從1953年解開人類去氧核醣核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）構造後，生物體中的核酸（nucleic acids）殘基（residue）順序是許多研究中不可或缺的一部分。科學界奮力不懈對去氧核醣核酸（DNA）或核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）分子進行定序；從只有20個以下鹼基的寡核苷酸（oligonucleotide）定序到數百萬個鹼基；從推論單個基因的編碼序列，轉變為快速且能夠廣泛使用的全基因體定序的目標前進。知名英國科學家弗雷德里克．桑格（Frederick Sanger）甚至說：「序列的知識更有助於我們對生物的理解。」
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<h2>基因定序技術日新月異</h2>
最初，科學研究人員可用的技術只能測量核苷酸（nucleotide）組成，但不能進行排序；直到1965年，美國生物科學家羅伯特．霍利（Robert Holley）團隊做出了來自釀酒酵母的丙氨酸轉運核糖核酸（transfer RNA, tRNA）的序列，是第一個完整的核酸序列；同時，弗雷德里克．桑格致力於開發蛋白質及核酸的定序技術。1977年，弗雷德里克．桑格做出了改變DNA定序技術的重大突破，並進一步促進DNA定序儀的開發與逐漸自動化。第一代DNA定序儀產生的讀取長度略小於1kb；隨著聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）和重組DNA等技術的開發，進一步推動基因體學（genomics）的發展。爾後，1990年代之後，較新的定序儀藉由包括螢光標定、焦磷酸鹽（pyrophosphate）合成時透過酵素反應發光來測定等等方式，可以同時對數百個樣品進行測序，應用於人類基因體計畫。
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第二代DNA定序儀成功開發並商業化得利於次世代定序（next generation sequencing, NGS）技術的發展，大大增加可在任何一次運行中定序的DNA量，讀取定序資料後透過機器演算法把序列拼起來。核苷酸定序技術的進步驅動了晚近基因體學的革命，大大地改變與DNA定序相關而衍生的成本和便利性。到了2010年，DNA定序技術的演進上大約每5個月便躍上新的層次，成為研究人員設計實驗的多樣化工具。第三代DNA定序儀則能夠對單個分子進行，最令人期待的領域便是奈米孔定序（nanopore sequencing），當2016年伊波拉病毒（Ebola Virus）傳染病疫情爆發時，便有專家藉由新技術在樣本採集兩天後完成定序，甚至可在野外部署。因此，奈米孔定序儀不僅可以徹底改變產生數據的組成，而且顛覆了在何處、何時以及由誰產生的測定流程。
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<h2>判讀時間縮短助益患者</h2>
基因定序領域的研究人員花費數十年的時間，艱苦地生產長度從十幾個核苷酸到幾百個核苷酸的序列，並在創新思維的帶動下，提高定序的技術能力，降低定序成本，使DNA定序儀可以大規模讀取數百萬個鹼基對，一次即可產生千兆筆數據，DNA序列數據的儲存庫也不斷增長。然而，研究人員也面臨新的挑戰，有些疾病的變異位點在臨床上並不常見，傳統上逐一尋找耗時費力，在次世代定序技術上若能同時定序非常多的區域，就成為省時並降低花費的重要選項。在構思如何縮短流程的過程中，有許多問題需要克服，例如：機器的通量較小；檢體如何做準備；是否有試劑套組（kit）能夠加快速度；還有下機後的資料量其實非常龐大，做全外顯子體定序（whole exome sequencing, WES）時，每一位患者跟正常人不一樣的變異位點大約4萬～10萬個，該怎麼篩選到1個或2個變異點，每一關都是挑戰。這些工具研發出來後，未來包括電腦運算、資料儲存、生物資料探勘、大數據應用、機器學習等相關領域都能受益。
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以臺大醫院基因醫學部為例，在科技部三年計畫的支持下，自2015年啟用次世代定序技術，原本高通量定序檢查若要能上機，一次需要許多人的檢體，但是由於每位患者狀況不同，有些人的病況無法等上兩三個月之久。而現在，特定的疾病只要一收案抽血就能做上機的準備，加上下機後分析的流程改造，先將機率不大的基因排除，加快定序的速度，目前的確可以做到從抽血到結果出來最快僅需約一週的時間。操作熟悉後，臺大醫院的全外顯子定序檢測也通過衛生福利部核准後上線執行，患者若有症狀來到診間，醫師會判斷是否需要做全外顯子體定序，經過兩、三個月結果出爐後，進一步向患者解釋有可能是哪個基因的問題與他的表現型有關。目前相關費用全臺各家醫院收費約3萬～5萬元不等。不過這樣的檢查不能視為萬靈丹，依照現有技術，能找到答案的機率可能只有50％，並非想像中只要做了檢測就一定能為所有的症狀找到解釋。
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雖然目前次世代定序技術並不能找出全部遺傳性疾病的原因，但實際上對於改善個體健康仍有相對積極性的意義，例如：屬於多基因疾病的糖尿病，可能有好幾個變異點，經檢測後發現將來得到糖尿病的機率會比別人高，透過諮詢，個人必須開始改變生活型態、降低發病的機率，正確認識基因突變檢測的輔助角色功能才能讓個人健康受益。又如癌症基因檢查，可以分為檢查生殖系（germline）細胞或是癌症組織（somatic）。檢查生殖系細胞是否有單一基因的致病性變異而可能導致罹癌風險增加，是檢測遺傳性癌症的方式，而遺傳性癌症大約占所有癌症的10％；癌症組織檢測則針對是否有藥物易感性的致病性變異，是很重要的藥物選擇參考，某些患者在治療上對於特定藥物的反應相對較好，期待能在治療前透過檢測得知對患者更有利的選擇依據，是目前精準醫療的重要應用項目之一。
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因此，在檢測後的生物資訊分析精進判讀能力上，臺大醫院自行開發輔助判讀程式（MViewer），包含序列的註解、變異之篩選以及人工智慧評估變異和患者病情之關聯性，並得以做快速且精準的判讀，對於臨床工作有著極大的幫助。另一方面，電腦大量運算能力和儲存能力、資料探勘，也需要同時有資源投入協助。在積極革新技術並持續改善流程下，臺大醫院團隊分別在2018年醫策會第19屆國家醫療品質獎（HQIC）智慧解決方案組中榮獲金獎，以及2020年財團法人生技醫療科技政策研究中心國家新創獎中，獲得臨床新創獎。
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<h2>建立亞洲族群基因資料庫</h2>
基因資料外擴至不同種族之間的差異性，臺灣和全世界科研界仍在努力。由於歐美國家的資料臺灣幾乎不能夠直接使用，這也是中央研究院發起「臺灣精準醫療計畫」（Taiwan Precision Medicine Initiative, TPMI），希望建立臺灣人甚至亞洲人的基因資料庫的主因。自2012年「臺灣人體生物資料庫」（Taiwan biobank）開始，使用專門為台灣漢人設計的單核苷酸多態性晶片（Single Nucleotide Polymorphism array, SNP array），晶片名稱為TWB 1.0（臺灣基因生物資料庫1.0），進行臺灣人基因型的資料收集。2018年啟動的TPMI使用的是TWB 2.0（臺灣基因生物資料庫2.0版本）的晶片。該項計畫的研究成果近期也已發表在知名國際期刊上。
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研究中報告了目前招募20萬名來自臺灣普通人群的民眾，這些群眾在入組時沒有人被診斷為癌症，超過99％是來自中國不同省分的漢族移民人口，其中少數是臺灣原住民。使用定制的單核苷酸多態性晶片（Single Nucleotide Polymorphism array, SNP array）進行分析，包含來自1,492個個體的高覆蓋率全基因組定序（genome wide genotyping）數據，以及來自103,106個漢族祖先的全基因組單核苷酸多態性數據，這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫。對基因分型數據的主成分分析發現，漢族的全部遺傳變異中，有21.2％的人口是體染色體隱性遺傳疾病的突變攜帶者；3.1％的癌症易感基因具有突變；87.3％的攜帶變異會影響藥物反應，這些變異體會改變其代謝常用處方藥的能力，或將其標記為對嚴重藥物不良反應（Adverse Drug Reaction, ADR）的敏感性。
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未來這些訊息對於臨床醫師和患者都具有明顯的實用性。例如，在患者病歷中有推定的人類白血球抗原（human leukocyte antigen, HLA）基因型時，醫師可以放心地為那些沒有HLA基因型負責特定藥物誘導的ADR患者開藥，並為那些具有使他們處於危險中的HLA基因型患者使用替代藥物。有趣的是，幾種致病變異的人群等位基因頻率（Allele frequency）高於疾病流行程度所預測的頻率，這可能是由於這些體染色體顯性疾病中，外顯性（penetrance）不完全或先前症狀較輕的未診斷病例所致。此項研究表明，將綜合的基因檢測與結果結合，可以作為精確健康管理的模型。
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<h2>基因時代的人性挑戰</h2>
大型資料庫的建置未來發展方向應以晶片加上全基因定序兩種方式為主。然而，醫師對於研究結果能否運用在臨床上，還存在倫理爭議的考量，畢竟研究用途的資料是否能放在病歷中？個人資料是否受到法規保護？而且技術上各醫院之間的資料如何串流、如何架構系統？這些都亟需資訊及通訊科技（Information and Communication Technology, ICT）產業協助，而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言，建議患者做基因檢測是因為出現症狀，希望找到原因，但是如何解釋以及病歷上如何註解說明，則是另一項重要議題。
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從人性觀點來看，在技術更迭演進的同時，心理支持和社會資源是否相應產生？回到了解病因的初衷，必須思考在獲知自己體內基因密碼等眾多資訊時，與親族的情感是否能如常維繫？有無相應的治療方式？我們每一次都要扣問：假設今天沒有任何症狀，卻做了一個什麼都能告知的檢查，個人有可能因此得到不好的消息，是否能承受這些不好的消息？是否已想過任何可能性？這些都是目前在遺傳諮詢門診中會詳細解說的步驟，包括檢查的目的？需要獲得什麼樣的資訊？例如：家族中有身為亨丁頓舞蹈症（huntington&#8217;s disease, HD）患者的父親，但是沒有症狀的孩子成年後，應該去做檢查嗎？這些都需要先進行專業的心理評估以及多方溝通討論。檢測期（pre-test）的諮詢以及檢測後（post-test）的諮詢同樣重要，技術或資訊是幫助一個人過得更好，所以需要即刻建立的諮商系統才是下一個基因時代的挑戰。
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（客座總編輯 | 成大醫院院長 沈孟儒；研究顧問團隊 | 國立陽明交通大學生物醫學資訊研究所教授 吳俊穎、林口長庚醫院肝膽胃腸科主治醫師 林俊彥、臺大醫院基因學部暨小兒部主治醫師 胡務亮；責任編輯 | 段芊卉、葉于甄）

能在治療前透過基因檢測得知對患者更有利的選擇依據，是目前精準醫療的重要應用項目之一。

基因定序有助於精準醫療的實現。

人類從1953年解開DNA構造後，科學界便對DNA或RNA分子進行定序。

資料參考整理自INVESTIGATOR | 生物科學研發策進社群

資料參考整理自臺灣人體生物資料庫