測序技術的發展主要基于兩個非常具有里程碑意義的理念:“生命是序列的”和“生命是數據的”。序列是基因組學最基本最重要的數據,也是生命科學領域大數據時代的核心組成部分。簡單來說,測序技術就是將DNA/RNA分子中堿基ATGC的排列順序顯示出來。
1953年,Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構。
DNA雙螺旋模型以及“生命是序列的”觀點的發表,直接推動了測序技術的發展,因為解讀生命遺傳信息的前提就是得到它的載體——序列。
從20世紀70年代到現在有很多測序技術和平臺的產生,其中包括SBC法、454、Ion Torrent、SBL法、Sanger法、Illumina、Pacbio、Nanopore等。今天主要跟大家分享后四種常用的測序技術。
第一代測序技術
Sanger法是基于DNA合成反應的測序技術,又稱為SBS法、末端終止法。1975年由Sanger提出,并于1977發表第一個完整的生物體基因組序列。
核心原理:由于雙脫氧核苷酸(ddNTP)的3’位置脫氧,其在DNA的合成過程中不能形成磷酸二酯鍵,因此可以用來中斷DNA合成反應,在4個DNA合成反應體系中分別加入一定比例帶有放射性同位素標記的ddNTP(分為:ddATP,ddCTP,ddGTP和ddTTP),通過凝膠電泳和放射自顯影,根據電泳帶的位置確定待測分子的DNA序列。
在每個反應體系中,ddNTP相對于dNTP是很少的,所以只有部分新鏈在不同的位置特異性終止,最終就會得到一系列長度不一的序列。
第二代測序技術
以Illumina平臺為代表的第二代測序技術實現了高通量測序,有了革命性進展,使得大規模并行測序成為現實,極大推動了生命科學領域基因組學的發展。Illumina循環SBS法(cycle SBS)即SBRT(Sequencing By Reversible Termination,可逆終止)的核心技術是DNA合成的可逆性末端循環,即3'-OH可逆性的修飾和去修飾。
基本原理:將dNTP的3'-OH以疊氮集團RTG(Reversible Terminating Group,可逆末端基團)進行修飾;將4種堿基分別與不同的熒光分子連接;DNA合成時,RTG能起到類似于ddNTP的作用終止反應;每次合成反應終止并讀取信號之后,洗脫RTG和熒光分子,進行下一輪循環。
主要過程:
a, 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,并在這些小片段的兩端添加上不同的接頭,構建出單鏈DNA文庫。這些文庫中的DNA在通過flowcell(吸附流動DNA片段的槽道)時會隨機附著在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。
b,c 橋式PCR以Flowcell表面所固定的接頭為模板,進行橋形擴增。經過不斷的擴增和變性循環,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將堿基信號強度放大,以達到測序所需的信號要求。
第三代測序技術
以Pacbio平臺為代表的SMRT(Single-Molecule Real Time Sequencing,單分子實時測序)測序技術具有高通量、長讀長的特點。
基本原理:Pacbio仍然采用邊合成邊測序的原理,但實現了兩個重要的技術突破。一個是將熒光分子標記在磷酸上,這樣在反應停止且捕獲熒光信號以后,可直接隨磷酸基團脫落,解決了因噪音污染導致的讀長很短的問題;二是由于不需要PCR擴增,信號的有效提取成為了關鍵。通過引入零模波導孔(ZMW)技術解決這一問題。在納米室底部有一個孔徑70nm的小孔,由于遠遠小于激光的波長,所以激光從底部照射時,只會照亮一個小的區域,提高了信噪比。
主要過程:如下圖所示,類似于Illumina部分展示的模式圖,也是邊合成邊測序。
第四代測序技術
納米孔測序技術是單分子實時測序的新一代技術,主要是通過ssDNA或RNA模板分子通過納米孔而帶來的“電信號”變化推測堿基組成進行實時測序。
基本原理:當納米孔充滿導電液時,兩端加上一定電壓,分子模板通過納米孔生成可測量電流。納米孔的直徑只能容納一個核苷酸,單鏈模板就會在電場作用下依次通過納米孔而引起電流強度變化,通過檢測相應的電流峰判斷堿基,實現實時測序。
四大測序技術的優缺點:
Sanger法測序讀長長、準確度高,但是通量不高;
Illumina測序讀長短、通量高、準確度高,在進行基因組組裝或者結構變異分析的時候沒有優勢,可用作三四代測序read的糾錯;
Pacbio測序讀長長、通量高、準確度不高,但可通過測序深度彌補,GC偏差低,可進行甲基化的直接測序。
Nanopore測序讀長長、通量高、準確度低,不可通過測序深度彌補,但可通過Illumina read 糾錯。
第一、二、三代測序技術都是基于邊合成邊測序的原理,因此Nanopore技術被一些人稱為第四代測序技術;
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