突破性技术：基因测序进入私人定制时代

营养师

千禧年初发展的组学技术在 2020 年新冠肺炎疫情出现时发挥了重要的作用：糖组学分析新冠病毒刺突蛋白糖基化，代谢组学分析轻重症患者差异，比较相关作用组学勾勒新冠病毒蛋白作用图谱等等。那为什么这些组学分析在平时比较少见？我们日常生活中接触到的核酸检测又属于什么技术？

举例来说，代谢组学多应用于复杂的生物学研究，检测和分析周期长，不太适用于快速判定个人核酸阴/阳性。且代谢组学一般需要提取人体的血浆或血清，这对返乡过年，需要多次检测的广大同胞而言可不是友好的操作。因此，核酸检测一般为咽拭子或鼻拭子，只需轻轻一刮即可采集遗传物质。后续通过 DNA 扩增和测序技术，即可确定阴/阳性。这样“飞入寻常百姓家”的 DNA 测序技术又是何时开始发展，并广泛投入应用的呢？


微流控技术降低 DNA 测序成本

DNA 测序技术是研究基因组学的重要技术途径。基因组学的研究内容是对生物体所有基因进行表征和研究，对不同基因组之间的关系进行分析和比较。20 世纪末，多个物种的基因组计划逐个启动。

1977 年，噬菌体（5.4 kbit）测序完成。

1981 年，人类细胞器中的线粒体基因组（16.6 kbit）测序完成。

1992 年，酿酒酵母 Ⅲ 号染色体（315 kbit）测序完成。

1995 年，嗜血流感菌基因组（1.8 Mbit）测序完成。

1996 年，酿酒酵母完整基因组（12.1 Mbit）测序完成。

大众最熟知的莫过于人类基因组计划（又称生命科学的“登月计划”）。2003 年，人体基因组 DNA 中 30 亿个碱基对（3000 Mbit）的秘密被全部揭晓。自此后基因组时代开启，DNA 测序技术开始迅速发展。

由于 DNA 是遗传物质，相比于蛋白、多糖、脂质等生物大分子，其结构和组成比较简单，且十分稳定。因此，相比于其他组学技术，DNA 测序技术发展得尤为快速。具有代表性的是个人基因组学（Personal Genomics）、100 美元基因组测序（$100 Genome）和癌症基因组学（Cancer Genomics）。这 3 种技术也分别入选了 2004 年、2009 年和 2011 年的《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”。

人类基因组计划揭晓 30 亿个碱基对的遗传信息后，人们开始关注遗传信息带来的个体差异。为什么大家拥有类似的遗传信息，却在发色、肤色、身高等一系列性状中差异巨大呢？佩尔金科学（Perlegen Sciences）公司的首席科学家大卫·考克斯（David Cox）很快提出要寻找个人基因组之间的差异性，将个人基因组测序发展成一种快速有效的检测疾病手段。这种技术方法避免了医生在茫茫 30 亿个信息里做判断，而是量身定做，针对每个人的基因组测序结果，确定个体是否对某种疾病易感，提前防范。



图｜提取细胞样本

当然，有的疾病对应着一两个基因突变，此类疾病（如亨廷顿病）比较容易诊断，但也有许多疾病会与多个基因相关，不易判断。此时，个人基因组测序的结果与疾病发病之间的相关程度不够紧密，因此考克斯等人也希望采集海量的个人数据，分析处理得到单核苷酸多态性（SNP）以与疾病之间建立更加紧密的关系。类似“望闻问切”一样，通过基因的“症状”对个人进行诊断。这也是迈向精准医学的第一步。

为了完成人类基因组计划，全球投入了 30 亿美元。“私人定制”的个人基因组测序的市场在哪里？随着测序仪器的不断进步，尤其是微流控生物芯片技术（Microfluidics）（该技术入选了 2001 年《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”）的进步，极大地降低了基因组测序的成本。2009 年，大部分科学家们保守地认为基因组测序可以降低至 1000 美元，但同时也提出高目标，在 5 年内降低基因组测序成本至 100 美元，即 100 美元基因组测序。



图｜微流控生物芯片

微流控生物芯片是如何实现降低成本的呢？由于基因组 DNA 有 30 亿个“字母”信息要去读取，假设我们把一个人的基因组 DNA 想象成一根长绳，通常人们会选择把这根长绳切成片段，比如 100～1000 个字母，测序后，再将片段拼成一根长绳，整个过程的成本很高，也很耗时。微流控生物芯片同样也要把长绳切开，但每个片段可以有 100 万个字母，这样测序速度提升了，成本也降低了。当然，不止微流控生物芯片技术，科学家们采取了许多方法（一代、二代、三代、四代测序技术）优化测序过程。

2012 年 3 月 29 日，美国生命技术（Life Tech-nologies）公司宣布在中国推出基因测序仪 IonProton。借助该技术产品，个人全基因组测序只需一天时间、1000 美元即可完成。2014 年 1 月，全球基因测序和芯片技术公司因美纳（Illumina）推出 HiSeq X Ten 仪器，将单人类基因组测序成本降至 1000 美元以下。


单细胞测序实现细胞多样性表征

在个人基因组测序速度越来越快，成本越来越低时，研究人员提出了新的挑战：单细胞测序。传统的测序一般需要提取数万个细胞中的 DNA 或者 RNA 进行测序，常常会对人体细胞的多样性理解产生偏差。而单细胞测序，类似于前文所提的“单细胞分析”技术，是在单个细胞层面进行测序和解析基因组，实现了细胞多样性的表征。

2009 年，第一篇单细胞 mRNA 测序研究问世，标志着单细胞测序技术开始兴起。2018 年，高通量单细胞测序技术被《科学》和《自然方法》杂志提名为年度突破技术。单细胞测序技术的细分市场也以年均 20% 以上的速度逐年增长。

为什么传统测序需要数万个细胞，而单细胞测序只需要单个细胞呢？简单来说，传统测序就像如今核酸检测中的“混检”，数万个细胞会展示出某种性质，如基因突变，至于是哪个或哪种细胞贡献的，无从得知。而单细胞测序就类似于核酸检测中的“单检”，一目了然。同时显而易见，单细胞测序面临着如何降低测序时间、节约测序成本、提高测序准确性的考验。

2016 年，10x Genomics 公司成功推出全球首款单细胞测序仪 Chromium Controller，此后长期占据全球市场，所占市场份额保持领先地位。



图｜10x Genomics 公司的液滴微流控技术

10x Genomics 是怎么更好、更快、更准地实现单细胞测序的呢？公司凭借着液滴微流控技术，利用含有 75 万种条形码（Barcode）的油滴包裹的凝胶珠（GEMs），在 10 分钟内可自动完成 8 万个细胞的捕获。“油包水”的结构实现了凝胶珠与细胞的包裹、细胞裂解，以及凝胶珠溶解释放条形码序列靶向特定基因组序列。总体来说，微流控技术实现了单个细胞的分离，而液滴技术实现了不同细胞中同一基因测序文库的建立。

科学技术的发展没有最好，只有更好。近年来，国内这片沃土也孕育了一批批有志之士，他们的加入为单细胞测序赛道带来了新的生机。

2018 年注册成立的新格元（Singleron）公司目前已融资近两亿美元，专注于将单细胞测序技术应用在临床检测、健康管理和药物开发领域。2020 年，新格元推出国内首个自动化单细胞测序前处理仪器 Singleron Matrix。针对不同的样品，新格元实现了测序前样品制备的完整解决方案，便于临床样品的储存、运输。

2021 年 6 月，万乘基因（10K Genomics）公司上线国内首款液滴微流控单细胞测序仪 Perseus™。公司创始人施威扬表示仪器的核心器械都实现了国产化。相比于市场上普遍的转录组分析，万乘基因也在不断拓展市场，发展单细胞甲基化、单细胞蛋白质组等，打造多组学单细胞测序平台。

国内的 M20 Genomics 公司近来也考虑利用单细胞测序技术，推进细胞图谱 2.0 的绘制工作，搭建人类细胞蓝图，建立超精确的人类生理学模型，为药物的研发和实验提供加速器。

2021 年 4 月，中国 39 家研究所和医院的研究人员与 10x Genomics 中国区团队携手合作，利用单细胞 RNA 测序技术处理了来自 284 个样本中的 146 万个细胞，对新冠病毒感染后的免疫反应进行深入分析，寻找细胞因子风暴的新元凶，相关工作发表于《细胞》杂志上。大规模单细胞图谱研究的潜力可见一斑。更多的研究和应用都静待单细胞测序技术去大展身手。


测序技术带动多领域发展

全球范围内，高通量、低成本、单细胞、超灵敏的测序技术，发展得日新月异，让人眼花缭乱。

同时，突飞猛进的测序技术也带动了学术界开展更多的研究，例如人们考虑将遗传物质 DNA 作为数据存储材料。大数据时代的地球每天产生的信息量，远远超过了过去 5000 年人类文明的信息总和。更有预计称，到 2040 年，全球需要 1×10⁶t 硅基芯片存储数据。而 DNA 存储密度大、能耗低、周期长，理论上只需要 1kg 就能够实现全球信息的存储。

信息存储的流程主要是存储、编码和读取。DNA 测序技术对应的是数据的读取，然而目前 DNA 在存储层面还存在合成成本高、速度慢、稳定性差等多个问题，但人们依旧期待 DNA 成为数据存储材料的未来。投身“人类基因组测序”的科学家们或许也没有想到，有一天基因组测序也会为 DNA 存储带来腾飞的机会。

此外，2011 年的《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”之一，癌症基因组学也得益于测序技术的发展。该技术围绕癌症基因图谱测序，进而实现癌症预测或治疗。这项技术的领军人物伊莱恩·马尔迪斯（Elaine Mardis）认为“基因-突变-治疗”这个方程式过于简单。癌症测序不仅要考虑多种基因突变，还要考虑 DNA 测序之外的 RNA 测序。此外，在临床试验中纳入真实数据及推动患者基因数据共享等都要不断地推进实现。

2013 年，《科学》杂志用多篇文章专题介绍“癌症基因组学”，提出从测序分析、原则总结、疾病检测和临床影响等方面全面发展。2020 年 8 月，西班牙的研究团队从来自 66 种癌症的 28076 个肿瘤样品基因组中鉴定了 568 个癌症驱动基因，绘制了迄今为止最完整的癌症驱动基因全景图。

癌症基因组学的发展表明，在不久的将来，常规癌症治疗将不再侧重于器官，而会更关注癌症的基因组特征。期待未来，医学专家能够通过读取 DNA 信息，在治疗过程中为每位患者确定最好的治疗方案。

除了癌症，寿命的延长研究也得益于测序技术的发展。目前，已经有许多基因被证明对多种模式动物的衰老和寿命有广泛影响。这张基因名单还在不断变长。那么对衰老基因的干预是否可以实现寿命延长呢？引用爱因斯坦的一句话：我从来都不思考未来，它来得太快了。



图｜2012 - 2020 年全球基因测序行业市场规模及预测

DNA 测序技术也带来了广阔的市场前景。全球基因测序行业市场规模不断地扩大，仅因美纳公司市值已达 571.96 亿美元（数据源于百度股市通）。

仅对中国测序市场规模进行分析，2015 - 2019 年，国内基因测序行业市场规模以 40% 的复合年均增长率增长，2019 年，国内基因测序行业市场规模约为 149 亿元。未来，以中国为主的亚太地区将成为基因检测的重要市场之一。从具体诊疗方向来看，肿瘤诊断治疗也是最具潜力市场之一。

如此庞大的基因测序市场规模，已经在日常生活的方方面面展现了出来。

孕前检查和产前检查，比如羊水穿刺检测、唐氏筛查、无创产前基因检测等都通过测序技术，结合疾病的遗传模式帮助夫妇孕育健康的宝宝，避免出生缺陷；又如更具科学性的“滴血验亲”—— 亲子鉴定，便是通过 DNA 测序实现的。医院中的遗传病筛查、肿瘤靶向治疗等也是 DNA 测序的应用方向。许多刑事案件中遗留下来的物证，也可以通过提取 DNA 测序，进而定位犯罪嫌疑人。

甚至，DNA 测序对于每个人的日常生活习惯也存在指导意义。例如由于个体的基因差异，每个人的酒精代谢和咖啡代谢是不同的。通过 DNA 测序，喝咖啡等许多生活习惯都可量身定做，每个人都可以找到更适合自己的生活方式。



图｜人类进化

人们接触到的核酸检测，更是 DNA 测序的重要体现。通过鼻拭或咽拭提取样品，若样本中存在病毒的基因，则意味着“阳性”，反之则为“阴性”。如此便利准确的核酸检测正是一系列测序技术发展的副产物。“科技改变生活”，感谢 20 多年前提出伟大理想的科学家们，正是他们多年的攻坚克难，才让如今的生活方便快捷。

除了阴阳性判定，核酸检测中的 DNA 测序还有更多应用。例如，为什么两年多来的新冠肺炎疫情，有的是阿尔法毒株引起的，有的是德尔塔或奥密克戎毒株引起的？DNA 测序技术帮助人们实现了追踪新冠病毒。2022 年，新冠病毒变异追踪（COVID Variant Tracking）被评为《麻省理工科技评论》“全球十大突破性技术”之一。

到目前为止，新冠病毒已经是地球上被测序最多的生物体，全球阳性样品累积的病毒基因组序列已经实现了超过 700 万个基因图谱，也让科学家们迅速发现了多种病毒突变体。

斯泰伦博斯大学（Stellenbosch University）的科学家图里奥·奥利韦拉（Tulio Oliveira）在 2021 年 11 月 25 日向世界宣布，其实早在 6 周之前，奥利韦拉团队就对 11 月底变异程度最高的突变体奥密克戎隐约有所“感觉”，迅速针对新型病例进行了大量的 DNA 测序，进而快速确定了奥密克戎突变体。

得益于突变体的快速鉴定，11 月之后，围绕奥密克戎的一系列研究迅速开展，比如毒株的传染性、毒性，以及对于现有疫苗的敏感度等。同时，一系列政策如旅行禁令、疫苗接种原则等也迅速颁布。在防疫路上，人们也逐渐从“被动防疫”转化为“实时跟进”。

科学家们并不止步，更希望能够“主动迎击”，从海量的数据中预测病毒下一步的行动，预防新的威胁出现。

虽说如今 DNA 测序已经非常“平价”，但针对全球范围的样品，还是会有很高的成本。因此奥利韦拉提出优先考虑感染率突增的地区样本，有针对性地分析，并称之为“非线性测序”。目前全球各地的测序技术、测序仪器和测序水平参差不齐，也给非线性测序带来了挑战。例如秘鲁的测序技术小众，对拉姆达变体的测序发现太晚，导致拉姆达疫情在秘鲁无法阻挡。

病毒的预测其实在流感病毒中也有所体现。每年科学家们都会挑选未来可能占主导地位的流感毒株，并基于此设计疫苗。但目前预测结果准确度较低。

测序能告诉我们以往病毒是如何变异的，目前还无法准确地确定未来病毒会如何演变，但至少实时追踪已经为全球提供了“早期预警”，避免了某个变种的“星星之火”成“燎原之势”。

本文摘录自：《科技之巅（20周年珍藏版）：全球突破性技术创新与未来趋势》

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