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相较于全基因组测序,Knome公司的外显子组测序服务可能没有那么引人注目,但论重要性,它其实更胜一筹。
外显子是真核生物基因组中参与编码蛋白质的片段,基因组中全部外显子的总和即为外显子组(exome)。
在人类基因组中,外显子组序列仅占1%—2%,因而与需要读取全部序列的全基因组测序相比,外显子组测序的成本要低得多。
此外,鉴于目前已知的大部分致病突变都集中在外显子组中,只对外显子组进行测序也可以达到诊断疾病的目的。
2009年10月5日,一位叫丹尼尔·麦克阿瑟(Dahur)的美国科学家在《连线》(WIRED)杂志上发表了一篇关于Knome推出价格24500美元的个人外显子组测序服务的文章。
仅仅5年后,麦克阿瑟就以其主导的人类外显子组整合数据库(theExation,ExAC)项目在遗传学界名声大噪。
人类外显子组整合数据库收集了超过6万人的外显子组数据,两年后的2016年,人类外显子组整合数据库的升级版—基因组整合数据库(GionDatabase,gnomAD)问世,它整合了超过125000份人类外显子组数据和15000份全基因组数据并面向全世界免费开放,可以说是解读基因检测结果最不可或缺的一大工具。
回望2009年,外显子组测序的临床应用似乎遥不可及。
它高昂的价格让一般人望而却步,因而仍是富人和极少数资金雄厚的研究实验室的专利。
即使随着时间的推移,人们意识到这种测序方法应用于临床诊断只是时间早晚的问题,但到底还要等多久还很难说。
今天,外显子组测序已不再是遥不可及的梦想,技术进步是最大的“幕后功臣”
。
这要从人类基因组计划说起,当年该计划所使用的是第一代测序技术—桑格法测序,这种方法须先将待测序的DNA片段进行扩增,再通过一系列测序反应得到可以读取的短小DNA片段,通常一次可以读取几百个碱基。
如果你的测序量不是很大,桑格测序法不失为一种很有效的测序方法。
一般情况下,一个基因大约包含10—20个外显子。
如果用这种方法进行外显子组测序,你需要将这10—20条DNA片段进行扩增、测序,再将测得的序列与已知基因组序列进行比对,工作量很大,但不是不可以完成。
这有点像给了你一本体量浩大的书,但只要求你校对各章节的标题。
你甚至可以用这种方法对整个基因组进行测序(即校对整本书),毕竟人类基因组计划最早采用的就是这种测序方法,但这是一项耗资数十亿美元、历时数年的浩大工程,哪怕在今天也是如此。
且不说用第一代测序技术测序整个人类基因组,即使测序一个人的外显子组都是令人望而生畏的挑战—你要扩增、测序并读取30万条DNA片段。
由此可以看出,如果想让这种大规模测序真正变得触手可及,须另辟蹊径。
目前,至少有六种技术可以实现大规模测序,其原理都是化学反应。
尽管不同技术所利用的化学反应不尽相同,但它们的核心是一样的:一次读取尽可能多的DNA片段。
这类测序技术被称为大规模平行测序(massivelyparallelsequeng,MPS),又称下一代测序(ionsequenGS)、第二代测序。
开创这一代测序技术先河的是现已不复存在的454生命科学公司(454LifeSce,以下简称454公司)[82]。
这个名字的由来是个谜,有传言称该公司最初所在的街道号是454号,还有一种说法提到454华氏度是金钱燃烧的温度。
言归正传,454公司的创立者是乔纳森·罗斯伯格(J),生物科技领域的史蒂夫·乔布斯。
1993年,还是一名学生的罗斯伯格创办了他的第一家基因组公司,也就是454公司的母公司。
其后,他又创立了多家基因科技公司,其中最有影响力的两家当数RainDance(这个名字起得好多了)和Io。
罗斯伯格步履不停,加速基因测序技术创新的背后,是一个父亲对孩子深沉的爱。
他的大女儿患有一种罕见遗传病,二儿子诺亚在出生后不久就出现了呼吸困难的症状,他的医生却找不到原因。
尽管后来孩子没有大碍,但这件事一直让罗斯伯格耿耿于怀:如果儿子的医生当时能做快速基因检测,就能在第一时间判断像他儿子这样的孩子是否患有遗传病了。
从那时起,探寻快速基因检测的方法就成了罗斯伯格的心愿。
他也确实实现了这一目标—我工作的实验室里就有一台Io研发的IonProton测序仪,可以通过快速外显子组测序诊断婴儿是否患有遗传疾病。
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