基因組測序?qū)τ谠\斷患有 DNA 相關(guān)疾病的患者至關(guān)重要：一旦醫(yī)生知道特定的基因突變，他們就可以相應(yīng)地調(diào)整治療方案。

“對(duì)患者的全基因組進(jìn)行測序、分析并收到結(jié)果，用時(shí)數(shù)周已經(jīng)算得上大多數(shù)臨床醫(yī)生所認(rèn)為的‘快速’了?！?斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)和生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)教授 Euan Ashley 博士說。

而現(xiàn)在，Ashley 所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)把對(duì)人類基因組進(jìn)行測序的時(shí)間縮短到了5 小時(shí) 2 分鐘。據(jù)悉，這個(gè)時(shí)長創(chuàng)造了最快人類基因組測序的吉尼斯世界記錄。完成測序后，繼續(xù)對(duì)基因組測序結(jié)果進(jìn)行分析并診斷出結(jié)果，總共所需的時(shí)間是7 小時(shí) 18 分鐘。Ashley 和他的團(tuán)隊(duì)重新定義了 “快速”，這在標(biāo)準(zhǔn)臨床診斷中幾乎是聞所未聞的。

圖 | Euan Ashley（來源：stanford medicine）

Ashley 團(tuán)隊(duì)的研究成果于近日刊登在The New England Journal of Medicine上，題為：Ultrarapid Nanopore Genome Sequencing in a Critical Care Setting。在這項(xiàng)研究中，研究人員在不到六個(gè)月的時(shí)間里，招募并測序了 12 名患者的基因組，其中 5 人從測序結(jié)果中獲得了疾病診斷。這或?qū)榕R床治療提供一種新思路。

參與該研究的還有 NVIDIA、牛津納米孔技術(shù)公司、谷歌、貝勒醫(yī)學(xué)院和加州大學(xué)圣克魯斯分校的研究人員。

在這項(xiàng)研究中，疾病診斷率約為42%（5/12），比平均水平高出約 12%。因此，這次的 “提速”并沒有降低準(zhǔn)確性。

隨著成本的不斷下降，基因組測序技術(shù)給臨床醫(yī)生診斷遺傳疾病提供了更有力的手段。但基因測序大數(shù)據(jù)的分析往往需要耗費(fèi)很長時(shí)間，這是阻礙基因組學(xué)發(fā)展的最大障礙。同時(shí)對(duì)于患者來說，時(shí)間就是生命。

早在 2016 年 4 月 25 日，瑞迪兒童醫(yī)院（Rady Children’s Hospital）旗下基因組藥物研究所總裁兼首席執(zhí)行官 Stephen Kingsmore 博士采用基因組測序技術(shù)在 26 小時(shí)內(nèi)成功為患有嚴(yán)重出生缺陷的嬰兒從基因?qū)用嬖\斷出了疾病。這創(chuàng)下當(dāng)時(shí)世界上最快的基因診斷紀(jì)錄。

此后 Kingsmore 團(tuán)隊(duì)不斷刷新記錄， 2019 年創(chuàng)下 19.5 小時(shí)的記錄，去年他們又以 14.5 小時(shí)的成績?cè)俅螛s登榜首。

Ashley 的研究成果讓診斷時(shí)間變得更短。他使用了牛津納米孔技術(shù)公司開發(fā)的 PromethION 48 測序系統(tǒng)，這套系統(tǒng)里一共有 48 個(gè)均可以獨(dú)立完成基因測序工作的測序流動(dòng)池（flow cell）。研究人員讓 48個(gè)流動(dòng)池同時(shí)工作，極大地加快了速度。

提速后測序產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，超出了實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算能力，研究人員必須將這些數(shù)據(jù)上傳到云端以加快數(shù)據(jù)處理速度，他們使用了 Google Cloud 上的 NVIDIA GPU 加速了堿基調(diào)用和變異調(diào)用，NVIDIA Clara Parabricks 計(jì)算基因組應(yīng)用框架也加快了識(shí)別基因組中數(shù)百萬個(gè)變異的過程 。

當(dāng)獲得基因變異結(jié)果后，研究人員拿公開發(fā)表的論文進(jìn)行對(duì)比和確認(rèn)，最終診斷出疾病。

其中，能保證測序速度加快而準(zhǔn)確性不降反升的利器是，長讀長測序。

傳統(tǒng)的基因組測序技術(shù)先將基因切成小片段進(jìn)行測序，然后使用標(biāo)準(zhǔn)人類基因組作為參考，將整個(gè)測序結(jié)果重新拼成一個(gè)基因組。但這種方法并不總能捕獲我們的整個(gè)基因組，而且它提供的信息有時(shí)會(huì)忽略指向診斷的基因變異。

（來源：the Pathologist）

長讀長測序可以對(duì)由數(shù)萬個(gè)堿基對(duì)組成的長片段 DNA 進(jìn)行測序，為科學(xué)家在序列中尋找錯(cuò)誤提供了更多細(xì)節(jié)?！巴ㄟ^長序列測序，更容易在大片段的基因組上找到突變，” Ashley 說，“如果不使用一些長序列測序的手段，幾乎不可能發(fā)現(xiàn)其中的一些變異。這是我們采用這種方法的重要原因之一?！?論文中指出，在本次研究中序列比對(duì)一致性（alignment identity）達(dá)到 94%。

在研究期間，Ashley 的團(tuán)隊(duì)為斯坦福醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)病房未確診的患者提供了這項(xiàng)基因組測序技術(shù)。他們?yōu)檠芯炕颊咛峁┝伺R床現(xiàn)有的測試標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)室的快速基因測序，并借此尋求兩個(gè)重要問題的答案：患者的疾病是否應(yīng)該歸咎于基因變異？如果是，哪些特定的基因變異引發(fā)了這個(gè)疾病？

這次研究中，有一名只有 3 個(gè)月大的嬰兒出現(xiàn)原因不明的癲癇，醫(yī)生一方面使用標(biāo)準(zhǔn)的臨床基因診斷，另一方面則使用試驗(yàn)中的全基因組快速測序技術(shù)。僅用 8 個(gè)多小時(shí)，后者就給出了答案 —— 這名患兒的 CSNK2B 基因出現(xiàn)了突變，它已知與神經(jīng)發(fā)育疾病有關(guān)，會(huì)導(dǎo)致早發(fā)的癲癇。而標(biāo)準(zhǔn)的臨床診斷并不能給出這樣的診斷結(jié)果。

該論文一經(jīng)發(fā)表引發(fā)圈內(nèi)人士的眾多關(guān)注，也許在不久的將來，基因快速測序診斷會(huì)成為疾病診斷中的重要方式。

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220113092144.html