123测序技术的原理
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测序技术的起源要从1953, Crick and Watson发现DNA双链模型开始说起,碱基按A-T,G-C配对互补,彼此以氢键相联系,自此打开了生物学新世界的大门。
第一代测序技术的发展
第一代测序技术的出现以Sanger法的出现为主要标志,Sanger等在1965年发明了RNA小片段序列测定法,并完成了大肠杆菌5S rRNA的120个核苷酸测定。DNA测序技术出现的则较晚,1975年Sanger和Coulson发明了“加减法”测定DNA序列。1977年在引入双脱氧核苷酸三磷酸(ddNTP)后形成了双脱氧链终止法,使得DNA测定的效率和准确性大大提高,并在1980年获得诺贝尔化学奖。
Sanger法是根据核苷酸在某一固定的点开始,随机在某一个特定的碱基处终止,并且在每个碱基后面进行荧光标记,产生以A、T、C、G结束的四组不同长度的一系列核苷酸,然后在尿素变性的PAGE胶上电泳进行检测,从而获得可见DNA碱基序列。
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1000bp,准确性高达99.999%,但其测序成本高,通量低等缺点严重影响了其大规模使用,尽管如此,它依然“财大气粗”的完成了水稻、大豆、高粱的全基因组测序和人的基因组测序。除此之外,一代测序技术中还包括了操作较复杂的化学降解法和基于荧光标记和Sanger的双脱氧链终止法的产生的荧光自动测序仪,目前这种测序仪仍被使用。由于第一代测序技术并不是最理想的测序方法,所以从那时候人们就开始了对第二代测序技术的探索。
第二代测序技术的发展
第二代测序技术又称为高通量测序技术、下一代测序技术、深度测序技术,它一次运行可以对含有几十万至上亿碱基的DNA或RNA样品进行测定。跟一代测序技术相比,极大的增加了数据产出,极大的降低了测序成本,使得物种在基因组水平和转录组水平精细分析成为可能。第二代测序技术平台的发展与现今“共享单车”的发展颇为相似,具有代表性的现今我们还可以见到的有Illumina公司推出的HiSeq2000、1500/2500、3000/4000、HiSeq X-ten MiSeq、NextSeq500,Life公司推出的Ion-PGM (Personal Genome Machine),Ion-Proton Qiagen公司推出的GeneReader NGS system等,国产测序仪中,华大(BGI)收购Complete Genetics后推出的BGISeq-100,BGISeq-1000等,而Roche公司的454 GS FLX plus及454 Junior和Life公司的SOLiD 5500已停止技术研发,Helicos公司已倒闭并停止对Heliscope技术平台的支持。
二代测序技术的工作原理主要是先将片段化的DNA两侧连上接头,随后用固着着芯片的引物进行Bridge PCR,得到上百万条相同的DNA簇,再加入4种不同荧光标记的终止型dNTP,每渗入一个此dNTP反应即终止,洗去未参加的dNTP后读取荧光数据,得到一个位点的序列,切去终止dNTP上的阻断基团后即可进入下一轮测序,如此循环50次左右。
同时对上百万个DNA簇进行边和成边测序,最后用计算机进行分析,得到DNA簇的序列,最后拼成全基因组序列。
二代测序成本不断下降,以人类基因组为例,人类基因组大小3Gb,Sanger测序法耗时13年,全世界科学家合作,花费约27亿美元,而Illumina HiSeq X ten高通量测序,约需三天,测序费约为1千多美元。截止17年3月,125种植物,180种动物及数百种微生物的基因组序列得以发表,绝大部分是框架图谱,而不是精细图谱。运用二代测序技术发表的农作物种类的全基因组有小麦、黄瓜、大麦、马铃薯、谷子、棉花和白菜。
第三代测序技术的发展
三代测序技术是以单分子为目标的边和成边测序,该技术不需要经过PCR扩增,实现了对每一条DNA的单独测序,关键技术是荧光标记核苷酸、纳米微孔和激光共聚焦显微镜实时记录微孔荧光,相比二代测序,它能够产生远长于二代测序技术的序列读长,可以直接测RNA序列也可以测甲基化的DNA序列,在表观遗传学研究中有着巨大潜力。尽管如此,它的缺点也不容忽视。三代测序单读长错误率偏高,需要重复测序纠错,以PacBio SMRT技术为例,错误率高达15%,且随机出错,需要进行多次测序纠错,增加了测序成本。三代测序对DNA聚合酶活性依赖度也较高,由于运用率没有二代测序普遍,其生信分析软件丰富度不够,积累较少。
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