68.新技术能使DNA测序的成本降低多少?
How much will new technologies lower the cost of DNA sequencing?

题注：新的工具和概念上的突破使DNA测序的成本下降了几个数量级，这种DNA测序成本的降低将推动个性化医疗和进化生物学研究的蓬勃发展。

1. 全基因测序技术及其成本

根据科学问题66基因组的规模，人体的全基因组共由30亿个ACTG字母为代表的碱基序列组成，每个人都具有独特的DNA序列结构(虽然99.9%基因组相同而只有0.1%的独特性)。要确定这些字母的顺序则需要进行所谓的全基因组测序(WGS:Whole Genome Sequencing)，而这项工作需要花费大量的时间、精力和金钱。例如为了确定人类基因组的人类基因组计划就花费了数千名研究人员13年的时间，最终的成本达到了惊人的27亿美元。

当然，现在快速、高质量的WGS工作依靠专门的DNA测序设备，一般是在经过权威机构技术认证的实验室或医学机构进行。所以WGS成本的大小决定于DNA测序技术和设备的进步，随着时间的推移，基因组测序的成本必将越来越低。

1990年启动的人类基因组计划开启了一个被称为基因组学的新时代，科学家们开始从基因分子层面研究生物的性状、功能和演化，揭示癌症和许多遗传性疾病的内在因素，同时也刺激了家庭DNA测试的发展及在其他各个领域的进一步应用。之后，研究人员开始从基因的角度对更多的动物、植物、细菌和病毒进行了全面的测序研究。随着基因测序技术的发展，十年前一个人的基因组测序从大约需要花费1万美元，降到了几年前的1000美元，如今它的价格下降到了600美元以下(见图1所示)。

图1 人类基因组测序费用的变化曲线

为什么基因组测序的成本如此之高？这当然决定于基因测序的技术和流程(如图2所示)。首先需要从细胞中提取DNA样本(取样,DNA extraction)，并在实验室中进行预处理(建立基因文库)以便对所有碱基对进行测序(如提纯、切片、PCR扩增、标记等)；然后进行具体的测序工作并组合获得基因组的全序列数据；最后将所得到的序列与数据库中的所有其他基因组进行比较，从而找到它们之间的相似点和不同点。这个最后的过程就是对个体DNA序列进行解析以便提供一份个人独一无二的DNA报告。从这个WGS的工作流程来看，这个过程会涉及到许多技术、步骤和处理程序，这些整体繁杂的流程最终导致了DNA测序较高的成本。

图2 WGS测序的流程示意图

尽管WGS过程的许多步骤现在已经简化和自动化，但WGS仍然是一个非常复杂的过程。首先DNA长链中的碱基对是不可能按顺序一次全部读出的，DNA序列必须被分解成更小的部分，然后逐段进行测序，而且DNA不同部分的测序要经过不同的化学过程，这样才能确定该片段所有碱基的种类及排列顺序。最后，需要将这些不同片段上读取的序列以正确的顺序组装在一起形成完整的基因组序列。WGS这个工作非常繁琐，现在由一种称为DNA测序仪(DNA sequencer)的专门设备完成，每台测序仪的价格可高达100万美元。所以当你进行DNA测序时，这些不同步骤和过程都会产生相应的费用，而每一项费用加起来就决定了你测试的最终成本，当然在这些过程中还需要考虑测序人员、设备维护和基础设施等方面的隐性成本。

当然现在家庭个人DNA测序的需求还并不急迫，只有某些病人和特殊人群才需要进行WGS，但有时因为预防疾病通常比治疗疾病要便宜得多，所以DNA测序成本的下降必然有助于家庭DNA测序的普及和推广。DNA测序结果会让你得到自己身体准确的基因组信息，从而了解你会有哪些疾病的潜在风险，对哪些物质和环境过敏，以及如何准确治疗或预防某种疾病等等，所以DNA测序最后一部分成本当然来源于你对自己DNA结果的解读和咨询。专业遗传咨询服务可以帮助你了解你特殊的DNA信息及其代表的意义，或哪些不良的基因特征具有遗传给后代的风险，这无疑会增加WGS的成本，然而这也是获得DNA测序结果的目的所在。总之，高昂的DNA测序费用极大阻碍了基因组医学或个人精确医疗时代的到来和发展，而这一切的改善必须依靠DNA测序技术的不断进步。

2. DNA测序技术的进步及影响

全基因组测序技术经过第一代测序(Sanger测序)、第二代测序（下一代测序NGS），第三代测序(荧光单分子测序)直到纳米层次的测序(参见科学问题66基因组的规模或论文Genomics.2016 Jan.107:1–8)，其测序成本也一直在持续下降。1990年人类启动基因组计划时，由于采用第一代人工测序技术，研究人员不得不通过国际合作的方式对人类基因组进行分工测序，所以当时提出它时的确是一项巨大的工程，在2003年基本完成的人类基因组计划实际耗资超过30亿美元。但自从发展了DNA现代测序技术以后，GWS的费用从2010年的1万美元降至2018年的不到1000美元。随着新一代高通量测序技术的进一步发展，实验室或医生进行临床级测序的平均成本约为3000-5000美元，而个人WGS的成本也已下降到500美元以下，如今，你甚至可以花费不到500美元来做一个全面的个人DNA测序(见图1所示)。

图4 基因测序设备的发展和对测序成本的影响

DNA测序技术的进步和成本的快速下降得益于世界各国生物公司医疗设备的不断更新和改进，DNA测序仪的出现使得基因测序实现了自动化和高效化。Sanger测序法发明11年后的1986年，美国ABI公司(Applied Biosystems Inc.)在四色荧光标记测序技术的基础上改进了电泳技术，推出了全球第一台安全商用的平面电泳全自动测序仪ABI 370A。之后下一代高通量第二代基因测序仪相继推出，2004年瑞士454 Life Sciences公司推出454FLX，2006年美国Solexa公司推出Solexa基因组分析仪，2007年美国ABI公司推出的SOLiDTM系统以及美国爱因美(Illumina)公司推出的高通量HiSeq系列测序仪，以及2014年中国华大基因BGI(The Beijing Genomics Institute)陆续推出BGI-SEQ系列等等(见图4)。目前，全球基因测序市场均以二代NGS技术为主,其中美国Illumina公司占据了全球测序市场份额的80%，成为高通量测序时代的霸主；目前第三代DNA测序技术及仪器陆续出现，如美国太平洋生物(PacBio)公司的单分子实时测序技术，英国牛津纳米孔技术(Oxford Nanopore Technologies)公司的纳米单分子测序技术等等。目前全世界基因测序设备公司美国有44家占49%，中国有38家占42%，英国4家占5%，德国、法国、日本、瑞典均为1家占2%等，目前占据DNA测序上游市场的公司包括美国Illumina、赛默飞世尔(Thermo Fisher Scientific)、PacBio、英国Nanopore和中国华大智造、诺唯赞等公司。2022年基因组学巨头Illumina公布声称迄今为止最快、成本最低的测序仪NovaSeq X系列，该测序仪采用“合成测序”的方法可以提供两倍的DNA读取速度，它的推出将使人类基因组测序的成本降至200美元以下，从而很快到达100美元以下的理想值。

图5 DNA测序技术相关的产业

毋庸置疑，随着基因测序技术和成本的下降，展望未来十年，人类将进入基因组医学为主流的时代。基因测序技术的进步可以带来更多更便宜的基因靶向药物、发展出早期准确诊断癌症的血液检测方法，以及为恶性病毒提供有效疫苗、为罕见疾病患者提供诊断和治疗方案等等。例如在2019年12月30日全球新冠病毒爆发后，依靠Covid-19病毒基因的快速测序，科学家们在2020年1月就得到第一个病毒基因组蓝图，随后就开始开发疫苗并很快上市使用，极大地缩短了疫苗的研发周期，为全球疫情的控制发挥了关键作用。世界在发展，技术进步的脚步永远不会停止，随着第四代纳米基因测序技术的发展，可以预见未来的量子基因测序技术将让人类基因测序成本降低到和CT以及核磁共振相当的水平，那时DNA检测将成为医疗诊断的常规手段。