2017高技术发展报告丨基因组学技术新进展

2017 年 12 月 9 日 科学出版社 王国豫李　磊

基因组学技术是利用分子生物学技术、生物信息学分析方法，结合光电学、化学及材料科学等，来帮助人们解析基因的结构和功能的技术。近年来，不断涌现并快速发展的第二代高通量测序技术和第三代单分子测序技术，把基因组科学研究推向新的高度，其研究成果广泛应用于生物医学、疾病管理、健康管理、农业育种等相关领域，对科技进步和社会发展产生了巨大影响。下面将重点介绍该技术的最新进展，并展望其未来。

国际重大研究进展

基因组学技术主要涉及两方面的内容：一是以ＤＮＡ测序为核心的大规模数据获取技术，二是以生物信息学分析为主的数据处理技术。近年来，基于大规模平行测序的ＤＮＡ测序技术在数据产生方面以对数级的方式快速增长，因此进行大规模数据处理和分析的计算机技术也迎来了更大的挑战。

1.第二代高通量测序技术的最新进展

第二代高通量测序技术（next generation sequencing，NGS）自2005年问世以来，经历了多次变革，主要是测序通量的增加和数据准确率的提高。目前市场上主流设备包括 Illumina、Thermo Fisher Scientific 及罗氏（Roche）等公司的测序分析系统，一度形成了“三足鼎立”的局面。随着功能基因组学研究的不断深入，人们对测序成本和速度，全新基因组组装的准确性和完整性都提出了更高的要求，从第二代高通量测序技术衍生出来的文库制备、便携式测序系统、单分子测序系统，逐渐发展出第三代单分子测序技术。

2.第三代单分子测序技术的最新进展

由于二代测序平台仍然存在PCR 扩增反应的偏差和测序读长的不足，第三代测序技术应运而生。目前市场上有代表性的是美国Pacific Biosciences 公司研发的PacBio Rs（单分子实时测序）系统和Sequel 系统、美国生物科学公司（BioScience Corporation）（已于2012年申请破产）的Heliscope 单分子测序仪和英国Oxford Nanopore Technologies （ONT）公司的MinIon USB 便携式的测序系统。

3.基因组学衍生技术进展

新一代测序技术的发展，直接带动了相关领域技术和产品的不断推陈出新。基于二代、三代测序技术的衍生基因组学技术，为人们提供了基因组学研究的新方案。

4.基因组学信息技术

如何有效地存储、快速地处理和分析急剧堆积的生物和医疗大数据，并从中获得有助于解析生命现象和辅助疾病医疗、精准育种等的重要信息，成为人们关注的另一重大课题。高通量基因组学技术应用于各个不同领域，对生物信息学分析方法和计算机技术有着不同的要求，不同的处理软件也需要配套开发。在现代计算机架构中，如何把并行和分布式计算应用在消耗大量运算时间的NGS算法中的重要性日益凸显。

国内研发现状

从20世纪90年代至今，中国科学家参加了多领域的国际基因组研究计划，包括国际人类基因组计划、国际水稻基因组测序计划、人类基因组单倍体型图计划、千人基因组计划、万种微生物基因组计划等，取得了令人瞩目的研究成果，为后基因组时代的基因功能挖掘和遗传疾病治疗提供了丰富的数据资源。尽管如此，在以DNA 测序为基础的基因组学技术研发方面，特别是高精密测序设备的研发方面，却很少有突破性、原创性的成果。究其原因，我国在基因组学技术研发方面投入少，研究基础薄弱，基因组学技术是一个需要多领域协同作战的研究课题，涉及生命科学、光电学、化学、材料科学等多学科的交叉与分工，研发周期长，短期内难见效果，更需要研究人员的潜心投入和相互合作。

近些年，我国已加大在基因组学技术研究领域的资金投入，也已取得了初步成果。例如，深圳华大基因通过收购CG（Complete Genomics）公司，经过优化和创新，2015年连续发布“超级测序仪———Revolocity™”和BGISEQ-500，形成了自主研发品牌的新型桌面化测序系统；2016年又再次推出BGISEQ-50 测序平台。2015年8月，由中国科学院北京基因组研究所和吉林中科紫鑫科技有限公司合作开发的“BI-GIS 测序仪”，一度让人们看到了国产品牌测序仪的曙光，期望下一步能在降低设备和试剂成本方面有所突破。另外还有科技部重大科研计划支持的一些项目也在进行当中。国产化基因组学技术平台的推出，可以在一定程度上打破国外该领域的技术和市场垄断，提供一个竞争机制，以便降低科研、检测服务的成本，利国利民。

发展趋势及未来展望

从以上介绍的内容可以看出基因组学技术的未来发展趋势，以及我国基因组学技术的发展前景。

1.基因组学技术发展趋势

基因组学技术的不断改进，为人们提供了更多的开展基础研究或临床试验的选择方案。根据不同的研究目标，采用组合的基因组学技术来开展基因组学研究将成为主选方式。2015年，Matthew 等将 Illumina 测序结果、PacBio 测序数据及BioNano 的基因组作图结果相结合，对人类基因组的 HapMap 样NA12878 进行了高质量的组装，组装结果使重叠群得到了改善。2016年，Mostovoy 等结合 Illumina 数据、10 X Genomics 数据及 BioNano 数据进行人类基因组的从头组装，使 NA12878 组装结果的Ｎ50相对于原始的 Illumina 数据组装结果精度又提高了57倍。2016年，美国科学家 Bickhart 等展示了他们利用 Pacbio＋BioNano＋ Hi－C＋ Illumina数据全新组装山羊的基因组，几乎达到一个完整的重叠群覆盖一整条染色体的水平。2017年2月，David等报道利用类似的组合方式完成藜麦基因组的测序和组装，取得了理想的效果。随着研究的深入，科学家们对基因组测序的要求越来越高，选择组合的基因组学技术路线开展工作将是未来的一个主流趋势。此外，未来的单分子测序技术将会在测序长度、高通量和准确度方面有大的突破，基因组大数据存储和分析技术也会有大的提高。

2.我国基因组学技术发展的未来展望

2016年“两会”期间，在国家发改委公布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中，体现中国国家战略的百大工程项目把“加速推动基因组学等生物技术大规模应用”项目列入其中，彰显了国家对原创性基因组学技术开发的重视程度，推动基因组学技术在人类疾病、医疗健康、农业生态等领域的广泛应用。基因组学技术的发展，个性化诊疗技术的应用，有利于更早地进行疾病预防和控制；同时也带动着临床基因组学、肿瘤基因组学、分子设计育种等相关领域的科研、产业的发展。尽管基因组学技术的研究发展非朝夕之功，但还是要鼓励和支持研究机构开展原创性的研发，加大政府在基因组学技术领域的科研投入力度，以产生规模化的效应，来推动基因组学技术的高速发展，在未来10～20年的时间里需要建立集基因组学大数据、人工智能平台、计算机科学、临床医学于一体的综合性数据库，以实现对人类疾病精准预防和控制，为全民健康谋福祉。

本文摘编自中国科学院编《2017高技术发展报告》第二章冯旗、黄涛、韩斌撰写文章《基因组学技术新进展》，内容有删减。

2017高技术发展报告

中国科学院编

责任编辑：侯俊琳邹聪程凤

北京：科学出版社 2017.09

ISBN 978-7-03-053782-9

《高技术发展报告》自2000年起开始发布，全面关注“信息技术”“生物技术”“材料与能源技术”及“航空航天和海洋技术”四大领域，每年聚焦一个领域，4年一个周期。《2017高技术发展报告》的主题是生物技术。报告综述2016年高技术发展动态，着重介绍生物技术及其产业化新进展，分析评价中国医药制造业国际竞争力和创新能力，探讨基因编辑、科学同行争议等社会普遍关注的重大问题，邀请国内知名专家就高新区转型发展、军民融合创新等重大问题提出政策建议。报告有助于政府部门和社会公众了解高技术，特别是生物技术发展及产业化冬天，理解高技术对社会的影响。

（本期编辑：安静）