三排左起:王湘生、汪云九、萬夫遠(yuǎn)、張鑒銘), 攝于1961 年

同時,為了培養(yǎng)出真正的學(xué)科交叉人才,貝時璋也毫不含糊。

他安排生物物理系學(xué)生們,物理課和物理系一起上,數(shù)學(xué)課和數(shù)學(xué)系一起上,化學(xué)課和化學(xué)系一起上,考試也和其他系一同排名,絕不打半點折扣。

獨特的教學(xué)方式,讓陳潤生一直受著很多老師的栽培。陳潤生講到,“我們通常是今天跟錢先生、彭先生討論宇宙學(xué)、粒子物理、格林函數(shù),明天跟貝先生、沈淑敏討論生物學(xué)?!?/p>

大學(xué)五年的所有考試中,陳潤生無論按照什么系排名都穩(wěn)居前三名。1964年5月,貝時璋推薦表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生到中國科學(xué)院生物物理研究所,陳潤生便是其中一員。

得益于過去所培養(yǎng)的數(shù)理基本功,陳潤生在做理論生物物理時也更容易上手。

然而時局使然,很多學(xué)術(shù)研究組不復(fù)存在。

至1978年3月,中共中央召開了全國科學(xué)大會,鄧小平指出四個現(xiàn)代化的關(guān)鍵是科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化,并著重闡述了科學(xué)技術(shù)是生產(chǎn)力這個馬克思主義觀點,科學(xué)研究終于恢復(fù)。

陳潤生的理論研究并沒有因此擱淺,做了大量的大分子結(jié)構(gòu)模擬。1978年底,為了進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)模擬的理論基礎(chǔ),陳潤生被送去吉林大學(xué)的理論化學(xué)進(jìn)修班學(xué)習(xí)一年。

而教授這門課的不是別人,正是被視為中國現(xiàn)代理論化學(xué)的開拓者和奠基人的唐敖慶。

這位和陳潤生同是江浙老鄉(xiāng)的教授,在50年代被調(diào)任東北高校,也在那里開啟了他的后半輩子。而同樣因為調(diào)任原因安家東北的徐鷹(排版時插入鏈接)的父親徐如人,就是唐敖慶的學(xué)生。

陳潤生對唐敖慶記憶尤深,其實是被他的學(xué)術(shù)研究所震撼。

“唐先生眼睛不好,他戴那眼鏡是近視3000度,幾乎是貼在黑板上板書。他上課從來都是帶著一盒粉筆,一個粉筆擦,其他什么都沒有,從上午八點到十二點連續(xù)推公式,寫完一塊黑板再擦掉繼續(xù)。這本事你想,基本功(有多厚)?!?/p>

陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

唐敖慶先生

受唐敖慶啟發(fā),陳潤生此后在理論研究上對自己要求更加嚴(yán)格。一次他應(yīng)邀在華中科技大學(xué)講授量子化學(xué),全程推導(dǎo)公式,從頭到尾一字不改。

在陳潤生看來,這是錘煉自己的一種方式,“你如果不真正理解,不能把理論的發(fā)展記得一清二楚,根本不可能講這個課,也講不出來,就卡在那兒下不去了?!?/p>

與此同時,1978年后,貝時璋采取了很多措施推動理論生物學(xué)研究室的重新組建與發(fā)展。

首先,貝時璋分別邀請彭桓武、錢學(xué)森等其他領(lǐng)域的著名科學(xué)家,給所內(nèi)研究人員講解學(xué)科發(fā)展與學(xué)科交叉,并實質(zhì)性地建立了生物物理學(xué)與各專家所屬學(xué)科的聯(lián)系。

接著是組建理論生物學(xué)研究室。

大約1978年至1979年之間,貝時璋邀請上海生物化學(xué)研究所(下稱“上海生化所”)的徐京華研究員,作為上海生化所與北京生物物理所聯(lián)合共建的——理論生物學(xué)研究室(下稱“聯(lián)合室”)的主任。

屆時,陳潤生、丁達(dá)夫、王寶翰,都是其中主要成員。

1980年聯(lián)合室成立后,在彭桓武的支持下,徐京華帶領(lǐng)其成員頻繁地參加剛建立不久的理論物理所的學(xué)術(shù)活動,同時也在理論物理所組織了多次理論生物學(xué)的相關(guān)討論,如:混沌、熵、耗散結(jié)構(gòu)與生物體的結(jié)構(gòu)、生物大分子的手性和自組織;DNA 分子中遺傳信息的表示與特征等。

可以說,七八十年代之交的理論生物學(xué)研究,是在貝時璋、彭桓武的組織與指導(dǎo)下,在兩研究所的一批研究人員多次討論中,逐漸形成并邁上了正軌。

然而,國內(nèi)真正探索DNA序列的物理數(shù)學(xué)特征,要從1982年開始。

最早把主要精力放到DNA序列上的是內(nèi)蒙古大學(xué)羅遼復(fù)團(tuán)隊。

1982年,羅遼復(fù)帶領(lǐng)團(tuán)隊從理論物理轉(zhuǎn)向理論生物學(xué)研究,整個八十年代,這支團(tuán)隊發(fā)表了很多關(guān)于DNA序列和遺傳密碼方面的研究成果,如:突變率的S_4對稱破缺和終止密碼子;核酸起始序列、終止序列和插入序列的統(tǒng)計分析;核酸序列的堿基分布、同源性和Markov性;核酸分子的信息參數(shù)和分子進(jìn)化;遺傳密碼的退簡并規(guī)則等,甚至還討論了為什么遺傳密碼由四個堿基組成。

很重要的是,羅遼復(fù)團(tuán)隊研究和發(fā)展了DNA序列分析的理論方法,如:分維方法;特別是信息論的方法,比如提出了最大信息原理、基因序列的平均互信息方法等。

八十年代中期以后,從事DNA理論研究的還有天津大學(xué)的張春霆。

1984年5月,張春霆調(diào)入天津大學(xué)理學(xué)院物理系工作,此后他由物理學(xué)轉(zhuǎn)而研究計算生物學(xué)和生物信息學(xué),并在1987年發(fā)表了首篇理論生物物理論文。

張春霆在理論生物學(xué)研究領(lǐng)域有兩方面的主要貢獻(xiàn):

一是八十年代末提出,用雙 Sine—Gordon 偏微分方程組來模擬 DNA 分子在轉(zhuǎn)錄和復(fù)制過程中堿基運動的動力學(xué)機(jī)制;

二是九十年代初,提出了 DNA 序列的 Z 曲線理論,開拓了一條用幾何學(xué)方法分析 DNA 序列的新途徑。目前,Z 曲線理論在基因組學(xué)和生物信息學(xué)中已獲得了廣泛的應(yīng)用。

第三支隊伍就是陳潤生團(tuán)隊。

實際上陳潤生做DNA理論研究也是在上世紀(jì)八十年代。

1982年,在一個理論生物學(xué)研討會上,羅遼復(fù)受邀分享關(guān)于DNA序列分析的報告,陳潤生就和他討論了核酸序列的分析問題。

1987年底,陳潤生為期兩年的德國訪學(xué)結(jié)束,此時國際上已經(jīng)有了破譯人類遺傳密碼(即“DNA”)的趨勢,陳潤生做出一個重要判斷:遺傳密碼將是未來很重要的一個方向。

受“863”項目資助,陳潤生很快轉(zhuǎn)向基因組序列研究,并在90年代初將這部分工作延續(xù)到CHGP項目中。

總的來說,八十年代到九十年代初,我國在DNA序列分析的理論方面已有建樹,特別典型的是:羅遼復(fù)團(tuán)隊提出了DNA序列分析的信息學(xué)理論、張春霆團(tuán)隊提出了DNA序列分析的幾何學(xué)理論、陳潤生團(tuán)隊提出了DNA序列分析的密碼學(xué)理論。

而如果以更長遠(yuǎn)的視角來看,從五十年代以來,貝時璋、彭桓武、徐京華、江壽平、丁達(dá)夫、王寶翰……這些前輩,無一不為九十年代中國參與到人類基因組事業(yè)中打下了重要基礎(chǔ)。

耄耋之齡,不退不爭

“沮喪我沒有,人能成事,一個是判斷,一個是堅持?!?/p>

談起幾十年來的抉擇,陳潤生聲音清晰有力,“我的大多數(shù)抉擇沒有跟著別人走,被很多人懷疑和反對,這就需要自己的堅持。堅持在于你自己的判斷,這兩個是互補(bǔ)的:判斷得不夠堅決,很多人吃虧在這。他足夠聰明,也想到了。但是不堅持,由于各種情況放棄,就成不了?!?/p>

陳潤生現(xiàn)在仍習(xí)慣365天到辦公室打卡。有一年大年初一,陳潤生照常到了中科院生物物理所,在這天碰到了唯一的另一人,王志珍。

陳潤生回憶那天的場景說到,“遠(yuǎn)遠(yuǎn)看著有個人護(hù)送著一個人,走近一看竟是王志珍。我說你也來了,她說你也來了?!?/p>

王志珍擺擺手讓同事不要跟著。她和陳潤生是同班同學(xué),兩人當(dāng)年在中科大里都是最頂尖的學(xué)生,五年里誰都沒出過前三名。

此后王志珍在蛋白質(zhì)折疊,折疊酶和分子伴侶胰島素A、B鏈相互作用及重組等研究中做出重要貢獻(xiàn),與陳潤生先后成為院士。

那天,兩人聊到老師、聊到學(xué)生,最后陳潤生聊到自己,笑呵呵地告別老同學(xué)。

他說,“還有好多事等著我去做?!?/p>

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陳潤生院士:中國生物信息學(xué)啟蒙、傳承的三十年「大江大河」

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