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      中國:一個超級DNA測序大國 如今將轉戰精準醫學研究領域

      來源:生物谷 2016-06-29 14:53

      2016年6月27日 訊 /生物谷BIOON/ --6年前,中國成為DNA測序的全球領導者,而這多數歸功于華大基因(BGI)公司的貢獻,位于深圳的華大基因公司已經購買了128臺全球最快的測序機器,而公司解析DNA的能力已經超過全球50%,BGI組成了一支非常年輕的生物信息學家團隊,并且同全球的研究者進行合作,如今已經發布了從古人類到大熊貓等各個物種的測序結果,同時公司也因作為一個巨大的基因組工廠而獲得了眾多的聲望。

      6年后,公司的境況發生了完全不同的變化,公司最著名的科學家和先見型領袖王俊去年7月份離開華大基因,給公司帶來主導地位的機器也已經過時了,去年11月,公司試圖開發的具有工業規模的全基因組測序儀也遇到了障礙,迫使公司不得不對美國的子公司進行裁員;與此同時,競爭性系統—Illumina公司的X系列(Illumina's X series)一直處于暢銷之中,其加速了全球測序的速度并且降低了測序的價格。

      在配備最新的測序儀后,BGI的競爭對手就慢慢出現了,最引人矚目的競爭對手就是2011年創立于北京的諾禾致源(Novogene)公司,該公司由BGI前副總裁李瑞強創建;盡管目前BGI再也不可能具有此前在測序領域的無競爭優勢,但公司聲稱他們依然具有世界上最快速的測序能力以及對科學的強大野心,其中就包括對百萬人、百萬之物以及百萬微生物群落系統的基因組進行測序;如今中國已經成為一股測序力量重新開始的誕生地。

      測序巨頭BGI的科學家們正在將遺傳專業知識轉化到醫學領域;Sim Chi Yin/VII

      市場驅動往往是一個數十億美元的市場,今年3月份中國已經宣布計劃進行15年的精準醫療計劃,這一計劃將同美國進行的類似計劃形成競爭關系;如果研究者們的這些努力可以達到他們的目標,那么未來醫生們就可以利用個人的基因組和生理學特性來篩選出針對個體疾病的最佳療法,如今測序公司的目的就是將大量基因組數據轉化成為醫療福利。

      為了做到這一點,僅有測序數據是遠遠不夠的,因此中國一些公司就開始進行強有力的測序工作來揭示生活方式因子比如飲食的重要性,從而來理解個體疾病的風險并且幫助尋找新型治療疾病的療法。“相比美國而言,中國擁有大量的精準醫學研究項目,”藥明康德WuXiNextCODE公司的運營主管兼聯合創始人Hannes Smarason說道。

      機器的崛起

      測序背后的新能量在很大程度上要歸功于一種機器,那就是Illumina公司的 HiSeq X Ten,該機器之所以這樣命名是因為其是10臺HiSeq X測序儀作為一個平臺系統出售,若同時運行10臺儀器,每年對超過18,000個人類基因組進行測序。2014年當該測序系統上市后,對人類基因組進行的一組測序就要花費將近1000美元,這就讓很多項同BGI競爭的公司看到了機會和希望。

      而諾禾致源就是第一家公司,其遵循同BGI相類似的模式,創始人李瑞強曾經組建了一個強大的生物信息學家研究小組,專門進行測序和序列數據的解讀分析,作為對金絲猴、棉花及其它植物和動物的合作基礎研究項目的一部分;利用相同的機器,其它公司比如藥明康德公司和云健康基因科技公司都將目光聚焦于為制藥或個人基因組學公司提供測序服務。

      測序的成本大幅下降 Source: NHGRI

      目前測序服務行業的增長正處于加速階段,諾禾致源在今年4月份又購置了第二套X Ten系統,云健康總裁金剛博士表示,公司今年將會再增加兩套測序系統,截至今年年底,中國將會擁有至少70臺測序儀,截止到去年年底,Illumina公司已經在全球銷售了300臺測序儀。

      BGI公司一直在努力跟上測序的節奏,2013年它們在加州山景城(Mountain View)收購了Complete Genomics公司,目的在于創建可以在內部使用的先進測序機器并且進行銷售,BGI公司將這種超級測序儀稱之為Revolocity,其可以同HiSeq X相匹敵;去年11月,在僅售出三個訂單后Revolocity的銷售就突然停止了,目前BGI僅剩下老一代的Illumina公司的128臺HiSeq 2000測序儀。

      中國目前在全球的測序份額為20%到30%,即便BGI在全盛時期也仍然很低,但預計中國測序未來的增加將會很快,“測序能力的迅速增長將無處不在,相比世界上其它地方而言中國增速非常之快,”DNAnexus公司的行政總裁Richard Daly說道,該公司目前為大規模的基因組測序提供云平臺服務。

      當然BGI公司還有另外一手,BGISEQ-500是它們設計的一種實驗室桌面工具,其設計同樣是基于Complete Genomics的技術,而且今年BGISEQ-500已經開始陸續生產發貨;華大基因全球研發主管何亦武表示,用該系統對人類基因組進行測序需要花費1000美元,而且其規模小巧便于使用,可以滿足中國目前興起的對臨床測序的需求,他大膽預測,在未來幾年里公司將會把對人類基因組測序的價格降低到200美元,如今中國是進行生物醫學研究最讓人激動的地方。

      基因組全體化(Genomes en masse)

      精準醫學計劃的發布可以通過中國的測序巨頭激起一層興奮的漣漪,而用于改善技術、測序及數據共享、分析的錢將超過百萬人類基因組研究,以及開發新型藥物和診斷技術、個體化醫學服務的花費;在金錢利益的驅動下,醫院和臨床醫生們都開始同測序公司合作。

      進行百萬人類基因組計劃研究會拆分成多個研究,而且該研究將包括5萬名患者,這些患者包括代謝性疾病、乳腺癌、腸道癌癥及其它狀況的患者等,同時還有代表中國北部、中部及南部同等年齡組的研究對象,研究者的目的是觀察不同亞群患者的不同遺傳背景。類似的研究計劃同樣在別的國家也正在研究,比如英國進行的對10萬個基因組的測序研究,以及美國花費2.15億覆蓋100萬個基因組的相關研究。

      有觀察者表示,中國在這一方面具有一定優勢,這不僅僅是公司得到了政府的大力支持的原因;在未來5年里,政府希望在國家的醫療保險目錄上增加多個精準藥物及分子診斷產品,從而確保公司的研究成本可以被收回;在美國,開發新產品的生物技術公司都難以獲得保險公司的保障以及政府的相應支付,目前很多公司在中國進行測序及投資的意愿都比較強烈。

      9月,華大基因公司將打開中國的基因庫,位于深圳的這個占地5公頃的設備站收藏著數百萬個來自人類、動物、植物以及微生物的樣本數據,中國政府將該樣本庫委托于華大基因,該樣本庫可以為全球的科學家提供可用的樣本及數據供研究之用。目前華大基因公司自身也已經擁有包含100萬個人類基因組的數據庫,這將在某種程度上同國家項目重疊;Daly表示,我們也將會快速達到這樣的程度,因為目前我們已經同政府、醫院、大學建立了合作關系,因為我們有自己的測序儀,因此我們很有信心超越其他研究團體。

      華大基因前CEO王俊博士表示,深入理解一百萬人機體的基因組是一項非常重大的挑戰;如今王俊博士在深圳創立了碳云智能科技有限公司,公司計劃收集超過100萬人的測序數據以及其它的生物信息,比如機體蛋白和代謝物水平的改變情況、大腦成像結果、利用生物成像監測機體葡萄糖水平,甚至利用智能馬桶來實時監測個體的尿液和糞便等;他將這種稱之為“數字化的你”(digital form of you),目前他計劃利用人工智能來整合所有的數據,從而提供可以針對個體基因和生理性狀態的醫療護理策略,在不到1年的時間內王俊已經募集到了1億美元的投資,其中就包括騰訊公司,而這將可以幫助王俊建立數據收集平臺。

      目前中國正在積極探索基因組學如何惠及人類健康;3月份華大基因公司進行了第一百萬個NIFTY測試,這項檢測主要是對母親血液中的循環的胎兒DNA進行檢測來幫助檢測胎兒的染色體異常等情況,比如唐氏綜合征;中國目前的允許生育第二個孩子的政策也就認為可以加速諸如這種檢測的需求;當然進行癌癥的遺傳特性檢測目前也馬上步入正軌;云健康公司去年就向中國100多個基因公司提供了1.5萬份腫瘤樣本的基因組數據以幫助后期進行疾病的診斷及患者最佳化療藥物的選擇,昂貴的基因檢測市場正在與國家的中產階級相一致;目前在中國收入在5萬美元以上的大約有1億人(中高收入階層人群)。

      對于王俊而言,測序研究只是一頂老帽子了,而基因組學更加重要,但他表示,這只是其中一個謎團而已,所有的復雜形狀,所有的神經變性障礙、癌癥、糖尿病的發病,都是遠遠超過遺傳學所能理解的,如果我們談論基因組學,那么對于沒有臨床信息的大量數據顯然似乎是并不夠的。(生物谷Bioon.com)

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      參考資料:

      【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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