最近的新闻文章标志着人类基因组第一序列草案公布十周年，也预测了DNA测序技术的兴起，这种技术在未来三到五年内将人类基因组测序为1,000美元或更少，这一发展将改变面对生物医学研究和临床实践。

2004年，国家人类基因组研究所(NHGRI)高级DNA测序技术计划获得了第一笔拨款，从而努力将高质量人类基因组测序的成本降至1,000美元或更低。当时，在人类基因组计划期间使用Sanger测序，在三到四个月内使用100台机器，以约1000万美元的价格生产出人类或哺乳动物大小的基因组的高质量草案。

该计划的最初五年目标是开发第二代或下一代(NextGen)测序技术，该技术可将人类基因组测序成本降低两个数量级至100,000美元。由于NHGRI计划以及其他学术和私人努力，该计划目标已经实现并超越。这些努力使得使用第一代测序仪中所需的昂贵化学试剂的指数少的技术小型化，并且可能更重要的是，能够同时读取数百万个测序反应而不是数百个。

随着今天在实验室中使用NextGen DNA测序技术，人类基因组测序的成本现在大约为20,000美元，并且可以在大约一周内用一台机器完成测序，因为这些机器每次处理超过1亿个样品。尽管如此，从10,000美元的基因组序列到1000美元的基因组序列并不是一件容易的事。

因此，NHGRI继续为革命性测序技术的发展提供资金。2009年，NHGRI向10个测序技术开发项目拨款约1,900万美元。此外，NHGRI将其恢复法案签名项目命名为第三代测序技术(3Gen)的开发，能够以1000美元的价格对单个人类基因组进行测序。另外七个项目获得了超过1300万美元的“恢复法案”资金，以进一步加快这些努力。

本文是一系列定期更新中的第一篇，它将总结NHGRI资助的研究人员最近在科学文献中发表的突破，这些研究人员致力于克服或克服开发革命性3Gen测序技术的障碍。

这些努力将工程与生物化学，化学，纳米技术和物理相结合，以增强突破性的DNA测序和分析技术。预期的结果将是研究人员在实现1000美元基因组目标时面临的分析挑战的解决方案。

“例如，我们的受让人正在开发的一种创新将消除目前对昂贵的光学系统和其他定制试剂的需求，”NHGRI基因组技术开发项目主任Jeffery Schloss博士说，“探索一个广泛的创新方法。我们资助的一些团体正在设计一种可能包含数千至数百万纳米孔的芯片，而不是使用荧光来识别DNA碱基对。

纳米孔是直径约2纳米的孔。一纳米是十亿分之一米。

“当DNA分子穿过纳米孔时，碱基对会根据大小和化学成分进行电子检测，”Schloss博士补充说。“虽然我们还没有，但我们正在看到几种将我们带入1000美元人类基因组的技术。”

许多目前的NextGen测序平台是多功能的，不仅能够测序DNA，还能对细胞和DNA分子进行其他分析。还需要在3Gen测序平台中开发具有显着改进的相同功能。

例如，使用3Gen对少数癌细胞进行基因表达谱的能力是生物医学和临床研究人员高度关注的领域，他们寻求早期诊断和预防该疾病。

包括马萨诸塞州剑桥市Helicos BioSciences公司研究人员在内的一个研究小组展示了一种使用该公司的单分子测序技术从少量细胞产生数字基因表达谱的方法，该技术是在NHGRI的高级DNA测序技术的先前资助下开发的。程序。Helicos还获得了恢复法案的资助，以改进其测序技术，以生产1000美元的基因组。

这些作者于2010年7月18日在线发表了他们的发现，在Nature Methods中，能够在处理少至250个细胞时捕获和区分基因表达谱。并且他们没有NextGen方法所需的多个放大和操作步骤。尽管如此，作者还提醒说，他们采用的现有方法需要进一步优化，以提高效率，达到可靠的单细胞分析水平。

未来DNA测序技术的另一个关键功能是能够检测表观基因组中的DNA甲基化模式 - DNA上的化学标记物在正常发育以及癌症等疾病中发挥核心作用。

2010年5月9日在网上发布自然方法，斯蒂芬·特纳博士，首席技术官太平洋生物科学公司，门洛帕克，加利福尼亚州，从NHGRI复苏法案资助的主要研究人员，和他的团队据报道，他们已经开发出一种原理验证方法，使用其单分子实时测序技术检测DNA甲基化模式。研究结果表明，太平洋生物科学测序平台的潜力可以适应除DNA测序之外的其他用途。

NextGen测序的一个限制因素是将DNA分子切成几千个“字母”长的微小碎片，其检测大规模遗传变异的能力有限，可以随机插入数千至数十万个DNA字母，在基因组中重复或删除，导致疾病。检测这种大规模遗传变异的能力是3Gen测序技术的挑战。

在威斯康星大学麦迪逊分校(UW)，David Schwartz博士和他的团队一直在开发他们的光学测绘系统，以全面研究大规模变化及其在人类健康和疾病中的作用。基因组图谱系统能够一次分析一个大的DNA分子，减少分析中需要重新组合在一起的DNA片段的数量。这使研究人员能够在整个个体的基因组中观察这些巨大的遗传变化。

UW团队最近测试了光学测绘系统，以测量其分析四种人类基因组中大量遗传变异的能力。该系统能够检测到反转，缺失和其他大的遗传变异，范围从大约三千到几百万个DNA碱基对。他们还在四个基因组中发现了超过4,000种独特的大变异体。结果发表在2010年6月15日的“ 美国国家科学院院刊”上。

由NHGRI资助的几个小组正在开发Schloss博士所述的基于纳米孔的测序技术。理论上，这些技术将能够在不到一天的时间内使用小型手持设备对人类基因组进行测序。

宾夕法尼亚大学的Marija Drndic博士及其同事开发了一种纳米孔系统，该系统使用石墨烯膜制成，这是一种非常薄的1-5个纳米级排列的碳原子，用于电子检测单个DNA分子。他们的研究结果于7月23日在线发表在Nano Letters上，提供了早期实验，证明可以通过电子方法测量DNA通过石墨烯纳米孔。这种材料特别有趣，因为它可以用作纳米孔和电连接，从而更容易构建测序装置。

来自波士顿大学的研究团队由Amit Meller博士领导，他们展示了一种基于光学的DNA序列读数方法，结合纳米孔系统，可以使用单个快速数码相机同时探测多个孔。结果于5月11日在线发表在Nano Letters上。

其他版本的纳米孔测序技术似乎处于实现1000美元基因组所需的巨大飞跃的边缘，因为它们不使用化学品，而是依赖电信号，这也可能绕过对电子信号所需的主要数据存储的需求。与NextGen平台相关的大型映像文件。

在开发纳米级DNA测序技术的过程中，研究人员还在努力了解将DNA分子移动通过纳米孔的最佳方法，以便他们能够推进这些技术。马萨诸塞大学阿默斯特分校的Murugappan Muthukumar博士正在承担这项重要且具有挑战性的任务。他最近发表了一篇关于聚合物(DNA分子被归类为聚合物)在暴露于电场时穿过纳米孔的平均传播时间的理论。这很重要，因为DNA分子需要被捕获，然后以最佳速度通过纳米孔以精确检测DNA碱基对。他的理论于2010年5月17日在线发表在“化学物理学报”上。

无论在未来几年内打破1000美元成本障碍的测序技术如何，这些努力以及高级DNA测序技术开发计划中其他NHGRI受助者的努力将以独特的方式促进常规人类基因组测序更接近现实。