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DNA追蹤連環殺人兇手 淺談Y染色體檢測技術的應用

 2016年8月26日，涉嫌於1988年到2002年在白銀等地作案9起，逍遙法外28年的連環殺人兇手高承勇終於落網。而偵破“白銀案”的關鍵，正是Y染色體檢測技術。兇手的遠房堂叔因行賄罪被監視居住，警方發現其Y染色體與“白銀案”兇案現場發現的兇手Y染色體同源，說明此人與案犯來自同一家族，據此確定了兇手的身份。

人體細胞核內含有23對染色體，包括22對常染色體和1對性染色體，其中性染色體與性別有關，男性的性染色體組成為XY，女性為XX。Y染色體只從父親傳給兒子，同一父系內的男性通常有一致的或者非常接近的Y染色體。Y染色體檢測技術正是根據這個原理，檢測不同的男性個體是否來自同一個父系祖先。

Y染色體檢測的應用範圍很廣，除了用於刑偵，還可用於親子鑒定，研究人類起源和進化研究等等。美國第三任總統托馬斯·傑弗遜因被懷疑與女僕有染並生下私生子，此事多年沒有定論。美國現代科學家利用Y染色體檢測技術，對女僕兒子的後代和傑弗遜家族的男性進行基因檢測，證明了傑弗遜總統確實有私生子。

不少科幻作品也肯定了基因檢測技術在刑偵中的應用。在日本科幻電影《白金數據》中，未來政府秘密建立基因數據庫，搜集了全國人民的DNA數據，通過對犯罪分子留在現場的DNA進行比對，警方可以快速、準確地確定真兇或者受害者的身份。

為了探討基因檢測技術在現實中的應用，南方周末對目前正在哈佛大學醫學院遺傳學系從事博士後工作的王傳超進行了專訪。王傳超畢業於複旦大學，也曾在德國馬普人類歷史科學研究所從事博士後工作，研究領域包括利用Y染色體調查曹操世系，從Y染色體解析東亞人群歷史等，在著名的《科學》雜誌上發表過《反駁“語音多樣性支持語言從非洲擴張的系列奠基者效應”》等論文。

大突破！中國科學家用化學物質合成了完整活性染色體

我國科學家利用化學物質合成了4條人工設計的釀酒酵母染色體，標誌著人類向“再造生命”又邁進一大步。研究結果10日以封面文章的形式在國際知名學術期刊《科學》發表，我國也成為繼美國之後第二個具備真核基因組設計與構建能力的國家。

據新華社10日報道，來自天津大學、清華大學和深圳華大基因研究院的研究人員介紹，該研究利用小分子核苷酸精準合成了活體真核染色體，首次實現人工基因組合成序列與設計序列的完全匹配，所得到的酵母基因組具備完整的生命活性。

“如果說基因組測序是‘讀懂生命密碼’，基因組合成就是在‘編寫生命密碼’，從讀到寫，是一個巨大飛躍。”中國科學院院士楊煥明說。

2010年，美國科學家首次將人工合成的基因組植入一個原核細菌，開啟了化學合成生命的研究大門。天津大學化工學院教授元英進告訴記者，原核生物基因組雖已合成成功，但其染色體相對簡單，動物、植物、真菌等真核生物具有多條線性染色體，生命形式更複雜豐富，我國科學家在此次研究中解決了一系列科學難題。

研究中，基因組實際序列與設計序列的精確匹配至關重要。清華大學生命科學學院研究員戴俊彪說，研究人員創建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修複方法，確保化學合成的基因組具有高度的生命活性。

釀酒酵母是生物遺傳學研究的一個重要模式生物。以合成型釀酒酵母染色體為研究對象，可以加快在基因組重排、環形染色體進化領域的研究進度，為人類環形染色體疾病、癌癥和衰老等提供研究與治療模型。

2012年開始，天津大學、清華大學和深圳華大基因研究院與美國等國家的科研機構共同推動了酵母基因組合成國際計劃(Sc2.0)，旨在對釀酒酵母基因組進行人工重新設計和化學再造。我國科學家此次成功合成的4條釀酒酵母染色體，占Sc2.0計劃已經合成染色體的三分之二。

華大基因參與釀酒酵母染色體合成

合成生物學領域又有重大突破。由、中、美、英、法等多國共同協作承擔的“重新設計並化學合成真核生物釀酒酵母的全部16條染色體”的項目，目前已完成五條染色體的重新設計與合成，這預示著未來人類可以合成新的或者滅絕的物種。

“再造生命”新紀元

上周六淩晨，華大基因董事長、創始人汪建突然在微信群里宣布了一個重大消息：“第一個人工再造真核生命體已經在華大基因及其合作夥伴的實驗室里實現了。這次是真核細胞，下回是動植物，再以後就是真人細胞了，上帝也要羨慕了。”

“合成生物學是繼‘DNA雙螺旋發現’和‘人類基因組測序計劃’之後，以基因組設計合成為標誌的又一次突破。實現了基因組‘讀與寫’的貫穿。”汪建說，“此次合成的真核生物釀酒酵母的全部16條染色體，共有1400萬個堿基，大小約為人基因組的5%。”

該成果以封面的形式刊登在3月10日出版的國際頂級學術期刊《科學》上，4篇長文介紹了真核生物基因組設計與化學合成方面的系列重大突破：完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設計與化學合成，此前國際同行奮鬥多年才合成了一條，這項研究將開啟“再造生命”的新紀元。

“這一系列最新研究對於創造首個全合成真核細胞基因組具有里程碑式的意義。”加州拉霍亞Synthetic Genomics公司的Daniel Gibson在寫給《科學》雜誌的郵件中這樣評價這系列突破性研究，也就是他創造了首條人工合成細菌基因組及首個人工合成細胞。他為這系列研究寫了一篇編輯評論文章，但是並沒有參與相關工作。

複旦大學醫學院教授陳力看到雜誌發表的文章後激動不已，他對第一財經記者表示：“這是繼合成原核生物染色體之後的又一里程碑式突破，未來可以對生命解構、重構和組裝。真核的難度比起原核是指數級的，可以認為是合成生物學的2.0版本，這個過程的建立，會產生新的解決方案和新的需求。”

陳力的博士論文就是關於酵母的，對酵母有著深厚的感情。“酵母是單細胞真菌，它的細胞有兩種生長形態，單倍體和二倍體。相比原核生物只有一套基因而言，真核生物擁有兩套基因和核細胞，因此真核生物的合成更為複雜。”

在合成染色體的過程中，科學家們還突破了生物合成方面的多項關鍵核心技術。汪建表示：“開發系列核心技術成為整個項目的關鍵基礎。”這些關鍵技術包括，突破了合成型基因組導致細胞失活的難題，設計構建染色體成環疾病模型，開發長染色體分級組裝策略，證明人工設計合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性等。

這些技術將幫助在全世界的生命科學研究和相關實際應用中大顯身手。汪建說：“當合成基因成功導入酵母細胞後，人工菌株展現出與野生型高度相似的生命活性，這預示著人工合成在生物制造，包括醫藥、能源、環境、農業、工業等領域的無限前景，也為生命再造帶來無限可能，也使得國家基因庫的存、讀、寫功能得到完美體現。”

2014年，紐約大學蘭貢醫學中心酵母遺傳學家Jef Boeke及另一個研究小組的科研人員一起合成了首條真核細胞染色體：釀酒酵母染色體Ⅲ的精簡版本。此後，為了合成他們的“合成酵母2.0(Sc2.0)”計劃中設計的含有1130萬對堿基對的酵母基因組，這個任務也是“基因組計劃-Write”中的首要任務。

“我們正在進入的真正的基因組學革命是染色體尺度的讀和寫的交融。”哈佛大學的George Church表示，“這些新工作正是在這個尺度操作的，與改變單個堿基對或者是移植整個基因組相比，一次檢測5萬對堿基對的作用更合理且更靈活。不久我們就會知道這項技術如何應用於農業和醫學領域。”Church參與了“基因組計劃-Write”項目，但是並未參與這項最新研究。

從解構到重構

“對於生命很多人類無法理解的東西，現在可以像拼裝航模一樣，先通過解構，把功能部件分開，根據不同需求，再次進行零件的批量生產和組裝。”陳力對第一財經記者表示，“這相當於是在現有的藍本上做加減法，以前只能夠篩選，不能設計，但現在就能通過生命工程進行重構。”

陳力介紹道，以酵母在藥物生產方面為例，未來可以把人工合成的有特定功能的基因設計到合成酵母中，或者將有副作用的基因去除，用於疫苗的生產等。“這比人類的自由度要大很多。”他對第一財經記者表示，“這在未來合成食物或者藥物等方面都會有重大意義，將影響人類生活的方方面面。轉基因食物的時代即將過去，未來就是生物合成食物了，根據人對食物的需求，可以合成具有特定功能的食物。”

中科院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心研究員陳椰林對第一財經記者表示：“合成生物學是一個很重要的發展方向，合成染色體就能合成整個基因組，那麽以後可以合成新的物種或者已經滅絕的物種就不是沒有可能的事情了。侏羅紀公園也不再是夢想。”陳椰林還表示，在一些特殊領域正在加大對合成生物學的投入，比如改造釀酒酵母等。

“這項研究發現是中國在合成生物學領域取得的突破性成果，進一步奠定了我國在這一領域的國際地位。”中科院院士、華大基因學院院長楊煥明表示，“不難看出我們在生命科學研究領域的巨大進步。在釀酒酵母設計與合成研究中，我們已由‘跟跑’轉為‘並跑’，今後還有可能‘領跑’。”

此前，基因修飾的酵母已經用來制作疫苗、藥物和特定的化合物，這些新成果的發表意味著化學物質設計定制酵母生命體成為可能，產物範圍也將被拓展。隨著人工合成酵母的推廣應用，必將顯著提高其在工業生產、藥物制造等方面的效率與質量。

汪建向第一財經記者等表示：“深圳國家基因庫已建成世界級的基因合成平臺。這必將引領該領域的發展。我們建議宣布更加重大的生物合成計劃，進行包括萬種噬菌體、百個生物信號通路、十種真核多細胞生物及人類基因組關鍵染色體區段的全人工合成，建立更加完善的技術平臺，奠定領域領先優勢。”

“合成生物學是一個機會，但也是挑戰。因為它的發生可能比我們的想象速度要更快，未來10年或者20年，人們的生活可能就完全被改變了。”陳力對第一財經記者表示，“Crispr基因編輯技術是編輯，但是合成生物是創造。你給它無生命的原料和基因圖譜，它就能給你創造出生命，這難道不是很神奇的事情？”

陳力相信，雖然現在人類還處於模仿階段，但不久的將來，就創造出新的生物。“汪建等科學家正在影響著年輕一代，下一代人才是推動未來醫學模式發展的主力軍。”

美國研究機構BCC Research報告顯示，2016年全球合成生物市場規模接近40億美元，到2021年，這一規模將增加近兩倍，達到114億美元，五年內每年增速約24%。英國合成生物學領導理事會(SBLC)去年曾發布戰略計劃，稱到2030年，英國合成生物學規模將達到100億歐元的市場。

【男女之間】「讀心基因」女人獨有？劍橋研究：染色體變異