盤點：下一代測序技術在日常生活中的10大應用

　　成癮

　　科羅拉多大學健康和成癮中心：神經科學、基因和環境的研究人員希望了解對酒精和大麻成癮是如何發展的。他們正通過表觀基因組來尋找答案。表觀基因組位于基因組之上，是DNA周圍的化合物網絡，它們修飾基因組，卻不改變DNA序列。通過靶向的甲基化測序，研究人員正在確定與藥物濫用者的大腦掃描圖像相關的表觀遺傳特征。通過弄清成癮相關的表觀遺傳變化以及背后的機制，他們也許能夠開發出更有效的療法，關閉成癮或藥物濫用的“開關”。

　　農業

　　測序正在加速基因功能研究和植物育種項目，以便在非洲開發出更高產、更有營養的孤兒作物。

　　舉個例子，非洲孤兒作物協會（AOCC）的任務是遏制非洲兒童中營養不良和發育遲緩的發生率。Illumina的測序和基因分型技術讓AOCC基本上跳過了選擇性狀所用的10-15年基礎育種。利用DNA標記，他們能夠促進育種過程，將時間表縮短到5-10年，這取決于作物的生長周期。

　　害蟲（和殺蟲劑）

　　我們不可能總是不使用殺蟲劑，因此了解它們的工作原理對防止殺蟲劑耐藥性的發生很重要。盡管常用的家用和商用殺蟲劑是天然來源的，但它們仍是神經毒素，針對神經的鈉離子通道。目前的研究主要集中在了解昆蟲的鈉離子通道，哪些突變可能導致殺蟲劑耐藥性，以及殺蟲劑在目標和非目標物種中如何代謝。最近，科學家利用測序來追蹤岡比亞按蚊（Anopheles gambiae）之間殺蟲劑耐藥性突變的轉移。一旦我們了解了一個系統如何工作，以及殺蟲劑如何影響各個暴露的物種，這些知識可以用來設計更安全、更有效的殺蟲劑，并了解如何更有選擇性地使用它們。

　　心臟病學

　　心臟是一個十分復雜的器官，在保證血液、氧氣和營養物質的正常循環中起了重要的作用。心肌細胞是高度特化的細胞，能夠適應心臟的各種生理和病理生理需求。研究人員利用基因組測序來研究小鼠的成體和新生心肌細胞以及衰竭心臟中的DNA甲基化組。他們觀察到發育過程中的動態表觀遺傳重塑，并鑒定出心臟發育時的亞型開關。在衰竭心臟中，成體心肌細胞為應對慢性應激而發生表觀遺傳重塑。測序讓人們首次了解到DNA甲基化如何塑造特化細胞的表型。

　　法醫學

　　盡管過去十幾年中DNA證據一直在幫助解決犯罪問題并證明無罪，但NGS也在幫助法醫實驗室提高工作效率。目前，大多數DNA分析通常檢查基因組中的13-25個位點，且每次處理一個樣本。盡管這種方法很可靠，但它不夠高效，也不能提供盡可能多的信息，去破獲疑難案件。有了NGS，法醫實驗室就能每次運行384個DNA樣本。對于每個樣本，他們能從中獲得200多條信息，從而開發出更完整的DNA圖譜。除了破案，NGS也能用于大規模災難中人類殘骸的鑒定，否則將無法識別死者。NGS實現了低水平樣本的靶向分析，包括那些部分降解的樣本，可帶來高分辨率的鑒定。它還能幫助鑒定那些身份不明或分解的人類殘骸，它們在發現時沒有其他的鑒定特征。

　　微生物學（啤酒）

　　幾百年來，啤酒釀造者一直在使用酵母。這些微生物負責生產出世界上一些最受歡迎的啤酒，它們釋放出那些啤酒特有的風味和氣味。然而，通過更好地了解酵母形成特征的遺傳密碼和具體機制，啤酒的風味可以改變和改進。如今，隨著DNA測序技術變得更快速、更經濟，科學家們正在比以往任何時候更深入地探索和利用酵母的遺傳密碼。

　　微生物學（食品）

　　測序從核苷酸的角度闡述奶酪制造的科學。研究人員正在探索不同類型奶酪中微生物的復雜關系，以及病毒和細菌的相互作用，這在維持奶酪起始培養物的復雜性上起了重要作用。他們發現，奶酪上的“社區類型”是重現的，與地理位置無關，但更多地取決于外皮類型和干酪皮上的水分。

　　器官移植

　　根據美國器官獲取和移植網絡的統計，平均每天有21位等待移植的人死亡，而一位捐獻者可挽救八條生命。MDRO（多重耐藥微生物）檢測呈陽性的捐獻者則帶來了一個難題，如耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）。CDC報告了一個病例研究，其中捐獻者感染了MRSA，盡管在器官移植之前使用抗生素治療并清除了MRSA，但還是能夠將MRSA傳遞給移植接受者。CDC的研究人員利用Illumina測序技術，將MRSA感染追蹤回捐獻者。由于接受者是免疫抑制的，即使少量微生物感染也有可能致命，因此必須確保捐獻者在移植期間不會傳遞感染。測序正幫助我們更好地鑒定對MDRO有效的抗生素，并追蹤捐獻者來源的感染。

　　優生保健

　　染色體非整倍體（染色體數目異常）是體外受精（IVF）失敗的一個主要原因。大多數非整倍體的胚胎無法植入，而植入的胚胎往往在懷孕頭三個月流產。利用胚胎植入前遺傳學篩查（PGS）來選擇性植入最有活力的胚胎，可在幾個方面有所幫助。它能提高植入率；實現單胚胎移植，從而減少高風險多胎妊娠的數量。最初，PGS是利用檢測（熒光原位雜交或FISH）來開展的，它并不是篩查全部24條染色體，因此檢測整倍體胚胎的有效性和準確性有限。隨著新方法的開發并應用到PGS，如基于芯片的24sure技術，植入率在提高。如今，有了NGS，我們能夠在短短12小時內篩查全部24條染色體，準確、高效地查看胚胎中的染色體健康情況。

　　減肥

　　有些人總是在更努力地減肥。脂肪量和肥胖相關（FTO）基因是全基因組關聯研究鑒定出的首個基因，作為肥胖的候選基因。研究人員研究了在應對鍛煉時，FTO基因相關的風險和體內脂肪成分之間的聯系。他們發現，對于久坐不動的白人男性，風險等位基因雜合（來自父母雙方）的個體比純合（來自父母一方）的個體更為健康。數據表明，環境和飲食等因素在個人的減肥能力上同等重要。研究人員還探索了鍛煉對體重增加和腸胃菌群組成的影響。他們發現，鍛煉改變了棲息在腸道中的微生物，可能有助于防止體重增加。測序正在幫助我們更好地了解我們遺傳了多大的風險，以及環境在控制體重中扮演的角色。通過這些及更多應用，Illumina創新的基因組學方案正幫助研究人員實現突破性的進展，而這些在十幾年前都是無法想象的。