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肠企这两年|PACBIO:经历9件大事,终获一致认可?

■ 肠企简介

PacBio总部在美国硅谷,为客户提供高精准的长读长测序技术,为致力于解决复杂的遗传挑战的科学家提供宝贵的见解。为了推动分子生物学的发展,PacBio 的创始人发明了一种新方法来研究 DNA 和 RNA。利用生物化学、光学、纳米制造等方面的先进技术,PacBio 开发了单分子实时(SMRT)测序技术。通过以单分子分辨率实时分析 DNA 分子,这项强大的技术改变了科学家对生物系统的理解。PacBio SMRT 测序具有长读长,准确率高,无基因组偏好性和在测序的同时可以检测 DNA 碱基修饰的特点,非常适合从头进行基因组组装,人类、动物、植物和微生物基因组的变异检测,以及表观遗传学研究。

■ 这两年|9件大事

① 2019 年、2020 年分别推出 Sequel II 和 Sequel IIe 高通量测序仪。其中,Sequel IIe 测序仪的测序精确度堪比二代测序,但是测序读长是 NGS 的 100 多倍,能够更快、更经济、更高效地直接产生高度精确度的 HiFi reads,在提高分析速度的同时,大大节省分析成本。既长又准的测序结果可以为科学家提供更加全面的基因组和转录组视图。

② 欧盟的 SolveRD 项目、美国的 All Of Us 项目和 Genomic Answers for Kids 等合作项目都采用 HiFi 技术检测结构变异所导致的罕见病相关突变。

③ 测序龙头老大 Illumina 对 PacBio 的并购未果,该事件对测序领域具有非常重要和深远的意义,从某种程度上标志着 HiFi 技术开始展示它的巨大潜力。

④ 2020 年 4 月,与美国 LabCorp 公司展开合作,探索采用 PacBio HiFi 技术对新冠病毒进行大规模监测测序,并于 2021 年 2 月公开相关实验方案和流程。近期,PacBio 和 LabCorp 将进一步合作,建立全球泛病原体监测网络的新合作框架。

⑤ 2020 年 8 月,与 Asuragen 公司达成合作,将基于 PacBio HiFi 测序技术和 Asuragen 公司 AmplideX PCR 靶基因富集技术,共同开发用于遗传病基因携带者筛选和其他应用的检测方法。

⑥ 2020 年 8 月 7 日, Christian Henry 被任命为 PacBio 公司的新首席执行官, Susan Kim 被任命为新首席财政官,这一人事变动是公司过去两年重要的里程碑事件。此后,PacBio 进一步增强领导团队,纳入多位来自 illumina 的行业资深领导者。

⑦ 国际知名的 EBP 计划(Earth Biogenome Project)和 DToL (Darwin Tree of Life)计划大规模采纳 PacBio HiFi 技术,对全球几万个物种的全基因组进行测序,构建高质量的参考基因组序列。

⑧ 与美国知名医学遗传检测公司 Invitae 就神经精神病学诊断领域达成深度合作协议,并于 2021 年年初宣布,联手打造基于 HiFi 测序技术的高通量临床全基因组测序平台,以提升 Invitae 公司对各种疾病的诊断能力。

⑨ 2021 年,从软银获得 9 亿美元投资,为公司未来几年扩展运营规模和新产品开发注入新鲜血液。

■ 这两年 |微生物组应用创新

在过去的几年中,使用 PacBio 进行准确的长读取的全长 16S 测序已成为一种时尚。这个概念实际上并不陌生,因为在 PacBio RSII 时代,研究人员已经发表了许多论文,指出全长 16S 测序的价值。

为了进一步提高全长 16S 测序的应用价值,PacBio 与美国 Shoreline Biome 共同推广 StrainID 解决方案,使全长 16S 测序提升到识别菌株分辨率的水平。

■ 肠道大会重磅亮相

基于 PacBio SMRT 测序技术最新的测序平台 Sequel II/IIe。其中 Sequel IIe 测序仪能够直接产生 PacBio HiFi Reads。HiFi Reads 在保持长读长(15-18k 的测序读长)的同时具有 Q30(≥99.9%)的准确率。同时我们也会带来 PacBio HiFi 测序在微生物领域的最新应用案例。

■ 专访

此次,我们特别对 PacBio 公司亚太区总裁兼总经理牟德宜女士进行了书面专访。我们共提出了 4 个问题,对 PacBio 公司测序技术的应用、成本、精确度和未来发展等进行了探讨。

问:PacBio 的测序技术可以为我们提供全新的见解,目前已有不少应用,能为我们介绍几项有代表性的研究吗?您觉得认为 PacBio 三代测序技术最有应用前景的方向是什么?

答:随着具有革命性意义的 HiFi 测序技术的到来,我们可以将全基因组测序和靶向测序提高到二代测序技术(NGS)从未有过的全新水平。

由美国 NIST 和 FDA 两家组织的测序平台对比项目(PrecisionFDA)得出的结论是,PacBio HiFi 技术实际上是所有测序平台中最准确的测序技术。这一发现完全震惊了测序界,使人们看到了像 PacBio SMRT 测序这样的真正潜在的长读技术所具有的潜力。

我认为,以下是随着 HiFi 的出现,人们使用 PacBio 技术的一些主流应用领域:

? 多倍体动植物基因组组装,组装流程可以达到单倍型单独装配。这是其他任何技术都无法做到的,包括其他竞争性的长读取测序技术。这将为农业畜牧业基因组领域带来新的价值。

? HiFi 技术提高了对遗传病和罕见病治病突变的解读率,可以窥视到 NGS 技术无法探究的人类基因组的黑暗区域。我们正在看到利用 PacBio HiFi 技术进行结构变异检测的新趋势,因为它能够看到罕见遗传疾病相关的 DNA 变异, 而这类变异正好处在 NGS 无所作为的区域。

? 由于HiFi 测序技术不受序列偏好的影响, 这使得我们能够对基因组的任何部位进行测序。这就是为什么人类泛基因组计划和 T2T 联盟将 HiFi 技术列为必不可少的选项之一的原因,而后者对 HiFi 更是推崇有加,冠之为“全明星”。

? 我们的 Iso-Seq 技术具有完全改变单细胞 RNA 测序领域的潜力。我们已经看到许多非常前沿的科学团队发表的论文,显示这种技术可望成为该领域的一种新的发展方向。

? 在北美/欧洲以及中国,我们也欣喜地看到 HiFi 测序正在被基因疾病检测领域所采纳。遗传病基因携带者检测是非常有前途的一种应用。这些可以被 HiFi 测序技术看到的基因靶点恰恰落入 NGS 无法看到的死区中。为此,我们在中国的合作伙伴贝瑞基因在这方面取得了长足的进步。贝瑞基因与我们在几年前就宣布了临床诊断合作。

但是,如果你问我哪一个是最有影响力的应用领域,我想我会说是临床全基因组测序(WGS)。在过去的五年中,我们看到了以 NGS 为代表的全外显子测序(WES)甚至 WGS 的应用取得了巨大进步,但是检出率还是相对有限。临床医生渴望可以克服 NGS 限制并大大提高疾病诊断检出率的新技术。尤其是 NGS 检测不到人类基因组的结构变异位点!

通过与堪萨斯儿童慈善医院等领先机构的合作,我们看到了 HiFi 技术有希望成为医生们一直在寻找的那个金标准。这就是为什么像 Invitae 这样的公司寻求我们帮助他们创建下一个突破性技术,以实现 HiFi 测序使临床 WGS 普及化的目标,该规模可以与 NGS 目前所能做的相媲美,但效果要好得多。

图. 2019-2021 年利用 PacBio 公司测序技术发表的学术成果(部分)

问:目前可能由于成本问题,很多研究人员仍会选择二代测序,或者二代测序结合三代测序。针对这一问题,PacBio 公司是否有什么新的解决策略与方案?能否与我们分享透露呢?

答:我认为在这个问题上存在诸多误解。确实,几年前,当我们的技术仍依赖于高错误率的长度长技术(CLR)时,大多数研究人员选择了二代测序+三代测序的方法。由于我们引入了 HiFi 技术,因此不再需要依靠 NGS 来进行纠错,因为 HiFi 读取的准确性与 NGS 一样,甚至更好。

因此,对于任何涉及 HiFi 测序的应用方案,已经不需要用 NGS 来纠错。我们已经看到许多演讲和论文都证明了这一点。例如,Corteva(陶氏杜邦公司的农业部门)的科学家以他们自己的经验表明,将 NGS 引入 PacBio HiFi 实际上会使结果更糟。这一观察结果也得到多个其他研究小组的共鸣。

问:要对 PacBio 三代测序数据进行分析还需要下游相关软件的支持,目前 PacBio 公司是否有开展相关的软件和算法研发工作?有什么新的突破吗?会考虑进一步开源让第三方团队参与到软件的开发中吗?

答:的确,我们正在不断改进提高精准度的各种算法。这是 PacBio 的主要研发工作之一。我们的计算解决方案始终是开源的。我们从未限制采用我们技术的个人或团体开发自己的算法来进行下游分析。实际上,很多生信开发社团都在一往无前地努力来开发变异检测算法和从头组装算法。这些努力来自海外以及中国本地团体的出色工作。

例如,我们非常高兴地看到香港中文大学的卢煜明博士团队基于 PacBio HiFi 数据开发了一款创新的 5mC 甲基化检测算法,这为有兴趣使用 PacBio SMRT 测序在整个基因组水平上研究表观遗传标记的人们敞开了大门。

问:当前测序领域竞争激烈,您觉得目前面对最大的挑战是什么?未来,PacBio 公司又会如何布局和规划中国市场呢?

答:很高兴看到科学界和投资界对 PacBio 长读技术的一致认可。无论是 7000 多篇使用 PacBio 发表的论文,还是软银的大量现金注资,这些事实都无可辩驳地证明了这一点。未来我们如何将外界对我们的巨大希望转变为现实对公司来说将是一个巨大的挑战。

我们已经看到了这一征程的良好开端,因为 PacBio 已经吸引了世界一流的领导团队。这些人中许多都是基因测序领域的翘楚,他们拥有如何利用有前途的技术来实现最大商业潜力的既往业绩。我们都见证了 Illumina 是如何通过做出一系列正确的行动和正确的决定而演变成测序行业的强者。这对于 PacBio 如何再现 NGS 的辉煌将会是充满挑战的一件事。

但是我认为,结合正确的技术和最聪明的头脑,我们有望再次实现这一目标。我很幸运能够成为这个新的旅程中的一员。

毫无疑问,中国是北美和欧洲以外最大的基因组产业市场。自从我们的 HiFi 技术与 Sequel II / Sequel IIe 一起发布以来,我们已经看到这种新技术被中国客户在动植物基因组测序领域最大程度地采纳。但是,在人类生物医学领域的应用相对来说仍然受到一定程度的限制,因为该市场对价格非常敏感。

我们的技术想要成为该领域的重要参与者,还有很长的路要走。但这并不意味着我们在这个竞争激烈的领域无所作为。

HiFi 的一大优点是可与 NGS 媲美的高精准度在加超长的读长。如果我告诉你,我使 NGS 的读长延长了 100 倍,然后问你觉得如何,你会说“太好了”。这正是我们在 HiFi 技术上所取得的成就。如果您看看 NGS 技术的早期,它们实际上并不便宜。HiFi 技术正经历着类似的成长之痛。因此,对于我们的技术创新者者而言,我们任然需要持续深化大家对这个技术的认知程度,以使更多的人可以迅速意识到 HiFi 技术的巨大价值。

目前,我认为我们需要采取循序渐进的策略,首先关注 NGS 无法接触或做得很差的某些应用领域。我已经谈过 HiFi 可以在罕见遗传性疾病领域取得立竿见影的作用。

其次,我们看到了医学界对使用 HiFi 进行遗传基因携带者筛选测试的极大兴趣,这其中的原因是 NGS 在检测这类基因时效能非常有限,特别是对于那些位于基因组“黑暗区域”的基因靶点。

第三,我们正在与群体基因组学领域的研究人员接触,以使他们意识到以 NGS 为中心的“拼图游戏”中遗失的部分,以及如何通过引入 HiFi 技术来设计更全面的队列研究。

最后,也许这是您特别关注的议题,我们并没有忽略肠道微生物组学领域的微生物成分在研究人类疾病时的重要作用。与直接测序人类基因组的人群基因组学研究相比,我认为这仍是一个相对新兴的领域。如今,人们用来表征肠道中微生物群落的主要研究工具还远非理想。

例如,根据该领域的专家调查,大多数研究仍在使用通过 NGS 进行的 16S 部分可变区域测序来研究肠道微生物组,一些有远见的科学家将 HiFi 的全长 16S 测序与 NGS 的部分 16S 可变区域测序进行了比较,发现 NGS 方法学很有局限性的,会导致结果偏倚。

我相信,由于与 NGS 的价格渐趋均等,我们可以轻松地进入这个市场。我们设定了与中国微生物组领域合作的目标,以建立中国肠道种群固有的全长 16S 数据库。

那么另一方面的应用就是的基因组区鸟枪法宏基组领域。各种迹象表明在此领域 HiFi 的优势是压倒性的。我们与该领域的多个关键意见领袖(KOL)的合作已显示出巨大的希望。