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​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。

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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。彼赞美古藤暴击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

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        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