基因定序在生物醫學上的應用

自序

寫這本書是希望能為社會做點甚麼，也為自己的研究生涯留下紀錄。至今累積30 多
年的生物研究經驗與20 多年的定序分析經驗，藉這本書表達我對父母的敬愛與對加州大
學指導教授的栽培表達誠摯的謝意。
如果您善於思考，或者願意花點時間思考有關生物、醫學、或生物科技方面的問題，
這應該是一本適合您閱讀的書。科學界百多年的研究已經產生無數生物與醫學相關的知
識，無人可以盡述，本書採用濃縮的方式來傳達相關訊息。生物與醫學是我們最切身相關
的科學，增加相關知識就能多了解如何處理生活與疾病的問題，沒什麼不好。我以前所
撰寫的英文版《Next Generation Sequencing and Sequence Data Analysis》在2016 年
由Bentham Science Publishers 出版，可以做為本書的對照與參考。NGS 屬於第二代定
序，本書將之擴充到第三代（單分子）定序，並以定序為核心，探討定序在生物醫學上的
應用以及定序所及的生命科學相關知識與哲學思維，以供廣泛的讀者作為參考，並以中文
發行。
有些人把DNA 定序說成基因定序。大家都知道，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。「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。基因定序的對象也相當廣
泛，只要是遺傳物質（DNA 或RNA）。在各種動物，或在身體的不同部位，或是在生理
上不同的時期，都可以使用DNA 定序來解讀其序列。它不僅用於病患，也適用於一般的
健康民眾，不但適用於動植物，也適用於微生物（包括黴菌、細菌、病毒、噬菌體）等
等。而生物醫學是人生最直接相關的科學， DNA 定序已經成為研究或解決生物醫學問題
最重要的工具，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，才能了解
基因層面的問題根源，或藉以鑑別致病菌種，以便對症下藥。另一方面，遺傳物質是生命
的源頭，一切生命現象都源自於基因體。基因體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。而DNA 定序分析則是了解這源頭不可或缺的工具。本
書專注在遺傳物質的定序與應用。如果能與各位分享定序科技以及一般生物科技與生物醫
學方面的知識是我最期望的事。
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，基因突變可能導致蛋白質結構突變，因而改變其功能而產生病
變。欲知是否有突變必須要有對照組做比較，一般使用參考基因體 (reference genome)
作為對照，但還必須考慮個體與種族之間的差異，以相關的資料庫做校正。以癌症為例，
癌症乃因累積基因體（與表基因體）突變所致，因為每個人的基因體各不相同，分析與治
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、同質體
(homozygous) 或異質體 (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
的資訊的精準度往往超越其它方法所能提供的，所以定序成為當代精準醫療不可或缺的工
具。
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
療可以大大提高存活率。相同的方法一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。但是早
期診斷並不容易，有天生內在的限制，這在第19 章有特別的討論。
定序對流行性傳染病的控制相當重要，藉由解讀致病微生物的基因體即可分辨其種類
與序列變異，以便採取適當的預防與治療措施。前幾年的新冠病毒流行期間，想必社會大
眾都感受到相當大的震撼。病毒是現代流行病防治的重要對象，其危險性不言而喻，許多
流行病，包括流感、禽流感、COVID-19、伊波拉(ebola)、疱疹(herpes)、牛羊的口蹄疫
(foot and mouth disease) 等等，都是病毒所造成的。同樣地，細菌與黴菌也都屬於重要
的病源菌，所有這些微生物都需要以定序來判斷其種類，以便開發對應的疫苗或採取適當
的防犯措施。
回顧歷史可以欣賞前人的智慧，這的確是件令人愉快的事，吾人不能不佩服西方文
化的治學精神。現有地球上的生物是歷經數十億年甚至百億年演化的結果，感謝以往科學
家的努力，我們今天方得以有幸一窺自然的奧祕。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於吟詩作
賦，風花雪月一番以自娛。另一方面也與文化傳統有關。當然，人類的思維溝通以語言文
字為媒介，所以文化傳統與文字是一體兩面。基於種種因素，東方人不像西方人那麼樂於
與他人分享知識與經驗，所以一直停留在原地踏步，也造成許多寶貴的知識就此失傳。相
對地，西方國家則樂於發表，公開分享知識，藉著團隊合作的精神營造出今天我們對於生
命科學與大自然的了解。當然，我們的主題是科學，而不在比較東西方文化的差異，對於
科學的源起與社會環境的相關性點到為止，不再話下。
本書分為四個部分。第一部分（1-3 章）回顧DNA 結構發現之前的幾許科學上的往
事，並複習DNA 分子結構與功能，為定序的介紹做準備。第二部分（4-11 章）才真正進
入定序與分析技術上的議題，首先將三個世代的定序技術先做整體介紹，接著分開介紹，
最後再做比較。第三部分（12-15 章）列舉並討論幾個我親身從事並發表的定序分析的研
究報告，以加深讀者的印象。最後第四部分（16-20 章）除了討論定序科技在生物醫學上
的應用之外，也談及背後的自然現象與人生哲學。希望這樣的布局能夠逐步促進讀者對於
定序與其應用整體的了解。
第一部分對基礎生物科學的研究與DNA 遺傳密碼的性質與結構的回顧有其必要性，
藉由回顧一些生命科學研究的歷史並介紹有關DNA 的常識，可以幫助我們進入狀況，比
較容易了解如何應用定序。接著在第二部分我們討論定序的目的、原理、分析方法及其演
進。沒有定序科技我們就無從了解控制我們一生的遺傳密碼所寫的是甚麼。在解碼之後，
我們需要經由分析，來了解這密碼天書裡的小片段、大片段、特殊分子標示的意義、可能
產生的變化、以及產生變化可能招致的結果。解碼與分析基因體密碼得持續數十年甚至更
久，才能解讀清楚。第三部分期望給各位一個類似親身經歷的感覺，我將我們以往所發表
的幾篇英文研究報告的主要內容翻譯成中文，與各位分享以加深印象。最後在第四部分，
既然有了定序，那定序又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，有
部分是我個人的觀點，提供給讀者作參考。
DNA 定序原理的演變是本書特別聚焦的部分，在第二部分有深入淺出的介紹。如果
要對次世代定序 (NGS) 有更深一層的了解，可以參考上述我所寫英文版有關NGS 的書。
定序本身是一門高度專業的科技，即使是受過生物本科教育的人士，如果沒有親身涉歷，
仍難以了解其中原理。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社會大眾。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，希望對每位讀者有些幫助。當然，讀者背景廣泛，當中必有這方面的專家學者
足以給我指教，而不論您是專家學者或是初嚐生物科技的朋友，都希望能給我意見與回
饋。
在台灣，我曾在中研院工作，也在多所大學兼課（包括台大、陽明、國防、中興、中
央、屏科大等），對於如何增進學生或讀者理解艱深的生醫或生物科技知識有過深刻的思
考。我選擇以深入淺出，並多做比喻的方式來溝通，這樣會比較有效。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生活與教育方式。我試圖以簡單易懂的
方式來介紹定序與相關知識，剛開始可能不明白，或許會覺得看得很累，但多看幾次就會
熟悉，所以我會重複提起。英文翻譯我盡量用單數，但是依據前後文，若以複數為宜則用
複數。免費照片多取自於pixabay.com 與unsplash，在此特別表示謝意。
限於篇幅的關係，有些地方無法盡述，疏漏難免，期望有心讀者不吝指教，在此先致
上我最誠摯的謝意。

邱國平
玉山生醫科技
Top Science Biotech.