高通量测序技术

1、高通量测序技术(High-throughput sequencing )又称“下一代”测序技 术(Next-generation sequencing technology ),以能次并行对几十万至U 几百万条DNA分子进行序列测定和一般读长较短等为标志。根据发展历史、影响力、测序原理和技术不同等，主要有以下几种：大规模平行签名测序(Massively Parallel Signature Sequencing, MPSS) 、聚合酶克隆(Polony Sequencing ) 、 454 焦磷酸测序(454 pyrosequencing ) 、 Illumina (Solexa) seque

2、ncing 、ABI SOLiD sequencing 、离子半导体测序(Ion semiconductor sequencing ) 、DNA 纳米球测序(DNA nanoball sequencing )等。高通量测序技术是对传统测序一次革命性的改变，一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定，因此在有些文献中称其为下一代 测序技术(next generation sequencing)足见其划时代的改变，同时高通量测序使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的分析成为可能，所以又被称为深度测序(deep sequencing)。实验过程.样本准备(sample fragmentati

3、on).文库构建(library preparation).测序反应(sequencing reaction).数据分析(data analysis) 测序平台自从2005年454 Life Sciences 公司(2007年该公司被 Roche正式收购)推 出了 454 FLX 焦磷酸测序平台 (454 FLX pyrosequencing platform) 以来，因为他们的拳头产品毛细管阵列电泳测序仪系列(series capillary arrayelectrophoresis sequencing machines) 遇至U 了两个强有力的竞争对手，曾推出过 3730 xl DNA

4、测序仪(3730 xl DNA Analyzer)的 Applied BioSystem(ABI)这家一直占据着测序市场最大份额的公司的领先地位就开始动摇了， 一个就是罗氏公司(Roche)的454测序仪(Roch GS FLX sequencer),另一个就是2006年美国Illumina 公司推出的Solexa基 因组分析平台(Genome Analyzer platform) , 为此，2007年ABI公司推 出了自主研发的 SOLiD测序仪(ABI SOLiD sequencer)。 这三个测序平台即 为目前高通量测序平台的代表。(见表一)公司忠林桂东原理技术开发青ApplyBiosy

5、slums AB I)!fc 丁磁珠的犬城校并仃克陵违按DMA蚓丁斌美国AgnwUH匕人址间？热词(APG)lllumna台成渊中法始 UI SNexa 公司者席 J If i- DavidFlocfieXW 叮化瞬值含血测序法XJ4S4Lile Sciewes 公司的创始人 JonathanRofhbergHeiioosCompleteGenomes大版模并行单分子合成测产法ONA纳第阵列、的合探针楮定连接 的序法美国斯出相上学斗:现工程学宓Stephen Quake1 Complete Genomics 欠。|灯 工狂；4 radoje drmarac表一:主流测序平台一览Roche 45

6、4 焦磷酸测序(pyrophosphate sequencing)Illumina Solexa合成测序(sequence by synthesize)Illumina Genome AnalyzerIIx 测序原理Illumina 公司的新一代测序仪 Hiseq 2000和 Hiseq 2500具有高准确性，高通量，高灵敏度，和低运行成本等突出优势，可以同时完成传统基因组学研究(测序和注释)以及功能基因组学(基因表达及调控，基因功能，蛋白/核酸相互作用)研究。Hiseq是一种基于单分子簇的边合成边测序技术，基于专有的可逆终止化学反应原理测序时将基因组 DNA的随机片段附着到光学透明的玻璃表面

7、(即Flow cell),这些DNA片段经过延伸和桥式扩增后，在Flow cell上形成了数以亿计 Cluster ,每个Cluster是具有数千份相同模板 的单分子簇。然后利用带荧光基团的四种特殊脱氧核糖核甘酸，通过可逆性终止的SBS(边合成边测序)技术对待测的模板DNA进行测序。ABI SOLiD 连接法测序(sequence by ligation)技术应用测序技术推进科学研究的发展。随着第二代测序技术的迅猛发展，科学界也开始越来越多地应用第二代测序技术来解决生物学问题。比如在基因组水平上对还没有参考序列的物种进行从头测序(de novo sequencing),获得该物种的 参考序列，

8、为后续研究和分子育种奠定基础；对有参考序列的物种，进行全基因组重测序(resequencing),在全基因组水平上扫描并检测突变位点， 发现个体差异的分子基础。在转录组水平上进行全转录组测序(wholetranscriptomeresequencing) ,从而开展可变剪接、编码序列单核甘酸多态 性(cSNP)等研究；或者进行小分子 RNA 测序(small RNA sequencing) ,通 过分离特定大小的 RNA分子进行测序，从而发现新的microRNA 分子。在 转录组水平上，与染色质免疫共沉淀(ChIP)和甲基化DNA免疫共沉淀(MeDIP)技术相结合，从而检测出与特定转录因子结合

9、的DNA区域和基因组上的甲基化位点。这边需要特别指出的是第二代测序结合微阵列技术而衍生出来的应用-目标序列捕获测序技术(Targeted Resequencing)。这项技术首 先利用微阵列技术合成大量寡核甘酸探针，这些寡核甘酸探针能够与基因组上的特定区域互补结合， 从而富集到特定区段，然后用第二代测序技术对这些区段进行测序。目前提供序列捕获的厂家有 Agilent和Nimblegen , 应用最多的是人全外显子组捕获测序。科学家们目前认为外显子组测序比全基因组重测序更有优势，不仅仅是费用较低， 更是因为外显子组测序的数据分析计算量较小，与生物学表型结合更为直接。目前，高通量测序开始广泛应用于

10、寻找疾病的候选基因上。内梅亨大学的研究人员使用这种方法鉴定出 Schinzel-Giedion 综合征中的致病突变，Schinzel- Giedion综合征是一种导致严重的智力缺陷、月中瘤高发以及多种先天性畸形的罕见病。他们使用 Agilent SureSelect序列捕获和SOLiD对四位患者的外显子组进行测序，平均覆盖度为43倍，读长为50 nt ,每个个体产生了2.7-3 GB可作图的序列数据。他们聚焦于全部四位患者都携带变异体的1 2个基因，最终将候选基因缩小至1个。而贝勒医学院基因组测序中心也计划 对1 5种以Science杂志年度十大科学突破上疾病进行研究，包括脑癌、肝癌、胰腺癌、结肠癌、卵巢癌、膀胱癌、心脏病、糖尿病、自闭症以及其 他遗传疾病，以更好地理解致病突变以及突变对疾病的影响。前不久刚刚结束的评选中，外显子组测序名列其中。以上我们盘点了 201 0年第二代测序技术的最新进展和相关应用。但是除了第二代测序之外，还有另外一种以单分子实时测序和纳米孔为标志的第三代测序技 术也正在如火如荼的发展中，只是还没有正式发布。所以目前科学界所说的高通量测序还指的是第二代测序。意义 高通量测序技术的诞生可以说是基因组学研究领域一个具有里程碑意义的事件该技术使得核酸测序的单碱基成本与第一代测序技术相比急剧下