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編者按：近年來，學科間的交叉會聚越來越明顯，科技創新成果層出不窮。中國科協與生命科學學會聯合體、清潔能源學會聯合體、信息科技學會聯合體、軍民融合學會聯合體、智能製造學會聯合體聯合，通過長期的跟蹤研究，把握世界科技前沿動態，並定期以“中國科協創新智庫產品”發佈報告。本文主要介紹基因組學科技發展近況，為科技管理人員瞭解國內外基因組學的發展動態及趨勢提供決策諮詢，也為研究與開發人員提供綜合的參考信息。

基因組學是伴隨著1990年啟動的《人類基因組計劃》而發展起來的一門新興學科。隨著基礎知識結構的日漸完備及與其他學科的交叉融合發展，它正逐漸走向人口健康、生物安全、現代農業等各個應用領域，現已成為研究手段更新最快、影響最廣以及未來對人類生活影響最大的學科。

一、國際上基因組學領域的新發現

基因組學研究推動了基因組學、轉錄組學、表觀組學、結構基因組學、大數據和生物信息計算等領域的發展，取得了許多重大研究成果，產生了許多新理論。精準醫學、大數據、雲計算等逐漸成為當前研究領域的發展潮流。

（一）新技術突破

1. NGS新一代測序技術。又稱高通量測序技術，主要用於全基因組測序，轉錄組測序和遺傳圖譜等領域的研究。NGS技術在近年來快速發展，大大增加了測序平均讀長，開啟了“千元基因組”時代，為群體規模的人類全基因組測序提供了一個理想的方案。

2. 單細胞測序技術。將單細胞分離技術、單細胞擴增技術和高通量測序技術相結合，在單個細胞水平上對基因組進行擴增與測序的一項新技術。包括多重退火和成環循環擴增技術、微孔板置換擴增系統在內的許多技術上的突破，使得單細胞測序日益走向成熟。

3. 三維基因組。是基於一維的基因組序列及基因的結構等基本信息，研究基因組的立體空間結構以及不同的調控元件在三維空間結構中對基因轉錄、複製、修復等生物過程的調控機制。近年來該領域發展的技術主要有：Hi-C技術、Micro-C技術、Micro-C XL技術和ChIA-PET技術、HiChIP技術等。

4. 基因修飾。也稱為基因工程，主要是指利用生物化學方法修改DNA序列，將目的基因片段導入宿主細胞內，或者將特定基因片段從基因組中刪除，從而達到改變宿主細胞基因型或者使得原有基因型得到加強的作用。當前以第三代人工核酸內切酶CRISPR-Cas核酸酶(CRISPR-Cas RGNs)技術為主流。

圖1 近年來國際上在基因組學領域研發創新的重點技術

（二）最新研究發現

1. 基因組水平。隨著測序技術的發展，大猩猩基因組、中國人基因組、玉米和高粱轉錄組研究都取得了重大的進展；“千元基因組”測序系統HiSeq X Ten夠測序高達幾百萬個基因組，實現了個性化醫療的真正突破；國際ENCODE計劃，通過研究基因組“暗物質”的結構和功能，確定了400萬個基因的開關和其調控基因表達的功能，推動了疾病防治和新藥靶標的開發，是基礎和轉化醫學今後研究的重點和方向。

2. 轉錄組水平。一類先前被認為是生命體中“暗物質”的非編碼RNA，近幾年已被逐漸認識到其序列突變或表達異常與許多疾病的發生密切相關。例如發現人類和斑馬魚的一些長鏈非編碼RNAs有可能生成功能性蛋白質；在研究lncRNA編碼的小肽與SERCA抑制肽競爭中發現其有利於哺乳動物的心臟收縮，進而推翻了非編碼RNA不編碼蛋白的原本定義；利用三代測序技術發現了一類新穎的小RNA分子，證實了哺乳動物細胞能夠通過直接拷貝RNA分子來合成RNA的假說，為RNA複製機制提供了證據。

3. 表觀組水平。 2012年發現的可動態變化的RNA水平的表觀遺傳修飾(RNA m6A)，開啟了RNA甲基化修飾的RNA表觀遺傳學研究。之後，芝加哥大學何川教授和中科院北京基因組研究所楊運貴研究員相繼發現了m6A甲基化修飾的去甲基化酶、識別m6A甲基化修飾的蛋白、及該修飾通過改變RNA結構來影響RNA-蛋白互作過程的功能等。此外，哺乳動物基因組DNA第六鹼基5hmC的發現，及5mC會被逐步氧化成5hmC、5fC和5caC，最後回到未甲基化的胞嘧啶的過程，推動了DNA層面表觀遺傳修飾代謝過程的研究。

4. 結構基因組水平。藉助於三維基因組有了很多的研究發現：突變體的等位基因會影響染色質的拓撲結構和轉錄、哺乳動物X染色體失活機制、生物體內信息傳遞機制、嗅覺受體基因受到空間結構調控的機理等等。對生物體基因組三維結構的精確構建，助力對基因轉錄、複製、調控等生物功能的研究，為各類疾病的研究提供一個新的視角。

二、我國在基因組學領域的新突破

（一）新技術突破

1. 我國自主研發二代測序儀器

在我國已經批准和尚未批准的二代測序儀器中，華因康和中科-紫鑫的測序儀算是完全我國自主創新研發的產品。在試劑供給、測序反應、自動化控制、光學成像、數據處理等5大系統擁有約200多項核心專利，華因康的HYK-PSTAR-IIA也成為我國首個通過創新醫療器械特別審批程序的基因測序儀，於2014年12月獲得CFDA的醫療器械註冊證。

2. 單細胞測序技術。

我國在該領域也獲得諸多突破，近年來先後研發出scRNA-seq、“eWGA”、 G&T Seq和scMT-seq等技術，目前已經廣泛的應用於微生物群落的生態多樣性、組織器官發育、免疫和腫瘤等方面的研究，為人們揭示覆雜生物學體系提供了重要線索和幫助。

圖2 近年來我國在單細胞測序技術方面取得的成就

（二）最新研究發現

精子基因組甲基化模式遺傳。中科院北京基因組研究所等研究人員通過研究斑馬魚卵子、精子、早期胚胎和精囊的全基因組DNA甲基化，發現精子的DNA甲基化圖譜可以被完整地遺傳，並用於指導胚胎早期發育，提出表觀遺傳重新編程方式的進化可能是產生胎盤生殖方式的哺乳動物的重要一環，填補了表觀信息遺傳理論的空白，對生殖健康、進化生物學和發育生物學的研究產生重要的意義。

三、我國在基因組學領域的差距與對策及研究方向

（一）與國際基因組學領域研究的差距

面對全球生命科學日新月異的發展局面，我國基因組學發展與歐美髮達國家相比還存在差距。

圖3 我國基因組學科技發展存在的差距

（二）對策

面對我國在基因組學研究存在的問題，我們應該採取以下發展戰略以提高我國基因組學研究水平。

1. 圍繞基因組健康這一核心問題，建立針對大規模基因組和多層次組學數據的精準醫學分析體系，開展個體化人群健康的分析監測體系和精準醫學研究模式。

2. 加強單細胞水平的多組學研究，對各種重要器官中組成細胞進行分離，繪製表觀遺傳圖譜，闡明表觀組協同調控機制和生物學功能與人類疾病的關聯，為疾病診治提供理論基礎。

3. 利用全基因組及多學科交叉的綜合手段，結合進化和群體基因組學理論，對腫瘤內部和之間的異質性做全面解析，重點研究惡性腫瘤發生、發展、轉移，藥物作用以及預後的基因組精細變異與演化，併為臨床應用提供重要理論提示。

4. 整合面向公共健康和國家重大需求的多組學生物數據資源，解決組學大數據的存儲與管理、建模與分析及其高性能平臺架構建設等關鍵核心問題，建設形成能夠輻射全國的基因組學大數據中心。

5. 研發新一代測序核心技術，獲取核心專利。

（三）研究方向聚焦

結合本學科的主要發展趨勢，根據我國特有的人群結構特徵和國情發展，圍繞以下四個方面制定研究方向。

圖4 我國在基因組學領域今後重點研究方向

中國科協生命科學學會聯合體供稿，原文內容有刪減。

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