二代测序红海当下，三代基因测序之路应该如何探索？
文章来源：贤集网发布日期：2022-07-18浏览次数：58 近期，我国首部生物经济五年规划——《“十四五”生物经济发展规划》发布，这标志着生物经济成为了一种全新的经济形态。《规划》指出，要开展前沿生物技术创新，加快发展高通量基因测序技术，推动以单分子测序为标志的新一代测序技术创新，明确鼓励探索第三代测序技术，将其作为有效补充，为二代测序范围外的复杂基因突变类型寻求新的解决方案。事实上，三代测序近年来热度颇高，已引发了整个行业的关注，不少企业正积极布局。在二代测序已成红海的当下，大家开始向三代测序寻求答案。那么，这条探索之路应该如何走？1、两代测序技术联手探索肠道微生物人类的肠道是细菌、真菌等微生物的家园，这些微生物被统称为肠道微生物群。科学家们现在已经收集了人类肠道中4600多种细菌的20万个基因组和1.7亿个蛋白质序列，并建立了数据库。尽管科学家长期致力于这一领域的研究，但肠道菌群中的一些微生物种类在很长时间内不为人所知。据估计，人体内含有的微生物数量比人体细胞还多。在人类肠道中已经发现了共计4600余种细菌。有研究表明，这其中超过70%的被检测到的细菌还未在实验室中培养，它们在人体内的活性仍然未知。“在人的肠道中，尤其是在直肠里，有非常丰富的微生物，个体数量超过人体细胞的3—10倍。虽然这些微生物种的基因组较小，但由于种类很多，其基因多样性比人高10—100倍。”王军告诉记者，肠道微生物群落形成了一个非常复杂的肠道环境，对其进行研究有助于了解肠道的状态和功能，从而更好地了解人体和疾病，指导胃肠道疾病的诊断和治疗。宋默识表示，肠道微生物在人类代谢食物、抵御感染和应答药物等过程中起着非常重要的作用。肠道维持着人体的代谢平衡，很多食物会在肠道内降解成小分子代谢物。如果肠道微生物生态系统失衡，将导致代谢功能失调，造成胃肠道疾病。同时，一些肠道免疫性疾病（如炎症性肠炎）也与肠道微生物生态系统的免疫调节相关。因此，肠道微生物群一直是科学家们关注的议题之一。但受研究方法的限制，相关研究一直进展较慢。“以前，相关研究依靠低通量的微生物群培养手段。但随着二代测序技术的发展，能够使我们以较高通量的方法去了解肠道微生物种。近年来，三代测序技术发展迅速，又弥补了二代测序技术的一些不足，两者相结合，为探索肠道微生物种提供了较好的方法条件。”王军说。2、三代测序是二代测序的有益补充王军向记者介绍，以纳米孔测序为代表的三代测序技术飞速发展，目前英国ONT测序和美国PacBio测序两种技术路线，都能够完成较长的DNA片段测序。三代测序技术较二代测序技术有何不同？对此，王军表示，二代测序技术是目前的主流测序方式，已广泛应用于疾病和癌症的研究，具有高通量的特点，但不足之处在于测出来的基因片段较短，对于复杂的基因组区域以及较大的结构变异的检测有一定的局限性。而三代测序技术则能够帮助研究者针对感兴趣的基因或区域进行高深度测序研究。目前，三代测序技术已被应用于疾病或癌症领域人类基因遗传标志物、融合基因、甲基化检测等研究中，方法主要有长片段PCR扩增、CRISPR/Cas9靶向捕获和液相探针捕获三类。在研究中，王军课题组使用了二代测序与三代测序数据组装拼接的办法。“引入三代测序能够弥补二代测序‘序列短’这一不足。三代测序读出的长序列就像一个‘骨架’，能够让研究者知道二代测序读出来的短片段之间有什么对应关系，该怎样拼接，从而提高整体基因拼接序列的质量，提高对某个生物染色体的全面认识。”王军说。在三代测序方法出现之前，研究者利用二代测序技术拼出大大小小的不同基因片段，但常常无法知道某些片段属于哪个菌种。王军表示，虽然存在一些计算方法使研究者可以依据峰段、频率去推断基因片段之间的关系，但由于缺乏直接证据，这一研究难题仍无法得到根本解决。“三代测序技术改变了这一情况。将三代测序技术得出的数据与二代的进行混合拼接，就能够在很复杂的环境中几乎接近拼出一个细菌的单个基因组。”王军说。3、三代测序技术层面有其独特优势三代基因测序非常独特，它读的很长，读的很准，它不仅能够解决诊断的问题，将来还会参与解决治疗问题（如基因治疗）。2003年，科学家公布了当时被称为完整的人类基因组序列，但其中有大约8%空白区域没有序列数据，这主要包括高度重复DNA片段的区域以及着丝粒等高GC含量的区域。直到近20年后的2022年年4月，《科学》杂志连续发布6篇论文报告，公布了完整无间隙人类基因组序列，填补了近20年来缺失的“拼图”碎片，主要归功于三代测序技术的大幅发展。三代测序技术也大幅提升了基因检测技术解决临床问题的能力，以罕见病诊断为例，常规的二代测序技术基本上只能够解释约33%的罕见病病例的致病机理，而PacBio与美国Children’s Hospital Mercy的合作揭示，PacBio的HiFi测序因为其SNV，Indel，SV，以及甲基化的出色表现，有望将这一百分比提升至67%。4、三代测序技术的发展趋势投资领域确实非常关注三代基因测序，未来也会有更多的资本涌入这个赛道。从二级市场维度来看，测序板块具有很强的成长性，是一个长坡厚雪的赛道。这个赛道的成长性主要来自两点，首先它具有宽广的边界，这决定了其有一个长期较大的发展空间；第二它属于密集创新，决定了它有较高的成长性和丰富的业态。未来一级市场也会有一大批测序项目涌进来，那时这个赛道会获得更高的关注度和资金支持。目前，人类已经把测序的能力边界从核酸领域拓展到了蛋白质领域。从技术创新角度来看，作为测序中的新兴细分领域，单分子测序的技术创新性更强，技术迭代速度更快，这个领域下游的关注度也非常高，未来在测序这个成长赛道中，大有可为。从全球来看，三代测序市场规模已达到200亿美金。而且目前三代测序仪的渗透率还仅在10%左右，我们认为未来渗透率还会进一步提高。未来若干年，全球测序行业还将保持年均20%的增长速度。此次贝瑞基因和PacBio太平洋生物科技合作的三代基因测序产品，是一个很好的临床转化的案例。5、下一步，三代测序技术还有哪些发展空间？在王军看来，开发序列信息解读算法是一个发展方向。如何精确地将新一代基于纳米孔的单分子实时电信号测序技术生成的原始电信号翻译为序列信息，是科学家们关注的重点，近年来也诞生了多种用于精确翻译电信号的相关工具。同时，三代测序技术还能在甲基化检测等特殊领域发挥重要作用。三代测序技术能够检测DNA分子自身的物理化学特性，因此生物基因组上的修饰信息也可以在电信号中得到反应。DNA分子上的甲基化修饰具有非常强的细胞特异性和细胞周期特异性，对表观遗传学研究有着重要的意义。“三代测序技术暂时取代不了二代测序技术，但在未来，它将成为测序技术不可缺少的组成部分，在甲基化检测等独特领域实现其重要价值。”王军说。 
