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作者：Eric D. Green, Edward M. Rubin& Maynard V. Olson 编译：叶子 转载请注明：解螺旋·临床医生科研成长平台 40年前，Science的两篇论文描述了第一种用于确定DNA片段中化学碱基顺序方法。而在这些文章发表之前，分子生物学家已经能够排列片段。DNA测序技术从那时起迅速发展，到今天的高通量测序技术使数据生成呈指数级增长态势。 由此产生的大量数据在基础生物学领域的应用已经产生了变革性的影响，从考古学、刑事调查到产前诊断、癌症预后，DNA测序与数据分析已经渗透到了生物相关的多个行业。 那再过40年呢，DNA测序技术会变成什么样？ 对于哪些技术（或是哪些应用）将是最具颠覆性的，预言者通常都会说错。在互联网的早期，很少有人预测电子邮件将会有惊人的人气。同样地，华尔街的交易员和硅谷的投资者都无法预见，游戏、在线视频流和社交媒体将主宰当今网络。 Nature上近日发表了一篇有关评论，作者认为DNA测序的发展趋势将由杀手级应用程序驱动，而不是由杀手级技术驱动。 需求促进DNA测序技术的发展 技术的改进可以增加或减少需求。增加需求很容易理解，怎么会减少需求呢？微软联合创始人比尔.盖茨就举过一个子午线轮胎的例子。由于技术的改进，子午线轮胎比以前的设计更耐用，轮胎的需求下降而导致轮胎行业的萎缩。 但对于DNA测序技术来说，将遵循计算机和相机的模式，其基础就是摩尔定律。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。 搬到DNA测序技术上来说，它们会“更好，更便宜，更快”，而随着便宜和便利，应用程序将会增加，需求将会上升。DNA测序技术突破科研市场的局限，进入临床，消费和其他领域的现状意味着这项技术将创造更多需求。 研究人员对DNA序列数据有着近乎变态的需求。在20世纪90年代，对人类基因组进行测序的想法似乎还是个天方夜谭。而现在，遗传学家们可以对人类和其他动物的每个发育阶段，健康和疾病个体进行测序，甚至想为地球上每个人和每个组织中的每一个细胞进行转录组以及基因组测序。他们还希望通过测序信使RNA分子的互补DNA拷贝来获得全面的基因表达模式。 除了在生物医学方面的应用外，考古学家们也开始通过DNA测序的手段来重建人类祖先的迁徙途径。分类学家，生态学家，微生物学家和进化生物学家们也逐渐开始通过DNA测序技术寻求和分析所有地球生物物种（即便是已经灭绝的生物）甚至整个生态系统的基因组。 目前的瓶颈在于如何分析和解释所有的DNA序列数据。正如新的信息学方法和大量数据集显着改善了语言翻译和图像识别，作者也预测大量DNA序列数据集与表型信息相结合将使研究人员能够推断基因组序列中编码的生物学功能。 不过庆幸的是，解释数据所需的大部分基础科技树目前都已经点出来了（例如细菌基因组的高质量参考序列，或某些基因网络在健康人群中运行的规则）。这些技术可以从在环境或临床样品的无偏差调查中识别微生物DNA序列，以鉴定与已知生物学改变相关的基因组变化。 DNA测序方法回顾 过去40年中，DNA测序平台在不断更新。1985年，几乎所有DNA测序都是用Sanger法或双脱氧链终止法。反应产物用放射性核苷酸标记，在丙烯酰胺板凝胶上分离，并用放射自显影进行检测。 彩色DNA条带 到2000年，四色荧光法赛高，用链终止的核苷酸类似物标记反应产物，在填充有果冻样培养基的毛细管中电泳分离，并用能量转移荧光染料检测。而到了2010年，测序技术发展呈多元化。主要的手段是基于大规模平行分析单个DNA克隆扩增和化学测序法。 而现在， DNA测序平台在不同的领域都有各自需求。在肿瘤学或医学遗传学中，目标通常是正确识别每个基因，并定义存在于多个拷贝中的基因组片段的每个变体。相比之下，在法医、刑侦或者物种识别中，更需要是确定是否匹配，那现场快速，轻松地运行测试的能力可能比准确性更重要。 杀手级应用的展望 DNA测序将彻底改变的一个领域将是医学，在今天，DNA测序技术已经在诸多方面达到了临床应用的具体要求。 DNA测序的第一个突破性临床应用是产前检测，例如染色体数量异常21三体导致的唐氏综合症。它被描述为“病史上发展最快的基因测试”，这是人类基因组计划没有想到的。 事实上，科学家估计全世界每年大约有四百万到六百万孕妇正在通过外周血游离DNA对胎儿的21三体综合征进行诊断，而十年之内，这个数字将超过1500万。一些测试指标使DNA测序在未来许多初级保健中的应用成为可能，因为它是非侵入性的，易于操作，并且对核苷酸级精确度的要求较低。 在高收入国家，基因组测序已经广泛用于多种疾病的产前诊断，可以揭示大约30％的出生缺陷，同时，这一数字也正随着数据解读能力的成熟而逐渐上升。在某些情况下，由此产生的诊断显著改善了临床管理，惠及家庭和医生。 在研究最多的肿瘤学领域，相当多的投资正在进入液体活检的开发。基于DNA测序的液体活检被认为正逐步发展为癌症诊断与预后评估的标准方法，能够在可知的时间内逐步补充甚至取代传统的创伤性癌症诊断技术（巴氏涂片和结肠镜检查）。以后会出现越来越多的靶向药物，针对特定突变，而不是肿瘤类型进行治疗。 同样，手持DNA测序仪等设备的开发也使得流行病学家甚至能够在最为偏远的地区高效完成对人类样本，动物以及昆虫病原载体甚至是空气，水，食物的基因检测。流行病学家和公共卫生专家也开始讨论如何通过对城市垃圾中微生物的DNA测序辅助传染性疾病的预防与控制。海洋生物学家也正在通过宏基因组学技术来对海洋的生态健康进行监测与研究。 在法医领域，便携式DNA测序仪可以将DNA分析带出法医实验室，使其成为一线警务工作人员的随身工具。帮助警方即使通过DNA监测确定嫌疑人，发展成为诸如酒精探测器一类的便捷工具。 事实上，愈加便捷和廉价的DNA测序工具所开辟了大规模监视可能性在最近已经引起了人权团体的广泛关注。在人们的家里，DNA测序设备或许也可以成为下一个“智能”或“连接”设备。 DNA测序的绊脚石 在仅仅40年的时间里，细胞分子数据实际应用的核心目标就转变为对元信息解读的挑战。 DNA测序数据可能很快将在常规临床中应用。但是，这需要提供大量关于百万人的多年医疗史的数据库才能满足临床对元信息解读的巨大需求，以确定何时忽略这些数据何时采取措施。 在这一领域，许多国家和组织都在进行着积极的工作，其中包括美国国家精准医学研究委员会，美国全美研究计划和欧洲生物银行等。事实上，在未来的几十年里，世界上大部分数据（存储于硬盘或云端）都可以存储在DNA中，驱动我们追求DNA测序的也不再仅仅是解码疾病，更是从中读取信息。 参考文献： The future of DNA sequencing http://www./news/the-future-of-dna-sequencing-1.22787 |
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