中國科學院院士陳潤生
生物資訊學在生物醫藥等研究領域的引領作用日益凸顯。随着大資料的發展，生物資訊學研究還将為精準醫學發展和人類健康作出更多貢獻
生物資訊學将引導以診治為主的現代醫學過渡到以健康保障為主的精準醫學階段
文 |《瞭望》新聞周刊記者 孫英蘭 郭雨齊
今年5月，國家發展改革委印發了《“十四五”生物經濟發展規劃》（下稱《規劃》）。《規劃》提出，“十四五”期間，推動生物技術和資訊技術融合創新，加快發展生物醫藥、生物育種、生物材料、生物能源等産業，做大做強生物經濟。對此，長期從事生命科學研究的中科院核酸生物學重點實驗室學術委員會主任、中國科學院院士陳潤生表示，《規劃》的頒布，對相關領域研究及科研成果轉化将起到推動促進作用。
陳潤生是大陸最早從事理論生物學、生物資訊學以及非編碼RNA研究的科研人員之一，曾參加大陸第一個完整基因組泉生熱袍菌B4基因組序列的組裝和基因辨別，參加人類基因組“1%項目”和水稻基因組工作草圖的研究，建構了國際上在非編碼RNA領域有重要影響力的兩個資料庫，是國内講授《生物資訊學》第一人，曾獲中國生物資訊學學會（籌）頒發的首屆中國生物資訊學終身成就獎。
他在接受《瞭望》新聞周刊專訪時表示，生物資訊學在中國蓬勃發展，已經産生了大量重要研究成果，其在生物醫藥等領域的引領作用日益凸顯。随着大資料的發展，生物資訊學研究還将為醫療的精準化發展和人類健康作出貢獻。
破譯人類遺傳基因密碼催生新學科
《瞭望》：人類基因組計劃被譽為生命科學領域的“登月計劃”。為什麼要啟動這項計劃？
陳潤生：人類基因組計劃1990年正式啟動，其實質，是要破譯人類遺傳基因密碼，即将人體細胞DNA的約30億個堿基對（遺傳密碼）的排列組合進行測序，拼成一張完整的人類基因組圖譜，研究人類的生長發育及疾病的診斷、治療和預防。
1999年9月，中國成為繼美、英、日、法、德外，第六個參與該計劃的國家。中國在人類基因組計劃中負責測定和分析3号染色體短臂上從端粒到标記D3S3610間大約30厘摩爾(相當于3000萬個核苷酸)的區域，是以被稱為人類基因組計劃“1%項目”。2001年8月，中國科學家提前兩年高品質完成了“1%項目”的基因序列圖譜。
《瞭望》：什麼是生物資訊學？為什麼說沒有基因組研究就沒有生物資訊學？
陳潤生：生物資訊學是伴随着人類基因組計劃實施而産生的一門新學科。
人類基因組由約30億個堿基對組成。科學家們先要把它切割成上千萬個小段，每個小段測序完成後，使用專門編寫的程式在大型計算機上運算，再把它們重新拼接組裝起來，過程十分複雜，為此需要建立一個新的學科。另外，過程中産生的大資料如何存儲、整理、加工，如何提供給大家使用，這些問題也需要解決。更重要的是要分析基因組大資料，挖掘出與人類生長、發育及疾病相關的知識，這就産生了生物資訊學。
可以說，生物資訊學是一門整合數學、實體、計算機和生命科學、醫學、藥學等學科的新興交叉學科，是與人類基因組研究綁定的、為破譯人類遺傳密碼服務的。科學家通過對基因組資訊的擷取、處理、加工、分布、分析和解釋，就能夠從分子水準上了解人的生長發育、疾病發生情況，這是人類生物研究領域的進步，它使得整個生物醫學進入了大資料時代。
生物資訊學促進醫療體系範式變革
《瞭望》：大陸生物資訊學研究取得了哪些重大成果？
陳潤生：生物資訊學在大陸起步于上世紀80年代末，此後獲得了快速發展。大陸科學家在完成人類基因組計劃“1%項目”後，又開展了針對植物、動物、微生物等的基因測序研究，完成了“千人基因組計劃”等工作。大陸的基因組測序數量，也是世界上最大的。
經過40年發展，基因組研究已“繁衍”到生物醫學的各個方面，隻要是分子水準，都離不開基因組，核酸疫苗、核酸藥物的研發，都是基于基因組研究的結果。更重要的是，它會引導以診斷治療為主的現代醫學過渡到以健康保障為主的精準醫學階段。
《瞭望》：為什麼說生物資訊學将促進醫療體系範式的變革？
陳潤生：現在的醫療模式以治療為主，這種模式是為病人服務的。而利用生物資訊學手段，可以通過解析遺傳基因大資料，提前了解人體疾病的危險因素，并加以預防、幹涉；也可以對人從出生到死亡的全生命周期進行監控，以保證人體健康。
是以，在大資料驅動下，人類社會的健康模式，就從現在的診療模式轉變成全民、全時程的預防保障模式。與醫療相關的法律法規、藥品管理、社會保健制度等都會發生相應變化，這相當于完成了一個醫療體系範式變革，也為精準醫療奠定了基礎。
陳潤生院士（左一）與學生讨論實驗結果 受訪者供圖
精準醫療面臨挑戰
《瞭望》：現今，精準醫學研究已成為國家之間新一輪科技競争和引領國際發展潮流的戰略制高點。它的核心是什麼？
陳潤生：自2015年時任美國總統奧巴馬首次在年度國情咨文裡提出“精準醫學”概念以來，世界各國開始追逐相關概念和産業。精準醫療和精準醫學指向是一緻的，都是指整個醫療體系，要從診斷、治療過渡到健康保障，從醫院、醫生診療為主的模式過渡到健康保障、健康評估和健康幹預為主的模式。醫療體系将面對全民，可以對任何人做出健康決策，這也是精準醫療帶來的變化。而它的核心，就是組學大資料和醫學的結合。
《瞭望》：精準醫療的發展需要哪些基礎條件？
陳潤生：精準醫療主要指精準診斷、精準用藥、精準治療。而“精準”的基礎首先就是組學大資料。
人的遺傳密碼作為一個組學，就有了基因組，通過測序還有蛋白組、轉錄組、表觀組、空間組等一系列的“組”，一個基因組帶來的是組學大資料——生命活動的不同層次都變成可測的，這也帶來了不同層次的資訊，組學大資料就出現了。當這些新知識與醫生原有的知識融合，醫生就會做出更準确的判斷。
其次，随着組學大資料的出現，還需要具備一個資料時代的科學思維，就是把分子基礎的變化和目前的影像學、生化學結合起來，因為精準醫學是建立在現代臨床基礎上的。比如把原來不作為大資料的資料也變成了大資料，像電子病曆、帶有監測人體生命名額的可穿戴裝置提供的資料、生理生化名額、影像學、病人的動态資料等個體資料加以收集整理，提取這些複雜、多尺度、多變量、高度異質化的資料進行分析，找出其中規律性的問題。還需要發展一系列生物醫學資訊解讀的技術、方法。有了這些基礎，組學大資料才能應用到診療中來，并與影像學、檢驗學以及醫生的臨床診斷實踐等相結合，更大程度提高診療的精準性。
進入大資料時代，不僅是把組學大資料這份過去沒有的資訊提供給生物醫學工作者，還要把過去孤立的個體資料都變成可共同分析的相關大資料。這就給出了一個在人類基因組研究沒有出現之前所不能得到的、橫向縱向都存在的大資料集合。分析破譯這些生物大資料背後隐藏的生命密碼，就會使得精準醫療逐漸從理想變成現實。
《瞭望》：目前精準醫療的發展面臨哪些困難和挑戰？
陳潤生：用精準醫學的核心來衡量，大陸離達到精準醫療的目标還有差距。從研究層面看，最大挑戰就是基因組當中的“暗資訊”。
人類遺傳密碼是可測的，但是目前人類能夠真正破譯，能夠從根本上、規律上讀懂的這部分遺傳密碼不超過人類基因組總量的3%，而精準醫療的起步點就是分析和應用這3%。剩餘97%的遺傳密碼，其生物學作用現在還隻是部分掌握、部分了解，破譯分析這些“暗資訊”，過程将非常緩慢，但非常關鍵。
第二個挑戰來自生物大資料。大陸的資料源很大，但從樣本源來講，要做某一個相關疾病的研究，得到特定樣品很難。比如說要研究肺癌，收集肺癌樣本就十分不易。像惡性良性腫瘤、心腦血管病，都是多基因病，它的自變量是成百上千的，要得到這個量級的樣本進行專項研究，作為研究組很難辦到。
同一種疾病，發生的微觀情況也不同。比如同樣是肺癌病人，病竈分布位點不同、數量不同，變化也不相同。那麼，相同的疾病，什麼是共同的分子基礎，什麼是個體差異，這個需要在新的組學意義上定義。這是第三個挑戰。
另外，影響某一種疾病發生的不僅僅是每一個基因的變化，還有基因間的互相作用。是以，還要考慮各個遺傳基因密碼的互相作用。就是說，一個活的生命體，它所具有的包括信号傳導、大分子互相作用、調控等這些複雜網絡，都是動态的、有向的。而一個動态、有向組成的非線性網絡是複雜的，如何解析，同樣是高難度的挑戰。
《瞭望》：這是否也意味着重大創新機遇？
陳潤生：是的。在人類基因組研究中，科學家隻破譯了3%的遺傳密碼，這對“精準”而言是不夠的，但從僅僅破譯的3%遺傳密碼已為生命科學帶來的無數新發現、為生物醫學帶來的巨大發展的角度講，破譯97%的非編碼序列更具挑戰性，也意味着更多機遇。
如今，對非編碼RNA的研究已成為國際科學研究領域的熱點。在基因組的研究、測量、分析方面，大陸與歐美等國家和地區處在同一方陣。在非編碼遺傳基因研究方面，我們與國外科學家也是各有優勢、同時進步的，有些方面我們還走在前面。
我在國内最早開展非編碼研究，就是基于“人的基因組不可能隻用3%的遺傳密碼造蛋白、而其他序列沒有用”這個樸素的邏輯判斷。早在1993年，我就把研究團隊全部轉向97%的非編碼研究上來，這也推動了國内的非編碼研究。我們建構的收錄非編碼RNA及其基因的資料庫NONCODE，以及收錄非編碼RNA與其他生物大分子互相作用的資料庫NPInter，已成為國際在非編碼RNA領域非常有影響力的資料庫。
《瞭望》：大陸在精準醫學發展中應注意哪些問題？
陳潤生：首先共享好大資料、大樣本。
現在各個地方、各家醫院、各醫學院校都存在大量生物醫學資料，怎樣才能在國家層面上實作資料共享，是科學、技術問題，也是管理問題。
從資料層面上講，要進行資料的挖掘分析，首先要有大資料，這就需要一個集中管理資料的體制機制，需要完善各地區、各醫療機關提供的資料共享的機制。
其次是知識産權問題。這是資料共享、交流中更深層次的問題。應從國家戰略高度統籌部署，并制定和大資料相關的政策法規，解決大資料管理、共享等方面問題。
目前，伴随着基因組學發展而發展的生物資訊學，已走過了“測序基因組階段”，正步入功能基因組和整合基因組階段（又稱“系統生物學階段”）。這也說明，生物資訊學的内涵更豐富，工具更多樣化，未來用途也會越來越廣泛。僅從民生角度看，它的發展，就帶動了生物醫學和生物醫藥産業的發展，比如核酸疫苗、核酸藥物的研發。随着生物經濟的發展，生物醫藥産業有望駛入發展快車道，也必将對人類健康作出更多貢獻。■