通往精准医学之路..doc

通往精准医学之路国际著名的生物物理学家、哈佛大学化学与化学生物学系讲席教授、美国科学院院士、北京大学生物动态光学成像中心( BIOPIC )主任谢晓亮日前获得美国生物医学大奖——阿尔伯尼奖。颁奖前夕,谢晓亮教授应美国著名杂志《美国医学会杂志》( The Journal of the American Medical Association , JAMA )的邀请, 发表了有关单分子技术与基因组学的评述,并对这两个领域与蓬勃兴起的精准医学的关系作了详细介绍。 2014 年,两个健康的试管婴儿来到人世,被视为“带动”单分子生物学技术的一大进步。因为他们的健康有赖于出生前一项单分子层面的检测技术,该技术让他们减少了携带父母体内的遗传病基因的可能。这对于防患遗传病和整个生物医学都意义重大。在单分子生物学研究领域作出这样的技术创新,并将其应用于试管婴儿遗传性疾病的预防,正是谢晓亮成为首个阿尔伯尼奖华人科学家得主的原因。不过,如此重要的单分子生物学还是一个年轻的学科。谢晓亮在最新发表于 JAMA 的文章中介绍,在过去 20 年里,单分子成像与操纵领域的进展迅速,孕育出一门基于观测单个分子理解生物过程的新学科——单分子生物学。在全世界许多实验室的推动下,这个崭新的领域改变了我们对于许多生物学问题的思考与理解,并产生出很多新知识。结缘单分子谢晓亮与单分子生物学缘起于上个世纪 90 年代初。谢晓亮带着在室温下单分子成像的想法进入美国西北太平洋国家实验室,成为该实验室第一位中国籍科学家。 1998 年,谢晓亮的研究组在《科学》上发表了对胆固醇氧化酶催化的研究(图 1),这是一个单分子生物学的早期经典案例。胆固醇催化酶所含有的核黄素辅基在氧化态下是天然发光的荧光基团,而在还原态下则不发光,所以每一次荧光的“亮/灭”循环对应着一个酶分子催化状态的翻转。这一特点使得对单个酶分子反应的实时观测成为可能。“在单分子层面上,化学反应是随机发生的,即化学反应发生所需的等待时间是随机分布的,而不像在拥有大量分子系统中的反应那样有可被推测的结果。由于很多生物大分子,例如 DNA ,是以单分子或者少量几个分子的形式存在于细胞之中,故能对单分子化学反应进行实时观察就尤为重要。”谢晓亮在上述最新文章中表示。图 1. 单个胆固醇氧化酶分子 E 的荧光信号显示出酶反应发生时氧化态核黄素( FAD* ,发荧光)和还原态核黄素( FADH2 ,不发光)状态之间的转换是随机的。对胆固醇氧化酶催化的研究成果奠定了单分子酶学领域发展的基础,谢晓亮也成为该领域的奠基人。谢晓亮在前述文章中指出,单分子酶学具有实际应用意义。例如,单分子测序仪可以监测单个 DN A聚合酶分子将有荧光标记的核苷酸逐个合成到一个单链 DN A 模板上的过程,从而直接读取 DNA 分子的序列。尽管单分子测序仪目前在成本、准确性和通量方面尚不能与基于大量分子的 DNA 测序仪相竞争,但它具有一个独特的优势:能够对很长的 DNA 序列进行测序。“ 2007 年以来基于大量分子(还不是单分子)的‘新一代’ DNA 测序仪的出现,已开启了激动人心的个体化医疗的新纪元。”谢晓亮说。开创新领域在基础研究领域,单分子生物学不仅在体外而且在活细胞内增进了人们对许多大分子系统工作机理的深入理解。继单分子酶学之后,谢晓亮又开创了活细胞中的单分子研究。谢晓亮