生物学

人类基因组史诗

1996年,法国率先在基因组学研究领域占据领先地位,向世界各地的遗传学家提供了地图,使他们能够在人类基因组中找到自己的出路。但是,该基因组主要在美国和英国进行了测序,在美国和英国,无论是公开投资还是私有投资,手段都明显增多。

皮埃尔·坦布林 对于科学N°300
本文仅供《 对于科学》的订户使用

在1980年代初,几门生物学和医学学科都处于动荡之中:病毒学就是这种情况-随着人们发现了第一个人类逆转录病毒, htlv1,那么 艾滋病病毒 -,免疫学,内分泌学甚至神经科学。另一方面,遗传学家处于等待,怀疑和犹豫的阶段。当然,我们发现了我们学会使用的分子遗传学工具,在基因组中摸索,但是我们努力地分离了在最好的情况下我们完全理解其功能的基因。但是在2001年2月,遗传学家社区,更普遍的是生物学家社区,被惊呆了:人类基因组的测序工作几乎完成了,比1993年设定的日期早了将近15年。在(非常)相对停滞的漫长阶段之后,如此令人眼花progress乱的进步?快速回顾发现,在取得重大突破的情况下,过去20年来,所有成分都逐步得到了解决。

在此之前,在1965年至1985年之间,我们发现了基因工程必不可少的分子工具箱中的元素,然后进行了测序。这些工具,尤其是酶,是非常基础的研究的结果,这些研究最初没有应用前景。因此,观察到某些细菌抵抗病毒,噬菌体引起的破坏。通过质疑这种抗药性的原因,生物学家发现这些细菌具有编码能够通过切割噬菌体来破坏噬菌体的酶的基因。 脱氧核糖核酸,并且在非常特定的网站上也是如此。因此,我们分离出了所谓的限制性酶,即真正的“智能剪刀”。脱氧核糖核酸。同样,在1969年,我们发现了一种惊人而珍贵的工具,该酶颠覆了分子生物学的教条之一,因为它改变了分子生物学的原理。阿恩脱氧核糖核酸 :逆转录酶。在研究动物逆转录病毒(其基因组由阿恩)在母鸡或小鼠中引起严重的白血病的研究也使得在1975年表征这些癌基因的癌基因成为可能,这些癌基因在突变或以异常方式表达时会使细胞癌变。当时,尚未从人类中分离出这种病毒。

有了这些工具和其他一些工具,生物学家现在可以分离出一部分脱氧核糖核酸 从任何物种的任何基因组中选择纯化,然后将其例如转移到细菌中,以后者的繁殖速率扩增,也就是说每20个几分钟,有时甚至在细菌想要制造该基因时得到该基因的产物。

生物技术的诞生

我认为这些基本发现是第一次“基因革命”,随后很快又进行了第二次革命:生命科学成为重要的工业和金融领域。通过这些特别有效的方法,实际上有可能在几个小时内生产出复杂的物质,这种物质很难通过常规手段分离出来,并且化学家可能永远也无法合成。这很快转化为人类健康方面的几项决定性进步。一旦有了基因 特设,可以通过基因工程获得其编码的物质,例如胰岛素,该物质先前已通过手工方法纯化;以前从维持生存的人类垂体或动物中提取的生长激素也是这种情况(几年后,人们会发现这种提取物可能被我们不知道的物质污染。仍然存在:the病毒,克罗伊茨费尔德-雅各布病的病原体)。通过这些方法,几乎​​无限量且完全安全地生产了有时非常稀有,通常非常昂贵的复杂分子:生物技术的经济利益变得显而易见。

1970年代末,第一批生物技术公司诞生于加利福尼亚州,几家在法国诞生,但很快,法国和欧洲放弃了这一努力,这对他们来说似乎是非常冒险的。然后我们说说时尚,不必要的愚蠢,甚至是由于一些享有盛誉的医生和科学家的影响而导致的北美奢华。美国的反应截然不同。他们成为生物学和医学研究,尤其是基因工程领域的世界领导者,在很大程度上是因为尼克松总统在1970年代后期提出了一项雄心勃勃的抗癌计划。如果他们有能力,美国人将在五年内战胜癌症,就像登月一样。这个赌注输了。另一个意外的结果是:美国在生命科学领域处于领先地位。

这些惊人的科学和工业成果还有另一个后果。如果公认的困难的孤立基因证明如此有前途,为什么不试着理解整个人类基因组呢?因此,对整个人类基因组进行测序的想法在当时似乎遥不可及。该方法是漫长的,费力的并且不是很有益。如果所有主管实验室齐心协力,那么估计整个基因组测序所需的时间约为40年!另一个主要困难出现了:我们只知道如何对非常小的片段进行测序脱氧核糖核酸 大约500个碱基对。要了解整个人类基因组(三十亿个碱基对),因此有必要将其切成非常小的片段,并至少对其中一千万个甚至更多片段重复测序操作,因为有必要将这些片段零件重叠,以便可以重新组装。一个简单的问题出现了,但是却没有得到答案:如何知道每个小块在巨大的链条上的位置。脱氧核糖核酸 人吗

在法国的公共研究中,支持者之间的系统性排序之间就这些问题有时展开了激烈辩论。脱氧核糖核酸 以及那些认为该项目过于昂贵的人,甚至是那些主张仅研究 阿恩 信使。后者的论点是对 阿恩 这样可以避免对基因组不必要的部分(内含子)进行测序,从而节省了宝贵的时间。现在我们知道,如果我们选择了这种策略,那么我们对基因组的了解将会非常不完整,因为 阿恩 Messenger的表达如此短暂或如此之小,以至于可能无法被表征。反对顺序的人指责律师,原因是他们提倡一项庞大,昂贵且没有概念意义的程序,因为它涉及重复数以万计的相同操作。忘记了通过拒绝参与该计划,我们将自己置于未来发现的边缘,忘记了技术和工作方法的发展,最后忘记了技术的进步总是在进步基本知识和概念! 1986年,时任欧洲委员会主席 插入 关于分子生物学,我们与几位同事写道,法国必须从事这项研究。

应当指出的是,与此同时,工具箱已大大增加。特别是,一种技术正在独自改变大量实验室的实践: pcr (聚合酶链反应, 见图2)。 1983年,该协会的Kary Mullis 塞图斯的想法是使用一种酶脱氧核糖核酸 聚合酶,可复制和指数繁殖任何片段脱氧核糖核酸。这个令人着迷的发现,非常强大,尤其是当初始量脱氧核糖核酸 非常软弱,将为他赢得诺贝尔奖。 1988年,通过使用黄石公园温泉中分离出的嗜热细菌的聚合酶对这种方法进行了显着改进。从这种细菌中分离出的酶具有耐热性,并且可以使该过程自动化。出现其他技术。脉冲场电泳是一种可以研究非常大的碎片的方法脱氧核糖核酸,超过100,000个碱基对。施工 体外 酵母人工染色体使用有关这些染色体的结构和功能的知识。细菌和酵母用于繁殖和保存这些非常大的脱氧核糖核酸.

历史性的会议

在法国,革命不是来自公共部门,而是一场冒险,其起点是人类多态性研究中心, 头孢,由诺贝尔奖获得者让·多塞特(Jean Dausset)和他的学生丹尼尔·科恩(Daniel Cohen)共同创立。 J. Dausset阐明了在人类中控制器官移植排斥或接受的机制。因此,他证明了造成这些现象的蛋白质种类繁多,因此证明了个体之间遗传物质的可能变异性。为了研究捐赠者之间的兼容性,无论是否相关,J。Dausset均未使用脱氧核糖核酸,但血细胞。继J.道塞特(J. Dausset)成功后,国家建立了人类多态性研究中心,并由该国资助,而且是由艺术品收藏家埃莱娜·阿纳维(HélèneAnavi)的遗赠建立的。该基金会在人类多态性研究期间从法国家族中抽取了许多血液样本,此外还增加了在美国研究过的摩门教徒家族的血液样本。在美国获得博士后研究金后,科恩(D. Cohen)返回法国,并意识到在多大程度上可以直接研究脱氧核糖核酸 血细胞对于继续J. Dausset的工作将构成相当大的优势。法国革命的另一个起点是AFM法国抵抗肌营养不良症协会,以及肌营养不良世界中相当大的情感震惊,是在1986年10月,通过宣布1987年确定的杜兴氏肌营养不良症候选基因的特征而产生的。

伯纳德·巴拉达(Bernard Barataud),总统AFM,并且该协会的成员意识到,为了完成其使命,特别是为患者提供治疗解决方案,有必要对罕见遗传病中涉及的基因进行表征。的AFM 决定大规模投资人类基因组知识,尤其是自从第一次 Telethon 是一项非凡的意外成功。在D. Cohen的帮助下,由J. Dausset和 头孢AFM 在埃夫里(Evry)创建了一个卓越的实验室,配备了最先进的自动化设备,并且整套仪器可以并行工作。简而言之,它使经典的研究方法“工业化”,从而引发了20年来的第三次革命:大规模生物学。

过去十年中取得的所有进展使Genethon实验室能够AFM 达到从未有过的表现水平……但总的来说总是持怀疑态度。实验室规模庞大,将近150人,由来自公共部门的三位著名科学家领导。AFM 成功吸引(D. Cohen,Jean Weissenbach和Charles Auffray)使该实验室保持竞争力。 D. Cohen和J. Weissenbach解决了在人类基因组上和染色体上定位小的难题,即小的特征序列,“标记”,物理和遗传作图的系统工作。在最乐观的预测出现之前的1992年,第一张地图出版,并于1996年出现在该杂志上 性质 世界各地仍在使用的地图,其中6,000多个标记的位置分布在脱氧核糖核酸。这些地图可以非常快速地确定片段的精确位置脱氧核糖核酸 未知人类并寻找导致病理的基因。

基因组竞赛

1974年AFM 认为在基因组领域完成的工作已经足够先进,该工作已导致对测序以及对基因鉴定必不可少的图谱的发布。她现在想启动Genethon 2计划,该计划的重点是负责遗传疾病的基因的表征和分离。如果在法国建立了公共测序中心,它宣布准备提供Généthon内部积累的所有技能。原则上的决定是由研究国务卿埃丽莎白·杜富克(ÉlisabethDufourcq)在1995年做出的。 1997年,接任他的弗朗索瓦·奥伯特(Françoisd'Aubert)在埃夫里(Evry)创建了国家测序中心,Genoscope,由J.魏森巴赫(J. Weissenbach)担任指导,并于1998年将国家基因分型中心委托给马克·拉思罗普(Mark Lathrop) 。目的是向法国提供国家资源中心,这些中心可以参与国际社会的工作,同时帮助公共部门的研究人员制定雄心勃勃的计划。得益于大规模生物学技术的不断改进,特别是在新一代自动测序仪问世之后,截止日期又临近了,工业和学术策略都再次陷入困境。这就是在克劳德·阿列格里(ClaudeAllègre)和AFM,得到地方当局的支持。我们的目标是坚持要求残酷的比赛。

实际上,与此同时,美国科学家对此实验室的独创性感到有些惊讶,他们前往探视Genethon,然后带着非常具体的想法回到家中,这些想法涉及必须动员的基因组测序方法。人类。一些人呼吁私人资本,承诺回报基因组的“盗用”,这在当时引起了已经非常强烈的反应。尽管取得了这一进展,但据估计,在1993年之前,人类基因组的序列要到2015年才能完全了解。然后,从对第一个微生物基因组进行测序的那一刻起,一切都将加速。在美国,流感病毒的基因组 嗜血杆菌流感 由一间私人机构解密, 蒂格,由Craig Venter执导。在欧洲,一个公共实验室财团在1996年对酵母基因组进行了完整测序。这是首次完全了解数百万个碱基对的基因组。

这些公告听起来像是一个重磅炸弹,但与C. Venter和该小组在1998年5月引起的情绪相比,没有什么比 珀金·埃尔默(Perkin Elmer) 谁保证 利用针对“小”基因组实施的策略,在不到三年的时间内完成人类基因组的测序e流感嗜血杆菌。为此,他们建议创建一家新公司,名为 塞莱拉基因组学,500人。随后,来自主要公共测序中心的研究人员意识到了私营部门对有关人类基因组的适当数据的渴望所代表的危险。他们正在动员和组织自己,以加快自己的研究速度。人类基因组属于人类的遗产,必须不受公共或私人研究的限制。人类基因组在世界各个中心之间“共享”,主要是在美国和英国。法国的Genoscope负责对14号染色体进行测序,即占总基因组的5%。他将动用几个月的全部精力来实现这个困难的目标。 C. Venter的公司与公共财团之间展开了一场与时间的竞赛。 C. Venter每天都从这些实验室存储在公共数据库中的数据中受益,但事实并非如此。即使有十几个中心面对学会,“游戏”也是不平等的 塞莱拉基因组学.

不会有赢家,也不会有输家。公共部门的目标得以实现。 2001年2月,公共和私人实验室同意同时出版,其中一些 性质,其他人在 科学,是人类基因组的几乎完整序列。几乎完整,因为在该基因组内仍然存在一些空缺需要填补,一些序列需要更好地定位。这些结果表明,人类基因组包含大约30,000个基因,而不是已经宣布的100,000至200,000个基因,这总共使我们与果蝇(20,000个基因)区别不大。 。另一方面,通过复杂的机制,一个基因可以起源于几种蛋白质,这意味着从30,000个基因中,一个人可以很容易地制造数十万种不同的蛋白质,尤其是因为细胞可以改变这些蛋白质的结构。简而言之,对整个人类基因组的了解无疑代表了历史性的一步,但是生物的奥秘的实质在于生命分子相互作用的复杂性。

后基因组

面对疾病,衰老和死亡,我们所有人都不平等。在这种不平等中,我们的生活方式,我们的环境和我们的遗传遗产都起着重要的作用。基因分型的目的是在非常多的序列差异中搜索这些病理所涉及的那些。基因分型依赖于大规模生物学技术,其中一些与测序技术相同。

对易患癌症,心血管疾病,糖尿病,神经退行性疾病的基因或易感基因的鉴定,可以更好地了解其中某些病理基础的生理病理机制,为寻找新的靶标提供了新的靶标药物,有时有助于预防这些疾病的发作。由于这些都是非常常见的疾病-这些都是公共卫生问题和重要的经济问题-尽管遇到了困难,我们可以理解发达国家在鉴定这些基因方面所做的努力。基因的鉴定可以通过尝试寻找能够与基因产物相互作用的药物而拥有精确的诊断手段,尤其是一种新的治疗方法(但是在某些情况下这是徒劳的) 5,000种遗传疾病),或将其自身的正常形式的基因用作基因组校正剂。

AFM 早在1989年,人们就意识到基因疗法是治疗大量遗传疾病的唯一方法。再一次成为该领域的先驱,AFM 受到批评,但谁能归咎于将收集的捐款用于寻找新的治疗方法呢?全世界的共鸣的第一个成功将在1999年由内克-恩夫特·马拉德斯医院的Marina Cavazzana-Calvo和Alain Fischer的工作中获得:患有严重免疫缺陷的儿童接受了基因疗法,从而恢复了防御能力。自然。

因此,大规模的生物学使得迅速了解人类,数十种动植物的基因组,以及数百种微生物和病毒的基因组成为可能。大规模生物学的影响不仅限于这些活动。现在,它超越了旨在在合理的时间范围内获取大量信息的唯一定量方面。今天的大规模生物学旨在全面了解在给定时间存在于细胞,器官或生物体内的生活世界中所有种类的大分子。这些是 阿恩 通过转录组学解决的信使,通过蛋白质组学技术解决的蛋白,以及旨在了解生物体内多个基因的同时功能的功能基因组学。

这种方法为研究人员和医师提供了他们所观察到的现象的更全面和更全面的视野,因此更加接近生物的现实。现在,纯粹的定量方面已被定性替代。有理由认为,这些方法将产生新概念,其中一些将产生重要的后果,特别是对于理解各种病理学,例如癌症。大规模生物学似乎确实是实验室实践和医学实践的一场革命。

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

我们的最新出版物

回到顶部

已经有帐号了?

身份证明

标识自己可以访问您的内容

看到

还没有帐户 ?

注册

注册以激活您的订阅或订单问题。

创建我的账户