一、基因與基因技術
1.何為基因？
基因是建造大樓的圖紙，也是長成參天大樹的種子，是生命的本質。基因，它是由一定化學物組成的，是細胞核當中染色體上的一段DNA。
基因是生命通用的語言。地球上有數千萬種生物，不管什麼樣的生物，從複雜的到簡單的，從人類到病毒，都是有同樣的生命密碼。
歷史上，多少基因在生命舞臺上表演過，又有多少基因風吹雨打中消失，沒有永遠的主角，生命永遠絢麗多姿。基因是生命的中心，一切都是為了DNA的複製、傳承。
21世紀是生命科學的世紀，然而我們對生命的了解還是太少。基因技術，是我們認識自然、改造自然的重要工具。
2.基因技術
基因技術有兩個最重要最基本的成果：一個是重組DNA技術；另一個是PCR技術，此外還有DNA測序技術、基因編輯等技術，這是我們基因技術的四駕馬車。
目前最常用的4種基因技術：
一是重組DNA技術。這個技術就是把不同來源的DNA、分子進行重新組合。在70年代，這是當時最早實現基因重組的一種技術方法。
二是PCR技術（基因擴增技術），我們稱之為叫DNA聚合酶鏈式反應。有了PCR技術，我們可以在1~2小時內，在試管裡將基因放大數百萬倍。
三是DNA測序技術。這項技術是閱讀生命基因的天書、解碼生命最重要的一種技術。
四是基因編輯技術。這項技術可以準確的修改基因，對於基因的功能研究、物種改良、基因治療都非常重要，也是近幾年生命科學研究的熱點。
二、基因技術在新冠肺炎中的作用
1.基因技術，可以追尋新冠病毒的病原體
新型冠狀病毒，呈球狀，直徑約為100nm～160nm。基因組是一條單股正鏈RNA，長度約為3萬個核酸，屬於基因組最大RNA病毒之一。
2020年1月24日，國家病原微生物資源庫發布了由中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所，成功分離的我國第一株【2019新型冠狀病毒】。
新冠肺炎的病原體是怎麼發現的呢？
2019年12月24日，武漢市某醫院將一名來自華南海鮮市場不明原因肺炎患者肺泡灌洗液樣本送至廣州微遠基因公司，進行NGS測序（二代測序（NGS）是一種高通量測序方法，可以對DNA或RNA樣本的鹼基對進行快速測序）。
2019年12月27日，微遠基因公司在患者肺泡灌洗液當中，檢測到了一種新的病毒，這個病毒的基因與2003年SARS病毒基因的相似度有81%。
在之後，有很多基因測序公司，如華大基因等也相繼發現了這個病毒，與當年的SARS病毒，非常相似。
後來，新冠病毒的數據被中國科學家首先上傳到了國際上共享的數據平臺，初步將不明原因的肺炎與新型冠狀病毒鎖定在一起。通過NGS病原體測序的信息資料庫比對，病原體鎖定結果只要3天。新一代的基因測序技術，在鎖定病原體當中所發揮的重要作用。
新一代的基因測序技術在今天迅速普及，能夠讓我們能夠對不明原因的傳染病中的病原體迅速地認識、挖掘、鎖定。
但僅僅在肺炎患者身上檢測到這個病原體，不能說明它就是不明原因的病原體，怎麼確認呢？
這就要遵循科赫法則，建立病原體和傳染病的因果關係：
在每個患者內都能發現某種病原體；可從患者體內分離出來，然後在體外培養；可以讓健康人患病；新患病的人體內仍然可以找到同樣的病原體。
我國科學家的研究表明，在多名患者體內都有新型冠狀病毒病原體，而且可以分離出這個病毒去培養，去感染人類的細胞，還可以感染有人ACE2受體的人源化小鼠模型，並且可以感染靈長類恆河猴模型。
完成了這些，我們可以確定新冠肺炎是由新型冠狀病毒所引起的。
① 新冠病毒哪來的？
新冠病毒跟SARS病毒是遠親，很像但又不是。
2003年，從果子狸到分離到的冠狀病毒與非典患者SARS病毒有99%相似度。根據新冠病毒的資料庫，新冠病毒與雲南菊頭蝠體內的冠狀病毒的序列相似度高達96%。此外，在穿山甲的發現的冠狀病毒與新冠病毒的相似度在85.5%-92.4%之間。
為什麼宿主是蝙蝠呢？因為蝙蝠的種類多、壽命長、體溫高、飛行活動範圍大。蝙蝠有獨特的DNA修復損傷修復系統，最重要的它是有獨特的免疫系統，而免疫耐受能讓多種病毒在蝙蝠體內存活，而它自己卻沒事。
蝙蝠是新冠病毒SARS-CoV-2的源頭，基本上沒有爭議。但如何進化到感染人的病毒,有2種觀點：一種觀點認為，新冠病毒需要中間宿主來傳播，因為蝙蝠體內的新冠病毒與人體內的新冠病毒相差3-4%，跨度較大，需要較長時間進化；另二種觀點認為不一定需中間宿主。
從學術角度,新冠病毒的起源還需要更多證據才能說明來龍去脈。更加廣泛的開展病毒序列分析和抗體檢測或有助於幫助解答。
2.基因技術，助力新冠肺炎診斷
大家都知道，病原性疾病的病原體檢測是預防和治療的關鍵。但病原體中微生物佔絕大多數，包括病毒、衣原體、立克次體、支原體、細菌、螺旋體和真菌。能感染人的微生物超過400種，廣泛存在於人的口、鼻、咽、消化道等部位。
在七八十年代，免疫學檢測是病原性疾病診斷的重要方法，但是由於病原體感染存在窗口期，難以早期診斷；其次，對於未知病原體無從下手。
於是，核酸檢測成為了病原體檢測首選和金標準。任何病原體均有獨特的遺傳物質，因此基於此進行的基因檢測（又稱核酸檢測）具有簡單、靈敏和特異的優點，可以用於感染性疾病的快速而準確的檢測。
由於基因檢測的靈敏特異性，病原體早期的感染也可以能夠檢測得到，不存在窗口期，目前臨床上還希望檢測更加靈敏。最早將基因檢測廣泛用於疾病的就是病原性疾病，例如B型肝炎、愛滋病、流感、結核病、手足口病等。
① 基因檢測技術
基因檢測技術有很多，有分子雜交法、「PCR」方法、等溫擴增技術、第一代DNA測序方法、原位雜交與FISH、基因晶片檢測法和高通量測序等方法。
PCR是檢測病原體的重要的快速、精準和簡便技術，但是普通PCR會出現汙染、假陽性、氣溶膠等問題，就影響了它在病原性疾病中的應用。
真正能夠在臨床廣泛進行核酸檢測的技術是螢光實時定量PCR（qPCR）技術。這個技術全程封閉，最大程度降低了PCR的汙染，而且可以定量。所以它就在靈敏和特異的基礎上增加了無汙染和定量，在病原體檢測中大顯神威。
圖片來源：圖蟲創意
新冠肺炎爆發之後，冠狀病毒檢測，特別是核酸檢測相關企業、研發機構、配套原料耗材企業立即響應起來，放棄春節假期，放棄病毒感染風險，用最短時間，開發出多種核酸檢測試劑。國家藥物監督管理局也立即開啟綠色申報審批通道。
核酸檢測新冠肺炎中也出現了「假陰性」的問題，影響因素很多，包括：
① 企業和研究機構倉促上馬，準備不足，特別是質控不夠；管理部門的監管也不足，事急從權。
② 檢測試劑盒體系差異，各家企業選擇的基因、引物、探針，包括酶體系都不完全一樣。
③ 更多的是新冠病毒的詭異性，病毒在不同的時期、不同的部位，分布不一樣。比如肺泡灌洗液、唾液、痰液、鼻黏膜、咽喉拭子檢測的病毒都不一樣。
④ 採集樣本本身也有差異；檢驗操作流程也不同，比如病毒滅活時RNA可能降解，提取的時候方法不一樣，人員的操作和培訓、實驗室的規範不同等等。
這些都影響了核酸檢測的準確性，所以要加強核酸檢測的各種質量管理和質量控制。要克服各種不確定因素，最終讓核酸檢測更快速、更靈敏、更穩定、更安全、更方便、更簡單。
儘管核酸檢測出現「假陰性」的問題，但依然是不可缺少的金標準。我們對任何一種疾病的診斷要綜合分析臨床症狀、生化檢測、影像檢測、免疫檢測和核酸檢測。對任何的檢測診斷都要實事求是，也要因地制宜。
基於病毒抗體的免疫學檢測在新冠肺炎檢測和流行病學調查中發揮重要作用，也非常方便，但是存在窗口期問題。這種檢測也離不開基因工程病毒重組蛋白的製備，因此，基因技術也發揮了重要作用。
3.基因與新冠肺炎預防和治療
控制傳染性疾病最主要的手段就是預防，而接種疫苗被認為是最行之有效的措施。
疫苗是將病原體及其代謝物，經過人工減毒、滅活或利用基因工程等方法製成的用於預防傳染病的免疫製劑。疫苗保留了病原菌刺激動物體免疫系統的特性。接種疫苗後，當機體再次接觸到這種病原時，免疫系統便會阻止病原菌的傷害。
疫苗的核心是誘導人體產生特異抗體。
所以新冠肺炎最重要的預防手段是研發疫苗，而國內外有5條技術路線都在研發：
① 滅活疫苗：將新冠病毒進行滅活，經過安全性、有效性評價以後就可以用於臨床試驗。
② 重組基因工程疫苗：將新冠病毒S蛋白，通過基因工程大量生產，注射到人體產生抗體。
③ 腺病毒載體疫苗：用腺病毒作為載體，表達新冠病毒S蛋白，重組的腺病毒感染呼吸道，刺激人體產生抗體。
④ 核酸疫苗：包括mRNA疫苗和DNA疫苗，用納米顆粒等材料包裹核酸，注射到人體內，可以表達出新冠病毒蛋白刺激人體產生抗體，抵抗新冠病毒感染。
⑤ 流感病毒雙重疫苗：以國內上市減毒流感病毒疫苗為載體，增加新冠病毒蛋白，既可預防新冠病毒，又可以預防流感，臨床意義非常大。
儘管有很多單位都在研究，但是衝在最前面的是來自於我國軍事科學院、軍事醫學研究院，陳薇院士所領導的團隊。他們跟康希諾生物股份有限公司合作進行。4月10日，康希諾公司宣布，新冠病毒疫苗將進入臨床II期試驗。
同時，美國莫德納公司(Moderna)聯合國家過敏與傳染病研究所（NIAID）也成功研製出針對新冠病毒的人體mRNA疫苗，並已將第一批疫苗送美國NIH開啟安全性臨床試驗，在3月16日已經進入臨床試驗階段。
在新冠病毒疫苗研發方面，現在各國科學家是八仙過海，各顯神通。但是，最終都需要科學試驗的實證來檢驗疫苗的安全性和有效性。沒有大量人群的檢驗，就談不上成功。
但是SARS-CoV-2是RNA病毒，突變速度快，尤其是S區域受到選擇，突變更容易被選擇，疫苗準備出來了，病毒可以發生各種各樣的突變，新冠病毒S蛋白的高度糖基化，增加了病毒變異的複雜性，這給疫苗研發的帶來了非常大的困難。HIV疫苗和流感疫苗就遇到這樣的問題。
此外，疫苗研究中還可能存在抗體依賴性增強（ADE）等一些不確定的因素， SARS疫苗研究中就遇到了ADE現象。
4.基因技術與新冠肺炎藥物研發
目前新冠肺炎的藥物基本上是老藥新用，在安全的基礎上,根據藥物作用機理，合理推測擴大疾病適應症，如比如氯喹、法匹拉韋等。
新冠肺炎是一種新的疾病，致病機制尚需進一步研究，目前缺乏有效藥物，基因技術如何助力開發特異藥物呢？
基因技術能夠闡明致病機制，揭示病毒的結構特徵，明確藥物靶點；幫助建立病毒感染計算、蛋白、細胞模型，藥物篩選的模型；幫助建立新冠肺炎動物模型，開展藥物安全性有效性研究；製備病毒蛋白，篩選抗體，進行安全評估研究。
① 藥物篩選
如何利用分子生物學和基因技術方法進行藥物篩選？我們首先要根據病毒的生物周期過程涉及到的蛋白質進行阻斷。目前發現的新冠病毒有29種蛋白，針對它進行結構功能的研究，就可以設計和篩選藥物。
藥物篩選策略有：
設置攔路虎——抑制病毒進入細胞。比如對病毒外面的S蛋白進行封閉，包括中和抗體就起到這個作用。
斷糧草——抑制病毒蛋白酶活性。讓它後面不能翻譯，不能轉錄，比如PL、3CL蛋白酶抑制劑。
以假亂真——抑制病毒RdRp活性。這是最關鍵的一步，新冠病毒是RNA病毒，這個關鍵的酶與人體內很多複製、轉錄的酶完全不一樣，這個酶現在就成為藥物作用研究的靶點。瑞德西韋是一種核苷酸類似物、酶抑制劑，能抑制病毒RNA的複製、轉錄。
其他靶點——抑制病毒融合、包裝、轉運，有Furin酶抑制劑，TMPRSS2抑制劑。
② 細胞因子風暴
新冠肺炎導致疾病加重甚至死亡與細胞因子風暴分不開。細胞因子風暴引起體液中多種細胞因子如IL-6、TNF-α、IL-12、IL-1和多種IFN 等迅速大量產生，引發炎症和機體的腫脹，使得血管壁容易穿透滲出引起一氧化氮大量釋放、血壓降低、休克等等。
細胞因子風暴不是新冠肺炎獨有，在SRAS中細胞因子風暴也是非常瘋狂的。腫瘤治療中的CAR-T治療也有可能會引起細胞因子風暴，是機體的過分炎症反應。
2月15日，中科大魏海明與附一院徐曉玲團隊發現，用託珠單抗（IL-6受體抑制劑）來阻斷IL-6的通路，能有效治療新冠肺炎的比較嚴重的病症。對特別是危重患者，非常有效，能降低死亡率，成功擺脫危險。
託珠單抗是羅氏製藥重組的人源化抗體，是通過基因工程的方法製備的。
③ 針對靶點的藥物研究介紹
在病毒感染的過程中，除了S蛋白要與細胞表面ACE2受體結合，同時S蛋白會被絲氨酸蛋白酶 （TMPRSS2，有輔助病毒感染的作用）裂解，從而激活S蛋白。
德國和日本的科學家針對絲氨酸蛋白酶找到了它的抑制劑——卡莫司他、萘莫司他，這兩種抑制劑可以阻斷病毒感染細胞，而且藥物濃度都非常低。這兩種藥物已經上市。
④ 抗體療法
近期，用新冠肺炎康復患者的血清治療重症患者的抗體療法效果不錯，其實這種方法是古老的方法，在西班牙流感、SARS、H5N1禽流感、H1N1甲型流感、MERS及伊波拉等重大突發傳染病疫情中都有使用。
但是康復者的血漿療法受到的影響因素比較多。抗體在什麼時候起效果，為什麼起不同的效果，取決於時效，與不同的時期、不同的狀態、不同的濃度都有關係。
抗體療法中發揮作用的是清除病毒的中和性抗體，中和性抗體的篩選和製備已經成為目前研究的熱點，抗體療法還有很多不確定因素，期待經過篩選沒有ADE的重組人中和性抗體。
新冠肺炎患者的症狀與治療效果千差萬別，重症患者、輕症狀患者、無症狀都不一樣。產生症狀差異的原因很多，有年齡問題、其他伴隨疾病、治療方案、病毒感染的數量多少和變異程度，不可忽視的是患者的遺傳基因多態性也有影響。
針對ACE2基因、其他受體以及病毒感染應答等基因的多態性，系統開展新冠肺炎發生發展、治療和轉歸相關性研究，有助於我們闡明機制，指導精準醫療。
三、基因揭示新冠病毒感染與致病奧秘
1.新冠病毒如何感染人的？
新冠病毒是通過他的鑰匙，也就是病毒S蛋白進入人體細胞的。ACE2受體是細胞上病毒進入的門鎖， 病毒的鑰匙通過不斷進化，就可以打開世界上不同生物的細胞。
美國德州大學的科學家用電鏡解析了新冠病毒的S蛋白，發現跟2003年的SARS病毒的S蛋白非常相近。
這說明新冠病毒仍是通過與SARS相同受體和機制進行感染和傳播。此前研究中，SARS的S蛋白Leu突變為Phe（即SARS-CoV-2的F486）會顯著提高病毒與人體ACE2結合。
通過病毒序的研究，南開大學高山等首先發現，這次的新冠病毒S蛋白中多了一個新的功能域位點：叫弗林蛋白酶切位點。
新冠病毒與細胞受體親和力和膜融合效率將大大提高。內吞過程中，S蛋白的膜融合更可能發生。釋放出病毒RNA，侵染效率提高100到1000倍。所以新冠病毒的傳染能力更強。弗林蛋白酶抑制劑可能阻止其傳染。
SARS病毒與新冠病毒細胞融合與釋放對比
新冠病毒除了感染肺部以外，其他組織器官也可能受累。例如：感染患者有些伴有腹瀉等消化道症狀，糞便中檢測到新冠病毒。病毒可能從血液中轉移到腸子內。神經細胞也是感染區域，患者可以出現嗅覺和味覺失靈。
科學家對人細胞進行單細胞RNA-seq分析，這是一個新的基因檢測和分析技術。氣道、食道、肺、心臟、腎、迴腸和膀胱是ACE2高表達的組織和器官，要對這些器官加強保護。新冠病毒感染還會對男性的精巢進行攻擊，所以會引起生殖損傷。
ACE2在新冠肺炎中具有雙重作用：一方面它是病毒感染人細胞的那把鎖，叫引狼入室；一方面它又起到了消防滅火的作用。
研究發現ACE2與SARS導致的肺部急性損傷有關係，其中有一個機制就是ACE2被下調了。如果給予一個重組的ACE2進去，就可以保護急性損傷。
ACE2可以減少細胞因子的釋放，抑制細胞的炎症、纖維化，包括動脈粥樣硬化、腦缺血、肥胖、腎炎、肝炎、肝纖維化、哮喘等等，ACE2對心腦血管疾病、動脈粥樣硬化等都有保護和治療作用。
ACE2重組蛋白治療新冠肺炎已經進入了臨床試驗。
2.關於基因技術與病毒改造研究
2011年，美國威斯康星大學麥迪遜分校教授YoshihiroKawaoka等人研究病毒逃避人免疫系統機制，曾利用基因技術對H5N1病毒進行了禽流感病毒改造實驗，發現所得病毒能更容易通過空氣在與人相近的哺乳動物雪貂之間傳播，成為「最危險的人造病毒」之一。
這個研究也引起了人們的擔心，擔心病毒的洩露，或者落到恐怖分子手中，引起公共安全風險。這樣的研究也曾經被一度暫停，論文也推遲發表。
圖片來源：圖蟲創意
2014年美國歐巴馬政府發布禁令，宣布中止對SARS、MERS和流感等病毒進行功能獲得性改造等類似研究資助，並要求立即停止相關研究，直到美國安全專家評估後方可繼續。
美國北卡大學RalphBaric與石正麗合作的冠狀病毒改造項目也在停止之列，經過協商該項目恢復了資助。
功能獲得性的病毒改造需要嚴格的審批和監管，特別要注意分析潛在的各種意想不到的風險，病毒一旦發生洩露，就很有可能打開了潘多拉魔盒。
① 尚無證據表明新冠病毒是人造的
對於病毒的改造合成，儘管有很多人懷疑、猜測。但是，眾多的科學家還是發表了各種各樣的聲明，反對陰謀論、反對病毒是人造的觀點。
2020年3月6日，bioRxiv發表了山東省高等學校史衛峰團隊對於一個來自雲南蝙蝠的新冠狀病毒RmYN02的研究，發現了該病毒突刺蛋白S1/S2切割位點的自然插入，並分析了新冠病毒的潛在重組來源。基本上說清楚了furin酶切位點來源，是否定陰謀論的重要依據之一。
蝙蝠被認為是新冠病毒最有可能的自然宿主，但是新冠病毒直接起源仍不清楚。
② 關於生物安全問題
我們對於病原體的生物安全問題，要給予高度重視。
美國前一段時間，頒布了國家生物防禦戰略。我國最高領導人也提出，把生物安全納入國家安全體系，系統規劃國家生物安全風險防控和治理體系建設，全面提高國家生物安全治理能力。
病原體已經出現並在整個歷史周期中傳播，並且隨著新的自然發生的威脅不斷發展，隨著世界變得更加城市化、旅行增多以及棲息地被破壞，這種風險變得更加嚴重。
恐怖主義組織已經發現了追求生物武器的價值，並且我們對於未來這種情況能否有轉機並不抱信心。生命科學與技術的進步既可以降低對這種武器的技術門檻，也可以擴大具有相關技能的個人數量，從而形成威脅。
在這裡，我再次呼籲，就病原體樣本的獲取、運輸、保存和研究，要嚴格管理，更要重點關注病原體的信息安全（此前這方面比較忽視），關注病原體基因信息的發布、下載、基因合成等研究信息動向。
通過全鏈條的關注病原體，讓生物安全的問題能夠徹底的、全面的能夠納入到管理當中去。
SARS、禽流感、MERS、新冠病毒的連續出現和肆虐，對人類社會提出高度警示。非常原始的病毒生命仍然可能對人類世界造成毀滅性的打擊。病毒給我們敲響了警鐘，我們要加強病毒的防治研究。
解碼生命、造福人類是我們生命科學工作者的責任與使命。