DNA测序

　　DNA测序

　　速度更快、成本更低、精度更准，DNA测序技术的“摩尔定律化”发展，不仅造福人类，还将我们提前送至个人基因组时代

　　文 | 冯志华

　　晚年患上奥茨海默症的风险有多高？被肿瘤缠身的几率有多大？有没有心脏病或高血压之虞？你对艾滋病是否存在某种程度的抗性？一旦不幸罹患某种病症，对你而言哪种药物疗效最好？对这些问题，大规模快速测序技术或许能帮我们在DNA的字里行间找到答案，而这项技术近日的新进展，令一切变得指日可待。

　　DNA测序会“摩尔定律化”吗

　　人类基因组这部由A、T、G、C四个字母组成的卷帙浩繁的生命天书如同一座宝库，保藏着几千年来人们迫切想知道的秘密，DNA测序技术就好似“芝麻开门”这样的咒语，是我们打开宝库的金钥匙。

　　世界上第一个测定DNA序列的方法是由英国生化学家弗雷德里克·桑格尔发明的。自此DNA测序的速度就一直呈加速态势。2001年人类基因组草图耗资4.37亿美元，耗时13年。到了2007年，第一个完整人类基因组序列图谱的诞生只花费了150万美元，3个月就搞定。

　　2009年1月2日，美国加州太平洋生物科学公司的科学家乔纳斯·考尔拉赫、斯蒂芬·特纳及其研究小组在《科学》杂志上发表论文称，他们将纳米技术与芯片技术相结合，发明了一种新型测序方法，速度是现有技术的3万倍。

　　科学家在一个蚀刻有纳米结构的微阵列芯片上放置了数以千计的波导管。这是一种微型、中空的金属管，直径大约20纳米，体积大约是1毫微微微升，一个DNA分子外加一个DNA多聚酶分子便可将管内空间占满。这样一来，仅在一块小小的芯片上，就能同时进行数千个测序反应。尤其可贵的是，在这种微型波导管中进行测序反应时，干扰会显著减少，也就是说可以大幅提高精确度。

　　目前的产品中，每个芯片上的波导管大约有3000个，太平洋生物科学公司打算2010年推出这一级别的产品。据公司创始人特纳预计，到2013年，将实现每张芯片放置一百万个波导管，届时将能在半小时内测完人类基因组全序列，精确度达到99.999%，花费低于1000美元。

　　尽管美国得克萨斯州贝勒医学院的迈克尔·梅兹克博士表示特纳的展望过于乐观，但这样惊人的速度让我们仿佛看到了计算机CPU曾经的前进步伐——集成电路上容纳的晶体管数目，每18个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。有人评论道，DNA测序技术将跟随计算机技术和通讯技术成为第三个“摩尔定律化”的学科产业。

　　快速测序造福人类

　　DNA测序方法的飞速发展让我们不仅知晓了人类的全基因组序列，小麦、水稻、家蚕以及很多细菌的序列也都尽在掌握，这时探明一段序列所代表的生物学意义成了科学家的新目标。

　　通过对人类基因组序列的分析，科学家发现30亿对核苷酸组成的庞大序列中只有1.5%用于编码基因，另外还有少许扮演调控基因表达的角色，剩余的大部分都是功能未知的“垃圾DNA”。从表面上看，人与人之间的不同是如此缤纷复杂，但深入到DNA水平上，基因编码序列却只有0.1%的不同。很多时候，在一条序列上，人与人之间只有一个核苷酸的差异，这种现象被科学家命名为单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms，简称SNPs）。

　　以往在数万个人类基因中筛选致病相关基因就像大海捞针。科学家需要取得同一个家族的多位患者的标本，才能设法定位这个基因究竟在何处。比如在寻找亨廷顿氏病的致病基因时，多位科学家在委内瑞拉一个亨廷顿氏病家族中折腾了十几年才真正把它逮住。现在有了快速测序技术和SNPs这个强有力的工具，筛查疾病易感人群、鉴定致病或抑病基因、药物高通量的设计与测试乃至个性化医疗都将不再是憧憬中的事情。

　　威康信托基金会是英国最大的生物医学资助机构之一，拥有50余个研究小组。在过去的几年他们开展了一项颇具野心的庞大计划——向双向障碍病、冠心病、克罗恩氏病、风湿性关节炎、高血压以及I型糖尿病和II型糖尿病等多基因疾病发起挑战。通过对1.7万名英国人的SNPs进行筛查分析，在基因组中找到24处与上述7种疾病相关的位点，仅在II型糖尿病的筛查中就找到并证实了10个致病基因。

　　就像刚发现电的那个时代

　　SNPs的大量存在让人们意识到人类基因组图谱并非独一无二，实际上每个人都有自己的独特图谱。随着DNA测序速度指数般的提升，个人基因组图谱服务也逐渐浮出水面。

　　2006年美国X-大奖基金会悬红1000万美元，授予能够在10天之内完成100人全基因组测序且每人花费低于1万美元的研究小组。早些时候美国国立人类基因组研究所也发起一项计划，旨在将全基因组测序的人均成本降至1000美元以下。

　　目前虽然尚无人最终撞线，但已有多家公司嗅出了其中的商机——既然人与人之间大部分的DNA序列都是一致的，那么通过筛查SNPs，找出顾客基因组中的不同之处，尤其是找出一些与疾病相关的位点，也不失为一种“准个人基因组服务”。

　　在这一领域的竞争中，风头最劲的无疑是“23 and me”公司，除了“创始人之一的安妮·沃基斯基是横跨生物、金融两界的耶鲁才女”，“谷歌技术总裁谢尔盖·布林之妻加入”等让人津津乐道的花边新闻之外，他们提供的产品还荣获了2008年度《时代》杂志评选的年度发明50佳，并且位列第一。

　　2007年底，“23 and me”正式推出了个性化的基因测试服务，标价1000美元。当时股神巴菲特及传媒巨鳄默多克都曾做过测试。2008年9月，测试服务的价格跳水至399美元，这一平民价格终于让一度高不可攀的个人基因组测试走入了寻常百姓家。

　　顾客在“23 and me”的网站上订购这项服务后不久，会收到一个试剂盒。只需在试剂盒提供的一支无菌试管中吐上2.5毫升的唾液，密封好后快递至该公司就万事大吉了。2~6周后，你在订购时指定的邮箱会收到一封邮件，根据信中的密码登录“23 and me”的网站，便可看到所有的结果。比如包含有基因型详细内容的原始数据，还有一份分析结果的详细报告，最后甚至还附有参考文献。据“23 and me”声称，通过这项服务，顾客可以了解到日后罹患肿瘤、奥茨海默症、糖尿病以及其他疾患的风险。

　　除了“23 and me”公司，冰岛的deCODE公司和美国加州的Navigenics公司都推出了个人基因测试服务，不过面对这些遍地开花的商业化尝试，一些科学家提出了自己的担忧，疾病与基因有时并非百分之百地一一对应，很多目前已知的疾病标记只是轻微提高疾病风险，但却会造成不必要的担心。

　　个人基因测试大行其道后带来基因歧视以及遗传数据保护不当导致的隐私泄露问题，也被生物伦理学家所关注。此前在美国，曾有多家保险公司以一些黑人携带地中海贫血病基因为由拒绝为其提供医疗保险。不过好在2008年5月，美国参众两院均以压倒多数通过了《遗传信息无歧视法案》，其中明文规定基因检测显示某人易患某种疾病，保险公司不得据此提高医疗保险费或者拒绝为其提供保险。同样，雇主也不能以基因信息作为招聘、解雇或升职等的依据。

　　飞速发展的DNA测序技术还在帮助科学家不断地从DNA序列中挖出更多的秘密，未来怎样难以预料。诚如人类基因组研究的知名专家、美国塞莱拉公司首席科学家克雷格·文特尔所言：“破译基因组密码的意义就如同在刚发现电的那个时代，没有人能想象出个人电脑、互联网一样。”■