什么是测序:核酸DNA分子一级结构的测定。
DNA的一级结构是指DNA分子的核苷酸序列及其连接方式。
测序技术迄今为止发展了三代。
一、第一代测序
第一代DNA测序技术桑格尔-双脱氧链终止法是最为经典的一代测序技术,至今仍是测序行业的金标准。
人类基因组计划(HGP)主要基于第一代测序技术。HGP完成后,进入后基因组时代,成本高、通量低的传统测序技术不能满足深度测序和重复测序等大规模基因组测序的要求。
第二代测序
第二代DNA测序技术(next generation sequencing,NGS )-循环阵列合成测序法。
主要平台有:
1.罗氏454公司的GS FLX sequencer
2.Illumina solexa genome analyzer
3.ABI公司的SOLiD sequencer
二代测序大幅度提高了测序速度,降低了测序成本,保持了高准确性。缺点是读长短,拼接困难,pcr技术增加了测序的错误率。
三、第三代测序
第三代测序技术以PacBio公司的SMRT和Oxford Nanopore Technologies 的纳米孔单分子测序技术为标志,不需要经过PCR扩增,超长读长,可达二代测序的100倍以上,实现了对每一条DNA分子的单独测序。错误率比二代要高,达到10-15%。
第三代测序的发展方向太多,不好直接概括为某一特定方法。具体来说,在第二代测序的基础上,人们还希望提高测序效率、提高测序通量、提高测序准确率、避免PCR扩增和避免荧光检测等等。
3.1 PacBio 实时单分子测序
中心思想也是边合成边测序,四种分别荧光标记的dNTPs参与到DNA聚合酶主导的链合成反应中,每类碱基在被添加上去的时候,会显示不同的荧光。当把这个链合成反应控制在一个DNA母板链、一个DNA聚合酶,一个相对封闭的反应空间的时候,就可以方便地对每次加入的荧光进行判别。
PacBio公司采用零模波导纳米孔(zero-mode waveguide nanostructure)来盛装单一的链合成反应。每次被激发的散射光会被收集并分析波长,以判断荧光颜色,进而推断出碱基类型。
3.2 Complete Genomics公司的复合探针-锚定连接技术
这项技术有点像升级版的SOLiD系统,但比之更复杂,这次是一次性结合9个碱基,只有第五个碱基是确定的A、T、C或G,而其他8个碱基则是随机的。所以每个探针的长度是9个碱基,荧光种类还是4种,有每个探针的第五个碱基的种类确定。
3.3 Oxford Nanopore 纳米孔单分子通道技术
纳米孔技术的基本原理是探测电信号而不是荧光信号。这个技术的核心是设计出了可以允许单个碱基通过的蛋白纳米通道,每种碱基通过通道的时候会对通道内的电流和通道两侧的电压产生不同的微小影响。采用灵敏的电子设备可以检测到这些变化,进而判断出通过纳米通道的碱基类型。
Nanopore的理念是Lab-on-Chip,所以他们一直致力于单分子的测序的研发,也算是第三代测序技术中突破传统,打开新理念的一种。
3.4 Ion Torrent电子流检测技术
这也是新一代测序技术中并不用到荧光检测的一种,它检测的是在合成过程中,不同碱基加入而释放出的不同强弱的离子流。
结语
新一代的测测序技术都朝着单分子测序在发展,未来的目标是让测序反应小规模化,精准化而且高效化。
测序的未来前景还是十分广阔的,当基因组测序成本降到1000美元以下甚至更低的时候,人们能更方便地迎来解密基因的时代。
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