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精确医学:不仅是简单的基因组测序

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精确医学:不仅是简单的基因组测序

国内在介绍和讨论精确医学时,大多只强调基因组序列分析的重要性,给人造成一种“基因组测序”是精确医学必由之路的幻象。但事实上,“十八般武艺齐上阵”的策略才是精确医学真正倡导的。2015年初,美国国立卫生研究院 (NIH)主任弗朗西斯·柯林斯 (Frans Collins)和美国曾任国立癌症研究所所长的哈罗德·瓦慕斯 (Harold Varmus)在介绍美国的精确医学计划时,这样写到:“项目参与者被要求同意对其进行全面地生物学分析(包括细胞种类、蛋白质、代谢分子、RNA以及DNA;当经费允许时可进行全基因组测序)和行为分析,并与其电子健康档案相联”[1]。

1、系统生物学是精确医学的“抓手”

“精确医学”并非美国总统奥巴马首创。早在2011年,美国国家研究理事会就发布了相关的战略研究报告:《迈向精确医学——构建生物医学研究的知识网络和新的疾病分类法》 (Toward Precision Medicine: Building a Knowledge Network for Biomedical Research and a New Taxonomy)(以下简称“迈向精确医学”),明确提出了“精确医学”的概念及其核心内涵[2]。该报告认为,“要建立这样一种医学模式:将个体的临床信息和分子特征来构建一个巨大的‘疾病知识网络’,并通过这种知识网络来支持精确诊断和个体化治疗”[2]。该疾病知识网络的特点是,把个体的基因组、蛋白质组以及代谢组等各种分子数据与临床信息、社会行为和环境等不同层级、不同维度的数据进行整合,其目的是“获取决定个体健康状态的极端复杂的影响因子或发病机理”[2]。换句话说,“精确医学”的主要任务是为每一个体构造一个整合了各种相关信息的知识网络。

笔者认为,精确医学所强调的多种数据整合策略正是体现了生命科学领域新兴交叉学科“系统生物学” (Systems Biology)的精髓:首先是要把生物系统内基因、蛋白质等不同种类的分子组成成份整合在一起进行研究;其次,对于多细胞生物而言,系统生物学还要实现从分子到细胞、组织、个体的各个层次的整合。系统生物学的指导思想是整体论和系统论,认为生物体是高度复杂的庞大系统,不能只考虑局部,某一类分子,甚至不能仅考虑一个层次,需要从多层次和多因素相互作用的全局性角度进行整合研究,才能完整地认识和揭示生命的复杂生理和病理活动。

2、为什么要系统获取人体信息?

虽然机体内遗传信息的传递基本遵循“中心法则”,从DNA传递到RNA,再到蛋白质;但是,其传递过程不是“高保真”的,通常伴有不同程度的“噪音”。例如,对结直肠癌组织的基因组和蛋白质组的比较研究表明,肿瘤细胞有些蛋白质上的氨基酸变异并没有对应的基因组序列变异[3]。显然,仅仅进行基因组测序是难以了解很多在转录水平和蛋白质水平才出现的新变化。已有大量研究工作对DNA甲基化修饰和组蛋白翻译后修饰等表观遗传变化与肿瘤发生发展的关系进行了揭示。因此,要研究肿瘤的发生发展,不仅需要检测基因组的序列变异,还需要检测表观遗传学信息。这些工作提示,生物体不同分子层次之间不是一种线性关系,一个层次上的信息不能全部地反映出其它层次的性质和变化,在每一个层次的研究都是有必要的。

生物复杂系统最主要的特点是,每个活动都是众多不同的基因、蛋白质、代谢小分子之间相互作用的结果;生物体内找不到“单干户”,全是“工作团队”。需要强调的是,这种观点引出了整体论与还原论在看待生物分子功能时的重要区别。整体论者认为,生物分子的功能不是确定不变的,而是取决于具体环境下与其发生相互作用的其它分子。与之相反,还原论者认为,每个特定的生物分子具有某种固定不变的生物学功能;就如同曾经在中国上世纪70年代末流行的印度电影《流浪者》的一句名言,“法官的儿子永远是法官,贼的儿子永远是贼”。

决定论观点在肿瘤研究中特别盛行:人们通常把研究中找到的肿瘤相关基因赋予一个具有明确功能指向的称谓,要么是促进肿瘤生长的“癌基因” (oncogene),如前面提到的KRAS基因;要么是抑制肿瘤生长的“抑癌基因” (tumor-suppressing gene),如大名鼎鼎的p53基因。笔者实验室在不久前的一项研究中发现,p53基因与某些基因共同工作时确实表现为抑制肿瘤生长;但令人吃惊的是,如果将实验条件进行特定改变,同一个细胞内的p53基因将与另外一些合作伙伴在一起促进肿瘤的生长,而抑制p53的活性将抑制肿瘤的生长;此时p53基因的表现就像一个标准的癌基因[4]。显然,各种生物分子间相互作用的信息也难以简单地从基因组序列的测定中获取,要依靠转录组、蛋白质组和相互作用组等不同组学层次的分析与数据整合。

3、不可忽略的环境因素

人体的体内和体表存在大量的细菌。有研究者甚至把肠道菌群基因组称为“人体第二基因组”。据估计,人体肠道菌群基因组的基因总数大约是人类基因组的100倍,有近300万个基因。可以说,只有把肠道菌群基因组和人类基因组结合在一起,才算是完整的人体遗传全景图。近年来,越来越多的研究工作表明,肠道菌群作为人体复杂系统的一个重要组成部分,广泛参与了机体的各种生理和病理活动。例如,有研究指出,肠道菌群中一种名为核粒梭菌 (Fusobacterium nucleatum)的细菌能促进结直肠癌的形成。显然,要想完整地认识和有效地解决复杂性疾病,不仅需要研究人体自身的基因、蛋白质、细胞和组织,而且对隐藏在机体内肠道菌群的研究也不可或缺。在“迈向精确医学”的报告中,作者也专门强调了这一点:“对人体微生物菌群及其功能认识的不断深入,将帮助我们实现疾病分类,研制针对人体及人体寄生病菌的药物”[2]。

遗传因素作为内因,在肿瘤和糖尿病等复杂性疾病的发生发展过程中发挥了重要作用。但环境作为外因也不可忽略,有时候其重要性甚至会超过机体的内因。不久前美国科学家通过计算方法,比较了作为内因的干细胞分裂能力与环境等外部因素在不同类型肿瘤发生中贡献大小。其结论是,内在风险因素只占整个癌症风险的10~30%,而外部风险因素则在癌症形成中起到了主要作用[5]。作为针对复杂性疾病的精确医学,环境等外部因素显然也是需要进行整合研究的主要内容。在“迈向精确医学”的报告中,作者以“暴露组” (Exposome)为例,介绍了在人一生不同阶段可能对其有致病影响的暴露因素,包括物理环境、居住条件、生活习惯和社会因素等;这些都是精确医学不能忽略的内容[2]。

4、美国精确医学的研究策略

为落实奥巴马总统2015年初提出的精确医学计划——建立100万美国志愿者人群的精确医学队列并采集相关信息,美国政府提出了一个“精确医学先导专项” (The Precision Medicine Initiative,PMI)。2015年9月,该专项的工作小组向美国国立卫生研究院提供了一个研究报告,详细分析了如何实施这项任务:“为了成功实施‘精确医学先导队列项目’ (PMI Cohort Program,PMI-CP),需要采用成熟的以及全新的方法和技术来进行数据采集和管理”[6];其核心数据集包括电子健康档案、健康保险信息、问卷调查表、可穿戴设备健康信息采集以及生物学数据(各种组学数据、肠道菌群数据)等5大类型 [6]。

从以上对两份美国精确医学报告的介绍来看,美国人正是把整合型研究策略作为开展相关研究工作的“抓手”。这种整合型策略注重从个体有关层次尽可能完整地获取数据,包括个体的微观层次(基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等)、个体的宏观层次(分子影像、行为方式、电子健康档案等)、个体的外部层次(肠道菌群、物理环境、社会条件等);然后对这些不同层次的数据利用各种信息分析技术进行整合,形成一个各个信息层之间不同类型数据有着高度连接的疾病知识网络;“理想情况下,每个信息层与其它所有各信息层之间都形成连接:使得‘征兆和症状’与基因突变相连,基因突变与代谢缺陷相连,暴露组与表观基因组相连,等等”[2]。因此,采用整合型研究策略建构“疾病知识网络”,就是“Precision Medicine” 的第二个特征。(生物谷 Bioon.com)

参考文献

[1] Collins F S, Varmus H. A new initiative on precision medicine. New Engl J Med, 2015, 372(9):793–795.

[2] National Research Council. Toward precision medicine: building a knowledge network for biomedical research and a new taxonomy of disease. 2011, http://www.nap.edu/catalog/13284/

[3] Zhang B, Wang J, Wang X, et al. Proteogenomic characterization of human colon and rectal cancer. Nature, 2014, 512(7515):382–387.

[4] Song W, Wang J G, Yang Y, et al. Rewiring drug-activated p53-regulatory network from suppressing to promoting tumorigenesis. J Mol Cell Biol, 2012, 4(4):197–206.

[5] Wu S, Powers S, Zhu W, Hannun Y A. Substantial contribution of extrinsic risk factors to cancer development. Nature, 2016, 529(7584):43–47.

[6] Precision Medicine Initiative (PMI) Working Group. The Precision medicine initiative cohort program – building a research foundation for 21st century medicine. 2015, https://www.nih.gov/sites/default/files/research-training/initiatives/ pmi/pmi-working-group-report-20150917-2.pdf

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2016下一代测序发展论坛

会议时间:2016.11.17-2016.11.18 会议地点:上海

会议详情:http://www.bioon.com/z/2016ngs/

百美元级基因测序、IBM 和Philips入伙,新年霸屏的Illumina意欲何为?

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百美元级基因测序、IBM 和Philips入伙,新年霸屏的Illumina意欲何为?

1月9日J.P摩根健康大会上,全球基因检测巨头公司Illumina宣布推出NovaSeq系列测序仪,其无可比拟的通量、简洁的操作,低成本以及灵活性有望将基因测序成本降低至100美元。这标志着百元级基因组学时代有望到来!

1月9日J.P摩根健康大会,Illumina与全球生命科学研究及临床诊断市场领先服务商Bio-Rad宣布启动单细胞基因组测序解决方案,以强化复杂性疾病研究。

1月9日,Illumina与全球领先医疗技术公司Royal Philips宣布达成战略合作,将携手提供综合性肿瘤基因组学解决方案。

1月9日,Illumina与 IBM Watson Health正式结盟,联盟将致力于规范基因组数据解读。通过TruSight Tumor 170帮助没有靶点药物可用的患者寻找治疗药物。

J.P摩根健康大会进行得如火如荼,Illumina已然是要霸屏的节奏。一个个重磅消息扑面而来,一时间记者竟然有点抓不住重点。但其实Illumina屏霸模式早在摩根大会之前就已经启动。

1月5日,Illumina宣布其肿瘤液体活检子公司Grail启动B轮融资,融资目标高达10亿美元。不仅如此,此次所得资金还将用于回购Illumina手中所持有的股份。Illumina也有意让Grail尽快独立出来,从旗下子公司,成为最大客户。

1月4日,Illumina与Counsyl、Natera、Progenity、Laboratory corporation of America’s speciality lab Intergrated Genetics五家美国领先基因检测公司共同宣布成立产前筛查联盟。该联盟将共同努力,旨在通过基于cfDNA的无创产前检测更好的实现无创产前筛查。

一个又一个重磅,根本停不下来。尽管几乎被这些消息冲昏了头,但记者还是发现这些消息有一个共同之处——Illumina似乎在有意加强自己在临床消费市场的布局。为此,记者对Illumina近来动向进行了分析。

推出NovaSeq系列,百元测序时代将到来

先来说说百元测序时代到来的大事件。NovaSeq系列测序仪的推出其实记者并不觉得意外,Illumina一直致力于将基因测序普及到千家万户。此前人类全基因组测序成本从1亿美金降低到1000美金,Illumina功不可没,HiSep X、千元测序几乎成为Illumina的标签。自然杂志更是对Illumina称赞有加:“他们所做的,已经打破了穆尔定律,对无规律变异的预测十分准确。”

一时间,上游测序仪器市场几乎被Illumina垄断,基因测序市场更是迎来了一次大爆发。但Illumina并不打算止步于千元测序,早在子公司Grail成立的时候,Illumina就曾表示计划在2019年将价格压低至1000美元以下。

但真如外界所传,Novasep系列已经实现将测序成本降低到100美元了吗?并非如此。据人和未来CTO宋卓透露,Illumina CEO Francis deSouza 在接受BioIT World 采访时表示,NovaSeq的每GB测序成本比HiseqX降低了20%。 所以NovaSeq系列人类全基因组的真实成本将是800美金。宋卓表示,100美元测序的目标需要通过增加读长和阅读密度、降低flow cell成本才能达到,预计至少还需要3年。

NovaSep系列在测序速度上也有所突破。HiSeqX的全基因组测序时间为72小时,NovaSeq系列则将时间缩短为40个小时。按照目前的数据分析方案,即便在百万美元的计算集群上,数据分析的时间都需要3天,实际时间可能需要5-6天,节省下来的32小时似乎意义并不大。但宋卓向记者解释:“如果采用具有突破性意义的计算方案,将计算时间缩短为十几分钟,那这32小时的意义就极其明显了。”

尽管没有真正意义上实现100美元测序,但NovaSeq系统的推出,至少标志着基因测序百元级时代的到来,Illumina确实干的漂亮!毫无疑问,基因测序市场尤其是临床市场将迎来第二次扩张,Illumina官方也表示将重点发展临床研究。

NovaSeq系列是Illumina至今推出的最为强大的测序仪。NovaSeq系列不仅能满足研究人员对下一代测序技术的需求,测序的难度也得到了大幅降低。它能够一次运作检测3-28人的全基因组测序,并且能为对比肿瘤-健康组织的超深度测序、与复杂疾病相关的大规模基因变异分析等领域提供全新的市场。

NovaSeq系统包括了NovaSeq 5000与NovaSeq 6000两种机型,售价分别为 $850,000 和$985,000 。NovaSeq 6000将在2017年3月开始向全球送货,NovaSeq 5000的预计发送日期则为2017年中旬。据悉,国内基因检测公司海普洛斯已订购了10台NovaSeq 6000测序仪,成为中国首家使用NovaSeq系统的公司。

Illumina在测序成本上的努力,是为了加强在基因测序在临床领域的发展。这家聪明的公司深知临床市场的市场量级,也知道临床将是基因测序的一个落地点。

频频合作,加强中游市场布局

从今年已经宣布的合作中,不难看出Illumina想通过合作进一步巩固自己在临床中游测序市场的布局。

Illumina正式进军测序服务中游市场是在2007年,以6亿美元收购基因测序公司Solexa。这也打破了此前Illumina不与客户竞争的局面。之后公司一路买买买,收购了一个个竞争对手。2013年1月,Illumina又以3.5亿美元收购了Verinata Health。消息一出整个行业都为之震惊,Verinata是Illumina在无创产前测试领域的一个直接竞争者。这也标志着Illumina正式布局无创产前市场。

之后公司又推出了ACOG、ACMG、ispd、Society for Maternal-fetal Medicine等一系列指南,并积极与保险公司开展合作。逐渐成为了无创产前领域的佼佼者。

几天前,Illumina又与Natera等领先基因检测公司共同成立了产前筛查联盟。联盟将致力于推动无创产前筛查在临床市场的普及,提高公众对基于cfDNA的NIPT的价值意识觉醒,并提供最高标准和质量的服务。这几家公司本身并不缺乏竞争力,但比起在有限的时候才能够份额下竞争,共同去开阔市场更加符合他们的利用。

除了无创产前领域,Illumina在肿瘤测序领域也是下了一番功夫。摩根大会宣布的四则消息中,其中有两条都是在肿瘤测序领域的布局。

公司于2013年推出TruSight 系列推出针对肿瘤癌症的测序试剂盒——TruSight Tumo和TruSight Cancer。前者可更深入了解实体瘤中的变化,覆盖了肿瘤抑制基因的所有外显子,有助于更全面的查看实体瘤中的体细胞变异,包括肺、结肠、黑色素瘤、胃和卵巢。后者则针对之前与癌症易感性相关联的基因,靶定已知在癌症中发挥作用的90多个基因,包括与常见(如乳腺癌、结肠直肠癌)和罕见癌症相关联的基因。

此次与IBM Watson的联盟,TruSight Tumo系列中的TruSight Tumor 170就将发挥重大作用。两家公司将建立IBM Watson 基因组学项目,利用Illumina的TruSight Tumor 170,来帮助癌症病人寻找合适的治疗药物。联盟旨在鼓励让Memorial Sloan-Kettering Cancer和M.D. Anderson Cancer Center这样的主流癌症研究中心之外的医疗机构普及患者DNA测序。通过测序手段,将有希望帮助没有靶点药物可用的患者找到治疗药物,但目前这样的方法仅适用于非小细胞肺癌。

对于医院和医生来说,他们面临两个问题:要测序什么基因;要如何分析得到的数据。IBM-Illumina则提供了完美的解决方案:测序范围仅为170个肿瘤基因目录,这其中包含了已经批准和正在试验证明阶段的所有靶点;而IBM Waston在拿到数据后将对数据进行快速分析,并告知医院和患者基因突变的类型以及治疗药物。

Watson Health副总裁Steve Harvey表示,联盟的目的是让普通医院也能进行DNA测序,这或许可以使2万美国人受益。

Illumina与 Philips的战略合作,也直指肿瘤基因组学。两家公司将携手提供综合性肿瘤基因组学解决方案,旨在整合Illumina测序系统大规模的遗传变异分析和功能,以及Philips IntelliSpace Genomics临床信息平台,并协调解决方案市场及销售。此外,Philips和Illumina还将在临床研究和肿瘤精准医学项目上寻求合作。

但真正的大手笔其实是子公司Grail。去年摩根大会上,Illumina宣布与ARCH Venture共同出资建立肿瘤液体活检子公司Grail(看来Illumina很喜欢在摩根大会上搞事情)。虽然Grail很可能含泪挥别Illumina独自闯荡,但即便如此Illumina依然将持有Grai 20%左右的股份。两者将变为精密的合作伙伴,Grail将成为Illumina最大客户。

牵手Bio-Rad,拓展下游市场

不仅在上游和中游精密布局,公司也在积极扩展下游市场的合作渠道。

Illumina在摩根大会上公布的另一则消息就是与Bio-Rad的合作。Bio-Rad是世界临床诊断和生命科学领域屈指可数的高科技跨国公司之一。此次合作将启动单细胞基因组测序解决方案,以强化复杂性疾病研究。据悉,这是第一个针对单细胞分析的下一代测序解决方案,将帮助研究人员对单细胞组织功能和疾病进展及治疗反应进行探索。

这些都还只是节选,且几乎都是2017年的战略行为!如果要把公司1998年成立以来的战略布局都梳理一遍,恐怕将是一篇史诗巨作。

看准市场最大的临床端市场,同时在上中下游环节精密布局,Illumina不愧是最聪明的公司。这家聪明的公司在发展商业帝国的同时还不忘积极参与公益组织,显得非常萌萌哒。

去年12月,Illumina低调与非营利性组织San Diego-based、加尼福尼亚儿童基金会,Maryland罕见基因研究所和 San Francisco Benioff 儿童医院推出iHope慈善计划。iHope 计划致力为不明病因且无法支付测序诊断费用的儿童提供帮助。Illumina计划在2017年对100名患者及其父母进行测序。

Illumina将在其CLIA认证和CAP认证的实验室免费为所选个体进行临床全基因组测序,一方面可以为患者提供人道主义上的帮助,另一方面也可以作为医疗实践的一部分,加深自己对罕见疾病的认识。

2016年公司销售总额23.98亿美元,同比增长了8%。其中Q4销售额6.19亿美元,占全年销售总额25.81%,同比增长5%。

尽管第一功臣、前任CEO Jay Flatley因病退役,但在现任CEO Francis deSouza的带领下,Illumina风度不减当年。2017年刚刚开始,公司就已经宣布了6项重大战略举措,相信在2017年Illumina将继续大刀阔斧一路向前。(生物谷Bioon.com)

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2017(第四届)基因编辑与临床应用研讨会

会议时间:2017.6.9 -6.10      会议地点:上海

会议详情: http://www.bioon.com/z/2017GeneEditing/

NEJM:基因疗法可有效治疗镰刀型红细胞贫血症

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NEJM:基因疗法可有效治疗镰刀型红细胞贫血症
(图片摘自www.sciencealert.com)
2017年3月6日 生物谷BIOON/ –最近研究者们发现一种新的基因疗法,能够有效治疗镰刀型红细胞贫血症。
虽然这一疗法仅仅在一名法国青少年身上成功实现,但这一手术释放了一个非常积极的早期信号,或许能够推广给数百万名患有该种疾病的患者。
镰刀型红细胞贫血症是由红细胞中血红蛋白的产生出现问题导致的红细胞变形的症状。这一微小的改变会导致红细胞失去弹性,从椭圆状变为镰刀型。这一改变会使得细胞难以通过狭窄的血管,从而提高细胞堆积堵塞血管的风险。
不过,科学家们通过病毒转染的方式将正常的血红蛋白基因转入这名患者的骨髓细胞中并将其回输到患者体内。经过15个月的治疗,患者的健康水平得到了大幅上升,已经可以不依赖药物治疗。虽然现在就说得到了治愈还为时尚早,但作为前期的探索性治疗,这一病例已经取得了巨大的成功。
镰刀型红细胞贫血症会导致局部缺血,即由于氧气无法运输到特定部位而导致疼痛、器官损伤甚至死亡。
目前有效的疗法只有骨髓移植,但这一疗法不仅风险高,而且手术十分困难,并不是所有人都适用。由于该种疾病是因为血红蛋白基因的一个核苷酸发生突变引起的,因此理论上通过基因疗法扭转这一突变的影响后就能够得到治愈。
根据医生们的报道,这名患者体内的红细胞已经半数恢复正常,在三个月之内都没有接受血液回输的治疗。
当然,这一疗法离最终的普及还有很长的路要走,但这已经这一疾病的治疗方面巨大的进步了。
相关结果发表在《New England Journal of Medicine》杂志上。(基因宝jiyinbao.com)
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原始出处:Ribeil, J.-A., et al., Gene Therapy in a Patient with Sickle Cell Disease. New England Journal of Medicine, 2017. 376(9): p. 848-855.

把合成DNA的目标设的远大些?对人类基因下手怎样

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把合成DNA的目标设的远大些?对人类基因下手怎样
2015年7月,100位遗传学家在纽约基因组中心汇聚一堂,围绕酵母展开讨论。包含1200万碱基对的酿酒酵母基因,是目前为止科学家成功合成产生的最长基因组。Autodesk软件公司Bio/Nano研究组的研究员安德鲁·何塞尔(Andrew Hessel)获邀在会议上发言。台下观众问他接下来会是何种有机体被合成。“我们在从事世界上最复杂的遗传工程。”何塞尔说,“为什么不把目标设的更远大些?对人类基因下手。”
大胆的发言引起与会人员的讨论。不久之后,何塞尔联系到哈佛大学著名遗传学家乔治·丘奇(George Church),试探他对所谓“人类基因组计划2.0”的兴趣。“在我看来这是显而易见的,”何塞尔回忆道,“如果我们能够读取和分析人类基因组,那我们也应该能够编写它。”
一年后,何塞尔的愿景成真。2016年5月,多位科学家、律师和政府代表聚集在哈佛大学,商议“人类基因组编写计划”(HGP-Write),这一计划旨在实现从化学成分合成人类的整个基因组,并让它们在活细胞中获得功能。此前科学家已经开展了规模宏大的“人类基因组计划”(HGP),耗资30亿美元的HGP计划希望能够测定人类染色体中所包含的核苷酸序列,绘制人类基因组图谱,最终达到破译遗传密码的目的。截止到2005年,人类基因组计划的测序工作已经基本完成(92%)。此番新的HGP-Write计划将在之前研究的基础上展开。
丘奇是哈佛研讨会的主要倡导人之一,丘奇实验室正在进行大肠杆菌基因组450万碱基对的合成工作。另一位倡导人是遗传学家杰夫·伯克(Jef Boeke),他曾领导纽约大学团队历时七年成功合成酿酒酵母染色体。“我想我们都意识到我们两人在这两个基因组上已经做得足够好了,我们应该向更大的目标进发。”丘奇说。
会后发表的科学论文正式提出研讨会的建议:大力发展DNA合成技术,让人工生产基因变得更容易、更快速和更便宜。目前,我们可以合成包含200个碱基对的短链DNA,但自然基因上的碱基对平均可达数千个。而且当下的基因合成手段也有过于低效和耗资高昂的缺点。在生物科学中,DNA合成是一切实验的基础。癌症研究和疫苗开发都有赖于此。所以,尽管当前的手段笨重无比,但科学家们别无选择。
人类基因组的30亿碱基对被视为项目的终极目标,它像巨大的奖赏吸引研究者向前奋进。科学家预期投入十年时间以及10亿美元的资金来完全合成一个活细胞的DNA。HGP-Write计划的研究成果或将对现实世界带来广泛而真切的影响。不过在目前,合成生物学的技术进步仍是最要紧的事。值得一提的是,五月份的研讨会也收到了一些冷淡回应。主办方出于保密的考虑拒绝了新闻界参加,少数被邀请参加活动的科学家因此拒绝出席。
此外还有更大的问题:人工生产的基因组在伦理上引发的基因专利问题。在CRISPR基因编辑技术问世之初,一些涉及基因优化和无亲婴儿的担忧便随之产生。美国国立卫生研究院院长弗朗西斯·柯林斯(Francis Collins)承认,“从DNA读取到DNA编辑是一个自然的步幅”。不过他也提出警告,“任何对真实世界有影响的项目都需要从不同角度进行广泛讨论,最重要的是需要普通大众的参与。”
实验室之外的实际应用尚且遥不可及,甚至有可能人类基因组的合成在最后被证明根本不可行。在任何情况下,项目的成果都不会“像新生儿那样令人兴奋或感令人回味”,何塞尔说。“会后所谈到的一些事情十分荒唐,让人想要赶快结束这一场科技泡沫。”
HGP-Write的中心目标是改进合成技术,使编写更长的遗传物质链变得更容易。当前的技术使用软件设计DNA链的布局,然后实验室机器根据这些模版完成合成和装配。这一笨重的过程限制研究人员只能制造短链DNA。何塞尔看到增强版软件更精确设计基因组的潜力,以及利用酶来构建DNA的新手段所带来的便利。“如果我们能够实现这一点,在数小时内完成大型基因组的编写将成为可能。”他说。
更小的动植物基因组的合成也可作为研究的附带成果产生。其中一个主要的科学益处是用于药物测试的活细胞系的产生。全基因组的合成也可帮助降低基因编辑的成本。相对于CRISPR的单独编辑,生成一个完整的基因组允许一次性进行成千上万的编辑。丘奇举例提到基因组经过编辑可获得多重病毒抗性的潜力。
以上只是HGP-Write的“副产品”。何塞尔认为:该计划的真正目的是推动技术进步,并带来更长远的利益。“由于所有这些(合成)技术呈指数级增长,我们应该继续推动改进,而不是满足于当下。”丘奇说。未来20年,人类有可能将合成人类基因组的成本降低至10万美元。十年前人们对这一操作的估价还高达120亿美元。
在接下来的几个月里,科学家将尝试落实HGP-Write。当然具体情况还取决于资金。Autodesk公司已承诺出资25万美元,而组织方希望能够在2017年年底之前筹得1000万美元。同时,他们还将扩大HGP-Write对话。“我希望它尽可能地开放和透明,”何塞尔说,“并保持对这种强大通用技术的兴趣,如此使我们可以专注于生命机制本身。我们需要把它了解透彻。”(生物谷 Bioon.com)

新研究显示长毛猛犸象在灭绝前经历了“基因坍塌”

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据外媒报道,近日一项新的研究详细描述在有害的“基因变异”如何在长毛猛犸象灭绝前影响它们。 在这些变化中,研究人员发现猛犸象的嗅觉灵敏度大大降低,另外其原本坚硬的毛发而变成较为光滑闪亮的毛发,从而大幅降低其御寒功能。 这些变化发生在一头距今约4300年的长毛猛犸象身上。 这些研究近日发表在《PLOS》期刊上。

新研究显示长毛猛犸象在灭绝前经历了“基因坍塌”

研究人员在弗兰格尔岛上发现了一具雌性猛犸象骨架化石,并将4300年前的猛犸象样本基因序列和4.5万年前的猛犸象基因序列进行对比。他们在研究中详细介绍了猛犸象在灭绝前经历的重大基因变化。这些变化被称为“基因坍塌(genomic meltdown)”,包括诸如基因突变、基因缺失等。

研究人员表示:“这些有效群体大小的巨大差异为测试单个物种基因组架构进化的中性模型提供了一个难得的机会。 数量少结果导致出现了越来越多的‘有害突变’。”

研究数据还表明,弗兰格尔岛上猛犸象体内的尿蛋白缺失还会影响其社会地位和交配。(生物谷 Bioon.com)

加码MolMed GSK加深基因疗法领域研究

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加码MolMed GSK加深基因疗法领域研究

2016年9月6日讯 /生物谷BIOON/ –英国制药巨头GSK最近宣布,上调其与意大利生物医药公司MolMed在基因疗法方面的协议合作金额。这也释放了GSK公司将进一步加大在基因疗法领域投入的信号。双方于18个月之前达成了一项合作协议,整个协议金额约为3400万欧元(约合3800万美元)。此次,GSK和MolMed决定将合约的总价格下线提升41%之多,达到了4800万欧元。

按照协议,GSK公司将借助后者的病毒载体开发相应的基因疗法。值得注意的是,就在双方签订研究合作协议18个月的时间里,GSK开发的首个基因疗法Strimvelis获得了欧盟批准上市。而早在GSK2010年获得该药物项目之前,MolMed公司就已经参与了该药物的研发过程,在GSK最终购买这一药物后,MolMed公司仍然在其中发挥了重要作用。

Strimvelis是一种用于治疗罕见病ADA-SCID的基因疗法,ADA-SCID是一种由腺苷脱氨酶缺乏引起的免疫缺陷症。该疾病发病率很低,欧盟地区每年仅有15名儿童确诊患有这一疾病。然而该药物对于GSK来说则是意义非凡。公司通过这一疗法建立起了一个完整的基因疗法开发平台,未来公司可以凭借这一平台开发出更多适应症的基因疗法。

目前,MolMed公司有多个项目处于临床研究过程,其中最有希望的是Zalmoxis,该疗法是一种治疗白血病的间接体内细胞疗法,旨在提高白血病患者群体中能够接受造血干细胞移植的患者比例。今年早些时候,该疗法获得了欧盟有条件批准上市。(基因宝jiyinbao.com)

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原始出处:GSK dials up value of MolMed gene therapy pact to support growing operation

PLoS Comput Biol:开发出CRISPETa软件大规模设计用于基因组剔除的成对sgRNA

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PLoS Comput Biol:开发出CRISPETa软件大规模设计用于基因组剔除的成对sgRNA
图片来自PLoS Computational Biology, doi:10.1371/journal.pcbi.1005341

2017年3月5日/生物谷BIOON/—CRISPR-Cas9是一种革命性的基因组编辑技术。在此之前,大多数使用它的研究旨在沉默我们的基因组中的蛋白编码基因。然而,在我们的基因组中,99%的DNA并不编码蛋白。这些非编码的DNA经常被描述为基因组的“暗物质”,而且被认为在理解所有的人类生物学过程(包括疾病和进化)中发挥着至关重要的作用。

近期,Rory Johnson及其团队开发出一种基于CRISPR-Cas9的被称作DECKO的工具。这种工具能够被用来剔除任何所想要的非编码DNA片段。DECKO的独特优势是它利用两种单向导RNA(sgRNA)。这两种sgRNA起着两种“分子剪刀”的作用,切割DNA片段。这种方法已被广泛地采用,但是还没有针对所需的成对sgRNA设计出软件,而且设计剔除实验是非常耗时的。

为此,在一项新的研究中,在论文共同第一作者Carlos Pulido-Quetglas的领导下,这些研究人员构建出一种被称作CRISPETa的软件,这种软件能够被用来灵活地设计CRISPR剔除实验。用户只需告诉CRISPETa他们想要剔除哪个区域,这个软件给出一组得到优化的能够被人们直接使用的sgRNA对。关键的特征之一是它能够大规模地设计CRISPR剔除实验,而且可用于未来的筛选实验。相关研究结果于2017年3月2日发表在PLoS Computational Biology期刊上,论文标题为“Scalable Design of Paired CRISPR Guide RNAs for Genomic Deletion”。

这些研究人员证实CRISPETa高效地剔除人细胞基因组中的靶区域。最为重要的是,在这些产生RNA分子的区域中,他们证实这些RNA分子发生缺失。

Rory Johnson补充道,“最终,我们期待CRISPR剔除和其他的基因组设计工具在我们能够理解疾病的基因组基础(特别是在99%的不编码蛋白的DNA中)上引发变革。除了作为一种基础的研究工具之外,CRISPR甚至可能在未来可被作为一种强大的治疗工具逆转致病性的突变。”

CRISPETa是为非专家的人设计的,因此它也能够被科学工作者使用。比如,这些用户可能能够剔除非编码DNA中的潜在功能性区域,并且测试它们的细胞或分子活性。对旨在利用CRISPR剔除进行疾病治疗的团队而言,这种软件也将具有潜在的价值,比如利用CRISPR剔除潜在地导致疾病的非编码DNA片段。

Carlos Pulido-Quetglas说,“我们希望这种新的软件工具将允许尽可能多的科学家们在他们的研究中利用CRISPR剔除的力量。”(生物谷 Bioon.com)

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原始出处:

Carlos Pulido-Quetglas, Estel Aparicio-Prat, Carme Arnan et al. Scalable Design of Paired CRISPR Guide RNAs for Genomic Deletion. PLoS Computational Biology, Published: March 2, 2017, doi:10.1371/journal.pcbi.1005341.

未在规定期限内答复 韩春雨基因编辑专利“被视为撤回”

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未在规定期限内答复 韩春雨基因编辑专利“被视为撤回”
据国家知识产权局消息,以河北科技大学副教授韩春雨、浙江大学基础医学院研究员沈啸为发明人的专利——以Argonaute核酸酶为核心的基因编辑技术,因申请人未在规定期限内答复国家知识产权的第一次审查意见通知书,该专利的申请被视为撤回。2017年1月9日,国家知识产权局发布该专利申请的“视为撤回通知书”。
未在规定期限内答复 韩春雨基因编辑专利“被视为撤回”
来源:国家知识产权局中国及多国专利审查信息查询网站
该专利的核心内容是韩春雨课题组于2016年5月2日发表在《自然-生物技术》期刊的NgAgo基因编辑技术。因迄今为止国内外尚未有一家实验室宣布能重复NgAgo实验,技术的可重复性备受争议。2016年11月,《自然-生物技术》发表声明表示将在2017年1月底完成调查并公布结果。
澎湃新闻联系上该专利的第一代理人——杭州求是专利事务所有限公司郑海峰,郑海峰表示是韩春雨和沈啸告诉他让专利自动撤回:“这是申请人的决策,他们是知道撤回这件事情的,他们愿意让这个专利自动期限到了撤回。他们没有选择去答复。”
根据《中华人民共和国专利法实施细则》第六条的规定和“视为撤回通知书”的提示,韩春雨和沈啸可在两个月内提交恢复权利请求书,说明理由,并办理权利丧失前应当办理的相应手续。当事人因其他正当理由延误期限而请求恢复权利的,还应当缴纳恢复权利请求费1000元。如果在规定的两个月内不进行上述操作,该专利申请将失效。
被问及是否会在两个月内进行恢复权利程序时,郑海峰表示“不太清楚”,但他表示:“沈老师和韩老师既然愿意让这个专利撤回,那他们肯定有一些别的策略在里面的”。
一位专利代理人告诉澎湃新闻,“采用这种方式可以作为尽量拉长审查进程的一种策略,但申请人究竟何意目前尚无法确定,两个月之后或许可以看得更清楚”。
一直关注该事件的方舟子在推特上就这一最新进展发表评论称:“韩春雨、沈啸的专利申请被撤销了,原因是不答复专利局提的问题。他们是不是觉得对专利局也无需自证清白?还是觉得已经被揭露是假的了,有专利也没用了?”
随着NgAgo实验可重复性争议不断升级,NgAgo技术的专利问题因涉及商业利益也被广泛关注。《中华人民共和国专利法》第二十二条规定:授予专利权的发明和实用新型,应当具备新颖性、创造性和实用性。实用性,是指该发明或者实用新型能够制造或者使用,并且能够产生积极效果。仍处于可重复性争议旋涡的NgAgo要想获得专利授权恐怕还要接受“实用性”的考验。
资料显示,2015年12月21日,在距离向《自然-生物技术》投稿已经过去整整半年后,关于这篇论文的专利才开始申请。2016年5月11日,该专利进入实质审查阶段。2016年6月6日,就这项专利申请,国家知识产权局发文“第一次审查意见通知书”。
郑海峰解释,在第一次审查意见中,审查员会把就该项专利申请相关的问题、疑问或认为需要沟通的内容,通过审查意见通知书,告知申请人,涉及的问题各种各样。但郑海峰没有透露韩春雨和沈啸收到的第一次审查意见书具体内容。
值得一提的是,澎湃新闻关注到,该专利的申请人/专利权人已经从浙江大学更改为浙江大学和河北科技大学。此前,作为通讯作者的韩春雨所在的河北科技大学未在申请人/专利权人之列,仅第二作者沈啸所在机构浙江大学作为唯一申请人/专利权人,这引发不少猜测。
2016年9月,当澎湃新闻询问沈啸,为何只有浙江大学一所学校作为申请人时,沈啸说“就是忘记了”,“专利人是要写两个,但是不知道申请单位也要写两个”,“这个是当时疏忽的。(专利写得)非常急非常急,因为时间不够,要马上把它办好”。
在公开的这份专利文件中,澎湃新闻还发现,权利要求书中所列的9种核酸酶中,有两个核酸酶的基因序列号重复,实则只有8种核酸酶被列入,可见专利申请的忙乱。(生物谷Bioon.com)

牛津大学发现的这个基因突变,居然还能防止癌症复发?

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日前,英国牛津大学的科学家与欧洲其它研究所的研究人员合作发现,在一部分肠癌(Bowel Cancer)患者的肿瘤中存在着的一种罕见基因突变,与这些患者更好的预后相关——携带这类基因突变的患者可能在手术后不需要化疗,就能防止肠癌复发。
牛津大学发现的这个基因突变,居然还能防止癌症复发?
▲肠癌是一种常见的癌症,约占癌症患者总数10%
对癌症进行精准医疗的基础在于通过生物标记物,将癌症患者分为不同的小群体,并且针对这些群体的特征进行有针对性的治疗。有时候,将癌症患者区分开的生物标记物只在很少的患者身上出现。在这项发布在《柳叶刀-肠胃病与肝病》期刊上的研究中,研究人员所关注的一种基因突变就是在肠癌患者的肿瘤中很少出现的一种基因突变,但是它对患者的预后却有很重要的意义。
这种基因突变存在于编码DNA聚合酶ε的POLE基因中,在肠癌患者中只有1~2%的肿瘤中存在这种突变。DNA聚合酶ε的作用是修补DNA复制过程中产生的错误。因此,如果在POLE 基因中的基因突变影响了DNA聚合酶ε的纠错功能,携带这类突变的肿瘤细胞会因为纠错功能的下降而积累远远超过其它细胞的基因突变。研究人员发现这些肿瘤中CD8阳性淋巴细胞浸润明显增加,细胞毒性T淋巴细胞的特定标记物和释放的细胞因子的表达量也显着提高。同时,与其它患者相比,肿瘤中含有POLE基因突变的患者肠癌复发的机率显着减少。可能的原因是由于肿瘤细胞积累了大量的基因变异,导致产生的蛋白更容易被患者的免疫系统发现,从而受到免疫系统的攻击。
牛津大学发现的这个基因突变,居然还能防止癌症复发?
▲本次研究的联合资深作者David N. Church博士
文章的联合资深作者,牛津大学肿瘤基因组学免疫学部David N. Church博士说:“我们以前和其它研究人员一起发现POLE基因突变能够在子宫癌患者中划分出预后很好的一批患者。这项研究显示这个对应关系在肠癌中也适用。下一步,我们想要确定这些积累了大量基因突变的肿瘤会不会对靶向免疫系统的疗法更加敏感,因为对免疫疗法是否敏感是决定患者预后的重要因素。”(生物谷Bioon.com)
参考资料:
[1] Rare mutations in bowel cancer may identify patients with a better prognosis
[2] Somatic POLE proofreading domain mutation, immune response, and prognosis in colorectal cancer: a retrospective, pooled biomarker study

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2016 下一代CAR&TCR-T研讨会

会议时间:2016.10.21-2016.10.22     会议地点:上海

会议详情:http://www.bioon.com/z/2016car-t/

男性不育的遗传学病因——不得不重视的基因突变

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男性不育的遗传学病因——不得不重视的基因突变
输精管(vas deferens)是一对弯曲的细管,与输尿管并列而行,后端开口于泄殖腔。输精管的主要功能是把精子从附睾输送到尿道。

作者按:
近年来由于环境及社会因素的变化,男性生殖健康问题日趋严重。不仅精子的数量在逐年减少,而且精子的质量也在逐年下降,由此带来的男性不育症发生率逐年上升。据统计,不育症困扰着全球范围内约20%的育龄夫妇,其中男性因素约占一半。
男性不育严重影响社会和谐、人口质量、家庭幸福和个人身心健康。但是,目前男性不育的致病机理尚不清楚,许多遗传因素(常染色体异常、Y染色体微缺失和基因突变等)与非遗传因素(高温、辐射、药物等)均可致病。随着社会发展和国家需要的转变,当今男科学和生殖生物学研究方向已逐渐由“生殖避孕”转变为“不孕不育”。
基于全外显子测序等高通量手段,科研工作者在男性不育症患者中筛选基因突变的研究揭示了一些重要的“靶点基因”。这将有望揭示男性不育的致病机制,并为后续的临床治疗提供理论依据。基于此,本文向大家介绍2016年度发表的几篇SCI文章,它们分别揭示了CFTR、SUN5、DNAJB13、AURKC和DNAH1基因的突变是男性不育的遗传性致病机制之一。

双侧输精管缺陷
双侧输精管缺陷是男性生殖系统的一种先天性畸形,是阻塞性无精子症的一个重要病因。80%先天性双侧输精管缺陷患者中均存在CFTR基因(囊性纤维化跨膜传导调节因子)突变,但其余20%的致病机理尚不清楚。法国Eric Bieth教授研究团队收集了12例双侧输精管缺陷患者(CFTR基因未有突变),并进行了全外显子测序。研究人员发现了ADGRD2基因的三个杂合突变(产生截短的蛋白):c.1545dupT (p.Glu516Ter),c.2845delT (p.Cys949AlafsTer81)和c.2002_2006delinsAGA (p.Leu668ArgfsTer21)。先前的研究已发现Adgrg2基因敲除雄性小鼠表现为阻塞性无精子症。因此,双侧输精管缺陷患者的临床检查需要考虑这两个关键基因(CFTR、ADGRG2)的突变筛查。
参考文献:Patat O, Pagin A, Siegfried A, Mitchell V, Chassaing N, Faguer S, Monteil L, Gaston V, Bujan L, Rigot JM, Mieusset R, Bieth E. Truncating mutations in the adhesion Gprotein-coupled receptor G2 gene ADGRG2 cause an X-linked congenital bilateral absence of vas deferens. Am J Hum Genet, 2016, 99(2):437-442.

无头精子症
男性不育的遗传学病因——不得不重视的基因突变
无头精子症的精子形态,白色箭头显示缺乏头部的精子。
无头精子症是畸精子不育症中的一种类型,但其遗传族源和致病突变尚不清楚。众所周知,精子头部至关重要,因为头部包含遗传物质DNA。安徽医科大学第一附属医院曹云霞教授研究团队对2例男性不育症患者进行了全外显子测序,发现了SUN5基因存在1个纯合突变p.Thr275Met和2个复合杂合突变p.Arg356Cys,p.Met162Lys。对另15例男性不育症患者的SUN5基因进行Sanger法测序,又在其中6例患者中发现了2个纯合突变和4个复合杂合突变。上述几个SUN5基因变异会导致SUN5蛋白的缺失、显着降低、截短或定位改变(SUN5本定位于精子头-尾结合部)。因此,SUN5基因的突变筛选可应用于无头精子症的临床诊断
参考文献:Zhu F, Wang F, Yang X, Zhang J, Wu H, Zhang Z, He X, Zhou P, Gecz J, Cao Y. Biallelic SUN5 mutations cause autosomal-recessive acephalic spermatozoa syndrome. Am J Hum Genet, 2016, 99(4):942-949.
原发性纤毛运动障碍(PCD)
男性不育的遗传学病因——不得不重视的基因突变
精子尾部负责精子运动,分为中段、主段和末段三各部分。主要结构是贯串于中央的轴丝。精子轴丝的结构与动物的鞭毛(或纤毛)相似,基本组成上都是9+2型,即位于中央的两条是单根的微管,四周是9条成双的微管(二联体)。
原发性纤毛运动障碍(PCD)是一类常染色体隐性遗传病。PCD患者表现为复发性呼吸道感染,多数男性患者由于精子尾部功能缺陷导致不育。法国AminataToure教授研究团队对1例PCD患者进行全外显子测序,发现了DNAJB13基因的2个纯合突变p.Met278Arg和p.Tyr24*。第一个突变导致蛋白不稳定,诱发蛋白酶体降解,导致DNAJB13蛋白在精子尾部消失。第二个突变导致剪切错误、蛋白功能破坏。因此,DNAJB13基因突变是PCD致病的遗传因素之一,DNAJB13对鞭毛和精子尾部轴丝的形成和功能发挥重要的调控功能。
参考文献:Ei Khouri E, Thomas L, Jeanson L, Bequignon E, Vallette B, Duquesnoy P, Escudier E, Coste A, Legendre M, Toure A, Amselem S. Mutations in DNAJB13, encoding an HSP40 family member, cause primary cillary dyskinesia and male infertility. Am J Hum Genet, 2016,99(2):489-500.
精子形态异常
男性不育的遗传学病因——不得不重视的基因突变
精子形态异常:大头、多尾、多核、尾部卷曲
精子形态异常是男性不育症患者精液涂片可观察到的明显缺陷之一。法国Ray PF教授团队利用全基因组微卫星扫描在14例不育症样本中筛选到AURKC基因的1个纯合单核苷酸缺失(c.144delC)。该突变导致蛋白翻译提前终止,产生缺少激酶结构域的截短蛋白。此后,来自不同国家的科研人员又报道了多个AURKC基因突变病例,活检发现患者精子形态异常:大头、多尾、多核。
法国Ray PF教授团队在18例不育症患者中发现了4种DNAH1基因纯合突变:c.11788-1G>A,c.3877G>A,c.12796T>C,c.5094+1G>A。DNAH1基因突变患者的精子尾部体现出多种形态异常:缺失、短小、打卷、弯曲或不规则。此后,RayPF教授和青岛大学医学院科研人员又分别报道了多例DNAH1基因突变。
参考文献:Coutton C, Escoffier J, Martinez G, Arnoult C, Ray PF. Teratozoospermia: spotlight onthe main genetic actors in the human. Human Reprod Update. 2016, 21(4):455-485.
结  语
尽管全球大量基础和临床研究学者积极研究男性不育的病因,但仍有超过一半的病人病因不明,这严重阻碍了后续的临床治疗。目前仅有限的检测实验用于男性不育的遗传学诊断,如染色体核型分析、Y染色体微缺失检测、精子DNA完整性检测、CFTR等少数基因突变检测。携带有未知遗传突变的男性不育患者,也可以通过辅助生殖技术(体外受精-胚胎移植IVF-ET和卵泡浆内单精子纤维注射ICSI)生育后代。这种情况下,准确的遗传学诊断就显得尤为重要,因为突变是可遗传给后代的。
笔者建议,男性不育的遗传诊断发展应注重以下几方面:一、专业的临床化检。通过睾丸活检和精子形态检测等,将不育症患者精子发生的缺陷进行明确分类:无单倍体精子、精子畸形(头部、尾部、头尾连接的多种缺陷)等。二、高通量的测序筛选。利用全外显子测序技术等,进行不同类型不育症患者基因突变筛选,并探究突变的概率。三、基础研究转化。将基因敲除小鼠模型的基础研究应用于临床:将基因敲除小鼠精子发生缺陷的表型进行分类、基因进行汇总,在相似表型的临床患者中重点检测其基因突变。
我们期许在不远的将来将适应症明确、方法适当、结果解读及处理规范、有规模性针对性的基因检测和胚胎植入前遗传学诊断(PGD)运用在男性不育的诊断领域。

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2017(第四届)基因编辑与临床应用研讨会

会议时间:2017.6.9 -6.10      会议地点:上海

会议详情: http://www.bioon.com/z/2017GeneEditing/

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