文／本報綜合報導

美國國立衛生研究院（NIH）人類基因組研究所（NHGRI）研究人員宣布，已取得人類X染色體完整、無間隙、端對端的序列信息。這突破性發現公布在《自然》雜誌，正如醫學博士艾里克．格林所說：「這項成就開啟了基因組學術研究的新紀元。」

人類基因組（Human Genome），由23對染色體組成，其中包括22對體染色體，以及第23對的2條X染色體，或1條X和1條Y染色體。人類基因組計畫（Human Genome Project, HGP）是一項跨國的科學探索工程。目的在於測定組成人類染色體中所包含60億對組成的核苷酸序列，從而繪製人類基因組圖譜，辨識其載有的基因及其序列，以達到破譯人類遺傳信息的最終目的。基因組計畫可說是人類為了探索自身奧祕所邁出的重要一大步。

然而，承載人類遺傳的密碼並未被百分之百的破解，仍然存在大量的缺口。這些未知數為何遲遲無法破解？此次是什麼基因測序技術讓科學家獲得X染色體完整序列？剩餘的空白基因序列，能否順利破解？

人類基因組測序像拼圖

如果家裡有小朋友，或者本身是拼圖愛好者，挑戰更多片數、更大幅的拼圖必然是你期待的成就感。近幾年來，有一群不同國籍的科學家也正在挑戰一幅巨大的拼圖，然而這幅拼圖的碎片可能高達數10億片，是全球許多機構和科學家多年來一直努力要完成的作品，這就是人類基因組圖譜。DNA（去氧核醣核酸）裡儲存著生命的種族、血型及孕育、生長、凋亡等過程的全部信息。生物體的生長、衰老、病、死等一切生命現象都與DNA有關。

人類基因組非常長，包含約30億個鹼基對（base pair，簡稱bp），鹼基對是形成核酸DNA、RNA單體以及編碼遺傳信息的化學結構。透過定位這些鹼基對在DNA鏈上的準確位置，進而識別分析出各種基因及其功能，最終目的在使人類征服癌症、心臟病以及阿茲海默症等多種疾病。

然而，人類基因組並非僅對某一個人進行測序研究。DNA測序（DNA sequencing，或DNA定序）是指分析特定DNA片段的鹼基序列，就是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）的排列方式。人類基因大體相似，無論你是男是女，黃皮膚或是藍眼睛，每個人都有自己的基因組「副本」，而且每個副本都略有不同。

因此，在基因組研究中，通常會採用「參考基因組」的概念。參考基因組是一個由科學家組裝的核酸序列數據庫，作為物種的基因組參考模版。基因組參考聯盟（GRC）負責對參考基因組進行不定期更新。目前參考基因組還不夠完整，其中DNA序列仍存在許多缺口等待填補。

「由於人類基因組太長了，目前任何測序技術都無法一次性讀取所有的序列信息。因此，科學家只能把基因組打碎成一個個小片段進行測序，最後再組裝起來。」南京醫科大學生物信息學系主任汪強虎教授說。在外人看來，這些科學家所做的工作就像是在「拼圖」。

在這幅「拼圖」中，有許多重複的序列，由於測序技術只能完成短片段讀取，重複序列就會導致許多看起來幾乎完全相同的短片段出現。「這就好比拼圖中的藍天、草原，其中的每一小塊都是藍色或綠色，但又沒有線索告訴我們這些片段如何拼接在一起。」汪強虎說，因此就形成了許多缺塊。

首攻的特殊X染色體

人類細胞中有一個細胞核，細胞核的遺傳物質就在23對染色體上，其中有一對決定性別的性染色體。如果是女性，這對性染色體就是XX，但如果是男性，就是XY。每個人的性染色體一半來自父親，一半來自母親。

「科學家選擇X染色體進行補缺測序是有原因的。」汪強虎說，X染色體在23對染色體中長度中等，但是又包含許多遺傳信息，一旦能將X染色體完整測序，將為以後其他染色體的完整測序提供參考。

「這並非說Y染色體就不重要。」汪強虎表示，Y染色體有27個特別的編碼基因，是X染色體沒有的，從這點看，男孩要比女孩多27個來自父方的編碼基因。

「Y染色體為男性特有，只能來自於父親的遺傳。」汪強虎說，就是祖父傳給父親，父親傳給兒子。因此，一個家族裡只要對一位男性的Y染色體進行檢測，就能夠知道這個家族其他男性的Y染色體具有什麼基因特質。而女性所繼承的兩條X染色體，一條來自母親，一條來自父親，但這兩條X染色體並不相同，它們的DNA序列包含許多差異。

這項研究中，研究人員沒有對人類正常細胞的X染色體進行測序。而是選用一種特殊的雌性細胞──具有兩條來源相同的X染色體，與僅具有一條X染色體的雄性細胞相比，這種細胞可提供更多的DNA進行測序，還可以避免分析典型雌性細胞的兩個X染色體時所產生的序列差異。

奈米技術：測序大功臣

與20年前獲得的人類基因組草圖相比，這次科學家將X染色體做了完整測序，最大功臣就是奈米孔測序技術。「這是第3代測序技術。」汪強虎介紹，1996年美國哈佛大學的丹尼爾．布蘭頓、加州大學的大衛．迪默等，在美國《國家科學院院刊》雜誌上首次發表論文指出，可以用膜通道檢測多核酸序列，成為奈米孔測序技術的起源。

此次研究使用的是一種特殊的奈米孔測序儀，它通過檢測單個DNA分子通過膜上的小孔（奈米孔）時電流的變化，對DNA進行測序。

「奈米孔測序技術可以獲得包含數10萬個鹼基對的『超長讀取』，這樣的長度可以跨越整個重複區域，從而繞過一些複雜的挑戰。」汪強虎指出，第1代基因測序技術一次只能讀取幾百個鹼基對，近20年來測序技術已有長足進步，讓那些曾經被認為十分棘手的重複序列測序，變得相對容易。

「這成果無疑是個里程碑。」汪強虎表示，通過分析X染色體的基因信息，科學家或許將很快解決一些複雜疑難的疾病。例如，X染色體上著名的基因F8（凝血因子8）和F9（凝血因子9），凝血因子8和9缺乏時會導致血友病。

因為男性只有一條X染色體，一旦出現問題，就無法正常產生凝血因子F8和F9。這也是為何血友病一般較常發生在男性身上的原因，女性基因帶有兩條X染色體，如果有一條染色體出現問題，而另一條正常，通常不會出現血友病的病症，但是會遺傳給下一代。

汪強虎認為，新的人類基因組序列填補了目前人類參考基因組中的許多缺口，為基因組研究開闢新的領域。但潛在的挑戰依然存在，例如，1號染色體和9號染色體的重複DNA片段比X染色體上的要長得多。這是科學家未來計畫繼續努力彌合的缺口區域。

正當此時，針對中國人種的多個基因組計畫也在實施之列，汪強虎介紹說：「目前人類參考基因組是以歐美人種族群為藍本，實事上，歐美人與中國人的基因還是存在些微差別。正如中國工程院院士、南京醫科大學沈洪兵教授透過全基因組關聯研究，找出與中國人肺癌有關的19個易感基因，作為中國人肺癌多基因遺傳風險評估指標，以此實現前瞻性的預防措施。」