誰在推動“生物信息”的發展?

答案是:測序技術


誰在推動“生物信息”的發展?

測序技術的發展

第一代:sanger測序

第一代測序技術,主要基於 Sanger雙脫氧終止法的測序原理,結合熒光標記和毛細管陣列電泳技術來實現測序的自動化,基本方法是鏈終止或降解法,人類基因組計劃就是基於一代測序技術。

第一代的Sanger測序技術的優點是,測序讀長長,能達到800-1K bp,且測序用時短,只需要幾十分鐘即可完成一次測序,測序準確度高準確性高達99.999%,目前仍是測序的金標準;缺點是通量低、成本高,影響了其真正大規模的應用。

因而第一代測序技術並不是最理想的測序方法。經過不斷的技術開發和改進,以Roche公司的454技術、illumina公司的Solexa,Hiseq技術和ABI公司的Solid技術為標記的第二代測序技術誕生了。第二代測序技術大大降低了測序成本的同時,還大幅提高了測序速度,並且保持了高準確性,以前完成一個人類基因組的測序需要3年時間,而使用二代測序技術則僅僅需要1周,但在序列讀長方面比起第一代測序技術則要短很多。

第二代:高通量測序(NGS)

高通量測序技術(又稱為下一代測序,Next Generation Sequencing,NGS)自2005年454公司推出第一臺基於焦磷酸測序二代測序儀開始,到2017年Illumina推出NovaSeqTM系列,高通量測序技術經歷了十幾年的技術發展過程,NGS測序平臺也經歷了一系列的收購和合並,最終形成主要三家測序平臺,包括:Illumina的Solexa平臺、Life Technologies的 Ion Torrent平臺和華大基因的Complete Genomics平臺。 1.Illumina平臺 由於其技術成熟,平臺之間高度互補性與交叉性,使得其在短讀長測序上大佔優勢,是目前應用最廣泛的NGS平臺。目前其佔據了測序儀市場約70%的市場份額。 2.Life Technologie平臺 Life公司Ion Torrent測序平臺採用的為半導體測序原理,其在非鹼基多聚體(non-homopolymer)的測序上正確率與其它NGS平臺相差無幾,而對於連續鹼基的檢測還不夠完善,在檢測同一鹼基連續出現時的數量可能會有所誤差。相對於其他平臺,測序通量較小,平臺數量也較少。

第三代:單分子/納米孔測序

測序技術在近兩年中又有新的里程碑,Helicos公司的Heliscope單分子測序儀、Pacific Biosciences公司的SMRT技術和Oxford Nanopore Technologies公司的納米孔單分子技術,被認為是第三代測序技術。與前兩代技術相比,他們最大的特點是單分子測序,測序過程無需進行PCR擴增,其中,Heliscope技術和SMRT技術利用熒光信號進行測序,而納米孔單分子測序技術利用不同鹼基產生的電信號進行測序。 由於第二代技術存在短讀長和耗時長的缺陷,人們希望第三代測序技術能解決這些缺陷,第三代測序技術通過現代光學、高分子、納米技術等手段來區分鹼基信號差異的原理,以達到直接讀取序列信息的目的,三代測序設備在DNA 序列片段讀長上優於二代設備,但在準確度上較二代設備差,目前尚未完全成熟,市場應用面還不算廣,未來隨著技術的改善,三代測序設備將更為穩定和成熟。

第三代測序優勢:

1)第三代基因測序讀長較長,如Pacific Biosciences 公司的 PACBIO RS II 的平均讀長達到 10kb,可以減少生物信息學中的拼接成本,也節省了內存和計算時間。

2)直接對原始DNA樣本進行測序,從作用原理上避免了 PCR 擴增帶來的出錯。

3)拓展了測序技術的應用領域,二代測序技術大部分應用基於DNA,三代測序還有兩個應用是二代測序所不具備的:第一個是直接測RNA的序列,RNA的直接測序,將大大降低體外逆轉錄產生的系統誤差。第二個是直接測甲基化的DNA序列。實際上DNA聚合酶複製A、T、C、G的速度是不一樣的。正常的C或者甲基化的C為模板,DNA聚合酶停頓的時間不同,根據這個不同的時間,可以判斷模板的C是否甲基化。

4)三代測序在ctDNA,單細胞測序中具有很大的優勢:ctDNA含量非常低,三代測序技術靈敏度高,能夠對於1ng以下做到監測;在單細胞級別:二代測序要把DNA提取出來打碎測序,三代測序直接對原始DNA測序,細胞裂解原位測序,是三代測序的殺手應用。

第三代測序缺陷:

1)總體上單讀長的錯誤率依然偏高,成為限制其商業應用開展的重要原因;第三代基因測序技術目前的錯誤率在15%-40%,極大地高於二代測序技術NGS的錯誤率(低於1%)。不過好在三代的錯誤是完全隨機發生的,可以靠覆蓋度來糾錯(但這要增加測序成本)。

2)三代測序技術依賴DNA聚合酶的活性。

3)成本較高,二代Illumina的測序成本是每100萬個鹼基0.05-0.15美元,三代測序成本是每100萬個鹼基0.33-1.00美元。

4)生信分析軟件也不夠豐富。

三代測序和二代測序相比較,第二代測序技術的優點是成本較之一代大大下降,通量大大提升,但缺點是所引入PCR過程會在一定程度上增加測序的錯誤率,並且具有系統偏向性,同時讀長也比較短。第三代測序技術是為了解決第二代所存在的缺點而開發的,它的根本特點是單分子測序,不需要任何PCR的過程,這是為了能有效避免因PCR偏向性而導致的系統錯誤,三代讀長超長,準確低,費用高,但因讀長長,利於組裝和發現unique reads潛在優勢明顯,但是劣勢也限制了三代測序的商業應用。 未來前景 目前,第二代的基因測序技術高通量測序(NGS)是市場商用主流。第三代的單分子/納米孔測序將是未來的大勢所趨,但是預計在將來5-10年內二、三代基因測序會共存,但二代測序仍將是測序市場商業應用主流。


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