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• 发布时间：2024-04-05 14:33:00

【概要描述】三位基因测序巨匠见证测序威力的庞大转变

测序技能已经年夜年夜凌驾了Carlos Bustamante、Stephen Kingsmore以及John Mattick三位玻士的预期。

作者： 年夜康健派编纂来历： 本站原创2016-12-05 17:50:31

测序技能已经年夜年夜凌驾了Carlos Bustamante、Stephen Kingsmore以及John Mattick三位玻士的预期。假如你于他们职业生活生计刚最先时扣问他们，是否有一天咱们能于一天内测序人类全基因组，他们的反映别离是： 疯言疯语！ ，绝对于不成能 和 做梦也不敢想 。

只管测序立异的速率让他们惊奇，但每一个人都迅速接纳了新一代测序（NGS）以及如今的群体测序，以便推进他们的科研以及转化事情。作为遗传学以及生物医学数据科学的传授以及斯坦福计较机、进化以及人类基因组学中央的首创主任，Bustamante玻士正哄骗群体测序来相识古代以及种族亚群中的遗传变异。Kingsmore玻士近来新任Rady儿童病院基因组医疗研究所的总裁兼CEO，他正哄骗测序来开发儿童基因组医疗的证据根蒂根基。作为Garvan医学研究所的履行主任，Mattick玻士正带头哄骗群体测序数据开展研究以及临床运用。

iCo妹妹unity这次与Bustamante、Kingsmore以及Mattick三位玻士对于话，聊聊他们的团队怎样哄骗高通量的人类全基因组以及群体测序来推进科研以及转化研究，交融 组学 以及表型数据的数据库的要求，和将这一信息转化成对于临床情况有效的格局所面对的应战。

从左到右：Carlos Bustamante玻士是遗传学以及生物医学数据科学的传授，和斯坦福计较机、进化以及人类基因组学中央的首创主任；Stephen Kingsmore玻士是Rady儿童病院基因组医疗研究所的总裁兼CEO；John Mattick玻士是Garvan医学研究所的履行主任。

于您刚成为科学家时，测序技能是甚么样的？

John Mattick （JM）：我对于测序的第一印象是瞥见放射自显影图上的条带。这是份子生物学的初期。咱们正于克隆以及测序基因。我其时以为，咱们是妙手。咱们只能从胶上读取几百个碱基，以后条带挨患上太近没法区别。咱们拆卸成1-2 kb长的序列，每一条序列都能发一篇论文。此刻转头看，这好像太原始了。

Stephen Kingsmore （SK）：我的测序体验是从放射性的p32标志和琼脂糖以及聚丙烯酰胺凝胶最先的。一个了不得的测序反映是150个核苷酸，而那要花去泰半天。

Carlos Bustamante （CB）：我成为科学家时，主动化测序正于开发中，是以我开展了一些手动测序，以后于第一代测序仪长进行年夜量的测序。我首次体验是于史密森学会实习时，他们方才成立了份子体系学试验室。那时，测序多名个别的几个基因但是年夜项目。

当东西革新时，您的测序要领怎样转变？

CB：一最先，咱们将每一个片断的数据都看患上很名贵。当Celera最先举行初期的外显子组测序时，他们对于20万个样品举行PCR，并测序39小我私家的2万个基因。我想， 这是一个数据集！咱们始终于等候这个。 咱们停下了手头的事情，花了4-5年的时间来研究这39个外显子组，并揭晓了8-9篇论文，以差别的体式格局阐发数据。这类思维模式已经经被倾覆了。如今，咱们哄骗NGS不停地倏地天生数据，然后担忧它象征着甚么。

当新一代测序（NGS）东西被引入时，您多快将其引入研究？

CB：NGS倏地成为咱们研究中的主要东西。咱们是猕猴以及猩猩基因组规划中的一部门，此中咱们阐发多态性数据。咱们也是千人基因组规划最初的阐发小组之一，设计美洲的采样，确定2x-4x测序的价值，和变异频次的边界。

SK：NGS体系上市没多久，咱们就最先使用了。那是冲动人心的日子。咱们将邮件收发室改成NGS试验室。关在人类基因组，人们知道患上还未几，是以咱们每一项研究都于发明新工具。

JM：多年来，我始终是基因组学新技能的初期接纳者。与Craig Venter同样，我是Molecular Dynamics的Megabase测序仪的初期客户之一。Garvan研究所是最早采办HiSeq X？ Ten体系的3家机构之一。

得到切确变异信息的独一的体式格局是获取数十万个基因组的正确变异信息，如许咱们才气评估咱们所看到的每一个变异的频次。

您初期的测序事情怎样影响您今朝研究的重点？

CB：于初期，咱们研究感乐趣的基因中的多态性以及变异。于我的玻士论文中，我阐发了其时最年夜的基因组数据集，它包孕对于多只果蝇测序的25个果蝇基因以及对于多株动物测序的15个拟南芥基因。咱们查看氨基酸的差异和有益以及无害突变的堆集。从那时起，我最先思量创立人类序列的年夜型数据集，如许咱们就能以一样的体式格局阐发。

SK：于国度基因组资源中央的时辰，咱们哄骗初期NGS来测序动物以及病原体的转录组，厥后是基因组，并最先测序人类样品。咱们中的一些人熟悉到，咱们于科研情况中开展的研究不久将会影响医疗保健。于环视天下以后，3小我私家去了堪萨斯城的儿童慈善病院，成立第一批儿科基因组学医疗中央，并最先举行转化研究。我今朝于Rady儿童病院的基因组科学研究所，于这里咱们将更进一步，存眷基因组体系医疗于加利福尼亚州最年夜儿童病院中的年夜范围实行。

JM：高通量测序对于熟悉人类基因组的转录繁杂性有伟大影响。NGS加速了咱们深切转录组的威力，让咱们可以或许摸索非编码转录本的奇奥世界，它于发育历程中以切确的体式格局从差别的细胞以及构造的基因组中涌出。我以为人类基因组就像出格的。ZIP压缩文件。人类基因组的转录繁杂性至少比基因组自己高了一个数目级，它可以或许以差别的体式格局解压缩，于差别的时间，于差别的细胞中出现出差别的编码以及非编码RNA的表达以及剪接模式。没有高通量测序，咱们将没法摸索这个世界。

于基因组学的新世界，每一个学生、每一个玻士后、每一个试验室以及每一个部分都需要有威力行止理年夜数据。

您此刻怎样使用NGS？

CB：NGS已经经为群体基因组学斥地了新门路。我记患上曾经于冷泉港集会上，我意想到千人基因组规划应包罗稠浊的基因组。人们质疑这一点，但我以为，若要阐发以及开展跨种族以及多种族的研究，咱们需要搞清晰怎样理解稠浊基因组。

咱们介入临床基因组资源（ClinGen）同盟的一个缘故原由是搜集临床基因检测数据，并减弱意思不明的变异（VUS）的比例，这于某些少数人种群体中更高，仅仅是由于没有太多序列可供阐发。NGS让继承追踪这些GWAS hit变患上重价且轻松。咱们发明的每一个氨基酸转变都是确实的证据。显然，假如咱们真的想要开发让每一个人都受益的基因组医疗，咱们需要拓宽人类DNA研究中的种族代表。

SK：咱们的重点于全基因组测序（WGS），由于这是最终的份子检测。WGS如今更快了，咱们与Illumina互助，开发出一种要领，让咱们可以或许于26小时内解码以及阐发整小我私家类基因组1.咱们的方针是到来岁年中，向咱们新生儿以及儿科重症监护室（NICU以及PICU）中每一个没法确诊的儿童提供倏地NGS，并开展临床研究，以确定基因组医疗于儿科住院以及门诊情况中的临床效用以及成本效益。

HiSeq X体系让您实现了哪些研究？

CB：群体测序是我始终但愿到达的颠峰 阐发多小我私家类基因组。咱们于开展年夜范围的群体测序研究，以它们作为基线往返答主要的群体遗传问题，并阐发成果，为临床医学带来新要领。例如，咱们综合哄骗年夜范围的基因分型以及测序，于秘鲁开展一项子痫前期的研究，并研究一下高原顺应，由于它与子痫前期相干联。

SK：哄骗HiSeq X体系，基因组变患上自制许多，是以咱们可以或许测序更多的家系。今朝有8000种已经定名的遗传病，咱们及其别人都强烈觉得到，NGS将转变咱们鉴定遗传病的威力。咱们但愿哄骗HiSeq X以及Illumina SeqLab举措措施，慢慢开发证据根蒂根基来撑持这一点。

咱们最年夜的应战就于在怎样分享群体测序数据。

JM：Garvan研究所是最早将基因组学推向研究事情的中央的研究所之一，而不是作为传统份子生物学的延长。跟着基因组测序的伟大前进和随之而来的成本降落，开展群体测序并将基因组学推向科研以及临床的中央已经经于经济上变患上可行。

HiSeq X体系怎样让转化以及科研事情交融，这长短同平常的。咱们始终与全球的研究职员互助。HiSeq X Ten体系的体现很精彩。

除了了研究单基因疾病，咱们也于年夜型研究工程中使用群体测序，包孕癌症、糖尿病、骨质松散症、免疫学疾病、神经退行性以及神经精力疾病，和朽迈。作为国际癌症基因组同盟（ICGC）的一部门，咱们正开展癌症分层研究，并哄骗NGS阐释癌症基因组，评估家族癌症危害的遗传元素。咱们对于1型糖尿病的患者举行测序，以发明平生中状态精良的患者与后期患有严峻并发症（如肾衰竭）的患者之间的遗传差异。于咱们的朽迈研究中，咱们正哄骗群体测序来研究数千名个别，他们年岁已经高，但没有血汗管疾病、癌症、认知威力阑珊或者神经退行性疾病的任何迹象。咱们正于开发危害去除了行列步队，它们可作为比照，用在罹患此病的患者的研究。哄骗HiSeq X Ten测序威力的其他工程包孕研究患有心脏、线粒体以及阿尔茨海默病的群体。

您于分享群体测序数据时有何应战？

CB：咱们最年夜的应战就于在怎样分享群体测序数据。NIH及其他机构如今号令研究职员分享他们的数据。不幸的是，这对于临床数据而言是不准确的。年夜大都病院都没有真实的数据分享准则。咱们也糊口于一个互相连通的世界，这让患者对于分享信息感应不从容。是以，国际基因组学康健同盟及其他机构开发前瞻性知情赞成、隐衷步伐和数据治理以及通明度上的最好实践将是颇有价值的。

SK：当咱们于Rady儿童病院测序基因组以前，怙恃必需签订知情赞成书。知情历程的一部门是赞成咱们可以或许揭晓基因组。咱们去除了辨认信息，如许就没有信息可以或许将基因组与儿童或者怙恃相干联，然后信息就能够从美国国度生物技能信息中央（NCBI）的基因型以及表型数据库（dbGaP）中获取，这是一个私家的数据库。研究职员只要于向NIH申请，并很好地注释他们为何需要获取这个信息以后，才气获得数据。这好像于隐衷方面的担忧以及其他研究职员可以或许研究公然基因组的利益之间到达了精良的均衡。

不幸的是，并不是所有病院都有一个适量的基因组同享知情赞成历程。临床研究职员需要人类全基因组序列信息来确定基准。他们想看看变异于基因组中有多常见。独一的体式格局是获取数十万个基因组的正确变异信息，如许咱们才气评估咱们所看到的每一个变异的频次。

跟着基因组测序的伟大前进和随之而来的成本降落，开展群体测序并将基因组学推向科研以及临床的中央已经经于经济上变患上可行。

将WGS、表不雅基因组、转录组及其他基因组以及表型数据相整合，得到差别的基因组快照，有何价值？

CB：开展各类类型的组学阐发，RNA-Seq、甲基化组测序等，具备主要的价值。咱们仍不太理解人体的调控收集。咱们如今于开展以及整合组学数据吗？我想，这举行患上很慢，部门缘故原由是测序要比注释简朴患上多。

SK：泛组学无疑具备价值，此中咱们正获取全基因组数据，并将它与深度表型组、表不雅遗传、基因表达、代谢组以及卵白质组的数据联合于一路。测序基因组其实不是游戏的竣事，而是一个巨大的最先。咱们最先相识，咱们需要甚么才气带来精准医疗。例如，咱们不知道咱们于基因组中发明的年夜大都变异于功效上象征着甚么。是以，咱们不克不及自傲评估，它们是否让人体孕育发生转变。显然，咱们需要更多类型的数据，可以或许年夜范围开展这类评估。

JM：临床研究以及医疗的将来将缭绕着年夜数据的整合。这不单单是个体的及归并的基因组数据集。这些将逐渐与转录组、表不雅基因组、卵白质组，和最主要的表型数据相交融，创立高度联系关系、富含信息的数据集。医疗正于倏地向年夜数据迈进，而数万个、数十万个基因组序列的得到将使其加快。它行将转变一切。

生物信息学以及数据库对于挖掘群体测序的全数价值有多主要？

CB：从一最先，咱们就很清晰需要将测序与阐发东西相联合，才气理解所无数据。经由过程联系关系以及阐发表型及基因型信息，咱们最先揭开于静态数据中看不到的模式。人们有一种乐不雅的立场，假如咱们可以或许以更严酷的体式格局测定表型以及袒露，咱们就可以网络到海量的数据，帮忙咱们发明遗传联系关系。

JM：我以为，生物信息学框架以及数据库对于整个事情很要害。它将基因组数据与正交数据集相整合，以提取名贵的信息。咱们确定的遗传模式将有助在相识个别于临床中的环境，并经由过程元数据的阐发，相识就疾病模式、并存疾病而言的整个康健系统。

群体测序其实不是一件轻松的工作。于已往1-2年，咱们投资了1000万美元来成立计较管道。整个拆卸管道有一个不停扩展的60小我私家团队，开展测序、拆卸数据、检出变异以及群体之间的差异，并将数据与表型数据有关联。

于基因组学的新世界，每一个学生、每一个玻士后、每一个试验室以及每一个部分都需要有威力行止理年夜数据。这终将不是专家的事。它对于整个研究以及医疗事情都很要害。这是一个数据驱动的世界，咱们正冲向它。

SK：咱们于近来的研究中熟悉到生物信息学的价值，这项研究比力了WGS以及传统基因检测于确定危从头生儿的孟德尔疾病中的效果2.为了阐发数据，咱们开发了一些新的生物信息学东西。论文证实了基因组测序的实用性，但咱们需要基因组学的临床价值的进一步证据。咱们还需要一种简化的要领将成果奉告大夫，不只瓜葛到诊断，还瓜葛到NGS数据怎样提供医治决议计划。

泛组学无疑具备价值，此中咱们正获取全基因组数据，并将它与深度表型组、表不雅遗传、基因表达、代谢组以及卵白质组的数据联合于一路。

您需要哪一种类型的数据库？

JM：咱们需要天下程度的基因型/表型联系关系数据库，它们由卫生部分维护，可招供可的研究职员以及大夫查询。它们必需是天下的数据库，由于每一个统领区存于独有的法令及其他要求。它们需要以某种体式格局与一个全世界数据库相干联，如许一个国度孕育发生的数据可于其他处所使用，并以多维度的体式格局摸索，以便推进咱们对于人类生物学以及疾病的相识。

我以为最广泛意思的群体范围测序将从儿童最先，多是于出生时，以代替此刻的Guthrie查抄。

创立这些数据库需要多永劫间？

JM：咱们不成能于一晚上之间对于全球的每一个人测序，但我信赖，十年内咱们将有年夜型的基因组数据库。基因组数据将逐渐成为病历的一个尺度部门。于抱负环境下，咱们将于云端拥有充实审核、基在证据的基因型/表型联系关系数据库，它们将被维护，其实不断更新天下资源。

最初的运用将是对于有着严峻遗传缺陷的个别举行测序，由于咱们可以或许倏地从对折病例中诊断出致病突变。癌症分层将是一个主要范畴，让大夫可以或许确定疾病的份子根蒂根基，从而更有用地医治疾病。第三个范畴将是检测药物副作用的遗传标记物，由于这对于每一个国度的病院系统是个伟大的承担。咱们可以或许经由过程基因组信息猜测以及防止年夜部门的副作用。

咱们正提议Australia医疗体系对于每一个带有发育以及/或者智力障碍的人举行测序，作为一线医治。我估计，这将于2-5年内变患上通例。我以为最广泛意思的群体范围测序将从儿童最先，多是于出生时，以代替此刻的Guthrie查抄。新一代的儿童将是基因组一代，于他们身上选择性地开展基因组测序以及阐发，以后跟着技能以及信息的价值改良，再慢慢广泛运用。

您以为WGS将成为一种通例的临床检测吗？

JM：测序间隔通例运用（即体检的一部门）其实不遥远。测序用度将不停降落，这使患上人们可以或许再次阐发以提高某小我私家的基因组原始数据的正确性，融入表不雅基因组以及转录组数据，或者查看体细胞变异。跟着咱们更深切相识基因组中的变异对于生物学以及医学象征着甚么，测序的价值将不停提高。测序于医学中的更广泛使用如今遭到数据库的富厚性以及品质的限定，这些掉队在信息的阐发。

值患上一提����Ϸapp的是，美国医学遗传学家学会（ACMG）强迫陈诉56个基因，由于这些可能与患者将来的康健有主要的瓜葛。咱们将最先查看充实验证的基因调集，不管是强迫陈诉的，照旧这一范畴的机构自傲陈诉给大夫以及患者的，跟着时间的推移，这个列表将不停扩大。

SK：咱们有着新生儿筛查工程的富厚传统，此中每一个婴儿于出生时城市举行足跟采血，检测29种疾病。一些美国的研究小组最先研究，假如咱们将足跟采血换成基因组测序，那将会提供其他哪些信息。咱们还不知道。

群体测序将让咱们发明以及鉴定与不良反映有关的临床可步履变异的总体等位基因频次。

人类全基因组数据是否让咱们离个性化医疗更近？

CB：我以为，基因组测序终极将成为通例医疗的一部门，和人们电子病历中的一部门。这是一个有趣的时代，由于咱们有点处于过渡阶段。测序技能已经经成熟，而人们于开展高通量测序，很快将通例开展群体测序。

咱们需要提出一个协商好的规划，来调集这些数据，阐发它们，并尽快将其转化成康健收益。终极，咱们需要为公家提供精良的投资回报。

SK：将来，测序成果将带来医治的转变。正常来讲，诊断范畴是属在病理学家以及查验师的，而医疗实行才是大夫的义务。对于在基因组医疗，这两项将交融。这将是一个应战，由于没有一方习气让另外一份来介入这些使命或者信息。

JM：我以为问题于在咱们对于基因组的相识还颇有限。如今，咱们只能正确陈诉卵白编码序列中的一些变异的影响。从文献中网络充足的证据以及数据，以便自傲检出基因组其他部门中可能有医学意思的突变或者变异，这是一个年夜项目。经由过程群体测序创立的全世界年夜型数据库将撑持这一事情。这些数据库将包罗反应一系列突变以及表型特性的序列，并答应人们经由过程查询来确定新样品是否反应了数据库中已经存于的症状以及突变。

群体测序的数据将怎样转变医疗？

JM：群体测序将对于医疗孕育发生深远的影响，将其从危机治理的艺术改变为精良康健的科学。咱们知道，个别的基因组变异以及咱们的遗传特质影响了咱们此刻的康健，并带来了将来疾病的危害，不管是2型糖尿病、癌症、类风湿性枢纽关头炎，照旧阿尔茨海默病。对于很多病例而言，未雨绸缪，这让大夫以及患者可以或许实行计谋，以降低、防止或者预备这些可能性。

SK：我研究儿童的稀有遗传病，它们只是遗传的。咱们如今有威力做出倏地诊断，是以，这些疾病可能于开发以及打造新药上具备成本效益。咱们的但愿是，基因组学于诊断繁杂疾病大将逐渐变患上与单基因疾病一样名贵。这或许需要几十年才气遇上，但群体研究对于缩小这一差距将长短常主要的。关在群体研究，冲动人心的一件事是咱们最先按照遗传学来从头界说咱们描写疾病的体式格局，而不是按照症状。

JM：群体研究将为医治药物的开发提供信息，出格是于鉴定不良反映的遗传学上。美国一年有10万人逝世在处方药的不良反映3.于Australia，至少2-3%的入院是因为处方药的不良反映4.

CB：例如，Abacavir是一种主要的HIV药物，而研究职员已经鉴定出一种与Abacavir过敏相干的HLA变异。这个变异于非洲以及欧洲人中的风行水平很低，但于印度以及亚洲的某些群体中却到达20%的频次5.假如携带变异的患者服用一次Abacavir，他们会变患上很是衰弱。假如他们服用两次，则会灭亡。群体测序将让咱们发明以及鉴定与不良反映有关的临床可步履变异的总体等位基因频次。瓶颈于在让大夫理解药物代谢信息，如许他们将知道选择药物A照旧药物B，或者者将剂量减半或者加倍。

JM：制药公司也最先哄骗群体测序来鉴定已往药物实验中的异样相应者。假如他们可以或许将群体分层，并确定相应者的特定遗传配景，则他们可以或许阐发相干的生物化学通路。他们不只于拯救掉败的药物，也于拯救相应患者，带来有用且可能救命的医治。

出格是于美国，咱们需要对于那些康健成果最差的种族群体举行群体测序，如许保健上的负缺口才不会扩展。

种族亚群的测序有多主要？

CB：咱们把握技能来开展群体测序，这真是棒极了。然而，咱们需要协调事情，让研究继承于种族亚群上开展。没有的话，重点将仍是测序年夜量的同质群体，如芬兰人或者冰岛人。只管这些事情很主要，但它们的收益将没法转化到所有群体。出格是于美国，咱们需要对于那些康健成果最差的种族群体举行群体测序，如许保健上的负缺口才不会扩展。这带来了一个应战，由于不会有高级的步履来资助这些事情。美国当局的精准医疗步履是一项巨大的事情，但它不克不及与英国及其他国度的事情比拟。出格是中国，它以为基因组学是他们成长规划中重要的一块。

终极，基因组信息将主动从智能装备陈诉到云端。这将带咱们进入一个从未胡想过的境地。

1，000美元基因组已经经或者将要孕育发生哪些影响？

SK：好动静是，1000美元基因组存于在群体测序中。于临床保健中，咱们需要的是倏地基因组测序的成本也降低至1000美元基因组的程度，这尚未实现。

JM：1000美元基因组是一个现实且生理的临界点。它转变了咱们思量技能的体式格局和咱们以为哪些是可能的。它引发了临床以及科研勾当的整合，以一种咱们从未想过的体式格局。人们如今熟悉到，基因组学正从一个研究东西逐渐改变成一个一样平常的临床阐发东西。

当您刚成为科学家时，您是否信赖有一天人类全基因组测序将于一天内开展？

CB：我可能会说，那是不成能的。疯言疯语！

SK：绝对于不成能。纵然让我回到我使用第一台Solexa体系测序时，我也不敢指望，咱们可以或许云云倏地地年夜量孕育发生基因组。

JM：做梦也不敢想。于20世纪下半叶，咱们才方才晓得DNA长甚么样，基因长甚么样，并开发出原始的基因组阐发东西。那时，咱们所做的一切都被以为是处于前沿，简直是如许。如今，咱们以超乎平常的速率进步。21世纪将是生物学以及医学的世纪。NGS与年夜数据的整合仍将睁开，并带来可预感的将来。终极，基因组信息将主动从智能装备陈诉到云端。这将带咱们进入一个从未胡想过的境地。这是一个出色绝伦且冲动人心的时代。咱们很感谢Illumina如许的公司，从技能上引领这一切。

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1天前