高通量測序發展史

人類基因組計劃(human genome project, HGP)

　　在介紹高通量測序發展之前，需要先為大家介紹一個人類發展史上的一項重要創舉——人類基因組計劃(human genome project, HGP)。HGP的完成對測序技術的推動作用意義重大。

　　HGP是由美國科學家于1985年率先提出，于1990年正式啟動的，是一項規模宏大，跨國、跨學科的科學探索工程。其宗旨在于測定組成人類染色體（指單倍體）中所包含的30億個堿基對組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達到破譯人類遺傳信息的最終目的。HGP的主要任務是人類的DNA測序，包括遺傳圖譜、物理圖譜、序列圖譜和轉錄圖譜的繪制。美國、英國、法國、德國、日本和中國科學家共同參與了這一預算達30億美元的人類基因組計劃。按照這個計劃的設想，在2005年，要把人體內約2.5萬個基因的密碼全部解開，同時繪制出人類基因的圖譜。到2001年2月12日，科學家首次公布“人類基因組圖譜”草圖；2003年4月15日，國際人類基因組組織正式宣布，人類基因組計劃全部完成。

　　選擇人類的基因組進行研究是因為人類是在“進化”歷程上最高級的生物，對它的研究有助于認識自身、掌握生老病死規律、疾病的診斷和治療、了解生命的起源。測出人類基因組DNA的30億個堿基對的序列，發現所有人類基因，找出它們在染色體上的位置，破譯人類全部遺傳信息。在人類基因組計劃中，還包括對五種生物基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅和小鼠，稱之為人類的五種“模式生物”。

　　HGP是人類為了探索自身的奧秘所邁出的重要一步，是繼曼哈頓計劃和阿波羅登月計劃之后，人類科學史上的又一個偉大工程。 HGP在研究人類過程中建立起來的策略、思想與技術，構成了生命科學領域新的學科——基因組學，可以用于研究微生物、植物及其他動物。它是人類自然科學史上最偉大的創舉之一。

高通量測序的發展

　　自2003年人類基因組計劃完成之后，測序技術發展迅猛，多種測序原理產品在市場上出現，接受市場的檢驗。測序讀長不斷加長、通量不斷提升、時間不斷縮短，促進測序成本快速下降，大量基因組序列被破譯，測序物種數量和物種多樣性與日俱增。

　　“基因科技造福人類”， NGS測序儀的出現具有非凡意義，測序技術的發展自此勢如破竹、高歌猛進。最初個人全基因組測序費用高達令人咋舌的1億美金；發展到2008年，一個100Gb數據量的人基因組只需幾十萬美金，降幅達99%；到2014年，只需要1000美金左右，僅相當于1億美金的五萬分之一；時至今日，100美元人類基因組已成為現實！

高通量測序成本變化

　　第一臺NGS測序儀是在2005年出現的，454公司推出第一個基于焦磷酸測序原理的高通量基因組測序系統——Genome Sequencer 20 System，這是核酸測序技術發展史上里程碑式的事件。隨后，Roche公司收購了454公司，并在2006年推出了更新的Roche 454 GS FLX測序系統。

　　2006年，Solexa公司也推出了自己的NGS系統——Genome Analyzer，簡稱GA。這套基于DNA簇（DNA cluster）、橋式PCR（Bridge PCR）和可逆阻斷（Reversible terminator）等核心技術的系統具有高通量、低錯誤率、低成本、應用范圍廣等優點。2007年，Illumina公司收購了Solexa，使GA得以商品化。

　　在上述兩家公司之前，測序市場的壟斷地位一直由美國應用生物系統公司（ABI）牢牢掌控。但是，2005年454推出了FLX焦磷酸測序平臺，ABI的領先地位被撼動，于是，ABI迅速收購了一家測序公司——Agencourt Personal Genomics，并在2007年底推出了SOLiD 新一代測序平臺。

　　與前面三家相比，Ion Torrent起步較晚，Ion Torrent是由Jonathan Rothberg于2007創辦(一個傳奇人物，1999年創建454，2007年賣給Roche)，并于2010年推出首款Ion PGM測序儀，同年Life Technologies收購了Ion Torrent, 此時Ion Torrent已經開始小有名氣。2012年推出Ion Proton測序儀，隨后2013年Life Tech又被Thermo fisher收購，并于2015年推出Ion S5XL測序儀。

　　小插曲：生物界傳奇人物Jonathan Rothberg小故事，為什么Jonathan Rothberg執著于測序儀開發呢？事情是這樣的，Jonathan Rothberg的兒子一出生，就被馬上送進嬰兒特別護理病房接受治療，那時的

　　Rothberg 都不知道發生了什么，以為孩子患有某種先天性的疾病，整天都在擔心自己的孩子。于是，他想要是有一種能提前了解孩子遺傳物質的技術就好了，于是他下定決心要開發一種快速便宜的測序技術來解決這個問題。若干年后，也就是2005 年，Rothberg 的夢想終于實現了。454 生命科學等研究人員于 7 月在《 Nature 》雜志上發表了一篇題為“Genome sequencing in microfabricated high-density picoliter reactors ”的文章，介紹了一種邊合成邊測序（sequencingby synthesis）的技術，比傳統的 Sanger 測序快 100 倍。

測序儀的發展史

　　測序市場在2010年前后形成了Roche 454、Illumina Solexa和ABI SOLiD三足鼎立的局面。但是后續SOLiD系統通量難以提升，且讀長短、成本高，現已退出了歷史舞臺；454技術因其成本較高，市場接受度不高，導致生命科學測序業務被關閉。而Complete Genomics公司的Black Bird測序儀、Helicos公司Heliscope測序儀等，由于自身的短板導致市場份額逐漸縮小，獨留Illumina“一人獨霸天下”。