《生命的線索》

The Common Thread

薩爾斯頓（John Sulston）、費莉（Georgina Ferry）合著

潘震澤、杜默合譯 時報出版 2003

            西元二○○三年是具有相當多紀念性的一年：百年前，萊特兄弟首度飛行成功；七十五年前，弗萊明發現了盤尼西林；五十年前，華生與克立克發現了 DNA 的雙螺旋結構；二十五年前，第一位試管嬰兒誕生。同時，二○○三年也將在歷史上留下一筆記錄：人類基因組計畫的大功告成。

二十世紀後葉的科學研究，少有哪個領域像「人類基因組計畫」這樣，受到新聞媒體長期且大幅的注意。究其緣由也不難理解，因為該計畫的目的，在於解開建構人體本身的全套訊息編碼，也就是包含在每個細胞的細胞核當中，構成二十四條不同染色體（22 對體染色體加 X 與 Y 兩條性染色體）的三十億個鹼基序列。要是能夠完全解讀該訊息編碼（基因）的運作及控制方式，將有無窮的可能性，可以應用在疾病的治療及預防，甚至還能改進人的個性與潛能。因此，這份工作的重要性及影響力，自是不容小覷。

            生物細胞當中攜帶遺傳訊息的分子，就是構成染色體的去氧核糖核酸（DNA）；這個事實是一九四三年由艾佛瑞（Oswald Avery, 1877~1955）所確認的。十年後，克里克（Francis Crick, 1916~2004）與華生（James Watson, 1928~）於《自然》發表了他們出名的論文：〈核酸的分子結構〉，提出了 DNA 的雙螺旋構造；同時他們也在後續的論文指出：雙螺旋當中的鹼基排列順序，可能攜帶了遺傳訊息的編碼。

一九六一年，尼倫伯格（Marshall Nirenberg, 1927~）首度以人工合成的核糖核酸（RNA，DNA 的互補產物）為模板，在試管中製造蛋白質，而解開了 DNA/RNA 的鹼基編碼與胺基酸（蛋白質的構造單位）之間的對應關係。因此，只要曉得了 DNA 或 RNA 上頭的鹼基序列，也就能夠推出構成蛋白質的胺基酸序列；反之亦然（尼倫伯格也因此發現，獲頒 1968 年的諾貝爾生醫獎）。

決定蛋白質上胺基酸序列以及 DNA 上鹼基序列的方法，都是由桑格（Frederick Sanger, 1918~）所發明的，他也因此兩度獲頒諾貝爾化學獎（1958 及 1980）。桑格發明的中斷合成定序法雖然好用，但卻極為費時費力；解開為數上萬鹼基的病毒基因組序列，幾乎已達其上限，遑論數以百萬、千萬，甚至上億鹼基計的生物基因組。因此，在一九八○年代中葉之前，並沒有多少人認為將構成人類基因組的三十億鹼基完全定序，是可行的做法，直到胡德（Leroy Hood）及漢卡彼勒（Mike Hunkapiller）發明的自動定序儀問世，才改變了大家的想法。

            全基因組定序除了工程浩大、所費不貲，並可能有排擠其他重要研究的顧慮外，還有一個反對因素是：人類的染色體上真正帶有基因的表現子（exon）還不到三％，其餘大部分都屬於插入子（intron），其中高達五十％重複出現的序列，有人甚至稱為「垃圾」（事實上，許多與基因調控有關的序列也屬於非表現序列，絕非無用）。

因此，在基因組全面定序的做法之外，凡特（Craig Venter, 1946~）提出以細胞當中的信使 RNA 為模板所生成的互補 DNA 為定序對象，得出來的則是真正的表現序列（因為信使 RNA 是由 DNA 上攜帶基因的序列所製造）；凡特將這些序列稱為「表現序列標籤」（EST）。

            雖有這些爭議與疑慮，由美國國家衛生院所主導的人類基因組計畫終於在一九八○年代末期展開，由發現雙螺旋的華生擔任計畫總主持人。該計畫預定在一九九○至二○○五年的十五年間，完成人類基因組三十億鹼基的定序。

該計畫一開始就希望採取國際合作的形式，邀請英、法、德、日等國參與。只不過一開始，不單有定序經驗的實驗室太少，真正有心投入繁瑣定序工作的人也不多，許多實驗室把更多的力氣花在尋找致病的突變基因上。因此，基因組計畫的進展相當緩慢。

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            基因組計畫當中最早展開定序的，並不是人類、而是線蟲的基因組（線蟲的學名是Caenorhabditis elegans，與蛔蟲、蟯蟲等寄生蟲都屬於圓蟲動物）；由英國的薩爾斯頓（John Sulston, 1942~）及美國的沃特斯頓（Robert Waterston, 1943~）共同進行。薩爾斯頓也就是本書的作者之一，第一人稱的敘事者。

之所以會從線蟲這種無脊椎動物著手定序，當然有其道理；線蟲一早受到英國醫學研究委員會分子生物實驗室的布瑞納（Sydney Brenner, 1927~）青睞，希望「辨認線蟲體內每一個細胞，以及追蹤其親緣關係（注一）；探討其發育過程的穩定性，並藉由尋找突變種，以研究其如何受基因的控制。」布瑞納於一九六○年代中提出這樣的計畫，可謂相當大膽。

            薩爾斯頓於一九六九年加入布瑞納的團隊，一開始以螢光呈色法研究了線蟲腹索的神經細胞。一九七四年起，他與霍維茲（H. Robert Horvitz, 1947~）記錄了從幼蟲到成蟲的發育過程中，所有細胞的親緣關係。完成了上述工作後，薩爾斯頓又從一九七九年起，研究從受精卵發育至幼蟲過程中的細胞親緣關係；這是一天兩次，每次四個小時坐在顯微鏡前不動，持續一年半之久的工作。這項純觀察性的研究，加上後來發現的一些控制細胞「計畫中死亡」的基因，促成了布瑞納、薩爾斯頓及霍維茲三人獲頒二○○二年的諾貝爾生醫獎。

            完成了線蟲發育過程中細胞親緣關係的研究之後，薩爾斯頓又轉向線蟲的基因組定位研究，也就是建立基因圖譜的工作。由於一九六○年代末到七○年代初，一系列可針對特定 DNA 序列做切割及黏結的限制酶（restriction enzyme）得到發現，因而發展出重組DNA（recombinant DNA）的技術，使得基因的選殖（gene cloning）變成許多實驗室的例行工作。

薩爾斯頓將線蟲的六條染色體以限制酶一一切割成帶有數萬或數十萬鹼基長度的片段，然後將每一片段插入細菌或酵母菌中形成人造染色體，可隨著菌類的生長而增殖。基因的實質圖譜（physical map）就是將一批選殖出來的 DNA 片段，根據其間相互重疊的部位，而排列出它們在染色體上正確順序的圖譜。這樣的圖譜顯示了染色體上已知基因及標誌的實際位置，但與真正的定序還有一大段距離。

            這樣的工作說來簡單，但卻繁瑣不堪。薩爾斯頓從一九八三年起開始這項工作，中途還有沃特斯頓的加入，但直到一九八九年才大功告成，成為當時最先進的一份生物基因組圖譜，完整性甚至超過遺傳學研究最熱門動物——果蠅——的圖譜。也因為如此，華生才以激將及利誘雙管齊下，讓薩爾斯頓及沃特斯頓答應展開線蟲基因組定序的工作。他二人的實驗室也因此成為全球最有經驗、產值最大的定序單位，為人類基因組的定序奠定了基礎。

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            有關人類基因組計畫的進行過程，一般人從報章雜誌得來的印象，很可能是這樣的：由公家支助的人類基因組計畫進展緩慢，計畫期限過了一半，所定出的人類基因組序列只有全部的三％（注二）；然後有凡特所領導的私人企業「塞勒拉」（Celera）半途殺入，號稱以全基因組霰彈槍法加上全新的定序儀，比公家的定序聯盟還要提早四年就完成定序工作；之後，公家單位急起直追，造成一場激烈的競賽，其間雙方口角不斷，最後則是由美英兩國的政治領袖出面，聯合公家及私人單位，於二○○○年六月共同宣布基因組草圖的完成。

            上述的戲劇性的情節發展，是新聞記者的最愛，也是塞勒拉的公關宣傳成功造成的印象：瘦小的私人公司擊敗了公家聯盟這個巨人。至於公家聯盟是否真的龐大顢頇、私人機構則又快又省錢？全基因組霰彈槍定序法是否勝過先定位再定序的做法？二○○○年宣佈完成的草圖究竟是什麼一回事？英國方面的貢獻到底有多大？還有公家聯盟所堅持的基因組資料開放自由使用以及原始基因序列不應申請專利等原則，究竟重要性何在？這種種問題，能夠回答的人就不多了。

再者，之前絕大多數的報導，都傾向於同情後來居上的「弱者」以及崇拜凡特這樣的「英雄」，對於公家聯盟的「官方」報導，則以懷疑的態度居多。因此，這本以公家定序聯盟英國團隊的領導人薩爾斯頓為第一人稱的記錄，可說是難得的第一手資料，讓我們對於同一件事，有完全不同的看法。

            公家機構做事，受到經費及規章的重重限制，乃是常情，但卻不必然代表他們技不如人。薩爾斯頓及沃特斯頓的線蟲基因組定序工作雖然花了將近八年的時間，完成近一億鹼基的修正序列，但卻建立了將選殖株先定位再定序的標準做法，保證了日後得以完成完整的序列；同時每日公佈最新資料供人免費查詢的公開做法，不但嘉惠了全球的研究社群，也為後來的人類及小鼠基因組定序，建立了典範。

            薩爾斯頓和沃特斯頓兩人早在一九九四年就提出「基因組大計畫」，分別向英美資助單位申請擴大定序規模及產值的計畫，由他們兩個實驗室各負責三分之一的人類基因組定序，其餘三分之一留給其他實驗室，而比原定計畫提前四年（即二○○一年）完成全部的定序。可惜公家制度容不得英雄主義的出頭，他倆分別只得到一半及四分之一的支助，該野心勃勃的計畫也就遭到擱置。

在一般人的印象裡，公家定序聯盟是在一九九八年殺出凡特的塞勒拉公司之後，才奮起直追的，然而照薩爾斯頓的說法則並非如此。他的實驗室於同年已爭取到衛爾康信託基金當初少給的一半補助，美國方面也增加了好些高產值的定序實驗室，因此，不論有沒有塞勒拉的加入，公家定序聯盟都將提早完成定序。

所謂賠錢的生意沒人做，之所以會有塞勒拉這種超大規模的私營定序機構出現，顯然是認定人類基因組的資訊擁有無限商機。因此之故，資料公開及基因專利這兩個問題，就成了公私機構雙方最大的差異所在，也註定無解。在資本主義掛帥的現代社會，對於私人企業的這種做法早已習以為常，反倒是公家機構每日將新取得的基因序列存入公開的資料庫、供人免費使用的政策，沒有獲得太多應有的掌聲。

對薩爾斯頓來說，不讓我們人類的「共同遺產」落入私人企業的手中，才是這場「競賽」的真正目標所在，而不是在爭「第一」的頭銜。不幸的是，這項基本的重要原則，在爭戰的煙硝彈雨之中，經常給遮掩了。人類基因組的原始序列確實是我們每個人共有的財產，不應該被任何人把持。衝著這一點，我們都應該感謝作者及公家定序聯盟全體人員的堅持及努力。

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回到技術層面，塞勒拉的全基因組霰彈槍定序法與公家定序單位的做法究竟有何不同？這一點在之前記者的新聞報導中都含糊其辭，讓人摸不著頭緒，本書則有較詳細的說明。其實兩者在基本做法上並無不同，都是先將染色體以酵素切割成大小不等的片段，植入細菌或酵母菌的 DNA 當中形成選殖株以便增殖，再將片段取出定序；不同點則在於定序前是否進行該片段在染色體上定位的步驟。

對病毒、細菌等小號生物的基因組而言，跳過定位而直接定序，確實可加快速度，對結果影響也不大；其理由不只是基因組的規模大小，更重要的是其中重複片段的比例。細菌 DNA 通常只包含 2％ 的重複序列，人類的 DNA 則占了 50％，後者如果事先不進行選殖株定位的步驟，到頭來將各片段進行組合時，將會出現「超過十萬個嚴重的缺口」。這項缺失的嚴重性，一直為凡特等人刻意忽視。

            那麼，西元二○○○年六月，由美國總統及英國首相以衛星連線公同宣布人類基因組草圖的完成，又是怎麼一回事呢？熟悉內情的人士都會告知：那不過是政治人物的作秀罷了。對此，本書作者有一針見血的評論：「我們只是匯整已有的資料，好好包裝一下，說已經完成了。我們們捲入塞勒拉的故技，也就是吹噓成果，笑對媒體異口同聲說都完成了。是的，我們只是一票騙子！可是，我們都陷入了華府政治的網羅中。」

            雖然是「不實」的宣布，但對新聞界及一般大眾而言，「競賽」已然結束，雙方打成平手，人類基因組的新聞也不再那麼熱門。除了同行科學家外，一般人不會曉得公家定序聯盟與塞勒拉根據協議，於八個月後同時發表了草圖的報告，但卻分別登在《自然》及《科學》這兩份期刊（注三）。至於雙方序列的品質如何，更是超出一般人的理解之外。

由於公家的資料庫是公開的，任何人都可以自由參考，塞勒拉的資料庫則否，因此在修正完全的基因組問世之前，塞勒拉總是要比公家單位佔點便宜。然而，從正式的報告卻可以看出，塞勒拉的確仰賴了公家的序列資料，進行本身序列的修正。接下來，凡特於二○○二年一月從塞勒拉總裁一職退下的新聞，注意到的人可能就更少了。這裡頭凸顯了商業機構追求獲利的本質，與純學術研究還是有差別的。

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            薩爾斯頓由傳統的線蟲研究開始，一路挑的都是辛苦但重要的研究題目，也都獲致非凡的成就。他在不情不願下擔任了英國最大定序中心的領導人一職，等一切上軌道後，又毫不戀棧地辭去主管職位；這份風骨，如今的學術界已不常見。尤其是學術殿堂沾染越來越多的銅臭味之際，薩爾斯頓堅持基因組自由公開的理念，更屬難得，但也不免受到「自鳴清高」的譏諷。他一路走來，始終如一的態度，終究讓他贏得封爵及獲獎的肯定，也為「好人出頭」立下現代的榜樣。

人類基因組計畫完整的正式報告，發表於二○○三年四月二十四日出版的《自然》期刊，與五十年前四月二十五日華生與克里克在同一份期刊發表的劃時代論文相互輝映。人類歷史上戰爭與病菌、英雄與惡棍來來去去，然而基因組序列這份人類的共同遺產，將永垂不朽。

注一：所謂細胞的親緣關係，指的是每個細胞的「前世今生」：它們從哪個細胞生成，又變成哪些細胞。成年線蟲一共只有九百五十九個細胞，精子及卵子不計。

注二：這是指修正完成的數字；若是用上未經修正並連結的粗讀序列，該數字則有13％。由於設備及經驗兩方面的進展，定序的速度增加極快，因此用先前的數字進行攻詰是不公平的。例如公家的基因庫於一九九九年的十一月才達到完成十億鹼基序列數字，離計畫起步已將近九年的時間，然而不到四個月的工夫，公家的資料庫就達到了二十億鹼基的序列數字，翻了一倍。

注三：主要理由是塞勒拉不願意遵守將資料公佈在公家資料庫的協議，而遭《自然》拒絕刊登，《科學》則屈服壓力，刊登了塞勒拉的結果。