二代测序是一个强大的功能平台,它可以同时给数以万计的DNA分子进行测序

来源: 默瑞(上海)生物科技有限公司   2019-12-17   访问量:1804评论(0)

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二代测序是一个强大的功能平台,它可以同时给数以万计的DNA分子进行测序。由于这种可以多个样本同时测序的能力,在个性化医疗、遗传疾病和临床诊断等方面,二代测序也就是高通量测序开创了革命性的领域。

  早在1900年代就发明的Sanger测序法,成为了DNA测序的黄金法则,即便到了今天它仍被广泛用来进行常规测序和NGS数据的验证。它利用高保真DNA聚合酶生成与单链DNA模版互补的拷贝。在每个反应中,一个可以特异性识别模版的单链引物,可以从3端开始启动DNA合成,根据碱基互补配对原则,脱氧核糖核苷酸或简单的核苷酸是一个接一个的与模版配对。

  每个反应还包含四种双脱氧核糖核苷酸的混合物,每一种对应一个DNA碱基。这些双脱氧核糖核苷酸与DNA单体十分类似,因此可以参与DNA链的增长,但是他们和天然的脱氧核糖核苷酸有两点不同:

  (1)他们缺少一个会影响DNA链进一步衍生的3’羟基。在DNA延伸过程中,这个3’羟基一旦加入DNA分子中就会导致链的终止;

  (2)每个双脱氧核糖核苷酸都有独特的荧光染料吸附,使得DNA测序的自动检测得以进行。

  于是,每个反应会产生许多不同长度的DN**段,并在模版的任一核苷酸位置上由其中一种双脱氧核糖核苷酸终止链的延伸。反应混合物可以通过手动灌胶或自动灌胶到用毛细管进入测序机器,再根据DNA分子大小不同用电泳分离DNA。当DNA流过凝胶后,DNA序列可以通过双脱氧核糖核苷酸上发出的荧光来进行分析。当今的Sanger测序仪使用的是毛细管自动上样的凝胶电泳,一般可以同时分析8-96个系列反应。

  二代测序系统在十年前就是因其可同时进行大量平行测序反应而广为人知。这些系统可以同时分析百万甚至上亿个序列反应。虽然不同的机器生产时会在技术细节上有许多不同,但他们都有以下几个共同点:

  1,文库建立:所有二代测序的平台都需要一个基因文库,这个基因文库包含通过引申或者连接自定义的接头序列。

  2,测序仪器:每个文库片段在共阶吸附的DNA连接因子的作用下,以文库适配序列为模版,在固体表面上进行扩增。这步扩增会产生许多DNA蔟,每个来源于一个文库片段,每个基因蔟都会像独立的测序反应一样起作用。

  3,数据输出:每个仪器都会在测序结束后给出原始数据。这个原始数据时每个基因蔟中形成的DNA序列的集合。

  不同的二代测序平台的区别主要体现在测序反应的技术上,这些差别可以分为4类:

  焦磷酸测序,合成法测序,连接法测序和离子半导体测序。

  焦磷酸测序

  在焦磷酸测序中,测序反应通过每个核苷酸结合过程中释放的焦磷酸来调控。释放的焦磷酸参与了一系列化学反应从而导致链光的产生。发出的光由记录基因蔟相应序列的相机来检测。测序反应开始后,先一次孵育一个碱基,测量光发射情况(如果有的话),在降解未参与反应的碱基,最后加入另一个碱基。这项技术能够产生较大的读取长度,已经可以与Sanger测序法得到的读取长度相比较。然而,高昂的试剂花费,和有6个或以上的均聚物会产生的高错误率阻碍了这个技术的应用。

  合成法测序

  合成测序法是使用可逆荧光和终止核苷酸的分步整合的方法进行DNA测序,并已被ll lumina NGS平台使用。首先在测序芯片中同时加入四种核苷酸,核苷酸结合之后,剩余的DNA碱基就会被洗涤去除。每个基因蔟中荧光信号被读取和记录之后,这个过程一直重复直到测序反应完成。这个系统能通过一次只结合一个核苷酸来克服焦磷酸测序的缺点。然而,当测序反应进行时,仪器的错误率也在增加。这是因为去除不完全的荧光信号会导致更高的背景噪声。

  连接测序法

  连接测序法与其他两种方法不同,因为他不用DNA聚合酶来结合核苷酸,而是用16种8-mer Oligo核苷酸探针,在相互连接的5端,每个探针都吸附了四种荧光染料其中的一种。每8-mer包含两个探针特异碱基,和6个退化碱基。测序反应开始时,引物先结合到适配序列上,再和相应探针结合。这个探针的结合时在退火条件下由两个探针特异碱基引导,再由DNA连接酶连接到引物序列上。未结合的oligo核苷酸被洗去后,荧光信号就开始检测会记录。在这之后,切割掉荧光信号和8-mer探针的最后3个碱基,就可以开始下一个循环了。在大约7个循环的连接之后,DNA会变性,而另一个测序引物,在前一个引物的下一个碱基后开始重复这些步骤,总共用5个测序引物。这项技术的主要缺点就是产生的测序片段特别短。

  离子半导体测序

  离子半导体测序法时在测序反应种通过释放氢离子来检测一个基因蔟的序列。每个基因蔟直接定位在一个半导体三极管上,这个半导体三极管可以检测溶液的ph值。在核苷酸结合过程中,一个氢离子被释放到溶液中并会被半导体三极管检测到。这个测序反应的进行过程和焦磷酸法类似,但是花费只是他的几分之一。



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