从孟德尔的豌豆田到“完美”的试管婴儿：谢晓亮谈单分子技术如何助力精准医学

原标题：从孟德尔的豌豆田到“完美”的试管婴儿：谢晓亮谈单分子技术如何助力精准医学 来源：上观新闻

摘要：“单分子技术使得我们能够在分子层面上检测、理解并改善生命过程。”谢晓亮如此说道，“我们的生活充满随机性，可单分子带来的精准，正在某些大众乐见其成的领域战胜随机性。”

从生物分子层面来看世界、看人类，有什么特别之处？“中国有句古话，龙生九子，九子各不同。”在第三届世界顶尖科学家论坛“生命分子的奥秘”生物分子峰会上，2015年阿尔伯尼医学奖得主、美国三院（美国医学科学院、美国科学院、美国艺术与科学学院）院士谢晓亮用其研究的专业深入而生动解释了这句古话的科学意义。

作为单分子酶学的创始人、单分子生物物理化学的奠基人之一，谢晓亮向大众揭示了单分子技术透视生命的奥秘。

从豌豆到人类基因测序

“如果要用一句话来形容过去的生命科学主要进展，我想应该是生命过程可以在分子水平上得到解释。”谢晓亮说道。

上世纪90年代初，谢晓亮首次独立开始研究生涯：带领团队研究在常温下用荧光来检测单个分子。“我们发现，和人一样，酶分子也是工作一段时间再休息一会儿。这一成果同时刊发在《科学》和《自然》上，也成为我在哈佛大学就任的契机。”

此后，谢晓亮前往捷克进行学术报告时，参观了以生物遗传学家孟德尔命名的一片豌豆田。“中国的高中课本中写道，黄豌豆和绿豌豆杂交后，有25%的几率可以得到黄豌豆。由此，孟德尔发现了显性基因和隐性基因，而人类的遗传，和豌豆也有类似之处。”人类的体细胞是双倍体，含有46条染色体；生殖细胞是单倍体，含有23条染色体，全基因组包括约60亿对碱基。2001年，人类基因组计划完成，碱基顺序可被测定，这是人类历史上的重要里程碑。如今，测序技术有了更为突飞猛进的发展，价格也在下降，成为普通市民可及的服务。

单分子技术助力个体化医疗

“测序主要是为了什么？我想，它使个体化医疗成为可能。”谢晓亮说，通过个人的基因组测序，为预防、检测和治疗疾病提供个体化的解决方案，“在大众熟知的学科中，生殖医学和癌症治疗是应用最为突出的两大领域。”

他还记得，2013年5月13日，正在申请项目答辩的他被问及一个问题：如果通过技术手段，避免将有缺陷的基因遗传给下一代，伦理上行不行得通？当天，影星安吉丽娜•茱莉宣布切除乳腺，由于携带有缺陷的基因BRAC1，医生为其估算有87%的几率患乳腺癌，50%的几率患卵巢癌。“又许多年过去了，如今我想告诉大家，新技术正在为全球万千患者带来好消息。”

谢晓亮解释，细胞中最常见的基因组改变包括点突变和基因拷贝数变化，“这是单分子的变化，随机性强，不知何时发生、在哪发生，因此每个细胞都拥有不同的基因组，这使得单细胞测序成为必须。”目前尚未有单分子测序仪可以将46条染色体从头测到尾进行测序，因此必须借助单细胞基因组的扩增，“即将46条染色体放大，然后进行高通量测序。”

如何测序呢？第一种方法是PCR（聚合酶链式反应）技术，“在犯罪现场，只要拿到一个DNA分子，我们就可以把信号放大到被检测的点。但如果用它来覆盖全基因组，指数放大过程不够精确，一旦拷贝件出错，错误就会被传下去，结果难以准确。”2012年，谢晓亮及团队发明了新的单细胞扩增方法——多重退火环状循环扩增法（MALBAC）。“其最大优势是线性扩增，而不是指数扩增，我们只拷贝原始DNA。就像复印机把原始文件复制成多份，如果一次复制出错，在扩增后的产物中也是微不足道的。”

有效解决出生缺陷和癌症早筛

谢晓亮说，利用MALBAC技术，医生可以选择染色体正常的受精卵为患者提高生育成功率，尤其是对高龄产妇。“作为人口大国的中国，新生儿出生缺陷、不孕不育、高龄生育等问题在二胎开放后成为了社会问题。遗传疾病不仅为患者个人带来了巨大痛苦，也大大增加了家庭、社会与政府的负担。”他解释，由于患者染色体异常的几率并非100%，即使是高龄、患有疾病的患者，只要有一个染色体正常的受精卵，也有实现正常生育的条件。

2013年，谢晓亮首次在北京大学第三医院利用MALBAC技术进行胚胎遗传诊断。一名遗传性多发性软骨瘤（HME）的男性患者从10岁开始，几乎每两三年就长一个肿瘤。该疾病是由于EXT2基因发生单碱基杂合缺失，造成移码突变。和“豌豆”类似，他和正常女性生育的后代会有50%的患病几率。“可与豌豆不同的是，这是人命关天的事，不能出现任何差错。”谢晓亮团队通过体外受精技术，共得到这对夫妇的18个胚胎，经过致病突变位点检测和染色体筛查，发现共有7个胚胎既没有点突变，也没有染色体异常。2014年9月19日，他们的4号胚胎成为了世界首例MALBAC婴儿。

除了生殖医学，由于癌症是基因组改变所引起的疾病，因此“靶向治疗”就是通过测序找到基因组的改变，从而给予精准治疗。“癌症难以治愈和高死亡率的罪魁祸首是肿瘤的转移，传统研究手段往往基于大量细胞才能进行分析，而单细胞测序技术可用于循环肿瘤细胞的研究上。”谢晓亮说，对患者而言，其便捷之处在于只需抽血，无需活检。

他介绍，团队曾在肺癌患者的血液样本中找到了8个循环肿瘤细胞，“正常体细胞的基因拷贝数是2，癌细胞要高于或低于2。我们发现，该患者的8个循环肿瘤细胞表现出高度一致的拷贝数变异模式，而更有趣的是，不同患者的同个癌种的基因拷贝数也是一样的，这就展现了一个很好的研究前景——我们可以通过分析循环肿瘤细胞拷贝数来推测癌症类型。”谢晓亮说，未来，通过研究更多患者的循环肿瘤细胞，或将更精准进行癌症的早发现。

“单分子技术使得我们能够在分子层面上检测、理解并改善生命过程。”谢晓亮如此说道，“我们的生活充满随机性，可单分子带来的精准，正在某些大众乐见其成的领域战胜随机性。”

栏目主编：黄海华

文字编辑：黄杨子

题图来源：孟雨涵

内图摄影：沈阳