全基因組定序 (Whole genome sequencing,WGS )是將一個生物的基因組 完整(或接近完整)定序 的流程。1990年代起陸續有生物的基因組被完整定序,最早被定序完成的生物為流感嗜血桿菌 (1995年),1996年首次有真核生物 (釀酒酵母 )被完整定序。2014年以後全基因組定序逐漸開始被用於臨床用途[ 2] [ 3] [ 4] ,以病人基因組資訊決定其療法,即個人化醫療 [ 5] 。2000年全基因體定序技術獲《科學 》期刊選為該年的年度突破 [ 6] 。
霰彈槍定序法的流程圖
顯示基因定序結果的電泳圖譜 [ 1]
流感嗜血桿菌為第一個被全基因組定序的生物
秀麗隱桿線蟲為第一個被全基因組定序的多細胞生物(動物)
阿拉伯芥為第一個被全基因組定序的植物
1977年,弗雷德里克·桑格 的團隊將ΦX174噬菌體 的基因組完整定序,長5368bp ,是第一個被完整定序的基因組[ 7] [ 8] [ 9] 。1990年代起測序技術逐漸成熟,開始被用於定序生物的完整基因組[ 10] 。第一個被完整定序的生物為流感嗜血桿菌 ,共長183萬bp,於1995年由霰彈槍定序法 完成[ 11] ,隨後有其他細菌 與古菌 的基因組陸續被以相同方法定序。真核生物 的基因組大小則大的多,因此定序較為困難,1996年釀酒酵母 的基因組定序完成,約長1200萬bp,為第一個被完整定序的真核生物[ 12] ;1998年秀麗隱桿線蟲 的基因組被完整定序,為第一個完成定序的多細胞真核生物[ 13] 。真核生物定序的方式除使用霰彈槍定序法外,還用到了細菌人工染色體 (BAC)、酵母菌人工染色體 (YAC)等基因文庫 [ 14] 。
1999年人類22號染色體 (最短的體染色體 )被定序發表[ 15] ;2000年黑腹果蠅 的基因組被完整定序,為第二種被完整定序的動物[ 16] ,同年阿拉伯芥 的基因組定序也告完成,是第一個被完整定序的植物[ 17] 。2001年人類基因組計劃 發表人類基因組 的定序草圖(draft)[ 18] ,2003年宣告真染色質 的序列皆定序完成[ 19] [ 20] ,2021年發表定序程度達「完整」的基因組[ 21] [ 22] ;2002年小鼠 的基因組也被定序發表[ 23] 。目前已有上千種生物的基因組被完整定序。2005年起桑格测序 等傳統的定序方法逐漸被Illumina染料定序 、焦磷酸測序 、SMRT定序 與奈米孔洞測序 等次世代定序 (NGS)技術取代(但仍使用霰彈槍定序法的策略,將基因組打碎成許多片段後分別完成定序,再進行組裝)。[ 24] [ 25]
2001年至2019年一次人類全基因組定序的費用變化
已有許多公司嘗試將全基因組定序商業化以作研究或臨床用途[ 26] ,包括Illumina [ 27] 、Knome [ 28] 、Sequenom [ 29] 、454生物科学 [ 30] 、Pacific Biosciences [ 31] 、Complete Genomics [ 32] 、Helicos Biosciences [ 33] 、GE Global Research (通用电气 的研發部門)、Affymetrix 、IBM 、Intelligent Bio-Systems[ 34] 、Life Technologies、Oxford Nanopore Technologies [ 35] 與华大基因 等[ 36] [ 37] [ 38] 。2010年代晚期全基因組定序一次約要價1000美元,許多公司正試圖將成本進一步降低[ 39] ,2017年華大基因的全基因組定序收費已降為一人600美元[ 40] ,2019年Veritas Genetics 也將費用降至一人599美元[ 41]
全基因組關聯分析(GWAS)的結果(曼哈頓圖 )示意圖
在生醫研究中,全基因組定序可被用於全基因組關聯分析 (GWAS)以尋找基因組中與特定疾病相關的單核苷酸多態性 (SNP)位點[ 42] 。
全基因組定序在醫療上也有很大的應用價值,2009年Illumina即推出了用於臨床醫療的全基因組分析套件,供醫師在不知病人病因、傳統療法均效果不彰時使用[ 43] 。因近年來全基因組定序的費用大幅下降,其應用潛力也大幅增加。2011年布萊根婦女醫院 與哈佛醫學院 創立了Genomes2People(G2P)計畫,旨在將基因定序整合進臨床醫療[ 44] 。
人類全基因組定序可能伴隨一些倫理議題,此技術雖有診斷出疾病的潛力[ 45] ,但也有造成基因歧視 、隱私外洩(特別是未成年人 的隱私[ 46] )與心理上負面影響之風險[ 47] 。另外當一個人接受全基因組定序時,除了自己基因組的資訊外,還可能得知其近親的基因組資訊,進而推得他們過去、現在或未來的健康狀況[ 48] ,因此接受定序者是否應與近親分享定序的結果也是一倫理議題,若其帶有一與某疾病相關的突變,卻不願與近親分享此資訊,則醫療人員可能面臨預防醫療與病人隱私的兩難[ 45] 。科學研究中的全基因組定序也可能有隱私外洩的疑慮,因學術研究發表時通常需要將病人的基因型 的資訊發表到公開資料庫,此資訊雖為匿名,但在疾病或突變相當罕見的情況下仍有可能使病人被認出[ 45] 。
最早被全基因組定序完成的人是克萊格·凡特 [ 49] [ 50] [ 51] 與詹姆斯·杜威·沃森 [ 52] [ 53] [ 54] ,於2007年完成(覆蓋度 分別為7.5與7.4),2008年又有一名匿名的中國漢族 人(覆蓋度為36)[ 55] 、奈及利亞 約魯巴人 (覆蓋度為30)[ 56] 、荷蘭的女性遺傳學家玛乔琳·克里克 (為首位基因組被完整定序的女性,覆蓋度7至8)[ 57] [ 58] 與一高加索人種 的白血病 女性患者基因組被定序完成[ 59] 。史蒂夫·賈伯斯 為最早被全基因組定序的20人之一,有消息指其花費高達10萬美元[ 60] 。截至2012年6月共有69個人接近完整的基因組序列資料向大眾公開[ 61] 。2013年11月有一西班牙 家庭在接受23andMe 與華大基因定序後,將全家的全基因組序列以創用CC公有領域 授權條款公開,是第一個公開的家族全基因組序列資料[ 62] 。
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