淺談基因測(cè)序

1869年，F(xiàn)riedrich Miescher 發(fā)現(xiàn)和分離出脫氧核糖核苷酸，人類(lèi)對(duì)生命的研究開(kāi)始向分子方向啟程，自1977年Sanger發(fā)明了雙脫氧鏈終止法一代測(cè)序技術(shù)開(kāi)始，涌現(xiàn)出GS FLX，Solexa，SOLID，PicBio，Oxford Nanopore Technologies（ONT）多種測(cè)序平臺(tái)，測(cè)序技術(shù)發(fā)展至今已有四十多年時(shí)間，而每次新興平臺(tái)的出現(xiàn)，無(wú)不顯現(xiàn)出生物領(lǐng)域人類(lèi)文明的又一次大的向前邁步，是人類(lèi)科技奮斗史中的里程碑。而也正是一代代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和我們一代代科學(xué)家不斷努力，測(cè)序技術(shù)被不斷應(yīng)用于基因組組裝，功能基因定位，進(jìn)化分析，育種以及精準(zhǔn)醫(yī)療等領(lǐng)域，為人類(lèi)的生活帶來(lái)一次次便利的同時(shí)也帶來(lái)了無(wú)限可能。

第一代測(cè)序技術(shù)應(yīng)用了Sanger雙脫氧鏈終止法，它的讀長(zhǎng)可達(dá)1000bp，準(zhǔn)確率高達(dá)99.999%，但測(cè)序前需要對(duì)特定區(qū)段進(jìn)行引物設(shè)計(jì)且通量低，很難應(yīng)用于組學(xué)方面的研究?；诖颂攸c(diǎn)，涌現(xiàn)出二代測(cè)序技術(shù)，它主要的特點(diǎn)為短讀長(zhǎng)，高通量。以Illumina?Solexa為例，它采用邊測(cè)序邊合成的方法，首先利用超聲波將DNA打斷成200-500bp小片段文庫(kù)，加接頭后DNA片段隨機(jī)附著于flowcell表面，經(jīng)過(guò)橋式PCR擴(kuò)增形成“DNA簇”，實(shí)現(xiàn)堿基信號(hào)強(qiáng)度放大，采用邊合成邊測(cè)序的方法，進(jìn)行全基因組全面，準(zhǔn)確的測(cè)序。

 

圖1? NovaSeq 6000

百邁客目前主要應(yīng)用2017年Illumina平臺(tái)推出的NovaSeq系列測(cè)序平臺(tái)，雖然較于以往二代平臺(tái)，它的測(cè)序質(zhì)量值、Index的測(cè)序識(shí)別、DNA文庫(kù)冗余度等指標(biāo)有了明顯提升，但無(wú)法克服短讀長(zhǎng)的reads 在基因組組裝、大片段變異檢測(cè)、轉(zhuǎn)錄組、甲基化等研究中的短板?；诖饲闆r，三代測(cè)序應(yīng)運(yùn)而生。

目前，三代測(cè)序的主要代表為PicBio和Oxford Nanopore Technologies（ONT）這兩大測(cè)序平臺(tái)，以O(shè)NT平臺(tái)為例，它主要通過(guò)電信號(hào)識(shí)別堿基序列，單鏈DNA/RNA通過(guò)納米孔（蛋白通道），不同的堿基會(huì)形成特征性離子電流變化信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的檢測(cè)，得到堿基序列，完成測(cè)序。與二代相比，它主要的優(yōu)勢(shì)在于在測(cè)序前，不會(huì)將DNA樣品打斷成小片段，而是對(duì)我們提取DNA進(jìn)行片段篩選，一般篩選10-100kb大小的片段進(jìn)行測(cè)序，這就對(duì)我們前期提取的DNA質(zhì)量要求較高。

三代測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，為復(fù)雜的多倍體基因組組裝帶來(lái)了福音。這種基因組由于倍性多，重復(fù)序列高，而二代測(cè)序局限于產(chǎn)生單倍體間的共有序列，導(dǎo)致此類(lèi)物種的研究停滯不前。而ONT平臺(tái)由于其長(zhǎng)讀長(zhǎng)，跨越完整的重復(fù)區(qū)域，大的結(jié)構(gòu)變異也得到了很好的檢測(cè)。eg. 納米孔測(cè)序技術(shù)可以將T-DNA結(jié)構(gòu)的分辨率提升到36Kb。這就意味著，在這類(lèi)突變體功能基因定位時(shí)，可以直接通過(guò)測(cè)序的方式，找到材料中T-DNA的插入位置及拷貝數(shù)，從而找到功能基因，實(shí)現(xiàn)基因克隆。和傳統(tǒng)的圖位克隆比較，將大大縮短定位周期。傳統(tǒng)的自然突變材料，如果已經(jīng)有定位區(qū)段，應(yīng)用二代檢測(cè)SNP，ONT檢測(cè)SV的方式可以讓我們的功能基因克隆方面事半功倍。

在基因組組裝方面，以生菜基因組為例，短讀長(zhǎng)的二代測(cè)序組裝出21116個(gè)contig和2.21G的基因組，基于ONT平臺(tái)，則產(chǎn)生了1169個(gè)contig，contig N50為7.3Mb。二代數(shù)據(jù)產(chǎn)生了想較于三代數(shù)據(jù)18倍的contig用于基因組組裝，而三代平臺(tái)讀長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)為高質(zhì)量的基因組組裝提供了便利。在轉(zhuǎn)錄組研究方面，ONT平臺(tái)的長(zhǎng)讀長(zhǎng)可以為我們帶來(lái)完整的轉(zhuǎn)錄異構(gòu)體的序列，且可做定量研究，這將避免二代短片段數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)錄本組裝上的錯(cuò)誤，更好的應(yīng)用于轉(zhuǎn)錄組研究。

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