今天推出《11大IVD巨頭企業(yè)發(fā)展史匯編》系列第七篇——— Illumina

在測序行業(yè)，Illumina公司就像是IT界中的Google一樣，無人不知。事實上，它們的聲名和影響力早已超出基因測序行業(yè)，它經(jīng)常出現(xiàn)在各大榜單顯著位置。2014年2月，它又被美國麻省理工《科技創(chuàng)業(yè)》雜志（MIT Technology Review）選出2014全球最聰明的50家公司（50 Smartest Companies）中榜首，將谷歌、蘋果等諸多互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司遠遠甩在身后。

Illumina公司產(chǎn)品線介紹

Illumina公司的產(chǎn)品線主要分為三大類，高通量生物芯片檢測儀，高通量測序儀及定量PCR儀。

高通量生物芯片技術是Illumina公司成長的第一個里程碑，在人類基因組計劃完成后，生命科學研究進入后基因組時代，對于SNP的研究成了基因功能研究 的主要技術手段，國際上也有了專門針對SNP研究的Hapmap計劃，而Illumina公司的高通量芯片稱為Hapmap計劃的主要技術平臺，所有 Hapmap的數(shù)據(jù)，80％以上都來自于Illumina的高通量芯片平臺，全世界科學家選擇Illumina芯片平臺的主要原因也在于此。

高通量測序儀可謂是Illumina最大的產(chǎn)品線，高通量測序技術的出現(xiàn)和發(fā)展可以說是近五年時間內(nèi)生命科學領域最具有革命性發(fā)展的技術之一，它極大的加速 了整個科學研究的進程，也改變了應用領域和臨床研究及診斷的思路。目前，公司主打產(chǎn)品有MiSeq測序儀、HiSeq X Ten測序儀、Miseq FGx測序儀、NextSeq 500/550桌上型測序儀、MiniSeq臺式測序儀等等。

定量PCR儀Eco，是Illumina公司在2010年收購另外一個定量PCR儀廠家而擴增的產(chǎn)品線。定量PCR儀是目前分子生物學實驗中常用的核苷酸檢測設備，已經(jīng)被廣泛應用于生命科學領域的各個方面，包括新藥開發(fā)研究、藥物療效研究、藥物預后指標研究等等。

Illumina公司發(fā)展歷史

Illumina是 由David Walt博士、CW 集團的Larry Bock、獸醫(yī)學博士John Stuelpnagel、 Anthony Czarnik博士及Mark Chee博士于1998年4月共同組建。在與CW 集團風險投資公司合作期間，Larry和John在Tufts大學研究出了BeadArray技術，經(jīng)過商議他們?nèi)〉昧嗽摷夹g的專屬授權。他們把 Illumina的總部設于加利福尼亞的圣地亞哥，并于2000年7月首次公開上市。

Illumina于2001年開始提供SNP基因分型服務，并于一年后利用GoldenGate基因分型技術推出首個Illumina BeadLab系統(tǒng)。目前，Illumina針對日益成熟的基因序列分析市場，提供基于微陣列技術的產(chǎn)品和服務。

• 1998年4月1日: Illumina 公司成立

Illumina由David Walt博士(Tufts University，BeadArray技術投資者)、Larry Bock(CW Group)、John Stuelpnagel、D.V.M.、Anthony Czarnik博士及Mark Chee博士創(chuàng)立。

• 1998年11月1日: 公司總體框架形成

Illumina成立時有7名員工，啟動資金為860萬美元，在加州圣迭戈10,000平方英尺的廠房內(nèi)開始研發(fā)核心技術和知識產(chǎn)權產(chǎn)品。

• 2008年1月4日: 宣布公司重組

Illumina重組了經(jīng)營結構，以便進一步利用測序和基因分型業(yè)務的協(xié)同優(yōu)勢。

• 2008年1月7日: 推出高密度產(chǎn)品線

Infinium HD Human1M-Duo(兩個樣品/芯片)和Human610-Quad(四個樣品/芯片)特有每張BeadChip芯片上多達230萬個單核苷酸多態(tài)性(SNP)，讓樣品通量加倍，而DNA起始量降低了70%。

• 2008年1月15日: 發(fā)行Infinium BovineSNP50 芯片

Infinium BovineSNP50 BeadChip芯片是一個12個樣品的基因分型產(chǎn)品，特有54,000個SNP，能檢測任何牛品種的基因變異。

• 2008年2月6日: Illumina測出第一個非洲人基因組的序列

Illumina的科學家利用Genome Analyzer對一名匿名的非洲男性(來自尼日利亞的約魯巴人)的基因組進行了測序。這項成果確立了Illumina測序技術在準確測序大且復雜的基因組上的直接作用。

2006年11月1日: 收購Solexa。Solexa公司的基因測序技術非常新穎，它采用綜合的方法進行測序，比其他公司的技術快100倍，而且價格更低。2006年，Solexa的年收入只有250萬美元，是一家規(guī)模很小的公司。Illumina收購了Solexa之后，為其提供了全球銷售網(wǎng)絡，“第一年我們的收入就達到了1億美元，這就是Illumina的轉折點。從此我們開始極速發(fā)展。”Solexa的加入也是Illumina其他競爭對手的轉折點，這使他們在技術層面上立刻被拖后。

2012年9月，Illumina收購英國的遺傳變異測序服務公司Blue Gnome；2013年1月，收購了Verinata Health公司。Verinata Health公司在產(chǎn)前血液測試領域具有最寶貴的知識產(chǎn)權；2014年7月，繼續(xù)收購一家專注于伴隨診斷及其他IVD的咨詢公司Myraqa；同年，Illumina聯(lián)合多個癌癥研究中心，宣布成立AGC（規(guī)范基因組聯(lián)盟）聯(lián)合機構，指導下一代測序技術在腫瘤臨床診斷中的應用。

Illumina公司2006-2015年度營收情況

凈銷售額：（單位：百萬美元）

近10年來都處于持續(xù)增長，并且平均保持在20%左右的增長率。

銷貨成本

從上表可以看出，Illumina公司銷貨成本處于30%-40%，并處于下降趨勢，在往30%點靠近；以此能推出Illumina公司銷貨成本的增加在于業(yè)務銷售量的增長。

毛利

毛利是銷貨成本的對立面，基本上保持在65%并向70%靠近。

凈收入

凈收入大體保持穩(wěn)定且增長的趨勢，長期效率偏好。

研發(fā)費用

研發(fā)費用的增加，表明Illumina會有一定新產(chǎn)品的產(chǎn)出，但同時所占比例又慢慢控制在20%以內(nèi)。

一般銷售及行政費用

行政費用整體增長，但所占比大概在25%-30%；

總結

Illumina從1998年4月1日成立，啟動資金為860萬美元；于2000年7月1日股票首次公開招募籌得超過1億美元；直至2007年1月公布了五年內(nèi)首次盈利的12個月；此后便踏上業(yè)務不斷增長的時期。各成本比例一直控制得相對比較均衡穩(wěn)定，在不算非營收部分的情況下，基本有20%左右的凈收入，效益良好。

年度財務統(tǒng)計見文末附表。

從客戶分布的情況看，美國占了55%，歐洲，中東和非洲占了25%，亞太占了21%，日本占了8%。 

從客戶種類的分布增速看政府和學術機構是最大頭，過去五年的復合增長率為14%。商業(yè)用途排名第二，但增長最快，過去五年的復合增長率34%。醫(yī)院占比還是很小，過去五年復合增長率24%。非營利組織過去五年復合增長率13%。 

具體業(yè)務方面，商業(yè)用途又細分為產(chǎn)前診斷，制藥業(yè)，商用分子診斷以及服務業(yè)等方面。

HiSeq2000是Illumina公司于2010年推出的新款測序儀，測序原理與Genome Analyzer相同，采用穩(wěn)定的可逆終止法邊合成邊測序技術。該技術使用4種含有末端阻斷基團和不同熒光信號的堿基進行模板互補鏈合成，不僅確保了測序的高精確性和高順序性，而且排除了由重復序列和同聚物導致的測序錯誤。與Genome Analyzer不同的是，HiSeq2000融合了最新的光學系統(tǒng)和制造工藝，采用2個激光源對Flow Cell掃描，用4臺照相機對4種堿基分別進行記錄，減少了不同堿基間的信號干擾，提高了測序準確度。HiSeq2000因采用了Flow Cell雙表面成像技術，增加了Flow Cell有效面積，從而增大了測序通量，降低了測序成本。

HiSeq2500是Illumina于2012年推出的HiSeq2000測序儀的升級版。HiSeq2500與HiSeq2000相比，有兩種測序模式：High Output模式和Rapid 模式。High Output模式與現(xiàn)在的HiSeq2000測序模式相同，測序所用Flow Cell和測序試劑無改變；Rapid模式采用全新Flow Cell及測序試劑，縮短了測序時間，測序讀長可達150bp。

Illumina Miseq是2011年2月推出的新一代小型化（bench-top）測序儀，這款儀器使用了Illumina TruSeq可逆中止堿基邊合成邊測序的化學方法，與HiSeq 2000相比，雖然每個Run的測序通量很低，但是久經(jīng)考驗的新一代測序試劑帶來無可比擬的準確性，結合上全新的流體系統(tǒng)，使得一個測序循環(huán)時間縮短了8倍以上。

2014年在第32屆摩根大通保健大會上重磅推出兩款測序儀：HiSeq X Ten和NextSeq 500。HiSeq X Ten定位為工廠規(guī)模的測序儀，通量超高，價格不菲；而NextSeq 500則旨在以MiSeq的大小提供HiSeq的性能。

NextSeq 500系統(tǒng)集高通量測序的性能和臺式測序儀的簡約為一體，是目前唯一一款可實現(xiàn)外顯子組、轉錄組和全基因組測序的臺式測序儀。它可在兩種模式下開展測序實 驗：高產(chǎn)量（High Output）和中等產(chǎn)量（Medium Output），在單次運行中可獲得20-120 Gb的數(shù)據(jù)。

布局測序產(chǎn)業(yè)中下游

Illumina 公司一直引領者測序行業(yè)的發(fā)展，對測序行業(yè)的控制，主要是它牢牢地掌握著測序行業(yè)的源頭，開鑿蓄水均由它來掌控。市場上60%左右的測序儀是 Illumina公司生產(chǎn)的，盡管它已經(jīng)感受到了擁有強大后盾的Life Tech公司的競爭壓力，但這種在測序行業(yè)處于主導位置的局面還會持續(xù)一段時間。

Illumina希望自己并不僅僅是一家測序儀制造商。 2012年9月，Illumina就收購了英國的遺傳變異測序服務公司BlueGnome。Illumina的一系列的動作都彰顯了Illumina希望 憑借自己在測序技術上的優(yōu)勢快速進入DNA測序臨床應用領域的意圖。今年7月下旬，Illumina收購了一家專注于伴隨診斷及其他IVD的咨詢公司 Myraqa，此外，Illumina今年表示，它正在開發(fā)供FDA批準的腫瘤panel，它計劃在2014年底向FDA提交基于HiSeq2500的 Verifi無創(chuàng)產(chǎn)前檢測，以獲得體外診斷的許可。布局基因測序行業(yè)中下游已初見端倪。

這種情況或許讓那些已購買過Illumina昂貴的測序儀公司最為頭疼。它們潛心孵化出來的市場很容易被Illumina搶走。而這些測序服務公司唯一的出路就是優(yōu)化和提供優(yōu)質的服務和多元化業(yè)務組合。

很多人知道個人基因組測序是未來測序行業(yè)中一塊很大的蛋糕，23andme、foundation medicine等公司目前正在潛心孵化這方面的市場，而這一市場也陸陸續(xù)續(xù)進入更多的公司。Illumina會不會進入這一領域呢？毋庸置疑，Illumina會涉足這一領域。目前這一領域的市場并沒有培養(yǎng)起來，加上這些公司的影響力還沒有到不足以撼動的程度，所以Illumina公司暫時 還沒有發(fā)力進入這一領域，但它會在適當?shù)臅r機會選擇進入個人基因測序服務市場，因為這塊市場是未來增長最快，也是最具有潛力的。事實上，Illumina公司在這一領域也有些動作，如最近Illumina公司開始著眼于消費產(chǎn)品領域，計劃開發(fā)出一款可直接插入智能手機中的芯片，智能手機將成為“分子聽診器”，從而帶來個人化的基因醫(yī)療。

統(tǒng)領測序行業(yè)全局

除此之外，Illumina公司還想 掌控整個測序行業(yè)全局。2014年上半年，Illumina公司推出世界首個基因組學孵化器，該孵化期用于為基因組學產(chǎn)業(yè)營造一個創(chuàng)新的生態(tài)系統(tǒng)。孵化器 項目將致力于為企業(yè)家加快上市時間，減少入市壁壘，并為一些從事科學和商業(yè)前景新一代測序 (NGS)應用的新創(chuàng)企業(yè)提供援助。除為創(chuàng)新公司提供資金、技術之外，還將提供輔導、全球客戶資源、創(chuàng)新網(wǎng)絡、合作伙伴支持等一系列的支持，以幫助創(chuàng)新公 司的成長。

另外，在個人遺傳信息咨詢，個人遺傳信息存儲以及生物遺傳信息挖掘方面，Illumina公司也大有所為。

Illumina公司市場表現(xiàn)

二代基因測序儀市場份額

自從2007年初，Illumina收購了基因測序公司Solexa，才算真正進入DNA測序市場，從08年到現(xiàn)在，過去10年，股價翻了10倍。Illumina在過去5年中，收入端復合增長率23%，EPS復合增長率28%，除了占據(jù)市場份額第一的測序業(yè)務，Illumina還有14%的收入來自測序服務。

基因測序目前可應用于醫(yī)療領域和非醫(yī)療領域。

醫(yī)療領域的應用領域主要有生殖健康、遺傳病檢測、新藥研發(fā)、腫瘤診斷及治療、心血管疾病以及醫(yī)學基礎研究，其中生殖健康、腫瘤診斷及治療、新藥研發(fā)和醫(yī)學基礎研究是目前最主要的應用領域?；驕y序在非醫(yī)療領域的應用主要有環(huán)境污染治理、生物多樣性保護、食品及中藥材同源鑒定、農(nóng)牧業(yè)育種及司法鑒定。

Illumina公司主要是二代測序產(chǎn)品，因此在此重點搜集NGS臨床相關應用：包括1、婦幼與生殖健康；2、腫瘤分子診斷及個體化用藥；3、遺傳性疾病；4、藥物基因組學。

1、婦幼與生殖健康

• 一級預防：孕前預防（PGD/PGS（Preimplantation Genetic Diagnosis/Screening）

胚胎植入前遺傳學診斷/篩查技術，進行試管嬰兒技術助孕時，在胚胎移植之前，對早期胚胎進行染色體非整倍體、非平衡易位和單基因疾病檢測，以期挑選染色體正常的胚胎植入子宮，提高患者的臨床妊娠率、降低流產(chǎn)率。與傳統(tǒng)依賴顯微鏡技術挑選形態(tài)學等級高的胚胎進行移植的胚胎形態(tài)學相比：PGS可直接對胚胎的遺傳物質進行分析；對早期胚胎進行染色體數(shù)目和結構異常的檢測；

據(jù)統(tǒng)計，我國平均每8對夫妻中就有一對遭遇生育困境,而且不能生育的夫妻呈年輕化趨勢，25歲至30歲的患者居多。目前，中國不孕不育患者已超過4000萬，占育齡人口的12.5%。據(jù)統(tǒng)計，在中國每年約有10萬試管嬰兒出生。在我國，需要輔助生殖助孕的育齡婦女大約有400萬左右。

• PGS臨床流程：

  
  

檢測內(nèi)容：全部染色體非整倍體；大于4Mb的新發(fā)的染色體微缺失/微重復；大于1Mb的遺傳自父母的染色體微缺失/微重復。

使用范圍: 高齡患者（≧35歲）； 有反復流產(chǎn)史的患者（自然流產(chǎn)≧3次）； 反復胚胎種植失敗的患者（失敗≧3次）；生育過染色體異常患兒的夫婦；自身染色體數(shù)目或結構異常的夫婦；嚴重的男性不育（SMF），少弱精子癥、 畸精癥；自愿接受胚胎染色體異常排查的夫婦。

• 二級預防：產(chǎn)前篩查、診斷（NIPT 無創(chuàng)產(chǎn)前檢測 Non-invasive Prenatal Testing）

一項應用于臨床檢測的基因組新技術，NIPT主要是通過孕期母體的外周血，對其中的游離DNA、 RNA（含有胎兒來源的DNA、 RNA）進行測序，來判斷胎兒是否患有某些遺傳病，如21-三體綜合征、 18三體綜合征以及13-三體綜合征。

NIPT的基本原理：針對孕婦外周血漿中，主要來自孕婦自身組織細胞，少部分來自胎盤滋養(yǎng)層細胞經(jīng)過凋亡（apoptosis）后形成的不完整的游離DNA片段（平均50~200堿基）；在NGS儀器內(nèi)比對已經(jīng)建立的以36堿基為基本的龐大核苷酸序列資料庫，利用大規(guī)模并行測序方式進行辨識，將其分門別類后，累計加總，計算出不同染色體位置來源的DNA片段出現(xiàn)數(shù)目或頻率（不分辨DNA片段來自孕婦或胎盤）；再以邏輯統(tǒng)計方式，分析出特定染色體來源的DNA片段是否超標。利用目前較普遍被使用的分析程式得出的Z值（Z score）超過3；或標準化染色體值（normalized chromosomevalues, NCVs）超過4即被認定為染色體非整倍體（aneuploidy）。

NIPT檢出率：21三體綜合征〉 99% 

18三體綜合征〉 97% 

13三體綜合征〉 90%

NIPT假陽性率：復合假陽性率不高于0.5%

NIPT陽性預測值：復合陽性預測值不低于50%

NIPT假陰性率：復合假陰性率約為0.3%

NIPT適應人群：

• 所有希望排除胎兒染色體非整倍性疾病的孕婦；

• 孕早、中期血清篩查高危的孕婦；

• 夫婦一方為染色體病患者，或曾妊娠、生育過染色體病患兒的孕婦；

• 有不明原因自然流產(chǎn)史、畸胎史、死胎或死產(chǎn)史的孕婦；

• 有異常胎兒超聲波檢查結果者 ( NT、鼻梁高度 ) ；

• 夫婦一方有致畸物質接觸史。

• 三級預防：生后， NGS與新生兒基因篩查

• 對象：

具有家族遺傳病史的新生兒；

新媽媽年齡在35歲以上的新生兒；

具有家族遺傳病史的新生兒； 

父母長期接觸有害放射線或農(nóng)藥的新生兒。

• 目的：使出生缺陷得到治療和控制 

全球出生缺陷平均比例高達6%，每年新增790萬出生缺陷嬰兒。中國：我國出生缺陷高達5.6%，每年新增90萬先天缺陷嬰兒。其中基因遺傳導致的出生缺陷約占25%。

• 技術原理： 通過采集新生嬰兒出生24小時以后的足跟血提取DNA進行檢測和分析，對新生兒常見遺傳病患病風險和兒童藥物敏感性進行評估和提示。 

新生兒基因檢測采用目標區(qū)域捕獲技術針對基因組DNA中的目標區(qū)域進行高通量測序和生物信息分析，檢測區(qū)域覆蓋度達95%以上，準確性高達99%。

• 流程：通過采集新生兒出生24小時后的足跟血提取DNA；利用高通量測序技術和信息分析平臺進行檢測和分析；對新生兒常見遺傳病患病風險和兒童藥物敏感基因進行評估和提示。

• 優(yōu)勢：早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療，避免因診治延誤而造成患兒不可逆的損傷；了解新生兒致病突變基因攜帶情況，為新生兒提供生育指導；指導兒童科學用藥，避免用藥不當產(chǎn)生的不良反應。

2、腫瘤分子診斷及個體化用藥：

腫瘤診斷治療應用為基因測序最具潛力的應用市場。

腫瘤是機體在各種致癌因素作用下，局部組織的細胞在基因水平上失去對其生長的控制增生所形成的新生物。 《 2014 年世界癌癥報告》 數(shù)據(jù)顯示，全球癌癥病例預計癌癥新增病例會從 2012 年的 1400 萬，遞增至 2025 年的1900 萬，到 2035年將達 2400 萬。Illumina公司預測基因測序全球總市場容量為200億美元，腫瘤診斷與治療應用方向為120億美元，占比為60%，是基因測序最大的應用市場。同時，麥肯錫預測基因測序技術在肺癌、腸癌、乳腺癌和前列腺癌等領域的滲透率將高于20%。艾瑞分析認為，腫瘤診斷和治療是基因測序最具發(fā)展?jié)摿Φ膽檬袌?，主要原因有?/p>

1）全球癌癥發(fā)病率逐步攀升，癌癥負擔正在不斷加重，8 個死亡病例中就有 1 個就是癌癥，特別對中國而言，人口老齡化的不斷增加，環(huán)境污染和食品安全問題日益惡化，都使癌癥的負擔尤為突出；

2）由于腫瘤具有顯著的個體差異性，傳統(tǒng)醫(yī)療方式在腫瘤治療上具有非常大的局限性，而基因測序能夠提供病患個體差異信息，并為腫瘤治療提供指導，能夠提高用藥的安全性和有效性。

靶向用藥相關基因檢測、化療用藥相關基因檢測、腫瘤易感性相關基因檢測、腫瘤發(fā)生相關基因檢測等等，全面的基因檢測可涉及腫瘤診療的各個階段：

1）預防--腫瘤基因檢測；

2）診治--個性化用藥指導；

3）預后--復發(fā)監(jiān)測和藥效評估。

• 腫瘤早期篩查：

• 腫瘤診斷：

• 腫瘤個體化用藥及靶向治療：

是針對已經(jīng)明確的致癌位點，來設計相應的治療藥物，來設計相應的治療藥物，所以分子靶向治療又被稱為“生物導彈”。根據(jù)《 NCCN腫瘤學臨床實踐指南》 建議:腫瘤個體化用藥基因檢測是服用靶向藥物時必檢項目。

• 靶向藥物臨床路徑：

美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡（NCCN）《 結直腸癌臨床實踐指南》 中明確指出，（1）所有轉移性結直腸癌患者都應檢測KRAS基因狀態(tài)；（2）只有KRAS野生型患者才建議接受EGFR抑制劑（如愛必妥和帕尼單抗）治療。

美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡（NCCN）《 非小細胞肺癌臨床實踐指南》 中也指出：當KRAS基因發(fā)生突變時，不建議使用EGFRTKls靶向治療藥物。

美國食品藥品監(jiān)督管理委員會(FDA)規(guī)定，基因檢測是靶向藥物治療的必要前提，只有相應基因突變的患者，才能成為靶向治療的適用對象。 FDA已經(jīng)強制要求用藥前進行EGFR、 KRAS等基因檢測。至2013年12月，F(xiàn)DA已經(jīng)批準超過200個需要患者基因信息指導才能準確治療的藥物。廣州市醫(yī)保中心報銷標準，只有EGFR基因突變檢測為陽性的肺癌患者才可享受靶向藥物的醫(yī)保報銷。

• 藥物代謝檢測：

可以根據(jù)藥物代謝基因的突變情況將藥物代謝分為超快代謝、快代謝、中間代謝和慢代謝四種類型。檢測藥物代謝酶基因位點后，醫(yī)生根據(jù)代謝類型確定用藥劑量，從而提高療效和減少不良反應。

• 復發(fā)風險監(jiān)測：

根據(jù)2011年《 NCCN乳腺癌臨床實踐指南》 ，部分侵襲性乳腺癌患者可以使用21基因預測化療收益和10年內(nèi)乳腺癌的復發(fā)風險。21基因檢測通過研究21個基因（ 16個癌癥相關基因、 5個參考基因）的表達，計算復發(fā)風險值和評估化療收益。

3、遺傳性疾?。?/span>

遺傳性疾病是由生殖細胞或受精卵的遺傳物質，即染色體和基因，發(fā)生改變而引發(fā)的疾病，它有家族性、先天性等特點。血友病、白化病、色盲等都是遺傳性疾病，腫瘤、高血壓、冠心病、糖尿病和精神性疾病也往往同遺傳有關系。遺傳性疾病較難治愈，因此它對人類的危害較大。在25歲時，5.5%的人會患上遺傳性疾病，隨年齡增加，逐漸上升到60%；11.1%的兒童和12%的成年住院病人是由遺傳因素導致的；30-50%的新生兒死亡是由于先天性畸形導致；2-3%的新生兒帶有先天性或遺傳決定的異常。

遺傳性疾病又分單基因遺傳病、多基因遺傳病和染色體異常遺傳?。?/p>

單基因遺傳病是由單個基因發(fā)生突變所引起的遺傳病。它可能是等位基因中的一個發(fā)生突變，也可能是成對的等位基因都改變。單基因病本質上屬于單基因性狀的遺傳，故稱之為孟德爾疾病。

多基因遺傳病又稱多因素遺傳病(multifactorial inheritance)是由多個基因的累加效應引起的遺傳性狀，一般與環(huán)境因素共同作用。因有遺傳因素在內(nèi)，故發(fā)病呈家族傾向，但不符合孟德爾遺傳規(guī)律，即同胞中的患病率遠比1/2或1/4低，大約只有1％－10％。大多數(shù)先天性畸形如無腦兒、脊柱裂和其它神經(jīng)管缺損以及大多數(shù)先天性心臟病，以及許多常見的成人疾病如癌癥、高血壓、冠心病、痛風、精神分裂癥、抑郁癥及糖尿病等，不是單純由單基因突變或染色體異常所引起的疾病，這些疾病都是由多個基因和環(huán)境因素共同作用的結果，都屬于多基因遺傳病。多基因病與單基因病比較，在同胞（兄弟姐妹）中的發(fā)病率比較低，約為1％－10％（單基因病在同胞中的發(fā)病率一般為1/2－1/4），但在群體中的發(fā)病率卻比較高。

如果人的染色體發(fā)生異常，也可以引起許多種遺傳病，這些病在遺傳學上叫做染色體異常遺傳病。由于染色體變異常引起遺傳物質較大的改變，患者大多壽命短暫，甚至在胚胎期就死亡造成流產(chǎn)。

NGS遺傳性疾病應用原理：目標區(qū)域捕獲測序和全基因組低覆蓋度測序方法，加入相應的生物信息分析，來尋找與疾病相關的突變位點，為輔助臨床診斷、輔助臨床治療和疾病篩查提供科學依據(jù)。

目標區(qū)域捕獲：針對自閉癥相關基因設計的特異性捕獲芯片，對與疾病非常相關的170個基因進行捕獲,對其中所有單個位點的遺傳突變和小片段缺失重復的遺傳變異進行分析。

全基因組低覆蓋度測序：（low-coverage genome-wide sequencing）依托第二代測序平臺，采用高靈敏度的高通量測序，對受檢者的DNA進行全基因組低覆蓋度測序，獲得DNA分子信息，進一步通過生物信息學分析，準確定位受檢樣本的基因組上出現(xiàn)的染色體數(shù)目異常、染色體微缺失和微重復片段。該方法可檢測1M以上的染色體微缺失、微重復，不適于檢測點突變及1M以下的缺失或重復、平衡易位、單親二倍體、嵌合體。

4、藥物基因組學：

藥物基因組學（pharmacogenomics）是研究基因序列的多態(tài)性與藥物效應多樣性之間關系，即基因本身及其突變體與藥物效應相互關系的一門科學。

藥物相關的基因大致可分為四類：

1）藥物代謝相關的酶；

2）藥物結合相關的受體；

3）藥物轉運相關的膜通道；

4）信號傳導相關的蛋白質等的編碼基因。

藥物基因組學研究內(nèi)容：藥物基因組學研究藥物效應的個體間差異，以基因多態(tài)性為基礎，針對不同個體基因型進行個性化治療。包括，藥物效應的基因型預測和基因組學在醫(yī)藥上的應用；在分子水平上證明和闡述藥物療效、藥物作用的靶位、作用模式和毒副作用。

藥物基因組學研究目的：

1）合理用藥, 個性化治療；

2）新藥的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)

二代基因測序技術（Next-generation Sequencing，NGS），又稱為高通量測序技術（High-throughput Sequencing），可以一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA分子進行序列測定。相對于傳統(tǒng)的Sanger測序，NGS有些顯著的優(yōu)點：1.測序效率大幅度提高；2.測序費用大幅度降低。

454公司在2005年推出焦磷酸測序平臺后，很好的解決了傳統(tǒng)Sanger測序的通量和成本問題，極大地推動分子生物學的發(fā)展，隨后Illumina公司通過收購Solexa公司進軍測序領域，并經(jīng)過多年高速發(fā)展，已經(jīng)成為全球測序儀的龍頭企業(yè)。

盡管NGS技術極大地推動生物技術的向前發(fā)展，都也并非完美無瑕。NGS的錯誤率依舊是其硬傷，因為NGS的讀長（Read）普遍較短，短于Sanger測序，所以需要更嚴格和復雜的序列拼接，也帶來錯誤率偏高的頑疾。

NGS技術分為兩種：邊連接邊測序（Sequencing by Ligation，SBL）和邊合成邊測序（Sequencing by Synthesis，SBS）。在SBL方法中，帶有熒光基團的探針與DNA片段雜交并且與臨近的寡核糖核酸連接從而得以成像，人們通過熒光基團的發(fā)射波長來判斷堿基或者其互補堿基的序列。SBS方法通常使用聚合酶，而且，諸如熒光基團在鏈的延伸過程中被插入其中。而我們要討論的Illumina公司所采用的便是SBS技術。

SBS技術是指依賴于大量DNA聚合酶來進行測序的方法，但SBS技術其實還可進一步細分，可分為循環(huán)可逆終止（Cyclic Reversible Termination，CRT）和單核糖核酸增加（Single-nucleotide Addition，SNA）兩種，Illumina公司即是CRT技術。 

CRT技術有些類似于Sanger測序的末端終止法，其3’-OH被屏蔽而被阻止繼續(xù)延伸。反應開始時，DNA模板被一段和探針序列互補的接頭結合，DNA聚合酶也是從這段序列開始結合。每個循環(huán)過程中，四種單獨標記的復合物和3’-OH被屏蔽的dNTP被添加進反應中。在延伸過程中，每結合一個dNTP，其它沒被結合的dNTPs被移除，并且獲取圖像來確定是哪個堿基在哪個簇中被結合。熒光基團以及屏蔽基團隨后被移除并且開始新一輪的反應。

Illumina公司的兩個測序平臺Solexa和Hiseq的核心技術原理和主要操作步驟是相同的，現(xiàn)在對操作步驟進行介紹，共分為四步：

1）DNA待測文庫構建

利用超聲波把待測的DNA樣本打斷成小片段，打斷成200—500bp長的序列片段，并在這些小片段的兩端添加上不同的接頭，構建單鏈DNA文庫。

2）Flowcell

Flowcell是用于吸附流動DNA片段的槽道，當文庫建好后，文庫中的DNA在通過Flowcell的時候會隨機附著在Flowcell表面的channel上。每個Flowcell有8個channel，每個channel的表面都附有很多接頭，這些接頭能和建庫過程中加在DNA片段兩端的接頭相互配對，并能支持DNA在其表面進行橋式PCR的擴增。

3）橋式PCR擴增與變性

橋式PCR以Flowcell表面所固定的接頭為模板，進行橋形擴增。經(jīng)過不斷的擴增和變性循環(huán)，最終每個DNA片段都將在各自的位置上集中成束，每一個束都含有單個DNA模板的很多份拷貝，進行這一過程的目的在于實現(xiàn)將堿基的信號強度放大，以達到測序所需的信號要求。

4）測序

測序方法前面已經(jīng)有所提及，采用邊合成邊測序的方法，向反應體系中同時添加DNA聚合酶、接頭引物和帶有堿基特異熒光標記的4種dNTP。這些dNTP的3’-OH被化學方法所保護，因而每次只能添加一個dNTP。在dNTP被添加到合成鏈上后，所有未使用的游離dNTP和DNA聚合酶會被洗脫掉。接著，再加入激發(fā)熒光所需的緩沖液，用激光激發(fā)熒光信號，并有光學設備完成熒光信號的記錄，最后利用計算機分析將光學信號轉化為測序堿基。這樣熒光信號記錄完成后，再加入化學試劑淬滅熒光信號并去除dNTP的3’-OH保護基團，以便能進行下一輪的測序反應。Illumina的這種測序技術每次只添加一個dNTP的特點能夠很好的地解決同聚物長度的準確測量問題，它的主要測序錯誤來源是堿基的替換，目前它的測序錯誤率在1%—1.5%之間。

附表：