有勁的基因資訊

作者：徐嘉妤/有勁基因

　　人體內的微生物對人類健康和疾病影響很大。大家都知道人體內大部分微生物的棲息地是在腸道，因此相關研究至今為止主要也都在分析腸道內的微生物菌相。不過近來也有越來越多研究主題聚焦在人體腫瘤組織及血液中的微生物上。2020年3月的Nature期刊就有一篇論文¹是利用美國癌症基因體圖譜計畫TCGA(The Cancer Genome Atlas)資料庫中來自患者的腫瘤組織、腫瘤周圍組織及血液樣本的全基因體(WGS)和轉錄體(RNA-seq)定序資料²去進行分析研究。

　　有勁部落格《淺談TCGA與資料下載教學》³一文曾對TCGA資料庫做過詳細介紹與使用教學。TCGA 是美國國家癌症研究所National Cancer Institute (NCI) 與 國家人類基因體研究所National Human Genome Research Institute (NHGRI)從2005年開始共同合作的大型研究計畫。此計畫大規模地利用生物資訊對所蒐集到特定癌症病患的腫瘤組織以及正常人的組織去進行定序並分析比對，將數據整合後提供全球科學家與學術人員研究使用。本文要介紹的就是今年3月Nature的這篇文章。

　　該篇研究團隊利用TCGA資料庫分析收集了33種腫瘤類型、約來自10,000名患者的18,116個樣本的WGS定序(n = 4,831)和RNA-seq定序(n=13,285)數據資料，然後嘗試去過濾分類出這些樣品中的微生物並進行分析；過程中所使用到的生物資訊計算方式包括可被獨立訓練的人工智慧AI機器學習模型⁴等等。經過歸類，判定序列中的7.2%並非來自人類，而這些非人類序列中有三分之一與目前已知的微生物基因序列相吻合。然後再利用AI機器學習模型將特定的微生物序列與特定的腫瘤基因序列進行比對，如圖一所示。結果發現，微生物核酸片段的確會出現在人體各種組織、腫瘤與血液之中；而只有一些特定的微生物DNA及RNA片段會出現在癌症病患的腫瘤與血液樣本中。這些特定的微生物基因序列將來或許有機會可作為癌症篩檢時的腫瘤標記，用來區分健康個體與患有癌症的個體、以及判別癌症類型。

圖一、各組織血液皆能發現微生物核酸片段之示意圖

圖中四個圓形框內，左邊標示正常人樣本，右邊標示癌症病患樣本；紅色片段代表只出現在癌症病患腫瘤或血液樣本中的微生物DNA序列。這些特定的微生物DNA序列或許有機會可作為癌症篩檢時的腫瘤標記。(圖片出處：Poore, G.D., Kopylova, E., Zhu, Q. et al. Nature. 2020 Mar; 579:567-574.)

　　當然這只是科學家利用資料庫數據所演算出來的結果。現實中，也有研究團隊與美國加州的癌症中心合作，試著利用腫瘤游離DNA(circulating tumor DNA; ctDNA)檢測法去比對癌病患者血液中的微生物DNA。癌症中心提供了69名健康人與100名患有前列腺癌、肺癌或黑色素瘤患者的血漿去讓AI機器學習模型進行比較，結果發現微生物DNA序列的特徵標記可拿來區分癌症的類型，甚至也可用來有效區分出健康人與癌症患者。AI機器學習模型鑑別出未罹癌的能離達百分之百，能辨別出罹患癌症的能力也可達到86%。雖然目前還有很多侷限與困境需要突破，但也許在未來，檢測癌症就能像檢測NIPT一樣，抽管血就可以知道了呢。

參考文獻;

1. Poore, G.D., Kopylova, E., Zhu, Q. et al. Microbiome analyses of blood and tissues suggest cancer diagnostic approach. Nature. 2020 Mar; 579:567-574. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2095-1

2. 有勁基因股份有限公司官網。研究服務：轉錄體定序。http://www.yourgene.com.tw/content/messagess/contents/655406000360260030/

3. 紀雅齡 (2016年7月5日)。淺談TCGA與資料下載教學。有勁的基因資訊部落格，檢自：https://yourgene.pixnet.net/blog/post/115289167-%E6%B7%BA%E8%AB%87tcga%E8%88%87%E8%B3%87%E6%96%99%E4%B8%8B%E8%BC%89%E6%95%99%E5%AD%B8

4. Tommy Huang (2018年3月23日) 。什麼是人工智慧、機器學習和深度學習？Medium.com，檢自：https://medium.com/@chih.sheng.huang821/%E4%BB%80%E9%BA%BC%E6%98%AF%E4%BA%BA%E5%B7%A5%E6%99%BA%E6%85%A7-%E6%A9%9F%E5%99%A8%E5%AD%B8%E7%BF%92%E5%92%8C%E6%B7%B1%E5%BA%A6%E5%AD%B8%E7%BF%92-587e6a0dc72a