科學家重建首個活人完整基因組

【新聞中心/綜合外電】科學家首次重建了一位在世人士的完整基因組,完整捕捉了來自父母雙方的全套染色體。研究人員表示,這項成就將使個人化基因組學成為醫療常規。這項突破性研究以12篇論文組成的系列形式,於週四發表在《細胞》期刊上,同時Human Longevity公司也宣布將以599美元的價格,向消費者提供臨床級別的全基因組定序服務。
完整人類基因組問世 個人化醫療邁入新階段
首度完成雙套染色體組裝
人類基因體研究再跨出關鍵一步。由端粒到端粒聯盟(Telomere-to-Telomere Consortium,T2T)主導、約翰霍普金斯大學、美國國家人類基因組研究院及美國國家標準暨技術研究院(NIST)研究人員參與的團隊,首度完成來自真實人類樣本的「完整二倍體」基因組,亦即分別重建父母遺傳而來的兩套染色體。研究成果近日以論文及相關研究組成的12篇論文套件,刊登於《Cell》及《Cell Genomics》。
這項成果被視為個人化基因醫療的重要里程碑。研究團隊表示,過去的基因組分析通常是將個人DNA與既有參考基因組比對,但若某些序列在參考版本中缺失,或個人基因差異過大,就可能無法正確辨識變異。新方法則是直接重建每個人的完整基因組,降低因參考樣本差異而造成的遺漏。
比「拼圖」更難的計算挑戰
團隊以HG002細胞株作為研究對象。這是源自活體捐贈者、並廣泛被DNA定序與診斷產業採用的人類基因組標準參考材料。研究人員結合PacBio及Oxford Nanopore長讀長定序技術,以及用於判斷DNA片段空間鄰近關係的Hi-C定序,將原本混雜在一起的父源與母源染色體分別組裝。
T2T資深作者、約翰霍普金斯大學教授Adam Phillippy形容,2022年的首次完整人類基因組研究,就像是在組裝一幅大型拼圖;此次則是「把來自兩幅相似拼圖、分別屬於母親和父親的拼圖片段,全都倒在同一個盒子裡」,因此面臨更高的計算難度,但研究團隊已成功解決。
新基因組涵蓋的內容較過去基準版本增加約15%,新增超過9億個DNA鹼基,並納入過去難以取得的性染色體及其他複雜區域。這些區域部分與癌症、神經系統疾病及疾病風險相關基因有關,整體準確度則接近完美。
從50億美元降至數千美元
人類基因組計畫在2003年完成時,按現值計算總成本約50億美元。Phillippy指出,如今取得更完整且更精準的基因組結果,成本已降至約5,000美元,顯示基因定序技術在20多年內出現近乎百萬倍的成本下降。
研究團隊預期,完整基因組將優先應用於罕見疾病診斷,尤其是兒童病例。Phillippy表示,目前相關基因分析雖已進入醫療流程,但受限於準確度,在超過一半的病例中,醫師仍可能無法找到遺傳病因;研究團隊希望,完整基因組能協助縮小這項診斷落差,讓家庭更快取得答案。
NIST共同作者Justin Zook則表示,完整重建第一個標準參考基因組,可為技術開發商提供衡量及改善複雜基因區域準確度所需的標準。
商業服務價格進一步下探
科研突破之際,商業市場也同步推動全基因組定序普及化。Human Longevity推出「Genomics for All」服務,以599美元提供臨床級全基因組定序,涵蓋約64億個鹼基對,並以30倍深度進行分析,再透過AI及手機應用程式提供解讀結果。
相較於僅分析部分基因標記的傳統消費型DNA測試,Human Longevity宣稱其服務可提供藥物基因體、遺傳性疾病風險及多基因風險等資訊,並在未來依據新研究重新分析既有基因資料。 不過,基因風險結果仍須由醫療專業人員結合家族病史、檢查數據及臨床症狀判讀,不能單獨視為疾病診斷。
Phillippy預期,完整個人基因組未來可能在出生時建立,並納入個人醫療紀錄,供醫師在整個生命週期中協助預防、診斷及選擇治療方案。他表示:「完整、個人化的基因組,如今已可能適用於任何人。」