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      基因測序不再允許人體有秘密(一)

      2021-12-02 18:01

      對特定DNA片段的堿基序列進行分析的基因測序,可以用來診斷疾病,也可以用于疾病風險的預測??梢哉f這次全球新冠疫情的反擊戰,就是從中國科學家公布新冠病毒的基因序列開始的。這項技術對于識別和跟蹤新冠病變異也發揮著關鍵的作用。隨著測序的價格已經便宜了1000萬倍,質量提高了100000倍,業內人士正在展望一個新的技術范式正在到來,我們即將進入一個不斷監測身體和周圍一切事物的遺傳信息的未來?!都~約時報》雜志特約作者Jon Gertner聚焦了基因測序這個新的平臺技術的最新進展,并為我們描繪了一個測序與診斷等同的未來世界。原文標題是:Tracking the Covid Code。篇幅關系,我們分三部分刊出,此為第一部分。

      劃重點:

      遺傳組分被用于應對新冠病毒的方方面面

      跟蹤病毒變異離不開基因測序

      測序儀變得更好、更快、更易用

      基因組測序已經慢慢堆積起影響更為深遠的希望

      商業基因組測序的出現,最近被拿來跟顯微鏡的發明相提并論

      在一片混亂與全球災難之中,廉價,快速的測序時代已經悄然來臨

      2020年1月初的周六早上,Edward Holmes正在澳大利亞跟中國科學家張永振通過電話交談,后者剛剛對一種正在感染武漢的新型病原體的基因組進行了測序。兩位老朋友對結果產生了爭執。悉尼大學病毒學家Holmes教授回憶說:“我知道我們正在研究的是一種呼吸道病毒?!?他還知道病毒看起來很危險。

      Holmes問張永振能不能向公眾分享該病毒的遺傳密碼?當時張永振正在等著飛機起飛。他希望給自己一分鐘的時間考慮。于是Holmes就在電話這頭等著。他聽到空姐在敦促張永振關機。

      “好吧,”張永振最后說。Holmes幾乎是馬上就把該序列發布在了一個名為Virologic.org的網站上。然后他又跑到Twitter上公布相關網頁的鏈接。Holmes知道,世界各地的研究人員會立即著手去解開這一病原體的密碼,好找到擊敗它的方法。

      從Holmes第一次把病毒基因組發布出去的那一刻起,如果留意的話,在我們的公共衛生對SARS-CoV-2幾乎所有的應對措施當中你幾乎都能找到一個遺傳組分。比方說,制藥公司往往需要病毒樣本來制備疫苗。但是,一旦序列出現在公共領域,馬薩諸塞州劍橋市的一家不起眼的生物技術公司,莫德納(Moderna)馬上就開始跟美國國立衛生研究院(NIH)合作制定一項計劃。去年夏天,也就是莫德納的疫苗拿到FDA緊急使用授權的6個月前,依諾米那(Illumina,張永振就是用他們的測序儀進行病毒基因測序的) CEO Francis deSouza用稍帶震驚的語氣說:“他們手頭根本就沒拿到病毒,他們的確只是利用了病毒的基因序列,并把它看作是軟件問題?!痹摬《镜拇a也讓整個測試行業都動起來了。只有通過分析病毒遺傳序列的特征,科學家才能為所謂的PCR(聚合酶鏈式反應測試,幾十年來一直在利用遺傳信息來進行快速診斷測試)設備制作出試劑盒。

      與此同時,基因測序也被用來跟蹤病毒的變異——2020年2月發表的研究表明該病毒正在美國傳播。這項工作屬于基因組流行病學(“gen epi ”)的范疇。其中很多的洞察可以追溯到1990年代中期英國牛津大學的一群研究人員,當中就有Holmes。他們認為,每10天(像流感)或者每20天(像埃博拉)跟蹤獲得持久性突變的病毒的進化變化,在本質上類似于在對動物的跟蹤,不過后者的進化也許每百萬年才發生一次。

      這項工作中早期遇到的障礙之一是太過乏味。牛津大學的研究小組必須通過一個緩慢而審慎的流程來對遺傳標記進行分析,從中去洞察出每種新變體的幾十個特征。這個緩慢的過程直到2000年代末才有了改觀,由于計算機技術的巨大飛躍,基因測序儀也得到了巨大改進,研究人員終于可以更輕松、更快速地讀取病毒的完整遺傳密碼,以及人類、動物、植物和微生物的遺傳藍圖了。

      在公共衛生領域,基因組測序變快帶來的第一個重大突破出現在2014年,當時,在非洲爆發疫情期間,麻省理工學院和哈佛大學的一個研究小組開始對受感染者的埃博拉病毒樣本進行測序。他們的工作表明,通過對遺傳密碼進行對比,可以識別出隱藏的傳播途徑并將其打破,從而有可能減慢(甚至阻止)傳染。這就是后來所謂的基因監測的最早的實際用例之一。幾年之后,隨身攜帶了便攜式基因組測序儀的醫生開始跟蹤中南美洲的寨卡病毒。測序儀變得更好、更快、更易用。

      對于很多人來說,他們對這項技術最熟悉的面孔是臨床試驗公司。這些公司會用測序儀來讀取我們的部分遺傳密碼(基因包測序panel或外顯子組測序exomes)來研究一些關鍵基因,比方說那些跟患乳腺癌更高風險相關的基因。但是,近年來,在從個人健康到文化人類學再到環境監測等領域,基因組測序已經慢慢堆積起影響更為深遠的希望。依賴測序的技術Crispr讓科學家有可能修復我們基因組中引起疾病的突變?!耙后w活檢”(Liquid biopsies)通過分析少量血液當中的DNA標記物,可以讓我們在癥狀出現之前很早就給出對癌癥診斷的預期。哈佛大學遺傳學家George Church表示,有朝一日可能只需傳感器 “抿一口空氣”,手機上的基因組app就可以告訴我們屋內是否存在病原體。測序甚至可能可以把我們想要的DNA的任何類型的數據都存儲起來——從理論上來說,這樣的歸檔系統會非常的高效和高密度,以至于整個互聯網的內容都保存在一個枕套里面。

      科學史學家有時會討論新范式或新思維方式,會改變我們對真實或可能存在的事物的集體思維的那種。但是,范式的演變不僅發生在新思想取代舊思想之時,當新工具讓我們可以去做或者看之前不可能會考慮的事情/東西時,也會發生范式的演變。商業基因組測序的出現,最近被拿來跟顯微鏡的發明相提并論(這種比較還是可信的),這不禁讓我想知道,這種依舊相對晦澀但在世界范圍內大舉殺進了裝備完善的實驗室的新技術,會不會被證明是21世紀最重要的創新?按照Church的估計,“跟幾年前相比,測序的價格已經便宜了1000萬倍,質量提高了100000倍?!?如果說一種新的技術范式正在到來,并會帶給我們一個不斷監測身體和周圍一切事物的遺傳信息的未來的話,那么這些(方便快捷無處不在的)測序儀就是帶我們進入那個王國的機器。

      讓人沒想到的是,事實證明,Covid-19就是那個催化劑。deSouza 說:“這場疫情把基因組學者傳染病的采用速度加快了好幾年?!辈⑶宜嘈胚@場疫情還加快了基因組學在更廣泛的社會的采用——這表明,在一片混亂與全球災難之中,廉價,快速的測序時代已經悄然來臨。

      在一片混亂與全球災難之中,廉價,快速的測序時代已經悄然來臨

      去年八月的一個早晨,在美國東岸的第一波疫情出現消退之后,我去拜訪了位于曼哈頓下城的紐約基因組中心,去觀察基因測序的過程。那一天,該實驗室的技術人員正在研究從新澤西州哈肯薩克大學醫學中心的患者身上采集到的大量SARS-CoV-2樣本。當我到達時,中心實驗室經理Dina Manaa遞給了我一件藍色的實驗室外套。Manaa說:“我會帶你走完整個過程?!痹诮酉聛淼?0分鐘的時間里,我們一邊在實驗室里面走來走去,她則一邊給我解釋她們的工作。

      對病毒進行測序非常費勁,整個過程跟通過臉頰拭子或一滴血中對人類DNA進行測序很像。樣本其實是沿著裝配線流動的:在非常敏感的“秤”上“稱重”,去測量樣本質量;然后浸入到叫做試劑的化學溶液了;再用“條形碼”對遺傳物質進行標記,從而可以分別跟蹤每一個樣本。Manaa解釋說,大多數的準備工作都跟檢測病毒樣品質量,然后把其中的遺傳物質放大有關,其實就是把從拭子提取的少量看不見的冠狀病毒轉化為大量的DNA,所有這些都是為了讀取和分析做的準備——她們有專門用于此目的的設備。

      在另一個實驗室里面, Manaa在5個一排完全一樣的新機器面前駐足了一會兒,這就是Illumina NovaSeq 6000(或者她們所謂的Nova—seeks”)。這跟六個月前中國首次對病毒進行測序使用的機器類似。NovaSeqs大概像辦公的復印機那么大,除了有一塊大的觸摸屏,以及從設備背面伸到天花板的通風管以外,幾乎沒有什么顯著特征。每臺機器的成本約為100萬美元;現在全世界大約有1000臺。在實驗室工作臺邊上,技術人員Berrin Baysa正在將微量的含有病毒的透明溶液從一個試管轉移到另一個試管,并把混合物移到一個小型旋轉離心機上。經過近兩天的準備之后,這批Hackensack樣本終于走到了最后一步。Baysa把她制作的這些小雞尾酒混合到一起,將它們倒入所謂的流通池里面,其實就是一個跟iPhone大小差不多,含有4個中空室的平板玻璃盒。然后,她小心地把流通池塞進NovaSeq 6000的抽屜插槽里面。

      往觸摸屏輸入了一些指令然后點擊“開始”之后,她說:“好了,讓我們為成功祈禱吧?!彼徊嫫鹱约旱氖种?,祈禱起來。

      她說,對于這項特殊任務,機器需要兩天才能完成讀取工作。這意味著屆時病毒的完整基因序列將準備就緒,可供“生物信息學家”尋找樣本的模式和變異。

      NovaSeqs代表著二十年左右技術發展的巔峰。這項技術在很大程度上始于人類基因組計劃(2003年完成,主要由NIH資助)。該項目表明,人類的基因組(也就是NIH所謂的“構成人類的完整基因藍圖”)由約30億個“堿基對”組成。這些是鍵合化學物分別用A,C,G和T進編碼,其中A代表腺嘌呤,C代表胞嘧啶,G代表鳥嘌呤,T代表胸腺嘧啶。這些堿基對會頻繁在我們的染色體上進行組合,構成約30000個信息稠密的字符串,或簇。簇就是我們的基因。

      人類基因組計劃耗時13年,耗資超過30億美元。Jeffery Schloss多年來一直在NIH的分支機構美國國家人類基因組研究所(National Human Genome Research Institute)工作,負責對技術撥款進行監督。他告訴我,2002年,他參加了一次會議,會上大家探討了測序的未來。Schloss回憶說:“對人類基因組進行測序是一項巨大努力,但我們知道這只是我們要做的事情的開端,而這意味著測序必須做出激烈改變。在那次會議上,有人提出了一個瘋狂的想法:要是一千美元就能對一個大型基因組進行測序會怎樣?這能夠開啟什么樣的局面?”

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