作者:
邱國平 博士 (Kuo-Ping Chiu, PhD)
玉山生醫科技股份有限公司 董事長
 
學歷:
加州大學戴維斯分校微生物學博士
哈佛大學醫學院 博士後研究員
 
曾任教/職於:
台灣
國立陽明大學微免所
國立台灣大學生命科學研究所
國立中央大學系統生物與生物資訊研究所
中央研究院基因體研究中心
 
新加坡
基因體研究所
 
美國
Bio-Rad Laboratories
 
作者簡介
作者邱國平在加州大學戴維斯分校獲得微生物學博士學位，博士論文題目是開發一種定位 PCR (in situ PCR) 的方法，以追蹤 MMTV 病毒對小鼠細胞的感染途徑。接著他到美東波士頓，在哈佛醫學院從事博士後研究，主要開發一種三色的螢光定位雜交技術(in situ hybridization)，以觀測乙酰胆碱受體(acetylcholine receptor)的組成蛋白(subunits)之間基因表達的協調現象。之後，他回到加州，在 Bio-Rad Labs 研發使用 流 式 細 胞 儀 檢 測 微 生 物 的 抗 藥 性 (flow cytometric anti-microbial susceptibility testing)，期間他開發了數個試劑組，可以快速定性、定量地分析敏感微生物的死亡過程。後來他利用時間在 Solano Community College 學習電腦程式語言，取得電腦程式語言證照，接著在 2002 年轉赴新加坡，在新加坡基因體研究所，研發一種新型的定序技術，稱為 Paired-End Ditag (PED) ，並且負責第一線所有的序列資料分析。初期工作還包括使用桑格定序法 (Sanger sequencing) 分析冠狀病毒 (SARS) 的基因突變，後來也分析次世代定序(Next-Generation Sequencing, NGS) 的序列資料，特別是 454 的 NGS 序列資料。同時，在合作與獨創的計畫中探討了癌症基因突變及其病理、轉錄因子 (transcription factor ) ER (estrogen-receptor) 與 C-myc 在基因體上的黏合位置 (binding sites) 與鄰近基因表達的關聯性，轉錄因子 nanog、Oct4、Sox2 等對發生 (development) 過程的基因調控，並參與多國高等研究機構 (如 NIH、RIKEN)的合作計畫。他於 2008 年回到中央研究院，使用多種定序機平台(包括 SOLiD、MiSeq 與 454)，從事癌症、創新科技以及 PCR 試劑組的研發，所開發的 TOP-PCR (T oligo-primed PCR)試劑組可以複製單一的 DNA 片段，已經擴展到基因網數位 PCR (gene net-digital PCR)。同時，他在台大與多所大學的研究所開課，傳授基因定序與序列資料分析，以及生物學相關的各種知識。他於 2020 年創辦玉山生醫科技股份有限公司，將試劑銷售世界各地，並提供定序與序列資料分析等服務。總之，他橫跨學術界與生技產業，實驗與生物資訊。他發明了大約 10 種專利，在國際期刊上總共發表了大約 50 篇的科學研究報告，在 2015 年出版了一本 NGS 定序原理與分析的書(書名: Next Generation Sequencing and Sequence Data Analysis)。在 2023 年發表了台灣獼猴的全基因體定序。
 
自序 (prologue)
寫這本書的主要目的是希望能為社會做點甚麼，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，可以做為本書的對照與參考。前後累積 30 年的生物研究經驗與 20 年的定序分析經驗，寫這本中文書也希望對敬愛的父母與加州大學的指導教授的栽培表達謝意，也希望對熱愛的台灣以及對自己有個交代。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。所以本書採用濃縮的方式來傳達這方面主要的訊息。生物與醫學是我們最切身相關的科學，多增加這方面的知識就多了解如何處理生活與疾病的問題，沒什麼不好。

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那部分的 DNA。”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(包括 DNA 或 RNA)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。生物醫學是人生最直接相關的科學，而 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，才能了解基因層面問題的根源，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。而 DNA 定序分析則是了解這源頭不可或缺的工具。

許多人想知道 DNA 定序是怎麼做的，本書的第二部分做了一些深入淺出的介紹，如果要對次世代定序有更深一層的了解，可以參考上述我所寫的英文版書籍。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，也不見得能夠了解其中原理，何況是一般人士。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，希望對每位讀者多多少少有些幫助。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 (也必有這方面的專家學者足以給我指教的)，本書必有未臻詳盡之處，不論您是專家學者或是初嚐生物科技的門外漢，都希望能給我意見與回饋。

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。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醫或生物科技知識有過深刻的思考，我選擇以深入淺出的方式，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”，多看幾次，自然就會熟悉。限於篇幅的限制，有些地方無法盡述，敬請有心的讀者多在網路搜尋相關資訊，並給我回饋，以便做為日後補充的參考。

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科學精神。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。所以東方人花了幾千年吟詩作賦歌詠山川明月，出現許多風流雅士，卻沒有產出半篇的科學研究報告。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的兩面是不爭的事實。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我們今天對於大自然的了解。當然，我們的主題是科學，而不在比較東西方文化的差異，對於科學起源的社會環境背景點到為止，不再贅述。

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，因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，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是任何其他科技無法相提並論的。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。但是早期診斷並非易事，有天生內在的限制，這在第十九章有特別的討論。

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，想必社會大眾都感受到相當的震撼。病毒是現代流行病防治的重要對象，其危險性不言而喻，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，都是病毒所造成的，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。

本書分為四個部分。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，第三部分 (12-15 章) 列舉幾個我親身從事過的實際定序分析的例子，最後第四部分 (16-20 章) 除了繼續討論定序在生物醫學的應用之外，也談及背後的自然現象與人生哲學，希望這樣的布局能夠促進讀者的了解，也藉著定序把這些議題連貫起來。

我個人覺得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是必需的，先回顧一些生命科學研究的來龍去脈並補充一些有關 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、分析方法與其演進。沒有定序科技我們就無從了解控制我們一生宛如天書的遺傳密碼裡所寫的是甚麼。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。第三部分的目的在給各位一個類似親身經歷的感覺，我將我們從前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，有部分是我個人的觀點，提供給各位做參考。

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。

邱國平
玉山生醫科技股份有限公司
Top Science Biotechnologies, Inc.
2024 年 12 月
 
內容/ Contents

(可能會再更改)
 
第一部分
遺傳物質
遺傳物質包括 DNA 與 RNA，統稱為核酸。傳統的 DNA 定序也可以定序 RNA，因為 RNA 可以轉換成cDNA，再以 DNA 定序。而目前的單分子定序法可直接定序 RNA。另外，雖然 DNA 並不等於基因，DNA 定序也常被大眾稱為基因定序，為方便起見，在此兩者互用。在討論 DNA 定序之前，我們先了解一下其定序的對象: DNA與 RNA 這兩種遺傳分子。藉著回顧過去生物學研究的歷史，可以進一步了解在發現 DNA 分子結構之前生物學家如何從事生命科學的相關研究。
 
第一章 DNA 分子結構發現之前的生物科學研究
科學家對於生命現象的研究是謹慎而漸進的，在沒有堅固而且明確的基礎可為佐證的情況下更是如此。DNA 結構提供生物研究一個相當堅固而明確的基礎，但那是 1953 年 DNA 結構發表之後的事。那麼，在那之前，人們對於生物世界懂多少?生物學家又怎麼做研究，怎麼推測生物原理呢?我們在此姑且稍作一個簡單的回顧，希望對生命科學的發展過程多一分了解。另外，有趣的是，在尚未發現 DNA 結構與中心法則之前的破曉時分，有那些證據指向後來所發現的 DNA 結構的這個方向? 科學一脈相承，具有相互依存的關係。溫故而知新，我們在此回顧 DNA 結構發現之前數十年間在生命科學界所發生的一些重要事件，希望對我們的科學思考有一些幫助。當然，這期間對生命科學有重要貢獻的科學家不勝枚舉，但是篇幅有限，我們只能舉一些具有代表性的科學家及其貢獻作為例子當作起頭。對這方面有興趣的讀者，可在期刊或雜誌上進一步研讀相關的資料。

生命科學在 20 世紀初隨著物理與化學的進展，開發出一片嶄新的、多方向的領域。假如沒有物理與化學方面的進展就不可能有今天生物學上如此偉大的成就。例如，假如沒有化學週期表，我們怎能知道生物體內原子與分子的結構，又怎能知道DNA 結構與生化流程 (biological pathways) 運作的細節呢? 原子與分子的組成正是有機化學的基礎，有機化學也正是所有生物醫學相關領域的基礎。

生物遵守物理定律是非常明顯的事實，在巨觀物系隨處可見，樹上掉下來的蘋果遵守牛頓力學自由落體的定律、火箭的發射飛行、日子不好過時有人跳樓，其速度、加速度都遵守物理原理，只是生物界微觀系統的複雜性經常無法以簡單的物理公式來表示。有些物理學家如 Francis Crick 與 Erwin Schrödinger 也投入生物學的研究。比起物理，化學顯然與生物學更為接近，但是比較不容易觀察，一部分原因是它屬於比較微觀的世界，量測相對不易，常常需要特殊儀器。從各方面資料顯示，電子軌域與原子週期表推演到各種無機分子結構，可以再直接連貫到有機化學。分子間的相互作用，諸如凡得瓦爾力 (van der Waals force)、氫鍵 (hydrogen bond)、離子鍵(ionic bond)、共價鍵 (covalent bond) 等等的作用原理在無機與有機世界的原理是一樣的。生物學承接物理與化學的發展的基礎與共通性，終於激起一波波的生物科技。以實證科學為基礎的哲學取代了以往天馬行空的空洞哲學，才有今天的生物科技與生物醫學，得以幫助解決疾病的問題。所以，生物學遵守物理與化學原理，同時發展出自己的一套原理。生物世界是世界上最複雜的體系之一，生命的許多現象無法像物理規則一樣可以以公式來描述；相反地，生物學經常須要使用統計機率來分析，因此令人不免懷疑是否具有確切的生物規則可以依循。歷經兩個世紀科學家的努力，我們終於找出了一些重要的生物法則，足以解釋目前大部分的生命現象。

從微觀到巨觀: 生物系統的連續性 ………………………………………………………. 續