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在2010年另一个出场的竞争者是Ion Torrent公司，被Life Technologies公司收购，并推出小型的“桌面型”测序仪，目的并非进行全基因组测序，而专项用于医用测序，例如对细菌性病原体进行快速测序，从而预估某种抗生素会否有效如针对众所周知的致命细菌——耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。Ion Torrent公司的桌面型测序仪是第一种基于半导体的测序仪，可能代表着测序平台技术的最重大的改变。2011年，使用晶体管第一次进行的人类基因组测序的Gordon Moore公司，是最出色的半导体技术先进技术企业之一。虽然Gordon Moore公司的产品相当于1000个Ion Torrent公司的芯片，对全基因组测序所需的晶体管的数量要呈指数倍的下降还要再等上几年。
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这代表着晶体管和测序的最终的技术融合——DNA晶体管技术。2010年12月，《科学美国人》杂志发表了“改变世界的金点子”十大排行榜，封面上突出DNA晶体管的出现所带来的“技术创新创造着光明的未来”。与阅读荧光标记所需的繁琐的试剂成本和光学仪器不同，这项技术是基因组测序的重大革新：“相对已有的需要昂贵的化学试剂的洗碗机大小的测序仪对已被分割成上千个小的节段的基因进行测序，DNA晶体管测序仪提高的方法实在是太过简单了。”克里斯·图马佐（Chris Toumazou）是伦敦帝国理工学院生物医学工程研究所负责人，也是最早提出使用半导体技术开展人类基因组测序的。他期待半导体技术可以“在几分钟内完成对全基因组芯片”的测序。目前已有的便携式测序仪的样机大小类似手机。如果试制成功并技术有效使用，将在世界范围内带来测序和医学基因组的风暴。
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借助所有这些技术设备，计划在2012年末完成对250000个人类基因组的全面测序，在2013年末完成100万个，2014年末完成500万个。Complete Genomics公司的执行总裁克里福德·里德（Clifford Reid）计划从2010年起的五年内其企业单独完成对100万个基因组的测序。因此未来五年内，应该会有足够多的全基因组测序以进行大多数人类生存的生命密码的解密。
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癌症基因组进展
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癌症是基因疾病。癌症细胞基因组DNA序列的变化促使癌症发生。当种细胞DNA带有癌症易感基因使个体易患癌症，体细胞发生突变改写正常DNA的管家基因的修复程序。癌组织的基因组中发生的显著的序列变化，从点突变到结构的变异。本章节中我提到过相关的概念（插入、缺失和拷贝数变异）。在诸多例子中,有个特别突出和根本的结构变异：染色体结构重排。这些重排涉及基因组中已存在的结合的DNA链断裂，可发生在同一染色体上（染色体内），或发生在另一染色体上（染色体间）。
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这些染色体结构重排常常担负激活作用，形成“融合基因”，将两个先前独立的基因变成杂合体，从而可以显著促进生长和复制，履行“致癌基因”（可以导致癌症的基因，癌的定义包括肿瘤和癌症）的功能职能。致癌基因最早在血液系统肿瘤（白血病或淋巴瘤）中被发现，但目前认为在实体肿瘤方面更为常见，如前列腺癌、某些肺（腺）癌。除了结构重排，癌症的其他基因组改变包括尤其是来自病毒的新的DNA整合，由此导致某种癌症；线粒体DNA的17000个碱基中的突变；以及DNA链和包裹有DNA的组织蛋白中的表观遗传变异（本章节中稍后讨论）。
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不容忽视的是，例如香烟或紫外线等的环境暴露可以通过各种机制引发体细胞的突变并成为重要的致病环节。与可能产生各种突变的多种病原相关联的是突变的数量也不小。癌症可能并不涉及染色体结构重排，也可能涉及数百个结构重排；同样，点突变数目可以少于一千，也可超过十万。对单个癌症来说，有认为存在多达20个“驱动”突变导致细胞脱轨。
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驱动突变是癌症背后的作用力量，可以引起耐药性而导致肿瘤复发生长。在22000个编码蛋白基因之外，大约有350到400个与驱动肿瘤生长的体细胞突变相关的基因循环出现。它们不成比例地来自特定的基因家族，其中最重要的是蛋白激酶。
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通过确定多个蛋白激酶基因，例如某些特定肿瘤中的表皮生长因子受体（EGFR）、结肠癌基因（KRAS）、和BRAF基因，的重要性，在癌症治疗中，取得了一些引人注目的进展。传统的化疗（结合或不结合放射治疗）依靠多种有毒性的药物不分青红皂白地杀死细胞；新的治疗方法就更为明确治疗靶向。最引人注目的例子之一是BRAF基因特定的点突变（V600E），约60％的恶性黑色素患者中具有上述这个驱动突变。即便接受多个疗程的化疗结合放疗，几乎所有的恶性黑色素瘤患者的会在确诊后的一年内死亡。但如今通过口服激活BRAF突变的靶向药物从而特定地结合突变的蛋白，80％以上的患者仅在治疗后的两周内就会出现瘤体的迅速缩小。通过观察到没有携带BRAF基因突变的患者使用该药物治疗后预后很差，突显该药物疗效的高度特异性。这是个体化治疗特别致命的癌症的范例。
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还有许多其他的在生物学基础上与药物偶联的突变可以增强疗效。有两个知名的药物，治疗慢性粒细胞性白血病的格列卫（Gleevec），靶向于融合基因；治疗乳腺癌的赫塞汀（Herceptin），靶向于第二型人类表型因子受体（HER2）雌激素受体。但有更多更新的例子，提到爱必妥（Erbitux），又称西妥昔单抗（cetuximab），会令人想到主要媒体报道提及的马莎·斯图尔特（Martha Stewart）和英克隆（ImClone）制药公司的首席执行官山姆·瓦斯克（Sam Waskal），该药常用于结肠癌治疗。但对携带有KRAS基因突变的患者使用该药无效。治疗肺癌分类中的非小细胞肺癌的药物易瑞沙（Iressa），又称吉非替尼（gefitinib），被证实通过激活EGFR突变具备显著疗效。同样对于非小细胞肺癌，肿瘤的ERCC1基因缺乏突变的患者接受顺铂(Cisplatinum）化疗可取得显著的疗效。药物索拉非尼（Sorafenib）抑制癌症基因RAF，具有该驱动基因的癌症，（尤其是肾癌、肺癌和甲状腺癌的）患者可通过该药改善预后。对具有ALK融合基因的肿瘤，尤其是某些淋巴瘤和非小细胞肺癌，试验性药物克卓替尼（Crizotinib）有相当高的疗效。对某种类型的恶性脑瘤，胶质母细胞瘤，当MGMT基因甲基化，使用替莫唑胺（Temodar，temozolomide）治疗有效。磷脂酰肌醇激酶-3（PIK3CA）变异基因存在在一系列的肿瘤中，例如卵巢癌、结肠癌、某类脑肿瘤等等，许多药物设计靶向于这个肿瘤基因，并正处于临床试验中。
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通过在癌症突变的筛查和测序方面的不断努力，靶向治疗癌症的发现也明显加速。我们已了解到多种多样的癌症中可以发现同一个驱动基因，如BRAF基因不仅存在于黑色素瘤，也存在于结肠癌和甲状腺癌。位于温哥华的不列颠哥伦比亚大学的马可·马拉（Marco Marra）医生，是第一批发表关于对肿瘤测序以改善治疗病例研究的论著者之一，报道一个八十岁伴有肺部转移的舌癌病人，对肿瘤测序后发现驱动基因位于癌症的RET基因（是“转染重排基因”的缩写）。使用以前从未考虑过的一种靶向药物，取得了成功的疗效。将突变和药物之间挂钩，被证明比按癌症种类（如结肠癌或肺癌）指导治疗要有效得多，结果也相当给力。
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DNA双螺旋结构有争议的共同发现者之一，詹姆斯·华森，是一位耄耋老人，近来表述癌症在其有生之年癌症可以，或至少已具备一定的条件，被治愈。他说：“我会将癌症治愈的标准定义为，将仅有十万家庭通过我们今天的努力得到拯救，转换成，到今天，将只有十万个人死亡。我们调整两者间平衡。”通过测序，他相信在未来接下来的几年中，将会知道这样癌症的所有致病基因。
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癌症基因组非常杂乱，对其准确地测序和分析比对种细胞-DNA来得更加复杂。很清楚，对肿瘤细胞DNA的测序是治疗的第一步。将患有癌症的患者进行癌症数字化，在许多计划中未来这么做将变得日益普遍，象全基因组测序那样所形成的有关实用性和可负担性同类问题那样，癌症测序有着可观的前景。在未来的几年，上千种癌症将被测序，最终将确定究竟是一系列驱动基因突变，或是外合子或是全基因组测序属于有用的工具。
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测序之外：核糖核酸、蛋白质、代谢产物和表观基因组学
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DNA测序是本章的主要内容和大体涉及的领域，但科学的努力和进步远远超过这个范围，涉及术语“组学”所关于的各个方面。在组学这个统称下包括转录组学（来自基因或非编码核糖核酸（RNA）的RNA转录）、蛋白质组学（所有蛋白质的转译）、代谢组学（所有的代谢产物）和表观基因组学。
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国际的科学研究致力于描述上述具体内容。其中一个例子是人类基因组表达图解（Human Protein Atlas），由在瑞典、印度、中国和韩国的研究者所领军的研究人员来确定人类蛋白质。尽管只有约22000个基因，但基因和蛋白的对应关系并非1∶1，因此，自然而然就成为相当艰巨的任务。蛋白质通过选择性剪接，细胞可以在蛋白质产生后将其改变（或称转译后的修饰），从而以多种形式出现在任何人身上。据估计人类蛋白质组由一百多万个差异蛋白所组成。
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对特定的组织在在特定时间段，对转录组进行测序，对所有RNA分子作出定位，读取信息，参考以前的例子普及推演，对基因表达加以分析、并表述基因组如何运作活化。基因表达分析被应用于临床乳腺癌的预后判断，移植后监测排异的一种指标，近来又被引入作为冠状动脉疾病的诊断方法。（我们团队领导的在Scripps学院进行的冠状动脉疾病的基因表达研究被认为是《时代》周刊评出的2010年十大医学突破之一）。在各项上述研究中，对癌症组织、移植后病人和冠状动脉疾病患者所开展大病例组研究，利用白细胞确定与所研究病情一致的基因转录的相关变化。全转录组测序又称做核糖核酸测序（RNA-Seq），已被证实与判别融合基因有关。
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代谢组学研究代谢产物或细胞代谢的终极产物，很大程度上依靠质谱分析法技术，用于识别和量化与某特定代谢物的独特的化学指纹。结合其他组学工具，例如在编码区的基因突变，或异常蛋白质，以确定是异常的代谢物还是代谢方式与所研究的疾病和现象有关。 近年来表观基因组学领域的拓展迅猛。专业术语“后成的”所推断有关的遗传可能性与DNA序列无关。有许多例子环境因素通过生殖从而影响遗传可能性：年轻时吸烟会影响到孙辈的青春期年龄；六十年后的胰岛素生长因子-2（IGF-2）基因的侧链上会显示经历饥荒的母亲在胚胎中留下的印记。环境因素的跨代影响有利于搞清和弥合长期以来的先天与后天的争执。
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因此，并不存在“完全相同的”双胞胎。即使双胞胎是同卵双生，有着同样的DNA序列，主要受母体的子宫内或围产期环境的不同影响，而带着不同的表观遗传学标志物。这些标志物被以多种方式显示在包裹DNA的元素上（图5.4）：将甲基团添加到基因的侧链上（特别在胞嘧啶（C）碱基上），改变染色质结构（开放或关闭），或影响组蛋白（添加乙酰基或甲基团）。
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图5.4 DNA示意图（胞嘧啶碱基侧链的甲基化，包裹DNA的组蛋白和染色体结构，及其他特点，包括非编码的DNA）
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图中英语标示注释 翻译 Me 甲基 AC 乙酰基 Chromatin remodeller 染色体重构 Histones 组蛋白 Transcription 转录 Histone tails 组蛋白尾部 Non-coding RNAs 非编码核糖核酸（RNA） Chromosome 染色体 与多个国际“需要巨额经费投入的科学研究”项目一起，由美国政府支助的最初名叫“表观基因组路线图”大型协作项目，致力于阐明表观基因组的复杂性。2009年10月，约瑟夫·埃克尔（Jeseph Ecker）和来自拉荷亚的索尔克研究所（Salk Institute）的同事发表了第一篇有关利用皮肤和干细胞进行人类DNA甲基化。他们的成果被《时代》杂志列为当年十大科学发现之一。而往往导致基因表达关闭或“沉默”的表观遗传基因组修饰第一次是被在癌症中着重提到，近来的众多研究强调其在其他疾病中的作用，包括轻度认知障碍、阿尔兹海默病、如精神分裂症这类行为障碍、以及肥胖和糖尿病等代谢性疾病。特别是许多关于2型糖尿病的研究中突现表观遗传学的作用。其中包括对主要易感性基因TCF7L2开放染色质结构的作用；遗传风险等位基因中的亲本来源序列变异的重要性（打个比方，也就是说只有来自父系或母系的单核苷酸多态（SNP）在易感性传递中是至关重要的）；糖尿病人肌肉活检组织中的关键基因的甲基化。在对实验鼠的研究中发现（实验鼠）父亲提供慢性高脂肪饮食会导致（实验鼠）女儿的糖尿病，这个过程被认为是由于几个基因的甲基化方式的变化所导致。《经济学人》杂志几乎从未忽略过基因组的有意义的发展过程，发表过一篇关于糖尿病的起因的文章，标题为“不要责备你自己的基因”，其中写道：“基因仅仅是从你自己那里得到了坏的指令”。文章的插图中一个女性吃着水果冰淇淋，插图注释文字中写着：“堆积的甲基化组”。
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当结束对组学的浏览前，有个“组学”值得再次提及，就是微生物生态组（microbiome）。微生物生态组与生存在我们每个人周围的细菌、真菌和病毒等物种有关。全球有许多在从事微生物生态组谱的研究，中国的肠道菌群代谢研究项目（Meta-GUT project）、新加坡的人类胃部微生物生态组研究、日本的人类生态基因组协作研究（MetaGenome Consortium）、法国的肥胖症肠道微生物生态组研究（MicroObes）、澳大利亚的泌尿生殖系统微生物生态组协作研究、加拿大的微生物生态组发源研究（Microbiome Initiative），以及美国的人类微生物生态组项目。
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单就在小肠中的细菌的基因就是人体自身基因的一百倍。事实上，肠道中有一百万亿个微生物，与之相对的是人体中有十万亿个细胞。许多微生物与疾病相关，比如肠道微生物与肥胖症或心脏病，呼吸道微生物与哮喘。由于目前超高通量测序设备的能力所限这个领域的研究才刚起步。在《临床研究杂志》（Journal of Clinical Investigation）最近的编辑评述“粪便中的微生物”中指出：小肠肠道中微生物的超高通量测序在耐药抗菌素和高危人群的确定中的显著价值。有研究者甚至采取将健康者的粪便成分移植到携带有非常难治疗的细菌：艰难梭状芽孢杆菌（clostridium difficile）以作为有可能的益生菌疗法。2011年人类肠道微生物生态组的主要进展就是从上百人中明确分出“肠道型”（enterotypes）。肠道微生物生态组的三种不同类型，是以占优势的或含有最多的特定某种细菌为特点来区分的：分别为拟杆菌型（Bacteroides）、普氏菌型（Prevotella）和瘤胃球菌型（Ruminococcus）。特定的肠道型会影响到各种情况的危险度：结肠癌、肥胖症、代谢性障碍、对许多药物的反应、饮食方式、以及感染时最适合的抗菌药物。这些是个体化新技术研究的重大崭新难题。
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