从豌豆
到人类基因组计划
纪念孟德尔诞辰200周年线上展
前言
2022年是奥地利遗传学家孟德尔诞辰200周年。19世纪中叶,在奥地利布隆修道院的花园,这位孤独的天才用豌豆做了多年实验,最早阐发了生物性状的遗传规律。沉寂30多年后,他的工作在1900年被3位生物学家重新发现。之后,遗传学与进化论在20世纪30年代结合,此时,也迎来了科学仪器,尤其是分析仪器的变革,促进了生命科学的进一步发展。生命科学不再仅仅是寻找真理——它开始建构自己的真理。沃森和克里克在1953年提出了DNA双螺旋结构模型,标志着分子生物学的诞生,而1970年代的重组DNA重组技术,使得生命科学全面改观,到了1990年代,人类基因组计划的提出和实施,开辟了基因研究和基因技术的新篇章。
美国科学史研究院位于费城,是一座集研究、收藏和展示于一体的综合型研究机构,它所收藏的反映上世纪早期化学、生命科学领域发展的经典仪器独具特色。本次展览由清华大学科学史系、清华大学科学博物馆与科学史研究院合作举办,共分为5个部分,分别为(1)发现孟德尔(2)果蝇和小鼠(3)生命是什么(4)双螺旋(5)DNA时代,辅以科学史研究院提供的多件珍贵仪器,希望观众在科学巨匠、经典实验与科学仪器之间,领略生命的至善至美。
孟德尔博物馆中的雕像,吴国盛拍摄
关于孟德尔的学说,在上世纪20年代就已经传入中国。他1866年的论文《植物杂种之实验》,在1920-21年曾全文翻译连载在《学艺杂志》上。
而对于孟德尔的雕像,在伊尔狄斯(H.Iltis)1924年著《Life of Mendel》(谭镇瑶1936年译《门德尔传》)中曾这样介绍:
纪念研究家格列高·门德尔
1822—1884
像之最下刻
1910年科学界同人敬立
介于上述文字之间,两青年男女裸身长跽握手。此为门德尔遗传定律与人生关系之象征。该纪念物不独于门德尔为有价值之贡献,抑且为雕刻中精品也。
立像揭幕礼于1910年10月举行,此生前徜徉于小园花木蜜蜂间之研究家尊荣可谓极致。彼赞美古藤堡及印刷术之散文诗不啻其自道也。
若上帝赋我以
人世无上之乐趣,
幸能实现此崇高之理想,
则我之工作
将日趋美满,与
后来者之伟大成就并寿。
1910年威廉·贝特森代表德国门德尔派生物学家发表演说,谓本门德尔学理,各民族应联合一致,毋相冲突,并引援席勒尔(Schiler)语作结曰:“全人类由此保守和平”。
单元
人类基因组计划
人类基因组计划(HGP)于1990年开展、2003年圆满结束,是多国合作的科学研究项目;其目的是为了确定人类各个基因(约2.5万个)在染色体上的位置,并对所有基因进行测序(共约30亿个碱基对)。
1990年,HGP在美国正式启动,而其成立动机可追溯到80年代中期:1985年,时任加州大学圣克鲁兹分校校长的罗伯特·辛斯海默(1920-)首次提出科学家应对人类基因组进行测序。虽然这一石破天惊的想法立刻受到了公众的质疑,美国能源部(DOE)在1986年公开表示愿意资助定位、测序人类基因的科学研究。1988年,美国国家科学院的特别委员会提议启动人类基因组计划,将其规划为一个15年的长期项目,每年提供约2亿美元的资金。1988年底,诺贝尔奖获得者詹姆斯-沃森说服了美国国家卫生研究院(NIH),此举极大地推动了人类基因组计划。美国能源部和美国国家卫生研究院随即将HGP的正式启动时间定在了1990年10月1日。
尽管人类基因组计划一开始仅在美国开展,随着项目推进,多个国家加入了HGP并建立国际合作。1996年2月,英国、法国、德国和日本的研究人员参与首届 “人类基因组测序国际战略会议”(第一届ISMHGS,又称“百慕大会议”),正式加入HPG。该会议还制定了《百慕大原则》,即HGP的研究人员应当每天将新得出的DNA序列面向公众无偿发布。中国,作为最后一个参与国和唯一的发展中国家,在1999年8月31日的第五次战略会议上正式加入。中国的研究人员负责测序3号染色体顶端约30厘摩(相当于人类基因组中约3000万个碱基对)的区域;这块区域约占整个人类基因组的1%,因此又称 “1%计划”、 “人类基因组序列之中国篇”、人类基因组的 “北京地区”。2000年4月,中国的研究人员在半年内提前完成了该区域的测序工作。
虽然人类基因组计划预计花费15年的时间,HGP在2003年4月14日宣告正式结束并取得全面成功。该项目的发展过程大致可分为三个阶段:在1990年到1994年9月,HGP的研究人员确定了各个基因在染色体上的位置;2000年6月26日,国际人类基因组的测序委员会宣布大致完成人类基因组的测序;此后,测序委员以染色体为单位校对、精确化序列数据,最终在2003年4月以高达99.99%的精确度确定了人类基因组中99%的基因的序列。此外,研究人员还测出大肠杆菌(E. coli)、酿酒酵母(S. cerevisiae)、秀丽隐杆线虫(C. elegans)、黑腹果蝇(D. melanogaster)的基因组序列,并确定了双桅隐杆线虫(C. briggsae)、果蝇(D. pseudoobscura)、小鼠(mouse)、大鼠(rat)的基因在其染色体上的位置。
人类基因组计划不仅是国际合作的模板,也是遗传学成就的里程碑,并对药品研发大有助益。在20世纪80年代之前,发现新药物主要靠“碰运气”——人们无从得知药物的分子、蛋白质构成。而据HGP显示,人体中含大约两万个蛋白质可作为药物的作用对象,这对药品研发具有指导作用。现今的大部分药物并不直接作用病毒,而作用于人体中的蛋白质——比如目前治疗新冠的药物中,仅有1%直接作用于新冠病毒,大多数调节的是人体中的蛋白质。
与其说画上一个完满的句号,不如说人类基因组计划开辟了基因研究和基因技术的新篇章。HGP并非十全十美——其样本囿于极少数的志愿者,而现在正在进行的人类基因组多样性计划(HGDP)致力于弥补这一缺陷,研究来自各个人种、性别、社会背景的志愿者的基因。随着对人类基因组的理解加深,基因编辑技术成为热门话题:2020年的诺贝尔化学奖颁给了埃马纽埃尔·沙彭蒂耶和珍妮弗·杜德纳,以表彰他们在2012年对基因编辑工具CRISPR-Cas9的开创性工作。但不得不说,基因编辑工具是一把双刃剑——尤其是应用在人类自身时,例如“基因编辑婴儿”丑闻:中国科学家贺建奎在2018年非法编辑了一对双胞胎的基因,也因此在2019年入狱。
百余年前在花园中的孟德尔不会想到,自己会被后世称作“遗传学之父”。遗传学使我们第一次能够如此近距离地审视“上帝的造物”,但技术从来都不只属于科学家与实验室,“过快发展”的基因编辑技术让人警醒,我们该用什么样的道德和法律来规范这一技术?人类基因组计划的出现是一种必然,使我们反观自身,上下求索。
相关信息
总策划
吴国盛
清华大学科学史系教授、系主任
清华大学科学博物馆馆长
大卫·科尔
美国费城科学史研究院主席和CEO
策展人
刘年凯
清华大学科学史系助理教授
策展团队
吴沁彦
宾夕法尼亚大学科学史与科学社会学系2022级博士生
黄宗贝
清华大学科学史系2022级博士生
杨芊羽
清华大学美术学院2021级本科生
舒雨晨
清华大学日新书院2021级本科生
吴文轩
清华大学日新书院2021级本科生
展览团队
王景
清华大学科学博物馆学术部
刘佳妮
清华大学科学博物馆收藏部
艾琳·麦克利里
美国科学史研究院博物馆馆长
莫莉·桑普森
美国科学史研究院收藏经理
罗杰·特纳
美国科学史研究院仪器和工具部策展人
凯特琳·马丁
美国科学史研究院媒体主管
达纳·罗德里格斯
美国科学史研究院数字传媒经理
学术支持
钟声
北京大学生命科学学院副研究员
平面及网站设计
杨伊
拾梦海设计