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中国:一个超级DNA测序大国 如今将转战精准医学研究领域

来源:生物谷 2016-06-29 14:53

2016年6月27日 讯 /生物谷BIOON/ --6年前,中国成为DNA测序的全球领导者,而这多数归功于华大基因(BGI)公司的贡献,位于深圳的华大基因公司已经购买了128台全球最快的测序机器,而公司解析DNA的能力已经超过全球50%,BGI组成了一支非常年轻的生物信息学家团队,并且同全球的研究者进行合作,如今已经发布了从古人类到大熊猫等各个物种的测序结果,同时公司也因作为一个巨大的基因组工厂而获得了众多的声望。

6年后,公司的境况发生了完全不同的变化,公司最著名的科学家和先见型领袖王俊去年7月份离开华大基因,给公司带来主导地位的机器也已经过时了,去年11月,公司试图开发的具有工业规模的全基因组测序仪也遇到了障碍,迫使公司不得不对美国的子公司进行裁员;与此同时,竞争性系统—Illumina公司的X系列(Illumina's X series)一直处于畅销之中,其加速了全球测序的速度并且降低了测序的价格。

在配备最新的测序仪后,BGI的竞争对手就慢慢出现了,最引人瞩目的竞争对手就是2011年创立于北京的诺禾致源(Novogene)公司,该公司由BGI前副总裁李瑞强创建;尽管目前BGI再也不可能具有此前在测序领域的无竞争优势,但公司声称他们依然具有世界上最快速的测序能力以及对科学的强大野心,其中就包括对百万人、百万之物以及百万微生物群落系统的基因组进行测序;如今中国已经成为一股测序力量重新开始的诞生地。

测序巨头BGI的科学家们正在将遗传专业知识转化到医学领域;Sim Chi Yin/VII

市场驱动往往是一个数十亿美元的市场,今年3月份中国已经宣布计划进行15年的精准医疗计划,这一计划将同美国进行的类似计划形成竞争关系;如果研究者们的这些努力可以达到他们的目标,那么未来医生们就可以利用个人的基因组和生理学特性来筛选出针对个体疾病的最佳疗法,如今测序公司的目的就是将大量基因组数据转化成为医疗福利。

为了做到这一点,仅有测序数据是远远不够的,因此中国一些公司就开始进行强有力的测序工作来揭示生活方式因子比如饮食的重要性,从而来理解个体疾病的风险并且帮助寻找新型治疗疾病的疗法。“相比美国而言,中国拥有大量的精准医学研究项目,”药明康德WuXiNextCODE公司的运营主管兼联合创始人Hannes Smarason说道。

机器的崛起

测序背后的新能量在很大程度上要归功于一种机器,那就是Illumina公司的 HiSeq X Ten,该机器之所以这样命名是因为其是10台HiSeq X测序仪作为一个平台系统出售,若同时运行10台仪器,每年对超过18,000个人类基因组进行测序。2014年当该测序系统上市后,对人类基因组进行的一组测序就要花费将近1000美元,这就让很多项同BGI竞争的公司看到了机会和希望。

而诺禾致源就是第一家公司,其遵循同BGI相类似的模式,创始人李瑞强曾经组建了一个强大的生物信息学家研究小组,专门进行测序和序列数据的解读分析,作为对金丝猴、棉花及其它植物和动物的合作基础研究项目的一部分;利用相同的机器,其它公司比如药明康德公司和云健康基因科技公司都将目光聚焦于为制药或个人基因组学公司提供测序服务。

测序的成本大幅下降 Source: NHGRI

目前测序服务行业的增长正处于加速阶段,诺禾致源在今年4月份又购置了第二套X Ten系统,云健康总裁金刚博士表示,公司今年将会再增加两套测序系统,截至今年年底,中国将会拥有至少70台测序仪,截止到去年年底,Illumina公司已经在全球销售了300台测序仪。

BGI公司一直在努力跟上测序的节奏,2013年它们在加州山景城(Mountain View)收购了Complete Genomics公司,目的在于创建可以在内部使用的先进测序机器并且进行销售,BGI公司将这种超级测序仪称之为Revolocity,其可以同HiSeq X相匹敌;去年11月,在仅售出三个订单后Revolocity的销售就突然停止了,目前BGI仅剩下老一代的Illumina公司的128台HiSeq 2000测序仪。

中国目前在全球的测序份额为20%到30%,即便BGI在全盛时期也仍然很低,但预计中国测序未来的增加将会很快,“测序能力的迅速增长将无处不在,相比世界上其它地方而言中国增速非常之快,”DNAnexus公司的行政总裁Richard Daly说道,该公司目前为大规模的基因组测序提供云平台服务。

当然BGI公司还有另外一手,BGISEQ-500是它们设计的一种实验室桌面工具,其设计同样是基于Complete Genomics的技术,而且今年BGISEQ-500已经开始陆续生产发货;华大基因全球研发主管何亦武表示,用该系统对人类基因组进行测序需要花费1000美元,而且其规模小巧便于使用,可以满足中国目前兴起的对临床测序的需求,他大胆预测,在未来几年里公司将会把对人类基因组测序的价格降低到200美元,如今中国是进行生物医学研究最让人激动的地方。

基因组全体化(Genomes en masse)

精准医学计划的发布可以通过中国的测序巨头激起一层兴奋的涟漪,而用于改善技术、测序及数据共享、分析的钱将超过百万人类基因组研究,以及开发新型药物和诊断技术、个体化医学服务的花费;在金钱利益的驱动下,医院和临床医生们都开始同测序公司合作。

进行百万人类基因组计划研究会拆分成多个研究,而且该研究将包括5万名患者,这些患者包括代谢性疾病、乳腺癌、肠道癌症及其它状况的患者等,同时还有代表中国北部、中部及南部同等年龄组的研究对象,研究者的目的是观察不同亚群患者的不同遗传背景。类似的研究计划同样在别的国家也正在研究,比如英国进行的对10万个基因组的测序研究,以及美国花费2.15亿覆盖100万个基因组的相关研究。

有观察者表示,中国在这一方面具有一定优势,这不仅仅是公司得到了政府的大力支持的原因;在未来5年里,政府希望在国家的医疗保险目录上增加多个精准药物及分子诊断产品,从而确保公司的研究成本可以被收回;在美国,开发新产品的生物技术公司都难以获得保险公司的保障以及政府的相应支付,目前很多公司在中国进行测序及投资的意愿都比较强烈。

9月,华大基因公司将打开中国的基因库,位于深圳的这个占地5公顷的设备站收藏着数百万个来自人类、动物、植物以及微生物的样本数据,中国政府将该样本库委托于华大基因,该样本库可以为全球的科学家提供可用的样本及数据供研究之用。目前华大基因公司自身也已经拥有包含100万个人类基因组的数据库,这将在某种程度上同国家项目重叠;Daly表示,我们也将会快速达到这样的程度,因为目前我们已经同政府、医院、大学建立了合作关系,因为我们有自己的测序仪,因此我们很有信心超越其他研究团体。

华大基因前CEO王俊博士表示,深入理解一百万人机体的基因组是一项非常重大的挑战;如今王俊博士在深圳创立了碳云智能科技有限公司,公司计划收集超过100万人的测序数据以及其它的生物信息,比如机体蛋白和代谢物水平的改变情况、大脑成像结果、利用生物成像监测机体葡萄糖水平,甚至利用智能马桶来实时监测个体的尿液和粪便等;他将这种称之为“数字化的你”(digital form of you),目前他计划利用人工智能来整合所有的数据,从而提供可以针对个体基因和生理性状态的医疗护理策略,在不到1年的时间内王俊已经募集到了1亿美元的投资,其中就包括腾讯公司,而这将可以帮助王俊建立数据收集平台。

目前中国正在积极探索基因组学如何惠及人类健康;3月份华大基因公司进行了第一百万个NIFTY测试,这项检测主要是对母亲血液中的循环的胎儿DNA进行检测来帮助检测胎儿的染色体异常等情况,比如唐氏综合征;中国目前的允许生育第二个孩子的政策也就认为可以加速诸如这种检测的需求;当然进行癌症的遗传特性检测目前也马上步入正轨;云健康公司去年就向中国100多个基因公司提供了1.5万份肿瘤样本的基因组数据以帮助后期进行疾病的诊断及患者最佳化疗药物的选择,昂贵的基因检测市场正在与国家的中产阶级相一致;目前在中国收入在5万美元以上的大约有1亿人(中高收入阶层人群)。

对于王俊而言,测序研究只是一顶老帽子了,而基因组学更加重要,但他表示,这只是其中一个谜团而已,所有的复杂形状,所有的神经变性障碍、癌症、糖尿病的发病,都是远远超过遗传学所能理解的,如果我们谈论基因组学,那么对于没有临床信息的大量数据显然似乎是并不够的。(生物谷Bioon.com)

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参考资料:

【1】Whole-genome sequencing of the snub-nosed monkey provides insights into folivory and evolutionary history

Nature Genetics    doi:10.1038/ng.3137

Colobines are a unique group of Old World monkeys that principally eat leaves and seeds rather than fruits and insects. We report the sequencing at 146× coverage, de novo assembly and analyses of the genome of a male golden snub-nosed monkey (Rhinopithecus roxellana) and resequencing at 30× coverage of three related species (Rhinopithecus bieti, Rhinopithecus brelichi and Rhinopithecus strykeri). Comparative analyses showed that Asian colobines have an enhanced ability to derive energy from fatty acids and to degrade xenobiotics. We found evidence for functional evolution in the colobine RNASE1 gene, encoding a key secretory RNase that digests the high concentrations of bacterial RNA derived from symbiotic microflora. Demographic reconstructions indicated that the profile of ancient effective population sizes for R. roxellana more closely resembles that of giant panda rather than its congeners. These findings offer new insights into the dietary adaptations and evolutionary history of colobine primates.

【2】Sequencing of allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum L. acc. TM-1) provides a resource for fiber improvement

Nature Biotechnology    doi:10.1038/nbt.3207

Upland cotton is a model for polyploid crop domestication and transgenic improvement. Here we sequenced the allotetraploid Gossypium hirsutum L. acc. TM-1 genome by integrating whole-genome shotgun reads, bacterial artificial chromosome (BAC)-end sequences and genotype-by-sequencing genetic maps. We assembled and annotated 32,032 A-subgenome genes and 34,402 D-subgenome genes. Structural rearrangements, gene loss, disrupted genes and sequence divergence were more common in the A subgenome than in the D subgenome, suggesting asymmetric evolution. However, no genome-wide expression dominance was found between the subgenomes. Genomic signatures of selection and domestication are associated with positively selected genes (PSGs) for fiber improvement in the A subgenome and for stress tolerance in the D subgenome. This draft genome sequence provides a resource for engineering superior cotton lines.

【3】Clinical application of massively parallel sequencing-based prenatal noninvasive fetal trisomy test for trisomies 21 and 18 in 11105 pregnancies with mixed risk factors

Prenat. Diagn     DOI:10.1002/pd.4002

Objective

To report the performance of massively parallel sequencing (MPS) based prenatal noninvasive fetal trisomy test based on cell-free DNA sequencing from maternal plasma in a routine clinical setting in China.

Method

The MPS-based test was offered as a prenatal screening test for trisomies 21 and 18 to pregnant women in 49 medical centers over 2 years. A total of 11 263 participants were recruited and the MPS-based test was performed in 11 105 pregnancies. Fetal outcome data were obtained after the expected date of confinement.

Results

One hundred ninety cases were classified as positive, including 143 cases of trisomy 21 and 47 cases of trisomy 18. With the karyotyping results and the feedback of fetal outcome data, we observed one false positive case of trisomy 21, one false positive case of trisomy 18 and no false negative cases, indicating 100% sensitivity and 99.96% specificity for the detection of trisomies 21 and 18.

Conclusion

Our large-scale multicenter study proved that the MPS-based test is of high sensitivity and specificity in detecting fetal trisomies 21 and 18. The introduction of this screening test into a routine clinical setting could avoid about 98% of invasive prenatal diagnostic procedures. © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

【4】China’s bid to be a DNA superpower

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