文|觀察未來科技

基因就是生物體的密碼，基因里藏著生物絕大部分遺傳信息，人類自發(fā)現(xiàn)基因之日起，就希望能夠破解它的秘密。而基因測(cè)序就是要測(cè)定未知的序列，確定重組基因的方向與結(jié)構(gòu)，對(duì)突變進(jìn)行定位和鑒定比較的研究。

近幾年，基因檢測(cè)日益火熱。如果在百度上搜索“基因檢測(cè)”，我們會(huì)得到近380萬(wàn)個(gè)問題，其中很大一部分都是在咨詢“基因檢測(cè)的意義有多大？”“基因檢測(cè)真的有用嗎？”“基因檢測(cè)需要多少錢？”尤其是在精準(zhǔn)醫(yī)療的風(fēng)潮下，遺傳基因檢測(cè)更是被越來越多的人提及并關(guān)注。

從血型檢測(cè)到基因檢測(cè)

最古老的基因檢測(cè)，其實(shí)就是20世紀(jì)初的“血型檢測(cè)”。自1901年發(fā)現(xiàn)血型之后，血型檢測(cè)就在醫(yī)學(xué)和最初的犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中廣泛應(yīng)用開來。同時(shí)，由于父母的血型能夠在一定程度上限制了子女血型的可能性，血型檢驗(yàn)在一定程度上也能夠用來鑒定血緣關(guān)系。

不過，相較于血型檢測(cè)，基因檢測(cè)則復(fù)雜的多。要知道，基因是控制遺傳性狀的基本單位，而基因檢測(cè)其實(shí)就是“遺傳檢測(cè)”，基因檢測(cè)往往包括染色體結(jié)構(gòu)、DNA拷貝數(shù)、DNA變異位點(diǎn)以及基因表達(dá)豐度等內(nèi)容。

第一代基因測(cè)序技術(shù)誕生于1977年，是由美國(guó)生物化學(xué)家A.M.Maxam和W.Gilbert發(fā)明的化學(xué)降解法。這種方法僅從化學(xué)領(lǐng)域觸發(fā)，科學(xué)家將一個(gè)DNA片段的5端磷酸基作放射性標(biāo)記，再分別采用不同的化學(xué)方法修飾和裂解特定堿基，從而產(chǎn)生一系列長(zhǎng)度不一而5端被標(biāo)記的DNA片段。然后再通過凝膠電泳分離，經(jīng)放射線自顯影，確定各片段末端堿基，從而得出目的基因的堿基序列。

同年，英國(guó)生物化學(xué)家Frederick Sanger發(fā)明了雙脫氧末端終止法，即至今廣泛應(yīng)用的Sanger測(cè)序法。應(yīng)用這一技術(shù)，科學(xué)家完成了首次的人類全基因的測(cè)序工作。Sanger測(cè)序法是用雙脫氧核苷酸作為鏈終止試劑，通過聚合酶的引物延伸產(chǎn)生一系列大小不同的分子后再進(jìn)行分離的方法。

以該法為基礎(chǔ)，Sanger后來對(duì)它進(jìn)行了許多改進(jìn)，使之更適合實(shí)際操作，這為后來的大規(guī)模測(cè)序提供了技術(shù)支持。其中一個(gè)重要改進(jìn)是利用單鏈DNA噬菌體載體將隨機(jī)打斷的DNA片斷分別測(cè)序，再拼成完整的基因。

20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的熒光自動(dòng)測(cè)序技術(shù)逐步代替了雙脫氧末端終止法，這是一種通過使用四種不同的熒光試劑來標(biāo)記四種雙脫氧核苷酸進(jìn)行DNA測(cè)的方法，它的出現(xiàn)將DNA測(cè)序技術(shù)帶入了自動(dòng)化測(cè)序時(shí)代。

總的說來，第一代測(cè)序技術(shù)的主要特點(diǎn)是測(cè)序讀長(zhǎng)可達(dá)1000bp，準(zhǔn)確性高達(dá)99.999%，但其測(cè)序成本高、通量低等方面的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了其真正大規(guī)模的應(yīng)用。因而第一代測(cè)序技術(shù)并不是最理想的測(cè)序方法。

經(jīng)過不斷的技術(shù)開發(fā)和改進(jìn)，以Roche公司的454技術(shù)，Illumina公司的Solexa、Hiseq技術(shù)，以及ABI公司的Solid技術(shù)為標(biāo)志的第二代測(cè)序技術(shù)誕生了。

這種測(cè)序技術(shù)是在Sanger等測(cè)序方法的基礎(chǔ)上，通過用不同顏色的熒光標(biāo)記四種不同的dNTPp，當(dāng)DNA聚合酶合成互補(bǔ)鏈時(shí)，每添加一種dNTPp就會(huì)釋放出不同的熒光，根據(jù)捕捉的熒光信號(hào)，經(jīng)過特定的計(jì)算機(jī)軟件處理，而獲得待測(cè)的DNA序列信息。

第二代測(cè)序技術(shù)大大降低了測(cè)序成本，同時(shí)，還大幅提高了測(cè)序速度，并且保持了高準(zhǔn)確性。以前完成一個(gè)人類基因組的測(cè)序需要3年，而使用二代測(cè)序技術(shù)則僅僅需要1周，但在序列讀長(zhǎng)方面比起第一代測(cè)序技術(shù)則要短很多。

顯然，人類基因工程是一個(gè)非常成功的工程。如今，我們不僅得到了整個(gè)人類的基因序列，而且在經(jīng)過基因測(cè)序長(zhǎng)達(dá)10年發(fā)展后的今天，每次基因測(cè)序的費(fèi)用已經(jīng)從幾百億美元下降到幾千美元。幾年之后，像Illumina這樣的公司承諾在一小時(shí)內(nèi)就可以完成基因測(cè)序，而且只收費(fèi)100美元。

迎來精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代

基因檢測(cè)最大的影響，就是在精準(zhǔn)醫(yī)療的應(yīng)用。

由于基因在人體中的重要作用，使得我們可以通過基因檢測(cè)來更加有效的管理健康和更有針對(duì)性地進(jìn)行疾病診療?；驒z測(cè)可以為受檢者、醫(yī)療人員和研究人員評(píng)估一些與基因相關(guān)的疾病、體質(zhì)或者個(gè)人特質(zhì)提供依據(jù)。

畢竟，基因突變，無論是環(huán)境誘導(dǎo)還是自然原因產(chǎn)生，如果發(fā)生在關(guān)鍵序列的區(qū)域，就有可能引起疾病。當(dāng)突變發(fā)生在人的某個(gè)部位，它有可能對(duì)這個(gè)人產(chǎn)生不良的影響；但是如果基因突變發(fā)生在生殖細(xì)胞內(nèi)時(shí)，就有極大的可能遺傳給下一代。而在胚胎發(fā)育的過程中，也容易受外界環(huán)境影響而發(fā)生突變，這種突變可能會(huì)影響甚至破壞胚胎的發(fā)育。

2015年年初，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在國(guó)情咨文講演中宣布推出新的大規(guī)模研發(fā)項(xiàng)目“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃”，同時(shí)提議國(guó)家投入2.15億美元進(jìn)行“百萬(wàn)基因組測(cè)序計(jì)劃”，旨在通過數(shù)年完成100萬(wàn)人的基因組測(cè)序，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，打通從基因組數(shù)據(jù)到臨床應(yīng)用的道路。

在疾病的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方面，現(xiàn)有的基因科學(xué)已經(jīng)可以對(duì)很多遺傳病提出精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，從而減少各種各樣的出生缺陷。目前，醫(yī)院應(yīng)用最多的是致病性基因的篩選。該類基因的致病性突變可以很大程度上造成某種疾病的發(fā)生，如地中海貧血、血友病等。還有一類基因，也就是所謂的易感基因，攜帶這類基因可以增加相關(guān)疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)，但是不代表一定會(huì)患病。在研究層面，如果相關(guān)的研究越多，積累的數(shù)據(jù)越大，我們就能越準(zhǔn)確地判斷個(gè)體在未來的疾病風(fēng)險(xiǎn)。

在精準(zhǔn)診斷上，通常，證據(jù)越充分，診斷就會(huì)越明確。目前醫(yī)生通常會(huì)通過影像學(xué)、血液生化指標(biāo)來判斷疾病的狀況，但常常有很多疾病難以確診。而精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)可以將一個(gè)人的遺傳因素考慮進(jìn)去，即加入基因診斷，結(jié)合臨床影像學(xué)和各類臨床生化指標(biāo)，以及環(huán)境飲食等條件進(jìn)行綜合考慮，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)人健康狀況及疾病狀態(tài)的更精準(zhǔn)的診斷。

在精準(zhǔn)治療上，要知道，對(duì)于某個(gè)藥物來說，用在最適合它的基因型個(gè)體上，它的療效可以達(dá)到75%，毒性只有1%；同樣一個(gè)藥，如果到了最不適合它的基因個(gè)體上，它的療效只有10%，毒性大于80%。而如果針對(duì)患者的疾病，有幾種治療藥物，為了明確適合患者的藥物，因此做一個(gè)基因檢測(cè)，就能夠根據(jù)每個(gè)人基因的不同，選擇合適的藥物和劑量。

目前，精準(zhǔn)治療在癌癥的治療中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。典型的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)治療腫瘤的過程通常是用基因測(cè)序的方法找到癌癥患者基因突變的靶標(biāo)，再輔以有針對(duì)性的化療藥物進(jìn)行“精確打擊”，然后通過療效監(jiān)控標(biāo)志物精準(zhǔn)跟蹤治療效果，以便隨時(shí)調(diào)整治療方案。用這樣的精準(zhǔn)治療代替目前腫瘤治療中的放療、化療、手術(shù)等地毯式轟炸手段，不僅可以提高治療效果，還能降低患者的痛苦程度，減輕經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

可以說，基因科學(xué)的快速發(fā)展，使我們對(duì)生命的認(rèn)知更為精準(zhǔn)：通過基因大數(shù)據(jù)可以對(duì)遺傳疾病進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)防，從大尺度到微尺度、從微尺度到大場(chǎng)景，人類對(duì)生命也有了更加全面的認(rèn)知。