基因信息的重要性在過去幾年不斷得到大量的證明,基因信息的應用形式和領域范圍在過去幾十年中不斷擴大的重要基礎是基因測序技術的不斷發(fā)展。
1977年Sanger測序方法誕生,Sanger因此獲得了諾貝爾獎(參見"推動基因解碼技術發(fā)展的諾貝爾獎獲得者"),1990年ABI推出全球第一臺毛細管分析測序儀(310型),上世紀九十年代初,幾乎所有的DNA測序操作主要采用半自動化毛細管電泳Sanger測序,這就是我我們常說的一代測序技術。一代測序技術的特點是每一個測序操作是只能檢測分析400-800個堿基對,一個堿基對就是一個基因信息單位,一個人的體內(nèi)共有64億多個基因信息單位。舉世著名的人類基因組計劃主要是通過一代測序技術完成的,它耗時十年之久,耗資數(shù)十億美元。
2007年ABI推出SOLiD新一代測序平臺大大提高了通量,2008年 Helicos BiosSciences推出第一臺單分子測序儀打破短片段讀長的局限,2010年Illumina發(fā)布Hiseq 2000大規(guī)模降低測序成本,2012年Oxford Nanopore發(fā)布MinIon手持測序儀,測序技術及其平臺發(fā)展逐漸在效率和應用范圍上不斷突破。
測序的臨床應用要求大大超過目前對遺傳變異的解讀能力,而對基因序列變化的解讀能力需要依賴新的技術體系,這就是基因解碼能力,這部分解釋了全基因組測序為什么還沒有有效應用到臨床領域,也是臨床大夫和一線工作者對基因信息的作用持猶豫甚至懷疑態(tài)度的原因。但是,不斷積累的證據(jù)已經(jīng)證明了通過基因測序,獲得人的基因信息后,可以在臨床上具有非常現(xiàn)實的意義:
發(fā)現(xiàn)癌癥患者的基因突變,選擇有效治療的靶點;
通過監(jiān)測腫瘤組織釋放的循環(huán)細胞或無細胞DNA,對于病人進行診斷或監(jiān)測;
鑒定可能作為“個人疫苗”新生兒的癌癥特異性的蛋白質(zhì)變化。
DNA測序也加深了我們對癌癥的理解,通過DNA測序揭示了癌癥的異常遺傳異質(zhì)性,有效地進行分子分型甚至癌癥疫苗的研究。在腫瘤學方面,人們投入越來越多的資金用來發(fā)展液體活檢。不難想象這樣的基于序列的癌癥檢測成為常規(guī)的篩選工具,像Pap涂片和結腸鏡檢查一樣。針對特定的突變,而不是針對腫瘤類型,液體活檢可以指導干預和治療。
除了對腫瘤這種難治疾病帶來變革性的技術變化以外,對嬰兒出生前的檢測也正在提高新生兒的生育質(zhì)量??茖W家估計,全世界每年大約有四百萬到六百萬孕婦正在通過外周血游離DNA對胎兒的21三體綜合征進行診斷。中國的基因測序應用的熱潮使得這一數(shù)字顯得異常保守。目前根據(jù)公開資料顯示,僅有對外有披露義務的兩大基因檢測公司在2016年所進行的產(chǎn)前樣本檢測量就已達到近300萬份,這不不包括其他提供這一義務的檢測公司。而十年之內(nèi),這個數(shù)字將超過1500萬。同樣,基于這一技術基礎的新的檢測將會不斷涌現(xiàn)。據(jù)悉,以基因解碼作為主要經(jīng)營業(yè) 務的基因解碼專業(yè)機構佳學基因已經(jīng)建立了導致近34000多處疾病的基因序列,原時上,一旦這些疾病的序列被確定,它們就可以通過基因檢測技術,在嬰兒出生前對未出生胎兒進行篩查,從而提高新生兒的健康品質(zhì)。
DNA測序行業(yè)將像計算和攝影行業(yè)的模式一樣,隨著技術迭代,更加便宜、方便,好用,應用將會增加,需求將會上升,從科研市場進入臨床、消費級市場和其他領域,“供應越多則需求越多”。
20世紀90年代,對人類基因組進行測序的想法似乎令人望而生畏。現(xiàn)在,遺傳學家希望為地球上的所有人(和生物)提供DNA序列,以及每個發(fā)育階段,健康和疾病中每個組織中的每個細胞。與此同時,考古學家、分類學家、生態(tài)學家、微生物學家和進化生物學家正在尋求分析所有生物(和滅絕)物種甚至整個生態(tài)系統(tǒng)的基因組。
顯然目前對DNA序列數(shù)據(jù)的分析和解讀仍然是瓶頸。但是,新的信息學方法和大量數(shù)據(jù)集正在顯著改善這一現(xiàn)狀,作者預測大量DNA序列數(shù)據(jù)集與表型信息相結合將使研究人員(更加正確地)推斷基因組序列編碼的生物學功能。
多年來,DNA測序的平臺發(fā)生了巨大變化。 然而,相比其他技術,例如智能手機、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字攝影都表明真正的革新是應用,而不是新技術。作者確信DNA測序?qū)行Ц淖冡t(yī)學領域。
隨著測序技術的更便宜、更快和更高質(zhì)量,DNA測序的應用不僅限于醫(yī)療方面,特別是手持式DNA測序儀的面世帶來更多想象,拓展了應用邊界,包括:
流行病學家可以在偏遠的山區(qū)(使用手持DNA測序儀)檢測空氣,水,食物和動物和昆蟲病原載體的基因檢測;
公共衛(wèi)生專家可以通過對城市垃圾中微生物的DNA測序來輔助預防和控制傳染性疾??;
海洋生物學家通過宏基因組學等技術來監(jiān)測海洋生態(tài)健康(編者注:以及海洋動植物分子育種);
法醫(yī)可以法醫(yī)實驗室之外通過DNA檢測確定嫌疑人身份,發(fā)展酒精探測器一類的便捷工具;
在普通人的家庭里,DNA測序儀或者成為下一個智能設備或連接入口。
過去四十年實現(xiàn)了對DNA分子數(shù)據(jù)的解析,如今核心及挑戰(zhàn)逐漸轉(zhuǎn)化成為對基因信息的的解讀。當我們能夠分析和理解每一個基因序列的每一種變化時,基因信息對人類的指導作用就會占據(jù)著中心地位。在實現(xiàn)這一目的時,其中的一個途徑是建立百萬級的人體基因數(shù)據(jù)庫。但是著名基因信息學家黃家學博士對此提出懷疑?;蛐畔⒌闹匾攸c是個性化。很多導致疾病發(fā)生的基因序列在人群中出現(xiàn)的機率不到百萬分之一,而通過統(tǒng)計獲得的對基因信息的理解有可能因為算法和模型的錯誤而產(chǎn)生嚴重錯誤?;蚪獯a技術不單純依賴數(shù)據(jù),而主要是通過對基因結構與人體組成物質(zhì)之間的關系來解讀和翻譯基因信息,可以不借助先證數(shù)據(jù)和統(tǒng)計算法模型實現(xiàn)對基因數(shù)據(jù)的解讀,將大大促進基因信息的應用?;蚪獯a技術會真正將基因信息應用于正確教育、營養(yǎng)保健、婚戀遺傳咨詢、遺傳病和罕見病的病因鑒定。正確的病因鑒定必然會帶來治療技術的變革。尤其值得注意的是,基因矯正技術的出現(xiàn),使得通過基因解碼發(fā)現(xiàn)的的致病基因得到修改和祛除,為基因病的有效治療帶來希望。基因解碼技術的推廣使用,可以變革一系列產(chǎn)業(yè),為基因信息的使用帶來更為廣闊的希望。
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