高通量测序发展史

人类基因组计划(human genome project, HGP)

　　在介绍高通量测序发展之前，需要先为大家介绍一个人类发展史上的一项重要创举——人类基因组计划(human genome project, HGP)。HGP的完成对测序技术的推动作用意义重大。

　　HGP是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式启动的，是一项规模宏大，跨国、跨学科的科学探索工程。其宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体）中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的。HGP的主要任务是人类的DNA测序，包括遗传图谱、物理图谱、序列图谱和转录图谱的绘制。美国、英国、法国、德国、日本和中国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约2.5万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的图谱。到2001年2月12日，科学家首次公布“人类基因组图谱”草图；2003年4月15日，国际人类基因组组织正式宣布，人类基因组计划全部完成。

　　选择人类的基因组进行研究是因为人类是在“进化”历程上最高级的生物，对它的研究有助于认识自身、掌握生老病死规律、疾病的诊断和治疗、了解生命的起源。测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因，找出它们在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。在人类基因组计划中，还包括对五种生物基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠，称之为人类的五种“模式生物”。

　　HGP是人类为了探索自身的奥秘所迈出的重要一步，是继曼哈顿计划和阿波罗登月计划之后，人类科学史上的又一个伟大工程。 HGP在研究人类过程中建立起来的策略、思想与技术，构成了生命科学领域新的学科——基因组学，可以用于研究微生物、植物及其他动物。它是人类自然科学史上最伟大的创举之一。

高通量测序的发展

　　自2003年人类基因组计划完成之后，测序技术发展迅猛，多种测序原理产品在市场上出现，接受市场的检验。测序读长不断加长、通量不断提升、时间不断缩短，促进测序成本快速下降，大量基因组序列被破译，测序物种数量和物种多样性与日俱增。

　　“基因科技造福人类”， NGS测序仪的出现具有非凡意义，测序技术的发展自此势如破竹、高歌猛进。最初个人全基因组测序费用高达令人咋舌的1亿美金；发展到2008年，一个100Gb数据量的人基因组只需几十万美金，降幅达99%；到2014年，只需要1000美金左右，仅相当于1亿美金的五万分之一；时至今日，100美元人类基因组已成为现实！

高通量测序成本变化

　　第一台NGS测序仪是在2005年出现的，454公司推出第一个基于焦磷酸测序原理的高通量基因组测序系统——Genome Sequencer 20 System，这是核酸测序技术发展史上里程碑式的事件。随后，Roche公司收购了454公司，并在2006年推出了更新的Roche 454 GS FLX测序系统。

　　2006年，Solexa公司也推出了自己的NGS系统——Genome Analyzer，简称GA。这套基于DNA簇（DNA cluster）、桥式PCR（Bridge PCR）和可逆阻断（Reversible terminator）等核心技术的系统具有高通量、低错误率、低成本、应用范围广等优点。2007年，Illumina公司收购了Solexa，使GA得以商品化。

　　在上述两家公司之前，测序市场的垄断地位一直由美国应用生物系统公司（ABI）牢牢掌控。但是，2005年454推出了FLX焦磷酸测序平台，ABI的领先地位被撼动，于是，ABI迅速收购了一家测序公司——Agencourt Personal Genomics，并在2007年底推出了SOLiD 新一代测序平台。

　　与前面三家相比，Ion Torrent起步较晚，Ion Torrent是由Jonathan Rothberg于2007创办(一个传奇人物，1999年创建454，2007年卖给Roche)，并于2010年推出首款Ion PGM测序仪，同年Life Technologies收购了Ion Torrent, 此时Ion Torrent已经开始小有名气。2012年推出Ion Proton测序仪，随后2013年Life Tech又被Thermo fisher收购，并于2015年推出Ion S5XL测序仪。

　　小插曲：生物界传奇人物Jonathan Rothberg小故事，为什么Jonathan Rothberg执著于测序仪开发呢？事情是这样的，Jonathan Rothberg的儿子一出生，就被马上送进婴儿特别护理病房接受治疗，那时的

　　Rothberg 都不知道发生了什么，以为孩子患有某种先天性的疾病，整天都在担心自己的孩子。于是，他想要是有一种能提前了解孩子遗传物质的技术就好了，于是他下定决心要开发一种快速便宜的测序技术来解决这个问题。若干年后，也就是2005 年，Rothberg 的梦想终于实现了。454 生命科学等研究人员于 7 月在《 Nature 》杂志上发表了一篇题为“Genome sequencing in microfabricated high-density picoliter reactors ”的文章，介绍了一种边合成边测序（sequencingby synthesis）的技术，比传统的 Sanger 测序快 100 倍。

测序仪的发展史

　　测序市场在2010年前后形成了Roche 454、Illumina Solexa和ABI SOLiD三足鼎立的局面。但是后续SOLiD系统通量难以提升，且读长短、成本高，现已退出了历史舞台；454技术因其成本较高，市场接受度不高，导致生命科学测序业务被关闭。而Complete Genomics公司的Black Bird测序仪、Helicos公司Heliscope测序仪等，由于自身的短板导致市场份额逐渐缩小，独留Illumina“一人独霸天下”。