对付新发传染病，当然要有新式武器

根据世界卫生组织（WHO）的定义，新发传染病（emerging disease）是指在人群中首次出现的疾病，或之前可能存在，但发病率或地域范围迅速扩大的疾病。近期最引人关注的是寨卡病毒（Zika virus），它来自被感染的蚊子。成年人被叮咬后，不会感觉很糟糕，但孕妇被叮咬后，病毒可能影响胎儿大脑发育，使他们患上小头畸形。

尽管寨卡病毒早在1947年就已经被科学家发现，但它真正开始蔓延，就是在最近几年。对于这些新发传染病，科学家和临床医生希望能获得疾病的许多细节，而基因测序也许能揭示它的作用机制，并指导疗法的开发。简言之，科学家对疾病了解得越多，他们就越有可能知道应该如何治疗。

New England Biolabs（NEB）的科学家Jeremy Foster解释道：“揭开病原体基因组的秘密为新的诊断工具、疫苗方法和治疗方法的开发铺平了道路。此外，不同地区的多个菌株的测序能够解开遗传变异的谜团，让人们了解生物体如何应对药物等因素。”

Pacific Biosciences的首席科学家Jonas Korlach认为，测序的一个关键优势在于这是一种无假说的方法。你不需要知道你正在找什么。基因序列为疾病的来源提供了完整的蓝图。

测序新选择

测序本身并不是一项新技术。1977年，英国的生物化学家Frederick Sanger开发出一种方法，现在被称为Sanger测序，能产生大约1000个碱基的遗传字母。然后，分析软件将这些片段拼在一起，构建完整的基因组。许多科学家仍在沿用这种技术，不过新方法更快，读取更长的DNA链。

新一代测序（NGS）是一种速度更快、通量更高的方法。许多科学家在使用Illumina的系统。因此，10X Genomics的CEO Serge Saxonov及其同事开发出一个微流体平台，放在Illumina系统的上游。“它产生Illumina测序仪能够读取的短片段DNA，而我们嵌入了这些片段的来源信息。在测序之后，我们的软件能将它们拼回去，”Saxonov谈道。这样研究人员就不需要太多培训。“我们希望对现有流程的干扰最小，”他说。

一些技术能处理更长的序列。Pacific Biosciences测序技术的平均读长超过10 kb。在某些情况下，这足以测序完整的病毒基因组。2015年10月，Pacific Biosciences推出了Sequel系统，它带来了高通量的能力，也更容易使用。“加州大学旧金山分校的研究人员使用我们的技术来测序蚊子的细胞系，以便研究寨卡病毒如何感染细胞，”Korlach说。“长序列呈现了蚊子基因组的更完整图像。”

问题也不少

与任何强大的技术一样，NGS本身也存在挑战。“在某些情况下，样品是否可获得以及样品质量都是问题，”Korlach说。“你很难去到疾病发生的地区，因此获得DNA是一件困难的事情。那里可能没有处理DNA的设备，而气候使得样品很快降解。”

此外，信噪比可能很低。正如Foster所说，“测序新发传染病的挑战有很多，包括病原体DNA的量可能非常有限，而哺乳动物DNA的背景很高。”

NEB的资深科学家Barton Slatko指出，还有很多其他的挑战，比如“测序和分析的成本，在适当的地点有经过训练的人员，将材料准确转移到相关的实验室，是否有生物信息学流程，确保这些信息是可靠的”。简单来说，在鉴定新发传染病时，光有高科技的测序工具是远远不够的。

了解Pacific Biosciences的单分子实时测序技术

检出所有核酸

为了对付新发传染病，DNA和RNA都可以被测序。“RNA测序有助于了解遗传机制，”Lexogen公司的全球科学联络经理Dalia Daujotyte谈道。“这显示了生物体在特定时刻的状态，因此对分析疾病的病因和过程是很宝贵的。”

Lexogen侧重于RNA测序，即RNA-Seq。“只有RNA-Seq有能力发现和注释新的转录本、融合基因和突变，当然，还能检测基因表达，”Daujotyte说。“后者一直是用芯片来测定的；不过，RNA-Seq的文库制备有更广泛的选择，而新仪器的出现以及成本不断降低，让RNA-Seq成为差异表达研究的首选。”

具体来说，差异基因表达有望揭示疾病的作用机制，暴露潜在的弱点，有助疗法开发。最终，DNA和RNA测序的组合将比任何一个单独的数据集带来更多信息。

基因组片段

对于新发传染病的鉴定，也不一定需要全基因组测序。据Slatko介绍，利用PCR或LAMP等技术寻找特定的核酸序列，有助于快速识别高危人群，为资源的快速调动提供生物学信息。这些技术依赖相关DNA序列的知识，来鉴定生物标志物。当然，全基因组测序提供了更多信息，特别是当致病菌株和非致病菌株存在基因组序列上的差异时。

一些可处理少量样本的工具也让科学家收益。Foster表示：“在NEB，我们不断简化测序操作，并从少量核酸中产生优质的文库。”他举了个例子，“我们的NEBNext Microbiome DNA Enrichment Kit和EpiMark Methylated DNA Enrichment Kit能在文库构建之前，富集大多数病原体特有的非甲基化DNA。”

Slatko补充道，靶向富集的操作，如罗氏NimbleGen的SeqCap、安捷伦的SureSelect和NEB的NEBNext Direct，将有助于去除不必要的DNA，只对感兴趣的DNA区域进行高效的文库制备。

总的来说，研究的关键是从引起疾病的生物体中获得最可能多的信息，并利用这些信息来了解和打败它们。就此目的而言，没有什么比DNA序列更好的了。

（作者：Mike May / 生物通编译）