新書介紹
基因定序在生物醫學上的應用
簡介
寫這本書的主要目的是希望能為國家社會做點甚麼，也為自己的研究生涯留下紀錄。英文版的 (Next Generation Sequencing and Sequence Data Analysis) 在2016年由Bentham Science Publishers出版，可以做為對照與參考。前後累積30年的生物研究經驗與20年的定序分析經驗，寫這本中文書希望對父母的栽培、對社會以及對自己有個交代。
如果您善於思考，或者願意多花一點點時間進一步想想有關生物、醫學、或生物科技的問題，這應該是一本適合您閱讀的書。科學界百年的研究已經產生無數生物學相關知識，任何人都無法詳細敘述，所以本書採用濃縮的方式來傳達這方面的主要相關訊息。生物與醫學是我們最切身相關的學科，多了解就多知道一些處理健康與疾病問題的正確方法，沒什麼不好。
本書專注在遺傳物質的定序與其應用。生物醫學是人生最直接相關的科學，而DNA定序則是生物醫學的一個非常重要的分析方法，因為遺傳物質是生命的源頭，而DNA定序則是分析了解這源頭不可或缺的工具。”定序”的涵義非常廣泛，可以是DNA定序、RNA定序、蛋白質定序，甚至未來其他大型生物分子的定序。如果能與各位分享定序科技、一般生物科技與生物學知識是我最期望的事。我個人曾在台灣多所大學任教，對於如何增進學生或讀者理解艱深的生物學或生物科技有過深刻的思考，我選擇以深入淺出的方式，並多做比喻。”教育即生活，生活即教育”，多看幾次，自然就會熟悉，這樣會比較有效。但限於篇幅的關係，有些地方無法詳述，敬請有心的讀者給予回饋，做為修改的參考。
回顧歷史可以欣賞前人的智慧，欣賞前人的智慧的確是件令人感到愉快的事，吾人不能不佩服西方文化的科學精神。現有地球上的生物是歷經數十億年演化的結果，有趣的事值得一提，那就是科學的起源。科學起源於西方有它的道理，一方面，西方的文字比較科學化，與東方象形文字有很大的差別。東方的象形文字比較適合用於吟詩作賦，風花雪月一番以自娛，所以東方人花了幾千年吟詩作賦歌詠明月，卻沒有產出半篇的科學研究報告。另一方面是文化的關係，當然人的思維溝通以文字為媒介，所以文化背景與文字是一體的兩面。一般東方人不樂於與他人分享知識經驗，所以一直停留在原地踏步。相對地，西方國家則樂於公開分享知識，藉著團隊的精神營造出今天我們今天對於大自然的了解。在此我們的主題是科學，而不在比較東西方文化對孕育科學的影響，對於科學起源的社會環境背景點到為止，不再贅述。
有些人把DNA定序(sequencing)說成基因(gene)定序。其實DNA並不等於基因，基因只是DNA所構成的基因體內的一部分。但是為了方便起見，我們還是可以把兩者互用。何況，在某些情況下，我們的確也只定序基因那部分的DNA。
我們的一生離不開生命科學和醫學，而生命科學和醫學離不開DNA，要了解疾病與DNA則又離不開定序，許多疾病(尤其是遺傳疾病和流行性傳染病)都必須仰賴定序來了解基因層面的問題或鑑別致病菌種，方能對症下藥。許多人想知道DNA定序是怎麼做的，然而定序本身是一門高度專業的生物科技，即使是受過生物本科教育的人士，如果沒有親身涉歷，也不見得能夠了解其中原理，何況是一般人士，所以經常不得其門而入。作為一位教育工作者與生物研究工作者，我期望把最新的生命科學知識與生物科技介紹給國人。在此我將嘗試以簡單易懂的方式來介紹DNA定序以及相關知識，希望對每一位讀者多多少少會有一些幫助。當然，讀者背景廣泛，可以預料對生物學的知識程度一定參差不齊，本書必有未臻詳盡之處，希望給我意見與回饋，待日後新版補充。
一切生命現象都源自於基因體。基因體是代表一個生物體的整組遺傳密碼。基因體密碼必須經過定序方能知其序列。首先我們需要一個正常的基因體圖譜作為後續研究的參考，這是經由定序健康的正常基因體所產生的，它稱為參考基因體(reference genome assembly)。第一個人類參考基因體乃由美國所領導的Human Genome Project分配給多國分工定序，歷時十年，在2001年首次發表，後來又歷經多次修改才漸臻正確完整。未來的相關研究可能是轉錄體(transcriptome)、蛋白質體(proteome)或是轉錄因子 (transcription factor) 等用以調控生物體發生(development)過程的序列。調控者在基因體(或染色體)的出處(是那個基因所產生的蛋白質)與被調控者在基因體的位置以及其他相關資訊都必須對應到基因體才能知道它們的身世背景以及功能。
定序的對象相當廣泛，只要是遺傳物質(包括DNA或RNA)都可以使用DNA定序來解讀分析其序列。不僅用於病患，也適用於一般的健康民眾，不但適用於動物，也可用於植物以及微生物(包括黴菌、細菌、病毒、噬菌體)等等。
定序病患樣本的目的在於找出其基因體上有無與疾病相關的突變以及發生在那基因。因為基因表達成為蛋白質，基因突變可能造成蛋白質突變而改變其功能而導致病變。欲知是否有突變必須要有對照組做比較，理想的對照組應該是同時定序的另一個健康人的基因體，兩者皆對照到人類基因體圖譜(human reference genome)，但也可以只使用參考基因體作為對照，只是沒有前者那麼理想。以癌症為例，癌症乃因累積基因體突變所致，因為每個人的基因體各不相同，所以治療方法愈來愈趨向使用個人化的精準醫療(personalized precision medicine)，基因突變的資訊對精準醫療扮演著不可或缺的角色。精準醫療的要義在使用高靈敏度的生物科技以確認突變的形式與種類 (從甚麼鹼基變成甚麼鹼基)、受影響的基因與位點、homozygous或heterozygous、顯性或隱性、對生理與健康產生的影響等等，並且提供給醫生作為用藥的參考。許多藥物具有專一性，有些具有廣效性。而定序所提供的資訊的精準度是任何其他科技所無法提供的。所以定序成為當代精準醫療不可或缺的手段。
不只針對病患，健康人亦可定序，再與圖譜比較，以便在病發之前得知其基因體內潛在的異常變異與所可能造成的風險，所以，一般民眾做DNA檢測的主要目的在於早期診斷。以癌症為例，從累積突變到診斷腫瘤的存在，一般需要多年的時間，早期發現早期治療可以大大提高成活率。相同的方法依樣可以應用在其他生物身上，在演化過程中，人類與動物有很近的同源性，許多疾病的發生原理相同，有些治療的方式也非常類似。
定序對微生物的用途大多在於解讀流行病致病原的種類，以便採取適當的處理方式。前幾年的新冠病毒流行期間，想必社會大眾都受過相當的震撼教育。病毒是現代流行病防治的重要對象，其危險性不言而喻，不論是流感、禽流感、covid-19、伊波拉(ebola)、疱疹(herpes)、牛羊的口蹄疫(foot and mouth disease)等等，都是病毒所造成，主要也是以定序來判斷其種類，以便開發對應的疫苗或採取適當的因應措施。
本書分為三個部分。第一部分 (1-3章) 複習一些分子生物學的歷史與基本常識並回顧當時生物研究的幾許往事，第二部分 (4-11章) 進入定序與分析技術上的核心議題，最後第三部分幾章討論定序的應用，包括對醫學的應用與人生哲學的影響，希望這樣的布局能夠促進讀者的了解，也藉著定序把這些議題連貫起來。基礎生物學的回顧(第一部分)是必需的，否則難以說明要如何應用定序。接著(第二部分)，我們討論定序原理、分析與使用的方法。定序可以說是了解生命不可或缺的工具，沒有定序我們就無從了解控制我們一生的遺傳密碼天書裡面寫的是甚麼。當然，即使在解碼之後，我們還是須要了解這密碼天書裡的一些小片段、大片段與特殊分子標示的意義，這還得等待數十年，甚至更久的時間才能解讀清楚。最後(第三部分)，既有定序，那定序如何影響我們的生活呢? 包括健康與疾病的處理與人生哲學，這是我個人的觀點，僅供參考。
為了增進對本書內容的了解，我特別增設一章專題討論，將我們從前所發表的一篇
英文研究報告的主要內容翻譯成中文，與各位討論。教育即生活，生活即教育。在生活中互相觀摩互相學習是最佳的一種教育方式。筆者將試圖以簡單易懂的方式介紹定序與相關知識，希望這本書能夠發揮它的功用。疏漏難免，期望有心讀者不吝指正，以備下版修改。
邱國平
2024年9月
