基因组产品

随着高通量测序技术的大规模应用和越来越多的物种基因组被测序和注释，研究者根据自己的研究目的，更有针对性和更深度的对已注释的物种进行基因组重测序和分析必将成为越来越普遍的研究手段。基因组重测序是对已知基因组序列的物种进行不同个体的基因组测序，并在此基础上对个体或群体进行差异性分析。基因组重测序可以是全基因组范围的（whole-genome resequencing），也可以是某个特定的区段或某类基因/基因型。通过重测序技术，可以检测全基因组或目标区段的单核苷酸多态性（SNP）、基因片段的插入或缺失、数量性状位点（QTL）、反转录转座子插入多态性（RIP）、等位基因遗传变异等多种可变基因型或基因突变，在生物学和医学研究中发挥着越来越重要的作用。

基因组重测序技术在遗传进化、农业畜牧以及疾病研究中都有非常广泛的应用。如通过对已注释物种的不同亚种进行基因组重测序，可以对亚种的特异性突变进行识别，并且对于物种的演化具有很重要的研究意义；全基因重测序可以在作物中筛选如抗旱、抗盐、早熟等相关性状的基因，也用于绘制奶牛产奶产量和质量相关基因图谱，在家禽育种方面提供有价值的数据。在疾病研究中，基因组重测序通过对已知的与疾病有关的序列区域进行重点探测，鉴定相关基因序列的突变位点，对疾病的诊断和致病机制的研究均取得了重要的成果，如通过重测序手段对与胰腺癌相关的位于染色体1q32.1, 5p15.33, and 13q22.1上的基因位点进行分析，发现了63个与胰腺癌的发病相关的新SNP； 同样，在前列腺癌、自闭症（ASD）等疾病，以及病毒如艾滋病（HIV）、微生物如疟原虫感染后的宿主基因组分析中也可以检测到新的基因位点突变的发生。

除了技术手段，基因组重测序技术对于已有数据库的应用和信息学的分析手段也有很高的要求，随着更多的物种序列信息得到完善和补充，数据库信息的扩充和信息学分析手段的丰富，该技术在生物学和医学领域将会有更深入和更普遍的应用。

宏基因组学（metagenomics）是通过非微生物培养的方法对环境中微生物菌落进行调查研究的一门新兴学科，其主要研究对象为菌落中的细菌、古细菌、真菌和病毒等微生物，其主要目的是通过对微生物菌落中微生物的多样性、种群结构及其动态改变、各成员之间相互关系及与环境之间的相互关系等方面的分析，揭示更深层次的遗传与进化规律。以Roche 454 和Illumina Hiseq 为代表的二代高通量测序技术，成功实现了高通量和低费用的有效结合，将宏基因组学研究推向了前台。不同于第一代以Sanger 末端终止法为原理的测序技术，第二代测序技术基于边合成边测序的理念，为宏基因组学研究提供了新的理想研究方法。高通量测序的方法无需分离环境中各种微生物，也无需构建克隆文库就可以直接对环境中所有微生物进行测序。可以真实客观的反映环境中微生物的多样性、种群结构、进化关系等。与传统方法相比，基于高通量测序的宏基因组研究无需构建克隆文库，这避免了文库构建过程中利用宿主菌对样品进行克隆而引起的系统偏差，简化了实验操作，提高了测序效率，从而极大地促进了宏基因组学的发展。

16S/18S rDNA测序与宏基因组测序的区别：16S/18S rRNA基因测序以细菌16S rRNA 或者真菌18S rRNA 基因测序为主,核心是研究样品中的物种分类、物种丰度以及系统进化。宏基因组测序以环境样品中的微生物群体基因组为研究对象，直接从环境样品中提取全部微生物的DNA，构建宏基因组文库，利用高通量测序技术分析环境样品所包含的全部微生物的群体基因组成及功能和参与的代谢通路，解读微生物群体的多样性与丰度，探求微生物与环境，微生物与宿主之间的关系，发掘和研究新的、具有特定功能的基因。

宏基因组研究有着广泛的应用前景，其中主要表现在以下几个方面:

进化分析：例如物种之间的差异既有该物种本身基因组的差异，也有与其伴随的微生物的差异，某些相关微生物与宿主之间是共生关系；物种间的共生关系导致物种间水平基因转移的机制及其意义的阐明都将对生物物种的进化理论产生重要的影响。

基因发现:传统的方法是在基因装配的基础上预测基因的存在，然后通过同源基因的比对和实验验证来确认基因的发现。对于宏基因组而言，由于测序的主要成分为多物种的混合物，通过基因组的装配拼接来实现新基因的预测。然而无论基于现有的哪个软件，所预测的基因的实验验证依然是个主要问题。

环境与生态研究: 土壤微生物研究中的应用，进行土壤微生物及其资源的挖掘，揭示土壤微生物的多样性及其与环境之间的关系。在水体中的应用，多种海洋次生代谢产物合成途径，其中最为经典的是研究海洋聚酮类和非核糖体肽类的生物合成基因簇。

疾病和个体化医疗:大量的研究证据显示，人体微生物的种群和多样性与人体疾病的发生有着显著的相关性，例如肥胖、心血管疾病和肿瘤等。人类微生物组计划（Human microbiome project）的调查显示，肠道微生物中存在大量与药物代谢和分解相关的细菌，提示在个体化医疗方面不仅仅要考虑宿主基因组中药物的代谢相关基因，同时也需要考虑到消化道中微生物群落的存在和组成。

外显子组测序是指对已测序物种的所有编码蛋白基因（外显子组）进行测序的技术。随着高通量测序的大范围应用，研究者开始对全基因组中一些特殊的子集 进行捕 获、富集，然后使用高通量测序手段进行测序分析，外显子组测序就是最显著的代表性手段。它可以使研究者在花费与全基因组测序相同的成本的情况下，对更多的 样本进行更深的测序分析，从而针对性的获得更加详细而准确的结果。以人类基因组为例，在人类30亿碱基序列中，外显子碱基对数约占1%（约3千万碱基 对），约有180,000个外显子。通过外显子组测序能够在控制成本的情况下分析鉴定出更多的遗传突变包括孟德尔相关疾病以及米勒综合征和阿尔茨海默病等 很多常见的疾病。事实上，外显子组测序目前的主要应用也都是在疾病的检测、分析和诊断方面。

基因诊断

外显子组测序在基因 检测和分子诊断上具有独特的优势，对于一些以前无法诊断的疑难病例，外显子组测序可以通过分析其基因信息更快更准确的进行确诊，从而为临床治疗提供依据。 如2011年的普利策解释性报道奖得主便是因为报道了一例成功的通过外显子组测序诊断确诊了一个4岁儿童的肠道紊乱疾病，并通过骨髓移植挽救其生命的案 例。相似的案例还有对先天性氯腹泻患者的诊断，对新生儿糖尿病、难治性炎性肠病和 Charcot-Marie-Tooth atrophy综合征等传统手段难以确诊的复杂病症进行分子诊断的报道。为临床诊断而使用的测序技术被专称为CGES（clinical genome and exome sequencing），该技术已经在临床遗传学以及其他临床专业使用，并且在不断的发展到其他新领域当中。

孟德尔疾病研究

由于目前的测序分析还是以蛋白编码基因为主，同时大多数已知的孟德尔单基因遗传病都涉及等位基因座上的蛋白编码序列的突变，相应的，大部分能够导致编码蛋白 改变的基因的突变都被倾向与预测为是有害的。基于以上原因，外显子组测序能够快速而准确的查找出同一基因座上外显子区域的所有突变，因而能快速直接的鉴定 孟德尔遗传病的致病基因。

肿瘤疾病研究

肿瘤疾病的研究一直是医学研究中的前沿和热点，高通量测序技术在肿瘤研究中也发挥 了巨大的作用。在过去的数年中，外显子组测序在肿瘤研究中同样有着出色的表现，运用该方法，研究人员在前列腺癌、胃癌、卡波西肉瘤、小细胞肺癌、非小细胞 肺癌、Hodgkin 淋巴瘤、急性髓性白血病、小叶基底乳癌、慢性淋巴细胞性白血病、骨癌、葡萄膜黑色素瘤等肿瘤的研究中取得了显著的成就。

外显子组测序由于其高精度和测序成本方面的优势，目前已经越来越受到研究者的重视。但是由于其对物种外显子信息和外显子捕获试剂盒的依赖，该技术在应用范围上仍有很大的局限。但是随着测序技术的发展和现有的序列信息的完善，其发展和应用的潜力是非常巨大的。