疾病防治与基因组测序

    
    随着基因组测序技术的发展，研究人员已经能对所有生物的基因组进行测序，并且时间大大缩短。因此，现在研究人员可以对一名病人身上提取到的细菌或病毒进行全基因组测序，从而根据基因组测序的信息来防治某种病菌引起的疾病，或防御由微生物引起的生物恐怖袭击。所以，2011年12月23日出版的美国《科学》杂志评出的2012年最值得关注的6项科研领域中，基因组流行病学是其中一项。
    微生物基因组测序的开端
    对细菌的基因组测序首先要追溯到美国2001年发生9•11袭击之前遭受的邮件寄送炭疽杆菌的生物恐怖袭击。2001年，美国政府进行了一项前所未有的努力，召集研究人员对炭疽杆菌进行全基因组测序，因为一系列邮件寄送的炭疽杆菌已导致了5人死亡，也在美国全境造成了恐慌。
    当时，研究人员和美国安全部门认为，要防范生物武器的攻击，就有必要了解作为生物武器的微生物的毒理作用，也因此有必要知道用来作为恐怖攻击武器的炭疽杆菌的全基因组序列。结果，研究人员的测序表明，炭疽杆菌的基因组有520万个碱基对。由美国联邦调查局(FBI)招募的对炭疽杆菌进行基因组测序的专家之一、美国北亚利桑那大学的微生物遗传学家保罗•凯姆认为，解决生物恐怖攻击并不需要花费太多的钱，因为“我们确实比上帝有钱来解决这个问题”。当时，对炭疽杆菌基因组的测序只花费了50万美元。现在只需要不到500美元就能对炭疽杆菌的全基因组进行测序。
    现在，基因测序机的测序速度变得更快，体积也更小，也更便宜，已经可以从大的研究中心进入寻常的诊所和小实验室。随着技术手段的改进，凯姆和基因组流行病学家认为，通过对细菌样本的常规测序，科学家可以更快地确定新的病菌流行的源头，也可以知道一种细菌是否耐受抗生素，同时能够调查公共政策或使用特定的药物能够怎样改变微生物进化的过程。
    成功的尝试
    利用基因组测序在今天防治流行病，尤其是突发性流行病，已经有了成功的尝试。
    2010年1月，英国威康信托桑格研究所的研究人员证明，通过对耐甲氧苯青霉素金黄色葡萄球菌(MRSA)基因组的测序和比较，研究人员能够追踪到这种危险病原菌的全球蔓延，并证明这种细菌在20世纪60年代在欧洲出现过，同时也发现这种细菌首先是在泰国的一所医院传播的。
    不过，对某些微生物的基因组测序却可以提供一些实时的信息，以帮助临床医生有效地治疗某种流行病或防范生物恐怖袭击。这方面最成功的实例是2011年5月德国出现由肠出血性大肠杆菌(EHEC)引发的溶血性尿毒综合征，这一事件被称为“德国毒黄瓜”事件。德国明斯特大学的达格•哈姆森研究小组请求中国深圳华大基因研究院对德国的肠出血性大肠杆菌进行基因组测序，希望中德两国研究人员联手破解病原体的来源和毒力，从而找到有效的治疗和预防措施。
    仅用三天时间，华大基因研究院就在网站上公布了基因组分析结果。该菌株属于血清型0104：H4，与2002年从中非艾滋病患者腹泻标本中分离的肠出血性大肠杆菌EAEC0104：H455989菌株的同源性超过93％。
    另外，德国的0104：H4菌株还与2001年在欧洲分离的菌株01-09591有相似性。通过基因序列比较，2011年德国的0104：H4菌株与2001年欧洲菌株01-09591和2002年中非菌株02-55989三株菌株具有7个完全相同的核心基因。因此，2001年的欧洲分离株很有可能是这次爆发菌株的直接祖先。
    另一方面，破解了肠出血性大肠杆菌的基因组还需要检测它对哪些药物敏感，才能找到有效的治疗方法。抗生素抗性试验结果表明，经过10年的进化，德国2011年的菌株对至少8种抗生素可能产生耐药性。0104：H4型菌株属于耐药菌，但和超级细菌有很大不同，后者对目前几乎所有的抗生素耐药，但0104：H4型菌株只是携带了较多的、能抵抗不同抗生素的耐药基因。这些情况有效地帮助临床医生筛选治疗药物。
    当然，筛选药物和寻找适当的治疗方法并非只是从基因组测序获得信息，临床治疗相似疾病的其他信息也对战胜溶血性尿毒综合征起到了作用。0104：H4型菌株所引发的是一种血栓性微血管病，目前还没有很好的治疗方法，使用抗生素反而会使病菌产生更大的毒性。因此，临床上通常使用洗血疗法清除病人血液中的毒素，但是这一疗法的效果因人而异，而且需要大量血浆。
    0104：H4型菌株所引起的疾病正是溶血性尿毒综合征。虽然德国医生控制了溶血性尿毒综合征，但是，从德国和欧洲的临床治疗看，目前还没有特别有针对性的药物来治疗肠出血性大肠杆菌感染的患者，所以研究人员下一步的工作就是尽早研制出直接治疗这种疾病的药物。
    另一方面，治疗这种疾病的前提是诊断，通过基因组测序，德国和中国研究人员也开展了针对该大肠杆菌的诊断试剂盒的研发。
    探索更好更实用的方法
    2011年8月，25名科学家聚会于比利时首都布鲁塞尔，进行了两天的交流，以探讨如何尽最大的努力进行微生物的基因组测序，以及这种测序将会为人类带来多大的益处。这次会议由丹麦技术大学基因组流行病学中心(CGE)的约根•施伦特主持。与会者认为，世界需要一个全球系统以分享和探明微生物的基因组信息。这个系统大约需要5～10年的时间就可以运行，但是也存在一些巨大的障碍。
    首先是，需要建立一个过去历史上所有致病微生物的基因组库，以进行对比，但是这是一个非常艰巨和庞大的工作。如果有历史资料和数据库，对于战胜疾病和应对生物恐怖袭击就会起到非常大的帮助。
    例如，英国桑格研究所最近建成和完成了一部分细菌基因组资料库，其中包括历史上造成人类肺炎的300种克雷伯氏菌肺炎细菌菌株的资料。这一基因组资料库对帮助人们战胜克雷伯氏菌肺炎发挥了重要作用。
    就在德国发生溶血性尿毒综合征之后几周，荷兰鹿特丹一所医院爆发了克雷伯氏菌肺炎。荷兰国家公共卫生研究所的流行病学家哈约•格伦德曼分离了两个细菌样本送到德国明斯特大学的达格•哈姆森实验室进行测序，不到两天时间就出现了结果。哈姆森实验室正是对荷兰的克雷伯氏菌肺炎测序后，再把它与桑格研究所建立的300种克雷伯氏菌肺炎细菌菌株的资料进行对比，发现荷兰这次引发克雷伯氏菌肺炎的细菌菌株是Oxa48，而且几乎对所有抗生素耐药。这让人们非常恐慌。不过好在这种细菌还对一种较老的在今天已很少使用的抗生素——粘菌素敏感，但是，这种药有较大的副作用，对肾有较大的毒性。这个结果有效地指导了荷兰各地的医院对住院的病人进行病原菌检测，从而帮助医生筛查病人，并确诊和使用有效药物。
    丹麦技术大学基因组流行病学中心(CGE)主任弗兰克•奥勒斯楚普认为，这是迄今他所知道的微生物基因组测序技术的实时应用，而且具有立竿见影的医学效益。
    另一方面，建立全球微生物基因组库和进行微生物的基因组测序还有技术标准的统一与兼容问题。例如，目前海地正在流行霍乱，研究人员搜集了海地病人身上的霍乱弧菌送到美国的几家实验室进行基因组测序，结果证明，传染源来自尼泊尔的联合国维和部队士兵。但是，美国北亚利桑那大学的凯姆也对24种尼泊尔霍乱菌株进行了基因组测序，结果却不能与美国哈佛大学研究组对海地霍乱菌株进行的测序相对比，因为他们使用的是不同的测序机，这也造成了原始资料的不匹配。因此，全球必须尽快建立一致的标准。如果标准不一样，对病原体的比较结果就可能不同，也就不能找到真正的病因和有效的治疗方法。
    微生物基因组测序在防治流行病中的最大优点是快速，因此，需要研发更快的测序技术。在德国发生溶血性尿毒综合征后对病原菌测序时，中国研究人员采用了第三代测序仪IonTorrent，其特点是产生数据速度快。第二代测试仪获得数据大概需要一周左右，但第三代只需要几个小时。正因为如此，华大基因研究院比同样进行基因组测序的德国明斯特大学医院卫生研究所还早半天就测出了0104：H4型菌株的基因组。
    不过，基因组流行病学要取得实际效果还必须让临床医护人员参与进来。如果没有临床医护人员的参与，就不可能获得病原体的样本，也不可能对病原体进行基因组测序。例如，尽管研究人员对海地霍乱的菌株进行了基因组测序，但是，提取流行菌株却相当耗时，对尼泊尔士兵携带的霍乱弧菌的采样花费了几个月的时间。这也意味着对临床医护人员培训生物技术相当重要。因此，丹麦技术大学基因组流行病学中心主任奥勒斯楚普等人认为，应当建立一种系统，以便让临床医生能很容易地报告病原菌，包括病原菌的毒力因子、可选用的抗生素和其他相似的分离病原体的方法。这些技术操作应当作为一种指南，即“生物信息学傻瓜书”，提供给临床医护人员。
    丹麦政府已拨款600万欧元给丹麦技术大学基因组流行病学中心和其他机构，以建立一个数据分享平台，现在这个数据库已经能提供多种病原体的信息。而且，这一平台将来还能向临床医生提供选择使用适宜抗生素和药物的指南。这也意味着，基因组流行病学需要信息技术作为其有力的技术支持。
    只要能解决这些问题并接受这些挑战，基因组流行病学在今天和未来就有更为广阔的前景。研究人员不仅可以对导致目前疾病的病原菌进行基因组测序，而且可以将其与历史上出现的同类病原菌予以对比，以发现其毒性、致病性、对药物的敏感性，从而帮助医生找到更好和更快的治疗方法，造福于病患者和全社会。

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