基因测序（又称DNA测序）是一种破解基因密码（即碱基序列）的技术。自从l953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型以来，人类一直没有停止对基因探索的脚步。1990年，“人类基因组计划”启动，随之而来的是测序领域的飞速发展。从1977年Sanger提出的双脱氧核苷酸末端终止测序法，到罗氏公司推出的第二代测序系统454，再到目前，以单分子测序为特点的第三代测序仪已经开始覆盖市场。今年2月份，在佛州马尔科岛召开的年度基因组生物学技术进展年会（Advances in Genome Biology & Technology，AGBT）上，英国创业公司牛津纳米孔科技公司（Oxford Nanopore Technologies）以迅雷之势进驻测序领域，并推出了两款便携式的基因组测序仪：GridION及MinION。这两种新仪器能够以低廉的成本完成高通量和超长序列的基因解码。这进一步推动了第三代测序系统的发展及市场竞争。
MinION设备是一种一次性的类似U盘的便携式仪器，连接电脑即能使用，且成本低于1000美元。尽管没有得到同行专家的研究证实，该公司的研究产品已经在《Nature Biotechnology》杂志上获得发表。令内部人员惊异的是，这个小设备能以低廉的成本每小时解码数百万碱基对，且只需要很少的准备工作，甚至只需血液样本。这次牛津纳米孔科技公司将面对其他测序领域巨头的竞争，如Life公司的测序产品Ion Proton及Illumina公司的测序产品HiSeq2500。而瑞士巨头罗氏准备以57亿美元收购Illumina。虽然此次恶意并购的结果还未公开，但清楚的是，竞争正在加紧推进这种既准确又价廉的测序仪进入临床领域。
源源不断的资金正在涌入这一行业，利用全基因组和外子组测序，来发展患者的个性化治疗策略，使广大医学院校及医院聚焦个性化医疗。去年冬天，美国国家人类基因组研究所拨款了至少1000万美元基金，分别给予六个研究所，用于临床测序探索性研究项目。“该项目的研究进展神速，超出了我们的预期”，德克萨斯贝勒大学人类基因测序中心主任Richard Gibbs说道。
第二代测序市场的代表包括Illumina公司的Solexa基因组分析仪、罗氏公司的454测序平台和ABI的SOLiD测序仪。这些产品将不得不面对第三代测序技术，也被称为“下一代测序”的冲击。与前两代测序仪相比，第三代测序有着更快的数据读取速度、更高的准确率及更低的价格，具有广泛的应用前景。
Illumina公司通过强大的技术及商业悟性头脑，在下一代测序市场上占有大约60%的份额，使该公司早期具有优势。“他们在推出产品周期上变得非常有闯劲，”纽约JP Morgan的分析师Tycho Peterson说道。“他们在改进自己的平台，细化仪器分组及倾听顾客的需求方面做得很好。”这些长处使得其吸引了罗氏公司的注意，他们看到了Illumina公司的技术有潜力成为他们诊断业务的新军，尤其随着他们公司自有的测序产品454在市场的重要性正在逐步消退。Illumina已经呼吁公司股东抵制罗氏公司给予的每股44.5美元收购价，因这个价格远低于当前股票价。 “这表明罗氏认为我们的技术有价值，”Illumina公司诊断方面的高级副总裁Greg Heath说道。“但是相对来说，这个价位是在投机取巧。”尽管如此，基于罗氏制药过去的历史收购案件，分析师预计即使有必要进行进一步的价格谈判，罗氏也将会从长计议来完成这桩交易。
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其他公司也开始挑战Illumina公司旗舰产品——Hiseq家族的基因组和外显子测序仪的市场主导权。“Illumina公司在让它们的产品变得更好、更便宜、速度更快等方面做得很好，”密尔沃基一家金融服务公司Robert W. Baird & Co.的总经理说道。“他们面临的挑战是其它公司可以轻松在他们的技术基础上，快速进步。”
在2010年收购了 Ion Torrent公司后，Life公司的半导体测序产品对市场产生了最直接的威胁。今年一月份，该公司宣布推出Ion Proton，该产品将有能力传送高通量，完整基因组及外显子序列，且单个造价低于15万美元（尽管仍需购置专门的服务器）。预计每次完整的基因组检测将花费1000美元，每次外显子检测花费500美元，但Ion Torrent早些时候的产品，Proton芯片直到今年年底才能上市。Ion Torrent公司之前的明星产品——个人染色体检测仪（Personal Genome Machine），主要用于检测目标基因或分析一些较小的基因，给了客户足够的信心相信Proton芯片将会更出色。“Ion部分的成功已经成为了一个里程碑”，Lai说道。对于创始人及首席执行官Jonathan Rothberg来说，Ion Torrent仪器的固有设计也意味着他们有潜能确保在测序速度和成本方面的持续优势。“HiSeq是一个很出色的仪器，但它的操作复杂并且造价昂贵”，Jonathan Rothberg说道，“发展到现在，我们拥有上万亿美元的半导体制造技术使得我们的芯片造价非常便宜，Illumina公司无法在价格上与我们竞争。”
牛津纳米孔公司制造的两个新仪器——小巧的MinION及GridION，前者是一个能够对十亿核苷酸为单位进行的DNA一次性测序仪，后者是为了进行全基因组范围的测序而进行的设计，这两种新仪器都使Illumina公司响起了警铃。牛津纳米孔公司的系统是基于单个纳米孔嵌入合成膜，正如个别通过空隙的DNA链，每个核苷酸诱发电流的变化可以译成序列数据。该平台的一个关键优点是能够比现有读取100基对〜200碱基对的平台获得更长的序列。“我们还未找到极限的阅读长度”，牛津公司首席技术官Clive Brown说道。
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牛津公司方面打算在2012年下半年让早期的访问客户首先尝试他们的测序平台，Brown预计MinION及GridION在临床应用前都需要经过遗传密码研究者的广泛的测试。“这些系统能够直接从血液中抓取并分析DNA，”Brown说道，这可以使这些设备在现场即时诊断应用方面变得非常有用。仪器产生的长序列的阅读也能简化序列的组装，对于那些有兴趣通过全基因组扫描来鉴定那些导致孟德尔疾病的突变或复杂疾病的变异基因的使用者来说是一个福音。“如果你能低成本，大容量地测量长片段，没有人会去投资短片段系统。”Brown说道。
对于癌症的诊断，从另一角度来说，长序列也许并不是必须的。病理学家的标本含有高度分散的DNA，并且还需要更深度的测序来描述少见癌症的突变。据Rothberg说，他的顾客对这类应用程序尤其感兴趣。“现在,他们优先考虑的是2到400个基因的基因面板，可以从细针穿刺活检中来对癌症病人进行诊断，”他说道。“只有当他们无法从基因面板中得到结果时，他们才会使用外显子测序。”在他看来Life公司个人基因组检测仪及Ion Proton的组合能允许用户完成上述临床诊断流程。但在缺乏更多的实际操作数据的前提下，他觉得牛津公司的这个仪器可能无法带来如同他们最初在AGBT上表现出的强大震撼性。但无论如何，该仪器能简化样品的准备工作，这一点确实非常重要，能够成为其竞争的强有力优势。
准确性是测序仪进入临床领域的一个核心挑战，对于在临床测序研究中处于领先地位的大型基因中心来说，成本是一个考虑因素，但并不是最重要的因素。“每次基因组测序花费1000美元至10000美元，这对于我们现在来说是可控制的，而且我觉得除非世界发生变化，否则花费不需要降至100美元。”Gibbs说道。然而，准确性仍然是大家主要关心的问题，而目前对于临床测序结果的验证还不存在普遍公认的框架。“即使我们的数据是在临床实验室改进法案（CLIA）确认的环境下得到的，在应用于患者前仍需要类似于Sanger测序的第二次检测验证。”梅奥临床中心个性化医学主任Gianrico Farrugia说道。
实际上，牛津以及Ion Torrent在临床应用时的准确率受到越来越多人的关注。最近一个来自加利福尼亚斯坦福大学Mike Snyder实验室的研究表明哪怕数据是来源于Illumina公司极高精确性的仪器和全基因组测序仪器，其准确性仍有存在偏差的可能（Nat. Biotechnol. 30, 78〜82, 2012）。因此，许多大型的基因中心的测序平台仍是“不可知”，这也使得这些机构努力尝试所有市场上的新型产品，期望找到最佳的测序设备。
在明年一月份Archon Genomics X-Prize大会上，各团队将努力推出高品质的人类基因组检测仪。在大会竞争的预备阶段，组织者将大力发展严密的跨平台验证标准，他们希望这一标准能最终被证明其有益于更广泛的群体。“这是尝试创建公正准确地衡量一个全基因组测序仪质量标准的第一步。”X-Prize基地的科技总监Laurence Kedes说道。
零星的几家研究所已经开始从研发有选择性的、有目标性的基因测序仪器转向研究患者全基因组测序仪器。但这类仪器的推广的时机未到。目前，科学家、医生、研究所需首先克服这些测序数据在科技、逻辑、管理以及伦理等方面的挑战，才能使其广泛投入应用。这使得现有公司有许多时间来更好地定位自己，但也给“黑马”公司留下了充分的空间。
据消息称，我国在即将公布的战略性新兴产业规划之一《生物产业发展“十二五”规划》中明确提出，“十二五”期间，我国的生物产业要完成 10000种微生物、100种动植物组基因测序、发现约500个新的功能基因、转化应用5个以上有重大经济价值的基因或蛋白。中国的基因测序市场由此启动。虽然我国已拥有相当数量的测序仪，但尚缺乏自主研发的产品，基本依靠国外进口。因此，政府应该考虑加大研发投入力度，开发拥有自主知识产权的测序仪。尤其是目前，医学界正在大力倡导肿瘤靶向治疗和患者个体化用药，要开展这类“基因治疗”，对人体的基因测序必不可少。而进口的测序仪必然价格昂贵，一般老百姓难以承担。这或许也可作为下一步医疗发展的重点。
基因组学时代已全面到来，激烈的市场竞争带来的必将是更高速、更准确、更廉价的测序系统，在造福人类的同时也让我们看到了测序行业广阔的前景及面临的机遇与挑战。
（作者：胡俊 审校：沈颖）