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访谈 | 华大智造美洲营销中心总监谭宏东:技术进步让全人类测序成为可能

2019-10-17

近日,华大智造美洲营销中心总监谭宏东博士就测序技术发展、大人群测序等问题接受采访。谭宏东博士深耕测序领域多年,对测序技术的研发和应用有着丰富经验。对于测序领域,他有很多的观点和心得。


前瞻观点



1、测序应用的发展一定程度上依赖于芯片技术的发展。


2、展望未来,光学和化学两个方向将是测序技术发展的重点。


3、解读人类基因,探索复杂疾病,需要对大人群进行大规模测序,而最大的人群,就是全人类。


Q: 测序技术发展日新月异,能否介绍一下近年来我们取得了哪些方面的进展?


A: 在过去几年中,高通量大规模平行测序的技术发展迅猛,以华大智造为代表的DNBSEQ测序技术尤其突出。回顾这几年,我们的技术进展主要体现在检测方法学、文库制备方法学、大规模平行芯片的制作技术,以及对数据质量的认识等方面。



Q: 高质量的文库制备是精准测序的前提,如何才能获得更高质量的测序文库呢?


A: 测序文库或者是DNA文库的制备方法有两个比较新的发展。


一个是我们希望整个测试过程中尽量保持原来DNA样本的状态,即通过高保真的、没有复制错误的流程来制备文库,真实的基因组信息才能够被保留下来。


另一个是我们的测序技术使用线性扩增,是极少有扩增错误的,加上没有PCR的文库制备方法,这样检测出来的基因组,我们就可以称之为真实的基因组。


无PCR的文库制备方法加上无PCR的检测方法,是我们新的技术进步。我们开发的无PCR的文库产品有诸多优势,包括低起始量、长读长、支持多种样本等,其中一个突出的特点是,相比PCR文库,用PCR Free文库对于检测高GC区域有更好的准确性,可以形成非常长的重叠群,不再依赖测序样本中的GC含量。


另一项快速发展的技术是我们新开发的stLFR单管长片段读取技术。stLFR的主要原理是一个双barcode、双标识的标记过程。我们知道人体有两个基因组,一个是从母亲来的,一个是从父亲来的。我们希望把这两个基因组都进行标识,最好在同一个管中进行测序,这样我们才能够读到比较长的片段。





每个长片段在每个beads上都会有共同的barcode,我们只要识别这个barcode就能识别出这些短片段是否同属于一个长片段。通过短片段测序、组装和两个barcode识别的方法,就能获得长片段。


这些片段最长可以检测到约300K,大部分片段是在60K左右。这项技术一个很好的应用就是我们可以检测到大的、长的缺失。我们可以通过单管长片段的形式,检测我们体内DNA的单倍体的 “相”(Phasing)的情况,即这个片段是来自于母亲还是来自于父亲。


我们分别将PCR-free和stLFR做出来的基因组叫做真实基因组和完美基因组,这些技术使我们的测序仪不仅可以检测长片段,而且可以保证测序的基因组非常准确。我们现在将这些技术集成在一同个测序仪、同一个测序反应里面,从而在一体机器上实现多种应用。


Q: 随着各种测序应用的普及,提升测序通量的需求也越来越紧迫,您觉得当面我们取得了哪些突破,未来测序技术又会朝什么方向发展?


A: 各种测序应用的发展都有赖于芯片技术的发展,要想实现大规模的测序,我们一定要有比较大的芯片,目前我们最有代表性的就是DNBSEQ-T7测序仪使用的芯片,每张芯片可以实现5个G的reads,每张芯片上有50亿个位点可读出的位点。




展望未来,测序技术会沿着两个方向发展:


一是光学方法,通过提高光学检测系统的性能,光学系统能检测的载片pitch(即修饰位点之间的间距)越来越小。如果将目前载片上700纳米的pitch,缩小到500纳米,那么5Gb的reads就会变成8Gb。


二是化学方法,目前我们能做到一台机器通量在6T左右,将来如果可以做到PE300、PE600,就可能实现20T、40T的通量。


Q: 您前面提到了我们对数据质量有了新的认识,能否谈一谈华大智造新发布的“676”标准?


A: “676”标准,是我们在新的技术条件下提出的,定义高精度基因组的新标准。即从头组装产生一个基因组的质量,应该满足下面这些条件:



在测序深度为50X左右,且没有dup或者很少重复序列的情况下,Contig(重叠群)N50长度大于100万(106),scaffold(重叠群形成的支架)N50 长度大于1000万(107),每次组装的单倍体需要达到6个G,测序质量达到Q50。这就是我们的高精度的基因组的标准。


这里需要区分一下重测序和从头组装测序。重测序是指,我们测序获得了大量短片段之后,我们拿这些短片段和一个已知的基因组进行比较,就是属于重测序。而从头组装测序(denovo组装)是指我们并不与某个已知的基因组进行对照,而是直接将拿到手的数据进行组装,这个就叫做从头组装。从头组装的测序可以告诉我们每一个基因真实的情况。


我们用这项技术从头组装测序了六种植物和两种动物的数据,实验表明, 从头组装与常用的组装产出的数据非常相似,并且表现更好一些。此外我们还从头组装了二十多种海洋鱼类的基因组,证明该技术的表现非常令人满意。


在华大智造,我们一直有一个信念,人重测序不是我们的目标,从头组装的完美基因组测序才是我们追求的目标,现在,DNBSEQ-T7测序仪能够用1000美元实现一个符合“676”标准的基因组测序,未来,每一个人都有拥有独特的,从头组装的完美基因组。


Q: 近年来英国、中国、美国等国都发起了大人群测序计划,大人群测序是否已经成为一个趋势?未来又要朝着怎样的方向发展?


A: 解读人类基因,探索复杂疾病,需要对大人群进行大规模测序,而最大的人群,就是全人类。


全人类大约80亿人,按照“676”高精度基因组的标准,如果我们想要在50年内对全人类进行测序,需要的测序通量要达到每年测序2.4亿人。实现这样的目标也不是不可能,如果地球上有1000个测序实验室,每个实验室每天测序1000个人,就可以实现这样的目标。


人类为了交通,建造了公路铁路和桥梁和机场,让我们畅行无阻;我们为了吃得好,建造了数不胜数的农场、养殖场和餐馆;我们为了现代化的生活和工作,建造了大型商场、建造了摩天大楼,能容纳几万人在里面。


那么,我为什么不建造更多的实验室来检测我们每个人的基因,使得我们每个人从出生起就能够拥有从头组装的个人基因组数据,从而识别和预防可能产生的疾病呢?这对每个人的健康意义重大,我们需要尽快建立这样的体系。


健康是每个人的根本诉求。健康来源于两个方面,一方面是环境,是我们所生存的过程;另一方面就是遗传,就是基因,是与生俱来的从我们父母那边继承来的信息。


环境和基因是人类永恒的主题,我们在几万年的发展历程中学会了控制环境,现在也逐渐理解和学会了怎样控制基因。通过技术的进步,把好的基因传递给我们的下一代,每个人才会越来越健康、人类的发展才会越来越好。


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