基因测序有用吗？大家愿意花六千买iPhone，却不花三千测序？

心中u你

作者：知乎
买药有药品说明书，买汽车有汽车说明书，买个小家电也有专门的说明书。拿到货物以后，很多人可能不会去看说明书。但是，毫无疑问仔细阅读说明书以后可以让我们更加充分利用手中物品（例如：药、汽车、小家电，等），使其发挥更大的价值。
把人看做一个特殊的“物品”，其实人也有自己的“说明书”，就是深藏于细胞之中的基因组DNA。人的生老病死十之八九都是由基因决定的，任何的疾病都或多或少和基因有关联。既然基因这么重要，为什么很少有人去测序？先讲结论：目前基因测序能够给出的解读和应用还比较少。
关心基因测序行业发展动态，可以从如下两个问题开始。
[问题1：基因测序很贵吗？]
回答：很便宜？是的。很贵？也对。
（1）便宜的基因检测方案：基因芯片（几百元）和二代测序（三千元）。
>基因芯片解决方案。需要说明的是，基因芯片和IT领域的硅基晶体管芯片是完全不同的概念，基因芯片的物理实体就是检测DNA变异的探针阵列。每种探针可以检测一种DNA变异，一般是单个碱基的变异（Single nucleotide variant, SNV）或者小的插入缺失变异（Insertion or deletion， Indel）。通过小规模人群全基因组测序，已经发现了个体的基因组之间在某些位点存在确定的变异。针对这些变异，使用相应的DNA探针就能够检测个体的基因型。此时，无需对个体进行完整的基因组测序，就能大体判断个体的基因特征。
优势：便宜、高效、检测周期短、数据分析简便。
不足：获取的基因组信息有限，无法检出个体特异性的变异，结构变异检出能力弱。
>二代测序解决方案。二代测序的典型特性是短读长（典型读长150碱基，双侧共300碱基）、高通量。基因组DNA就像是一个超长的写了字的纸带：最长的1号染色体有2.48亿个碱基，最短的21号染色体也有4509万个碱基。要完整地抽提染色体级别的基因组DNA并对其进行测序，在当前是天方夜谭无法实现。正常抽提的基因组DNA片段长度一般在5万碱基以下，优化的方法能够实现20万碱基长度的DNA抽提，以琼脂糖包埋细胞再消化蛋白的方法可以实现50万~100万碱基长度的DNA抽提。抽提的基因组DNA片段越长，操作流程会变得繁琐。二代测序的读长相比于染色体的长度，实在是太短了；即便是针对抽提DNA的典型长度（5万碱基）也显得太短了。为此，不得不把基因组DNA打断成很小的片段来测序，测序完以后再拼接起来。由于读长实在太短，即使有参考基因组为蓝本，拼接的基因组DNA中也必然存在大量的错误。考虑到基因组中普遍存在重复序列，以及个体存在许多个性化的结构变异；二代测序难以有效完成这些序列的检测。总体上讲，二代测序只能勉强解决“温饱”问题，远远达不到“小康”水准。
优势：便宜、高效、能有效检测基因组非重复序列
不足：存在大量拼接错误，检出基因组结构变异能力弱，难以解决高度重复序列和高GC含量区域
（2）昂贵的解决方案：用长读长、短读长测序完成染色体组装（三万~六万元，或者更多）。
>长读长测序解决方案。三代测序的典型特性是读长长（PacBio典型读长可达1.8万碱基，Nanopore的典型读长可达3万碱基）。在长读长优势加持下，能够较好地弥补二代测序技术的短板。长度长解决方案的主要不足是“价格感人”！当前条件下（2022年9月），综合运用二代和三代测序技术，实现一个人全基因组测序的花费在3万元以上。要实现高质量测序，并且能够完成高质量的染色体（单倍型）组装，有时候还需要参考父母的基因组DNA，这样下来花费会更大。
优势：可以拼接高质量的基因组DNA，可以组装高质量的染色体（单倍型）
不足：花费高昂（家系祖孙三代人[4+2+1]都测一下，花费轻松超过20万元）
有了高质量的基因组DNA信息就完了？还早得很！测序仅仅是第一步，遗传解读才是真正的考验。
[问题2：基因测序有用吗？]
回答：绝对有用。这个问题嵌套着另外一个问题：基因测序何时用？怎么用？
基因测序技术经过多年发展，早期主要在科学研究领域应用。2015年以外，国家对第三方检测管控逐步放开，基因测序等体外检测诊断（IVD）产业化发展驶入了快车道。目前基因测序行业已经形成了四个主要的应用领域，分别如下：
（1）应用领域1：优生优育——PGT检测、NIPT检测
>PGT（Preimplantation genetic testing）检测，指辅助生殖（主要是第三代试管婴儿）患者的胚胎，在植入子宫前进行染色体异常或基因变异检测，从而实现挑选优质胚胎进行移植，防止植入染色体异常（可能导致流产、或出生缺陷）或有遗传病致病变异的胚胎。
临床意义：☆☆☆☆☆
普及度（接受度）：☆☆☆
>NIPT（Noninvasive prenatal testing）检测，指怀孕期间通过抽取孕妇外周血（包含~5%胎儿来源的游离DNA，即为[cell-free DNA，cfDNA]），对胎儿染色体异常（主要检测13, 18, 21号染色体以及性染色体）进行检测。随着技术进步，可以检测到的染色体异常越来越多（检测分辨率提升）。
临床意义：☆☆☆☆☆
普及度（接受度）：☆☆☆☆☆
（2）应用领域2：癌症精准医疗——伴随诊断、预后监测、癌症早筛
>伴随诊断：所谓精准医疗笼统讲，就是药物要和患者做更好的匹配，这个匹配的过程更多的是进行基因检测。以最常开展的非小细胞肺癌（NSCLC）伴随诊断为例来说明。
癌症是由基因突变造成的，导致NSCLC肺癌的致病基因有很多（例如，EGFR，KRAS，ALK，ROS1，RET，MET，BRAF，NTRK等），每个致病基因可能存在多种类型的致病变异。NSCLC肺癌的靶向药物已经在临床获批的就有超过二十余种，患者在用药前需要进行相应的基因检测，以明确致病基因以及变异类型，进而选择合适的药物。这样可以减少盲目试药造成的花费以及延误病情。
       更多肺癌精准用药，请阅读：肺癌靶向治疗与伴随诊断 - 小桔灯网 - IIVD.NET
临床意义：☆☆☆☆
普及度（接受度）：☆☆☆☆
>癌症预后监测：癌症组织在增长过程中会有一些癌细胞死亡，其中的DNA会释放到血浆成为cfDNA。癌症组织快速增长会有大量的cfDNA（带有突变）释放到血液，当进行治疗（手术切除、药物治疗）后癌症组织大幅减少，其中血浆中癌症组织来源的cfDNA也会显著降低。随着癌症复发，或者癌症组织发生基因变异，可以定期抽血对其中癌症来源的cfDNA进行丰度以及变异类型检测，这样可以精细监控癌症治疗效果、监控癌症复发、以及癌症的变异。
临床意义：☆☆☆☆☆
普及度（接受度）：☆☆☆
>癌症早筛：癌症在发生发展的过程中，会有cfDNA释放到血液，或者有细胞脱落（血液循环肿瘤细胞，肠道中癌症细胞），通过对这些cfDNA或者脱落细胞进行检测，可以评估检测者是否有癌症以及处于的癌症阶段。基于测序的癌症早筛是对传统CT技术、肠镜检测等的有益补充。目前（2022年9月），癌症早筛技术还处于发展早期，一般有泛癌肿早筛（技术暂不成熟）和针对特定癌症的早筛。较为成熟的有肠癌早筛（诺辉、康利明）、肝癌早筛（泛生子）、膀胱癌早筛（基准医疗）等。
临床意义：☆☆☆☆☆
普及度（接受度）：☆☆
（3）应用领域3：遗传病检测和诊断
>遗传病诊断：一般针对儿童进行检测。遗传病诊断分为两种类型，常规遗传病（常见遗传病+常规罕见病）和特殊罕见病。常规遗传病的致病基因以及分子机制通常较为明确，通过对特定基因进行检测或实施转录组测序（WES）能够较为容易地实现诊断（除非有特殊致病变异）。特殊罕见病通常发病人群较少，很多时候致病的分子机制不甚明确，通常难以实现有效诊断。
临床意义：☆☆☆☆☆
接受度：☆☆☆☆☆
>携带者筛查：一般针对育龄夫妻进行检测。和大众认知不同的是，很多遗传病患者出生，其父母都是没有疾病表型（或者症状轻微未察觉）的健康携带者。没有人有完美的基因组，每个人都携带一定数量的致病变异，很多是杂合变异未表现出病理表型。当夫妻双方碰巧都将携带的致病变异传递给孩子时，遗传病患儿就出生了。因此，在整个育龄人群中开展携带者筛查，同时在孕期进行遗传病筛选具有重要意义。因为遗传变异造成的出生缺陷占出生人口的1%以上，绝对数量并不少。同时，家庭一旦生育有严重遗传病的患儿，整体经济负担十分巨大，因此十分有必要进行携带者筛查和遗传病患儿出生风险评估。
临床意义：☆☆☆☆☆
普及度（接受度）：☆
（4）应用领域4：病原微生物检测
>感染疾病的病因微生物检测：感染性疾病是临床常见的疾病类型，有时候患者感染的病原微生物难以鉴定。在常规治疗方法使用以后还不奏效的情况下，患者的状况将十分危急，此时对病原微生物的精致诊断就十分重要。目前基于测序技术的病原微生物已经应用于临床，测序技术进行病原微生物检测的主要缺点是检测周期较长，目前还难以应对快速检验需要。
临床意义：☆☆☆☆☆
普及度（接受度）：☆☆
（5）其他小众应用领域：药物基因检测、司法检测、肠道微生物检测
>药物基因检测：药物基因检测与上述伴随诊断为同一性质的检测，但是针对的疾病和药物种类更加广泛。一般而言，药物基因检测主要解决老年人用药和儿童用药。对于老年人而言，通常有多种疾病需要同时服用多种药物，多药联用的情况易造成严重不良反应事件，药物基因检测可以帮助规避一些用药风险。对于儿童而言，通常代谢能力较成人低（尤其是幼儿），药物基因检测可以避免严重药物不良反应事件。临床上，精神类药物、心脑血管类药物用药人群较多使用相关检测。
临床意义：☆☆☆
普及度（接受度）：☆☆
>司法检测：主要检测个体的特征基因序列，一般为个体基因组中的短串联重复序列（Short tandem repeat，STR）和单碱基变异（SNV）。通过建立人群（主要未男性，以及犯罪人员）的STR/SNV数据库，可以用于刑侦破案。一般可以直接找到犯罪嫌疑人，或者通过犯罪嫌疑人的近亲属间接找到案犯。案例，甘肃白银杀人案。
>肠道微生物检测：肠道菌群的多态性以及菌群结构的动态变化，和人体健康（如癌症、代谢疾病、肥胖等）有一定关联性。肠道菌群的检测存在一定的市场需求。
临床意义：☆
普及度（接受度）：☆

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