1990年,六国科学家正式启动人类基因组计划,至2001年人类基因组工作草图发表,在其中中国仅仅承担1%的测序任务,现如今,基因测序已经发展到第二代甚至第三代,中国的基因测序领域俨然成为国际市场中举足轻重的一部分。

人类基因组计划造福全球

对于基因检测的崛起式发展,小编深有感触,几年前,小编还在学校作为一名科研狗的时候,具有前瞻性的导师给小编定了转录组测序的课题,毕业答辩的时候,评委老师几乎没有问到任何专业的问题,因为他们不懂!几年之后,各个学校的各个导师们都在纷纷引入二代测序技术,相关公司如雨后春笋般渐次成立……到现在为止,基因检测这几个字也慢慢出现在大众的生活中。那么到底什么是基因测序呢,基因测序又能做什么呢?

我们知道,DNA是我们人类的遗传物质,基因分布在我们的DNA上,它们与环境等因素共同决定了我们的身高、体重、肤色等容貌特征和味觉、代谢等体质特征,以及健康状况等等。基因是有4种不同的碱基组成的,它们的不同排列组合决定了基因序列的差异,而正是这些差异决定了我们个体的差异。基因测序就是通过各种测序技术把基因的序列测出来,进而通过生物信息学分析对这些不同的序列进行解读,以帮助我们更好地了解自己。

基因科技造福大众健康

一、什么是基因测序?

基因测序是一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中分析测定基因全序列,预测罹患多种疾病的可能性,个体的行为特征及行为合理。基因测序技术能锁定个人病变基因,提前预防和治疗。

最早的时候,基因测序只是应用于科研,是遗传学及分子生物学一个重要的科研工具。随着测序技术的发展,测序价格大大降低及测序仪的能力越来越高,测序技术应该不仅仅局限于科研市场,越来越多的人想要将测序这种分子生物学技术应用到面向大众的普通消费市场,特别是医疗市场和临床市场,一旦测序技术在这些市场进行推广应用,将会带来更大的发展。

迄今为止,现有的基因测序技术可以根据其技术特征划分为3代。下面选择其中比较有代表性的技术,分别作简要介绍。

1、一代测序

也称Sanger测序、毛细管测序。技术上以双脱氧链终止技术为代表,仪器上以3730型毛细管测序仪为代表,每次测序反应能够获得大约100k碱基。其原理是将2’,3’-双脱氧核苷酸(ddNTP)参入到新合成的DNA链中,由于参入的ddNTP缺乏3’-羟基,因此不能与下一位核苷酸反应形成磷酸二酯键,DNA合成反应将终止。测序时分成四个反应,每个反应中加入DNA聚合酶、待测模板、引物、四种脱氧核糖三磷酸(dNTPs),除此之外还要加入一种双脱氧核苷三磷酸(ddNTPs),然后进行反应,ddNTPs随机取代相应的dNTPs,由于其3位的羟基变成了氢,不能继续延伸,使正在延伸的寡聚核苷酸选择性的在A、T、C或G处终止。终止的核苷酸由相应的ddNTPs决定,通过电泳可分离出长度不同的片段,再对这些片段的末端碱基进行检测从而获得所测片段的碱基序列。最初对凝胶片段末端碱基的检测是用同位素标记法,20世纪80年代,用荧光进行标记,可自动测序,到20世纪90年代,随着毛细管电泳技术以及微阵列毛细管电泳技术的发展,测序的通量得到大幅度提高。

一代测序技术既可以用于测定DNA序列,也可以用于测定DNA分子的片段长度。其中基于片段分析的微卫星(STR)分析是现代法庭DNA鉴定的核心技术。一代测序技术一直作为基因诊断的标准,在基因病特别是单基因病症病人和各种遗传性酶病如苯丙酮尿症、自毁容貌综合症等其他疾病的诊断上发挥着举足轻重的作用,是最常用的基因序技术。

2、二代测序(NGS)

也称高通量测序、大规模平行测序。大多数的NGS都是通过合成进行测序,每个目标NDA片段绑定到一个芯片上,然后加入被标记的核苷酸,在NDA聚合酶的作用下延长,高分辨率的摄像头捕获并整合每个核苷酸信号,标出空间坐标和时间坐标,每个位点的DNA序列通过计算机推断出来。NGS还包括其他方法,像大规模平行签名测序,聚合酶克隆测序,所有这些二代基因测序技术都有一个共同点,测序反应进行的同时可以收集反应信号,且通量高,成本大幅降低,测序周期也大大缩短。

二代测序技术迅猛发展,凭借其低成本、高通量的优势在很多领域得到了应用,在很多探索性研究中,如对新物种基因组的de novo测序、目标区域或全基因组重测序、转录组测序、宏基因组测序、表现修饰测序等领域都取得了突破性的进展。NGS的应用十分广泛,在基因组学、转录组学,表达组学方面都有重要作用。

3、三代测序

也称单分子测序。三代测序包括Heliscope测序技术,SMRT(Single Molecule Real Time,单分子实时测序)离子半导体测序技术(Ion Torrent)等技术。较为成熟的是SMRT测序技术。SMRT测序原理:芯片载体称之为SSMRTCell,待测DNA片段化后,双链两端连接发夹接头形成闭合的环状单链模板,称之为SMRTCbell;SMRTCbell加到SSMRTCell上后,扩散进入测序单元,称之为ZMW,ZMW提供用于光检测的最小可用体积;单分子DNA聚合酶被固定在ZMW内,捕获SMRTbell进行复制,4色荧光标记的dNTPs与模板配对,根据激发产生的光脉冲识别碱基;每个ZMW记录的连续光脉冲信号可被认为是续碱基序列,称为CLR;SMRTell为环状,测完一条DNA链后可以循环测互补链,如果聚合酶的寿命足够长,则两条链都能够在一个CLR内进行多次的测序,成为pass;通过识别切除发夹接头,CLR可悲分为多个subread,同一个ZMW内subread间共有的序列成为环状共有序列(cireular conse ns CCS );如果模板DNA太长则一个CLR内不能多次测序。不能形成CCS,只能抽输出单条subread;因为SMRT侧序的实时性,可以通过脉冲信号峰检测修饰情况,如甲基化。

SMRT 技术不仅提高了读长,而且可以直接检测RNA序列和甲基化序列。近年来SMRT测序在小型基因组从头测序和完整组装中已有良好应用,并且已经或将在表观遗传学、转录组学、大型基因组组装等英语发挥其优势,促进基因组学的研究。

基因测序技术是人类探索生命奥秘的重要手段之一,通过测序技术对遗传信息的解码和基因组数据库的构建,人类不仅得以窥探生命的密码,更能从基因层面对人类疾病进行检测甚至干预,对其他物种的研究也更加深入,对生态环境的研究更加透彻。在基因测序指导下的遗传病诊治、个性化精准医疗等能够更加高效的进行,未来基因测序技术必将对人类健康产生重大影响。


二、基因测序能做什么?

目前基因测序的应用还是很广的,在个性化诊疗方面,基因测序可用于个性化慢性病治疗、易感基因筛查、无创产检、检测肿瘤转移复发风险及肿瘤晚期个性化用药等方面。

举个栗子,好莱坞著名影星安吉丽娜·朱莉具有乳腺癌家族史,担心自己也会患上乳腺癌,通过基因检测查出自己不幸携带了一种强致癌基因,于是毅然选择了乳房切除术,将乳腺癌的发病风险降至最低。

好莱坞著名影星安吉丽娜·朱莉

再举个栗子,国内新抗元生物是一家专注于提供肿瘤免疫产品和服务的生物高科技公司。其依托肿瘤基因组技术、大数据技术和人工智能方法,为肿瘤患者提供精准伴随诊断检测、设计精准的免疫治疗方案、筛选完全个性化的肿瘤新抗原,帮助了很多肿瘤患者。

免疫机制是最好的“药物”

在社区诊断服务方面,基因测序可用于心血管领域、感染性疾病检测、肠道微生物检测、耐药情况检测等。

在生殖健康领域,基因测序可用于单基因遗传病阻断、无创产前诊断、生育力评估等。

举个栗子,胚胎植入前遗传学筛查/诊断(PGT-A/PGt-M)也叫第三代试管婴儿,通过对胚胎细胞的基因测序,可以筛查出哪些胚胎是正常的,哪些胚胎是携带遗传病基因的,进而帮助单基因遗传病患者或携带者生育健康的宝宝。

胚胎植入前遗传学筛查

再举个栗子,国内优生贝生物开发的男性/女性生育力基因图谱,对生育力相关的遗传、卵巢功能、糖脂代谢功能、甲状腺功能、肥胖风险和脆性X综合征突变基因携带等进行全面检测和AI分析,量化评估受检人的生育健康状况,指导受检人进行健康管理和治疗。

图谱认知更为全面

在健康管理方面,基因测序已经应用于体检服务,另外,通过基因测序还可提供预后相关的分子生物学特征、通过生物信息学提供连续性健康管理等。

此外,基因测序的消费级应用在国内也在快速地增长,消费基因检测在普及基因知识,认识生命、了解自我的方向上起到了积极的作用。

举个栗子,不少消费基因检测公司推出的祖源基因检测、遗传特质等检测项目吸引着越来越多的人开始关注基因知识。

人工智能技术

随着行业的不断发展,基因测序的使用场景会不断增加,并最终会实现精准医疗,让我们拭目以待。