2012和2013年，由北京大學(xué)多個研究團隊合作完成的世界首個高精度人類男性和女性個人遺傳圖譜相關(guān)論文相繼發(fā)表于《科學(xué)》和《細胞》雜志。這一工作采用的單細胞DNA擴增技術(shù)MALBAC，與以前的技術(shù)相比,該技術(shù)將單細胞全基因組測序的精確度大幅度提高，以至于能夠發(fā)現(xiàn)個別細胞之間的遺傳差異。

MALBAC技術(shù)是由北京大學(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心（BIOPIC）主任、哈佛大學(xué)終身教授、美國科學(xué)院院士謝曉亮領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)明。他們的工作不僅大大拓展了單細胞基因組學(xué)研究技術(shù)，而且給現(xiàn)代醫(yī)學(xué)帶來了革命性的突破，是“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”的一個最佳范例 。

通過與BIOPIC的湯富酬教授團隊、北京大學(xué)第三醫(yī)院院長喬杰團隊的合作，2014年下半年，兩對攜帶遺傳疾病致病基因的夫婦在MALBAC技術(shù)的幫助下成功生下了健康的嬰兒。此外，MALBAC技術(shù)還正在用于探索針對腫瘤患者的個體化診斷和治療方案。

2015年7月18日，謝曉亮應(yīng)邀在“未來論壇”上發(fā)表題為“單分子水平上的生命——通往精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)之路”的演講，回顧并展望了他在單分子基因組學(xué)上的基礎(chǔ)研究和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的探索之路。

北京大學(xué)生命科學(xué)院饒毅教授在現(xiàn)場介紹他時說：“謝曉亮的第一個基礎(chǔ)研究工作是1998年開展的單分子酶學(xué)，他開創(chuàng)了在單分子層面對生命過程的研究。近年他又開始探探索在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。中國引進現(xiàn)代醫(yī)學(xué)后，在現(xiàn)代藥學(xué)方面只有少數(shù)幾個藥物作用領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)上唯一的發(fā)明和應(yīng)用就是謝曉亮和湯富酬、喬杰三個團隊合作誕生的‘MALBAC嬰兒’。”

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院院長曹雪濤認為，謝曉亮的MALBAC技術(shù)能夠改變整個生物醫(yī)學(xué)，其對未來精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用的貢獻是不可限量的。

“獲得終身教授的人很多，但真正能夠在人類歷史上，特別是科技史上留下印記的科學(xué)家非常少見，而謝曉亮將理論和技術(shù)結(jié)合，用技術(shù)解決科學(xué)問題，是引領(lǐng)整個科學(xué)界發(fā)展的真正的一流科學(xué)家?！辈苎u價說：“他是一個讓你無法預(yù)知將來還會做出什么創(chuàng)造性工作的科學(xué)家。這是一個科學(xué)家具有潛在創(chuàng)造力、影響力、引領(lǐng)力的標(biāo)志?！?

以下是根據(jù)現(xiàn)場錄音和演講PPT整理的演講全文，全文已由謝曉亮教授審閱。

女士們、先生們：

我今天的講座內(nèi)容跨度會比較大，從物理學(xué)到化學(xué)、到生物、到醫(yī)學(xué)。

著名的物理學(xué)家理查德?費曼（Richard Feynman）曾經(jīng)說過：“如果要用一句話來描述我們擁有的最重要的科學(xué)知識，這句話應(yīng)該是：所有物質(zhì)都是原子組成?！痹釉谟钪嬷斜缺冉允牵侨绻挥歇毩⒌脑樱覀兊氖澜鐣兊梅浅o趣，沒有生命、沒有愛。原子間的相互作用導(dǎo)致分子的產(chǎn)生，分子們進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的分子，這才有了生命。

那么如果要用一句話來形容過去半個多世紀(jì)生命科學(xué)的主要進展，這句話應(yīng)該是什么？我想應(yīng)該是：生命過程可以在分子水平上得到解釋。

單分子成像技術(shù)開啟研究生涯

我在北大讀本科時學(xué)的是化學(xué)，生物是到美國才學(xué)的。我1985年離開北大，來到美國加州大學(xué)圣地亞哥分校，攻讀物理化學(xué)博士學(xué)位。我因從小就喜歡動手，在美國學(xué)的是用超快激光來研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。

在化學(xué)和生物化學(xué)的教科書里，分子相互作用和化學(xué)反應(yīng)總是在單分子的水平上描述的，可是迄今為止，我們的化學(xué)知識幾乎都是從含有大量分子的實驗中得到的，量大到摩爾（mole）的數(shù)量級。1摩爾是2克氫分子的分子數(shù)目，被稱作“阿伏伽德羅常數(shù)”。阿伏伽德羅是意大利的化學(xué)家、物理學(xué)家，雖然他定義了阿伏伽德羅常數(shù)，但他只知道這是一個非常大的數(shù)，直到死也不知道到底是多大。現(xiàn)在我們知道，阿伏伽德羅常數(shù)是6.023x1023，這是個天文數(shù)字，我估算了一下，1摩爾1立方毫米的沙子，如果平鋪在中國大地上，可以形成一個60米深的沙漠。

90年代初，我在美國太平洋西北國家實驗室開始了我的獨立研究生涯，帶領(lǐng)一個團隊研究在常溫下用熒光來檢測單個分子（見上圖）。當(dāng)時的研究非常令人興奮，有幾個小組在競爭，去年因為超分辨率熒光顯微技術(shù)獲得諾貝爾化學(xué)獎的兩位科學(xué)家Eric Betzig和W.E. Moerner那時也在做同樣的事。1994年7月，我第一次在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了文章，研究單分子的動態(tài)過程。在此前的研究生和博士后階段，我還沒在《科學(xué)》或《自然》雜志上發(fā)表過文章。

這篇文章是和我的第一個博士后Bob Dunn合作的。當(dāng)我們把這些技術(shù)發(fā)展起來以后，我有了一個預(yù)感，單分子技術(shù)在生物化學(xué)和分子生物學(xué)上將有重要的應(yīng)用。所以我們就開始研究酶。

酶是生物過程的催化劑，加速生物化學(xué)的反應(yīng)。我們把帶有熒光的膽固醇氧化酶分子固定在99%的瓊膠中，讓它們不能游動，以便我們長時間地觀察膽固醇酶催化的膽固醇氧化反應(yīng)。

這個酶有兩個態(tài)，在氧化態(tài)下，它有天然的熒光，在還原態(tài)下，它不會發(fā)光。酶作為生物催化劑，它在這兩個態(tài)之間循環(huán)，自己最后是沒有變化的。所以當(dāng)我們觀測單個酶分子的熒光時，每一次熒光的“亮/滅”就對應(yīng)著一個酶分子催化狀態(tài)的循環(huán)。這使我們第一次實時觀測到了單個酶分子的化學(xué)反應(yīng)。在單分子層面上，化學(xué)反應(yīng)是隨機發(fā)生的，即化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需的等待時間是隨機分布的，而不像在擁有大量分子系統(tǒng)中的反應(yīng)里，有可被推測的結(jié)果。因此單個酶分子的熒光強度隨時間變化的曲線是不會在下一個實驗中重復(fù)出現(xiàn)的，盡管這個曲線的統(tǒng)計結(jié)果是可以重復(fù)的。

因為這個工作，哈佛大學(xué)給了我一個資深教授的職位。這個工作之所以重要，是因為很多生物大分子，比如DNA是以單分子或者少量幾個分子的形式存在于細胞之中的，這個工作讓人們能對單分子的生物化學(xué)反應(yīng)進行實時觀察。

大家知道，20世紀(jì)最重要的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)是沃森（Watson）和克里克（Crick）解出遺傳分子DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA是由四種堿基（A、T和C、G）配對構(gòu)成的。遺傳信息儲存在堿基的序列里。

單分子酶學(xué)也具有實際應(yīng)用意義。比如有人做了與我們類似的實驗，造出了兩個單分子DNA測序儀，其中一個美國加州的公司做的Pacbio測序儀,通過監(jiān)測單個合成DNA的酶分子，將有熒光標(biāo)記的四個堿基逐個加入到DNA模版上，以直接讀取DNA分子的序列。這個技術(shù)的特點是它能夠測很長的DNA序列。

在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，單分子生物學(xué)增進了我們對許多生物大分子工作機理的深入了解，讓我們在活細胞里直接觀測蛋白質(zhì)分子的逐個產(chǎn)生。分子生物學(xué)的中心法則告訴我們，在DNA上的遺傳基因會轉(zhuǎn)錄成mRNA，在翻譯過程中mRNA導(dǎo)致蛋白質(zhì)的合成。

由于一個基因在單個活細胞里只有1到2個拷貝，基因表達過程就跟單個酶分子反應(yīng)一樣，也是隨機發(fā)生的，所以單分子生物學(xué)與單細胞生物學(xué)是密切相關(guān)的。我們對單個活細胞的基因表達進行了非常詳細的研究，從而使得分子生物學(xué)的中心法則得到了定量的描述。

上圖右邊的機體細胞有同樣的基因和基因組，我們說它有同樣的基因型，但它們有不同的表型，一個有熒光，一個沒有熒光。這個細胞從一個表型變到另外一個表型，從沒有熒光的狀態(tài)變到有熒光的狀態(tài)，可以證明這個過程完全是由于單個蛋白質(zhì)分子從DNA的單鏈上隨機脫落下來造成的。我覺得這是一個非常普遍的現(xiàn)象，單分子的小概率事件可以導(dǎo)致非常重要的生物學(xué)結(jié)果。

基因突變也是這樣。這個基因型和表型的關(guān)系跟我生活中最大的奧秘是相連的，我的兩個女兒是同卵雙胞胎。同卵雙胞胎被普遍認為有相同的基因組，我的雙胞胎女兒確實非常相似，但她們有各自的特點，也許這跟基因表達的隨機性是相關(guān)的。最近有研究表明，同卵雙胞胎的基因組實際上是不一樣的，因為我們的基因都是隨時間變化的。不管怎么說，基因型和表型的關(guān)聯(lián)是生物學(xué)中非常重要的一個問題。

破解基因組的奧秘

生物遺傳學(xué)起源于孟德爾的遺傳法則。孟德爾是一位牧師，他的偉大是去世之后才被人們認可的。幾個月前，我應(yīng)邀在捷克斯洛伐克給了一個“孟德爾講座”，有幸在他曾經(jīng)工作過的修道院（見下圖）做了報告。

（右圖是孟德爾種植豌豆的田地，其上是他的雕像）

孟德爾的實驗（見上圖左圖）是把綠色的豌豆和黃色的豌豆雜交，開始是用純種豌豆雜交，雜交的結(jié)果還是綠色的，后來他把兩個雜交出的綠豌豆再次雜交，就發(fā)現(xiàn)有1/4的幾率可以得到黃色的豌豆。通過這個實驗，他推斷每個豌豆有2個等位基因，分別來源于上一代，一個是顯性基因（綠色），一個是隱性基因（黃色）。

后來人們發(fā)現(xiàn)，人類也遵循類似的遺傳法則。人的體細胞與豌豆一樣，正常情況下都是雙倍體，有46條染色體，其中23條來自父親，23條來自母親。染色體存在于細胞核內(nèi)，是46條不同的DNA分子。它們有60億對堿基，攜帶2萬個基因。（編者注：人類基因組由30億對堿基構(gòu)成，分布于23條獨立的染色體中。人類的體細胞是雙倍體含有46條染色體，生殖細胞是單倍體，含有23條染色體。體細胞中的兩套染色體分別源于父親和母親，它們所包含的堿基有微小的差異，因此人的全基因組包括約60億對堿基）。

基因組的主要變化是點突變（SNV）和基因拷貝數(shù)的變化（ CNV）。我們每個人之間的不同就是由于點突變，也就是單堿基發(fā)生了變化。60億對堿基中大約只有千分之一的堿基在人與人之間是不同的。另外一個基因組產(chǎn)生變化的是基因拷貝數(shù)的變化（CNV）。一般來講，基因拷貝數(shù)應(yīng)該是2，一個來自于父親，一個來自于母親，形成兩個等位基因。但有的時候，特別是發(fā)生癌癥的時候，拷貝數(shù)可以變成1，3或者4，這叫染色體不正常。

2001年人類基因組計劃完成，也就是這30億對堿基的順序被測定了，這是人類歷史上的一個里程碑，意義重大。當(dāng)時美國的一個私人公司（領(lǐng)導(dǎo)人是Craig Venter）和美國組織的國際團隊（領(lǐng)導(dǎo)人是現(xiàn)任美國國家衛(wèi)生局主任Francis Colon）展開了激烈的競爭，他們分別在《科學(xué)》雜志和《自然》雜志上發(fā)表文章。這項工作花了30多億美金，用的方法是第一代電泳技術(shù)。這是1980年獲得諾貝爾獎的技術(shù)，是由Fred Sanger(1918-2013)做出的。這是一個傳統(tǒng)的辦法，通過測DNA的長短來測序。

以這個技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的第一代測序儀由美國公司ABI生產(chǎn)，該產(chǎn)品是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的范例。加州理工學(xué)院的教授Leroy Hood和他的研究生Mike Hunkapiller先在他們的實驗室里改造了傳統(tǒng)的 DNA測序方法，把電泳的方法用到毛細管里，用激光來代替放射性DNA監(jiān)測儀，然后成立了ABI公司。這是一家車庫公司，但后來這家公司很快壟斷了世界測序儀市場。剛才說的參與人類基因組計劃測序競爭的私人公司領(lǐng)導(dǎo)人Craig Venter就是買了250臺這種儀器來完成的人類基因組的測序。

Craig Venter的一大科學(xué)貢獻是把人類的基因庫組裝起來，他發(fā)明的方法是很有意思的“鳥槍法”。比如說我要知道《三國演義》這本書里文字的序列，但是我能得到的只是打碎的一行一行的片段。Venter的方法是找很多本《三國演義》，然后打碎成一行一行的，由于是隨機的，所以每行的斷裂都不一樣，然后把得到的千千萬萬碎片上下重疊起來，就可以得到《三國演義》中原始的文字序列（見下圖）。當(dāng)時沒有人覺得這個方法可行，而Venter堅信可以由此得到百分之八、九十的人類基因序列，雖然不是100%，但已經(jīng)很了不起了。

如今十幾年過去了，測序儀技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展。2007年以來，新一代的DNA測序儀層出不窮，主要是因為CCD（電荷耦合元件）的應(yīng)用，使得大家可以在很多不同的位置上觀測大量的序列，提高測序通量，這樣一來，測序價格的衰減比指數(shù)衰減還快?，F(xiàn)在如果你想測你的基因組，一天之內(nèi)就可以完成，價格大概1000美金。其中Illumina公司的儀器占據(jù)了90%的市場。第三代測序儀是單分子測序儀，但它現(xiàn)在在成本、準(zhǔn)確性和通量方面還不能與基于大量分子的DNA測序儀相競爭。

我的哈佛實驗室也做過一個測序儀，但是我們起步比較晚，這是因為到哈佛以后要學(xué)怎么做教授，怎么教書，怎樣申請基金。 我們只發(fā)表了一篇文章，沒形成產(chǎn)品。中國目前還沒有自己的測序儀，但就像中國需要自己的飛機一樣，中國也需要自己的測序儀。這幾年我和北大的黃巖誼教授一直在合作做這個工作。

哈佛實驗室的新發(fā)明

新一代測序儀對醫(yī)學(xué)的貢獻是革命性的，它使個體化醫(yī)療成為可能。什么是個體化醫(yī)療？就是通過個人的基因組測序，為預(yù)防、檢測和治療疾病提供個體化的解決方案，所以基因測序成為了個體化醫(yī)療的基礎(chǔ)。

一個著名的例子是，美國好萊塢影星安吉麗娜?茱莉公開宣布她切除了乳房，因為她知道自己攜帶一個有缺陷的基因BRAC1，她的醫(yī)生估算過，她有87%的幾率患乳腺癌，50%的幾率患卵巢癌。她宣布切除乳房的這一天，是2013年5月13日，當(dāng)時我正好在美國衛(wèi)生局進行一個申請項目的答辯。我的實驗室有一種技術(shù)，可以讓父母避免把嚴重的遺傳病遺傳給胎兒。評審委員會聽到朱莉的新聞后就問我，如果把我的技術(shù)用來避免把有缺陷的基因遺傳給下一代，倫理上行不行？我當(dāng)時還沒想好，結(jié)果這個項目沒有在美國啟動。關(guān)于倫理問題，我到今天也沒有一個好的答案。但我今天想告訴大家，我們這兩年在北京大學(xué)的一個工作，是倫理上可以接受的。

這個新技術(shù)對我來講是一個新的單分子實驗。如果給我一個人的體細胞，我能告訴你這個人的基因組，就是46條染色體的序列是什么樣的。

我們以前是測多細胞的，抽10毫升血來測。那么我們?yōu)槭裁匆獪y單細胞的基因組？因為由于種種原因，基因組對每個細胞來講都不相同。比如說人類生殖細胞（精子、卵子）在分裂時發(fā)生隨機重組，使得每個生殖細胞都不相同。另外癌細胞中劇烈的基因組變化，也使得原發(fā)腫瘤中的細胞之間存在高度不同。

剛才說到在一個細胞中最常見的基因組改變包括點突變和基因拷貝數(shù)變化。這種變化是單分子的變化，所以是隨機的，不同細胞是不同步的，不知道它什么時候發(fā)生，也不知道它在哪發(fā)生，因此每個細胞都擁有不同的基因組，這使得單細胞測序成為必須。只不過以前技術(shù)上不可行。到目前為止，還沒有一臺單分子測序儀可以把46條染色體從頭測到尾進行測序，我們必須借助于單細胞基因組的擴增，就是把46條染色體放大，然后進行高通量的測序。

第一種方法是PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))技術(shù)，這是一個在1985年獲得諾貝爾獎的技術(shù)，有單拷貝的高靈敏度。在犯罪現(xiàn)場，只要拿到一個DNA分子，我們就可以把信號放大到被檢測的點。但是如果用它來覆蓋全基因組，指數(shù)放大覆蓋率只有6%。因為PCR技術(shù)是指數(shù)放大，讓一個DNA變成兩個，兩個變成四個。這種指數(shù)放大過程不夠精確，因為它是對拷貝進行拷貝，一旦拷貝件出錯，錯誤就會被傳下去，結(jié)果就不準(zhǔn)了。

2012年，我在哈佛的實驗室發(fā)明了新的單細胞擴增方法——“多重退火環(huán)狀循環(huán)擴增法”（MALBAC）。它的最大優(yōu)勢是線性擴增，而不是指數(shù)擴增，不針對DNA拷貝再做拷貝，我們只拷貝原始DNA。就像一臺復(fù)印機把原始的一份文件復(fù)制成多份，如果一次復(fù)制出錯的話，在擴增后的產(chǎn)物里是微不足道的。哪怕單個細胞的30億個堿基對里有一個堿基錯了，我們都能看出來，而且沒有假陽性。這種方法比此前廣泛應(yīng)用的MDA(多重置換擴增)方法能更準(zhǔn)確地檢測SNV（點突變）和CNV（拷貝數(shù)變異），將覆蓋率大大提高到了93%。

做出這個工作的是我哈佛實驗室的博士后宗誠航和我當(dāng)時的博士研究生陸思嘉。目前，宗誠航正在 Baylor College of Medicine 做助理教授。陸思嘉在哈佛的博士論文就是關(guān)于MALBAC技術(shù)。他想看到他畢業(yè)論文的社會效應(yīng)，所以兩年前回國跟我創(chuàng)立了做單細胞測序的公司——億康基因。他目前擔(dān)任億康基因的CTO。

我們當(dāng)時做的第一個實驗就是測單個精子的序列。精子作為生殖細胞，是單倍體，有23條染色體，其中一半基因來自父親，一半基因來自母親。

如圖所示，綠的是父源DNA，紅的是母源DNA，每條染色體都是父源和母源基因的組合。由于基因組合交結(jié)的地方不一樣，所以每個精子的序列都是不一樣的。這就是為什么兄弟姐妹都不一樣。

這項工作是與我以前BIOPIC的同事李瑞強教授合作的。精子來源于一位華人教授，我們檢測了他的99個精子，發(fā)現(xiàn)了幾個染色體不正常的精子細胞，其中一個缺第19號染色體，一個6號染色體出現(xiàn)了2個拷貝。好在這個人還算正常，因為任何一個正常的男子都會有～5%的精子出現(xiàn)拷貝數(shù)不正常的現(xiàn)象。這種不正常是由于細胞分裂時染色體沒有正常分裂。這種染色體不正常的精子會導(dǎo)致生殖障礙、流產(chǎn)、胚胎停育或者唐氏綜合癥等遺傳疾病，盡管父母看起來完全健康，但就是有5%的出錯幾率。對男子而言，這5%的幾率是不隨年齡變化而變化的。但對女士的卵子來講，染色體不正常的幾率在30歲之前是25%，此后很快隨年齡的增長而上升，到40歲的時候是70%。這就導(dǎo)致發(fā)生生殖障礙的比率和流產(chǎn)的比率隨年齡的增長而增加，生育成功率則隨年齡的增長而遞減。

利用MALBAC技術(shù)，我們可以選擇一個染色體正常的受精卵來提高生育成功率，特別是對高齡產(chǎn)婦。這是可能的，因為她們?nèi)旧w不正常的幾率并不是100%，即使在43歲以后，婦女仍然有正常的卵細胞，只不過幾率小一些。即使是50多歲的婦女，只要有一個染色體正常的受精卵，不管是本人的還是別人捐獻的，她懷孕的成功率就和年輕婦女一樣。也就是說有一個好的卵子是正常生育的前提條件。

中國是一個人口大國，出生缺陷率高，遺傳疾病患者多，大概有1%。不孕不育的夫婦也越來越多,高達育齡夫婦的10%，全國大約有一千萬對育齡夫婦存在不孕不育問題，漸漸成為一個嚴重的社會問題，此外，隨著現(xiàn)代化進程的推進，頭胎生育年齡逐漸增加，這個問題也會日益嚴重。不孕不育和遺傳疾病不僅為患者個人帶來了巨大的痛苦，也大大增加了家庭、社會與政府的負擔(dān)。

MALBAC寶寶的誕生

世界上第一個試管嬰兒誕生于1978年，迄今已有超過600萬個孩子是通過試管嬰兒技術(shù)出生的。Robert Edwards是試管嬰兒的創(chuàng)始人，他于2013年去世了。然而直到他去世前兩年，也就是2010年才榮獲諾貝爾獎，并獲得爵士封號?？梢韵胂笏?dāng)年的研究工作困難有多大，絕不僅僅是技術(shù)上的困難。

中國第一個試管嬰兒于1988年在北醫(yī)三院誕生，由張麗珠教授完成，她是現(xiàn)在北醫(yī)三院院長、著名婦產(chǎn)科醫(yī)生喬杰教授的導(dǎo)師。當(dāng)時張教授比Edwards晚了10年，而這次喬杰院長走在了世界的前列。為了將單細胞基因組學(xué)在生殖醫(yī)學(xué)中進行應(yīng)用，我和喬杰院長、湯富酬教授，還有億康基因公司展開合作。湯富酬是北京大學(xué)“生物動態(tài)光學(xué)成像中心”（BIOPIC）的一位年輕有為的科學(xué)家，BIOPIC成立于2010 年，致力于技術(shù)推動生物醫(yī)學(xué)的研究。作為BIOPIC的主任，在過去的幾年里，我不斷往返于北大和哈佛之間。我們的合作是怎么開始的呢？我當(dāng)時需要一份精子活力的報告，找到喬院長幫忙，喬院長了解我們的技術(shù)以后，就說你可別光研究精子，一定要研究卵子，因為研究女人要比研究男人有意思得多。2010年，我們的“北京大學(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心”（BIOPIC）成立了，立志于用技術(shù)推動生物醫(yī)學(xué)的研究。

我們要做的實驗是對單個人卵細胞進行高精度的全基因組測序分析。下圖是一個卵母細胞，里面有兩根DNA是從父親來的，兩根DNA是從母親來的。剛才講過，基因在重組時的交結(jié)點不一樣，使得每個卵子和精子都不同。卵母細胞成熟過程中，會在旁邊產(chǎn)生一個第一極體和第二極體作為卵細胞減數(shù)分裂的產(chǎn)物，它們分別是雙倍體和單倍體，這兩個極體細胞是沒有用的，會在生殖細胞發(fā)育過程中被降解。我們?yōu)榱瞬挥绊懯芫颜０l(fā)育，所以選擇分析兩個極體細胞的全基因組來推斷這個受精卵的全基因組是否正常。

不正常的第一種情況是染色體拷貝數(shù)不正常。 原因是細胞分裂時染色體分裂異常，即使父母完全健康。這種染色體不正常會導(dǎo)致生殖障礙或者唐氏綜合癥等遺傳疾病。

還有一種情況，如果父親或母親的基因有點突變，導(dǎo)致嚴重的遺傳疾病，它們也會傳給下一代。如果發(fā)生突變的基因只在極體內(nèi)，受精卵沒有點突變，那就沒事；如果傳到了受精卵里，就會讓下一代患上遺傳疾病。

用MALBAC技術(shù)來進行單細胞基因組擴增，我們可以同時檢測并避免上述兩種情況，來提高生殖細胞健康發(fā)育的成功率，避免遺傳疾病發(fā)生。具體做法就是用激光打一個小洞，把毛細血管插進去，吸出兩個極體細胞來測序。如果疾病遺傳自母親， 我們用這個辦法。如果疾病遺傳自父親，我們則在受精第5天時取1—3個囊胚細胞來測序。

2013年，喬院長在北醫(yī)三院開始了臨床實驗，利用MALBAC技術(shù)進行胚胎遺傳診斷。我們第一個病例，是一位患有遺傳性多發(fā)性軟骨瘤（HME）的男性患者，他從10歲開始，幾乎每過兩三年就長一個瘤子，所以他的身上充滿了金屬。這種病是由于名為EXT2的基因發(fā)生單堿基雜合缺失，造成移碼突變。與孟德爾推測豌豆遺傳類似，他和正常女性生育的后代會有50%的概率患病。與豌豆實驗不同的是，這是人命關(guān)天的事，不能出任何差錯，所以我們特別需要MALBAC技術(shù)的精確性。

通過體外受精技術(shù)，共得到這對夫婦的18個胚胎，經(jīng)過致病突變位點檢測和染色體篩查，發(fā)現(xiàn)共有7個胚胎是既沒有點突變，也沒有染色體異常的，喬院長從中選了第4號胚胎進行移植。

2014年9月19日，世界首例MALBAC嬰兒誕生了，我們?nèi)タ催@個孩子的時候，她真是完美，她一聲都沒哭，一直沖我笑。

第二個病例是一位攜帶少汗型外胚層發(fā)育不良致病突變基因的女性，她和丈夫已經(jīng)有了一個遺傳了這種疾病的兒子，沒頭發(fā)、沒汗腺、沒牙齒，他們想要二胎生一個正常的孩子。此病的發(fā)病率是十萬分之一，美國電影演員邁克爾?貝瑞曼(Michael Berryman)也患有這種病，他沒有毛發(fā)、汗腺和指甲，一直在呼吁醫(yī)學(xué)界對他這種遺傳病進行研究。這個致病基因EDA1是在X染色體上，如果生男孩，患病的概率是1/2，如果生女孩不會發(fā)病，因為女孩有兩個X染色體，而致病基因EDA1是個隱性基因，但該女孩有1/2的概率攜帶這種致病基因。

通過試管嬰兒技術(shù)，共得到這對夫婦的5個胚胎，其中2個胚胎既不攜帶致病基因，也沒有染色體異常，喬院長選了一個看上去最健康的移植。這個孩子于2014年11月30日出生，不但正常而且肯定不再會把該疾病傳給后代。

總結(jié)一下，MALBAC技術(shù)可以同時避免染色體不正常和非常嚴重的基因點突變導(dǎo)致的遺傳疾病，使得我們可以提高生殖的成功率，得到健康的后代。

想要孩子的朋友可能會想，我們能不能用這種技術(shù)來選擇一個胚胎，讓孩子擁有更漂亮更聰明的基因？首先，基因組學(xué)還沒有發(fā)展到這種程度，能夠讓我們非常了解哪個基因是控制長相的，哪個基因是控制聰明程度的。那不是單基因的問題，而是多基因的事情。我們現(xiàn)在做的，就是避免非常嚴重的遺傳疾病。目前世界上大概有7000多種單基因遺傳疾病，常見的有400多種。避免這類遺傳疾病在倫理上是可以接受的。

能否在更廣泛的情況下使用這類技術(shù)？比如是否應(yīng)該篩選掉得癌幾率高的BRAC1 基因，它導(dǎo)致癌癥的幾率是70%， 而不是100%， 我們能不能讓父母決定嬰兒以后的命運？我認為這不是我們科學(xué)家或者醫(yī)生能解決的問題，整個社會應(yīng)該進行倫理上的研究和討論。

MALBAC的第二個應(yīng)用是癌癥。在中國，癌癥的發(fā)病率、死亡率逐年上升。根據(jù)2012年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中國每年新發(fā)癌癥病例約為312萬例，中國人一生患癌概率高達22%，死于癌癥的概率為13%。

癌癥是由于基因組改變所引起的疾病，針對癌癥的很多重大課題都需要單細胞基因組學(xué)。首先是個體化治療，即靶向治療，就是要對癥下藥，通過測序找到基因組哪里出現(xiàn)了改變，現(xiàn)在很多新藥都是靶向治療。

癌癥難以治愈和高死亡率的罪魁禍?zhǔn)资悄[瘤的轉(zhuǎn)移。其機理是癌癥先出現(xiàn)在原發(fā)灶，然后通過血液循環(huán)擴散到身體的其他器官。然而，癌癥病人血液中腫瘤細胞數(shù)量很少，一般只有幾個，傳統(tǒng)的研究手段往往基于大量細胞才能進行分析。因此我們的單細胞測序技術(shù)就可以用到循環(huán)腫瘤細胞的研究上。對病人來說，還有個好處就是抽血分析的檢查是無創(chuàng)的，不用做活檢。北大腫瘤醫(yī)院的王潔教授、BIOPIC的白凡教授，以及天津醫(yī)科大學(xué)的張寧等教授和我的實驗室一起參與了這項工作。

我們在一個肺癌病人的幾毫升血液樣本中共找了8個循環(huán)腫瘤細胞，對它們進行基因測序，看到基因組不同位置點突變，這突變信息為個性化治療提供了重要依據(jù)。但是，這8個循環(huán)腫瘤細胞的單堿基突變存在異質(zhì)性——也就是說每個細胞都不一樣，這樣對癌癥檢測意義不大。

我們同時也看到拷貝數(shù)的變化。正常體細胞里的基因拷貝數(shù)是2，癌細胞要高于或低于2。實驗發(fā)現(xiàn)同一個肺癌病人的8個循環(huán)腫瘤細胞表現(xiàn)出高度一致的拷貝數(shù)變異模式。更有趣的是，不同病人的同種癌的基因拷貝數(shù)圖案也是一樣的，這就展現(xiàn)了一個好的前景。我們可以通過分析循環(huán)腫瘤細胞拷貝數(shù)圖案來推測癌癥類型。最近我們跟張寧教授合作，又發(fā)現(xiàn)乳腺癌、肺癌、前列腺癌、結(jié)腸癌和胃癌具有不同的基因拷貝圖案（如下圖）。所以，現(xiàn)在我們想利用這些發(fā)現(xiàn)做不需活檢的無創(chuàng)癌癥檢查，希望能多收集一些循環(huán)腫瘤細胞，這樣也許能夠做到癌癥的早發(fā)現(xiàn)。

最后總結(jié)一下今天的講座。DNA是以單分子的形式存在于每個細胞中的。因此，基因組的變化是隨機的。這也使得單細胞和單分子水平上的檢測成為必需。單細胞基因組學(xué)是單分子技術(shù)與基因組學(xué)的交匯之處。在單細胞中測基因拷貝數(shù)以及單個點突變，現(xiàn)在不僅已成為可能，而且真正成為了一項日益重要的技術(shù)。

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是個體化醫(yī)學(xué)的一個新提法，最早由美國總統(tǒng)奧巴馬提出，大家對它有各種各樣的解釋。這個星期我參加了一個國內(nèi)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)專家的會議，會議給出了一個定義： 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是指在大樣本研究獲得疾病分子機制的知識體系基礎(chǔ)上，以生物醫(yī)學(xué)，特別是組學(xué)數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)“患者個體”在基因型、表型、環(huán)境和生活方式等各方面的特異性，應(yīng)用現(xiàn)代遺傳學(xué)、分子影像學(xué)、生物信息學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等方法與手段，制定個性化精準(zhǔn)預(yù)防、精準(zhǔn)診斷和精準(zhǔn)治療的方案。