Ⅵ,、Ⅳw.chinadairy.net 中国乳品工业 zgrpgy@163.COrn d ̄]ryINDUSTRY 测序技术的研究进展及三代测序的应用 乌日拉嘎,徐海燕,冯淑贞,孙志宏,孟和毕力格,张和平 (内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室,呼和浩特010018) 摘要:简述了一代和高通量测序技术的基础上重点介绍以单分子实时测序为代表的第三代测序技术及其他的应用,并对单分子测 序技术和未来发展方向进行展望。 关键词:Sanger ̄'|序技术;高通量测序技术;单分子测序技术;应用 中图分类号:Q503 文献标识码:B 文章编号:1001—2230{2016)04—0033—05 Research progress of sequencingtechnologies and the application of third gener- ation sequencing Wurilaga XU Hai—yan,FENG Shu—zhen,SUN Zhi—hong,Menghebilige,ZHANG He—ping rKey Laboratory of Dairy Biotechnology and Engineering Ministry of Education ministry Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010018,China) Abstract:This paper reviews the first generation and high——throughput sequencing technologies briefly and then emphatically describes the application of the third generation sequencing technologies(Single—molecule real—time sequencing technologies,SMRT).Then the future development direction of single—molecule sequencing technology was predicted. Key words:the ifrst DNA sequencing;high——throughput sequencing;single——molecule sequencing;application 0 引 言 1第一代测序技术 1944年Avery通过肺炎双球菌转化实验证明了 DNA测序技术在分子生物学领域中的作用不言 DNA是遗传信息的载体n1。之后,人们便开始致力于研 而喻,并且推动了生物学的发展。1977年,Sanger发 究DNA的结构与序列,使得DNA测序技术应运而 明的DNA双脱氧核苷酸末端终止测序法(chain ter— 生。随之,1953年T.D.Watson和F.H.C.Crick发现的 minator sequencing)和A.M.Maxam和W.Gflbe ̄报道 DNA双螺旋模型推进了DNA测序技术的迅猛发展[21。 的DNA化学降解测序法(chemical degradation se— 关于DNA测序技术的较早报道始于1954年Whitfeld quencing)为代表的第一代测序技术诞生 ,但由于化 等用化学降解法测定了多聚核糖核苷酸序列嘲。成熟 学讲解法的程序复杂,后来逐渐被Sanger测序法代 的DNA测序技术始于20世纪7O年代中期,由Sanger 替。Sanger测序法的原理是由于双脱氧核苷三磷酸 的链末端终止法州和Maxam与Gflbe ̄的化学裂解法 (ddNTP)的2、3位置不含羟基,在DNA合成反应中不 到Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa技 能形成磷酸二酯键,因此可以被用来中断DNA合成 术、和ABI公司的SOLID技术 ,人们进入了高通量 反应。在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比 测序时代,从单一,局部的基因或基因片段的研究转 例带有效放射性同位素标记的某种ddNTP,通过凝胶 变成了对整个基因组的研究 ,在基因组从头测序和 电泳和放射自显影后,可以根据电泳带的位置确定待 转录组测序应用中较广。近几年来,以单分子实时测 测分子的DNA序列“ 。Sanger ̄序技术因操作快、简 序为代表的第三代测测序技术开始进入人们的视野, 单,准确率高和较长读长的优势而被广泛应用,例如, 该测序技术跨越了一代,二代较短读长而直接对 人类基因组测序正是基于该技术而完成的n”。但这一 DNA单个分子进行测序的新一代测序平台应用日益 技术易受到成本低、速度慢、通量低等因素的,在 广泛。 小型的细菌基因组测序、质粒测序、细菌人工染色体 末端测序、突变位点验证等研究领域中较为常见,但 收稿日期:2015—09—25 无法满足大型基因组组装方面的需要,这促使高通量 基金项目:国家高技术研究发展# ̄(2011AA100902);内蒙古科技重大 测序为标志的第二代测序技术的诞生。 专项(20140125)。 作者简介:乌日拉嘎(1992一),女,硕士研究生,研究方向为食品微生物。 2第二代测序技术 通讯作者:孟和毕力格 随着基因组计划的不断发展与改进,为弥补第一 j.44,No ̄4 2016(tot .j}.j} 专题论述Monographs 代测序的通量低、速度慢和测序成本高而无法满足深 ABI公司则主要是SOLID 3和SOLID 4两个测序 度测重复测序等大规模测序的需求,新一代测序技术 即第二代测序技术随机而生,目前主要包括Roche公 司的GS--FLX测序平台、Illumina公司的Hiseq/MiSeq 测序平台和ABI公司的SOLID测序平台 。第二代测 序突出的特点是通量高,一次能测序几十万到几百万 平台,与Solexa的合成测序对比,SOLiD测序技术拥 有第二代测序反应中最高的通量,是边合成边测序过 程中采用连接反应而不是聚合反应。其基本原理是 以四色荧光标记的寡核苷酸进行多次连接合成。 SOLID测序技术的独特点在于“双碱基编码”_ 的应 1条DNA分子序列,使得一个物种的转录组测序或基 因组深度测序变得方便易行 1,实现了由研究单个基 因位点向全基因组层面的巨大转变。 2.1 Roche/454 GS—FLX平台 用,使每个碱基被阅读两次,校对原始数据而避免错 误,以此保证SOLID系统原始碱基数据的准确率大于 99.94% 。但其存在的不足是在荧光解码阶段,鉴于 其是双碱基确定一个荧光信号,因而一旦发生错误就 容易产生连锁的解码错误。目前该技术多应用在基 因组重测序、基因型分析、基因表达分析、小分子 RNA、表观组学测序(染色质免疫共沉淀和DNA甲基 化)等领域。 2007年Roche公司推出了Genome Seqencer FLX(GS--FLX)测序平台,建立在454焦磷酸测序原 理上的一种高通量测序。比起其它二代测序平台,具 有较长的读长。目前GS FLX测序系统样品序列片段 读长已超过400 bp ,而最新的454 Gs—FLx+System 最长读长能达到1 kb,平均读长700 bp” ,而且不需要 荧光标记的引物或核酸探针,也不需要进行电泳,具 有分析结果准确、快速、灵敏度较高等优点。然而, 454平台的测序成本比其他新一代测序平台高,并且 与其他第二代测序平台相比,无法准确测量同聚物的 长度会导致结果不准确,但该技术在基因组从头测 序、转录组分析等领域仍有着广泛的应用。 2.2 Illumina/HiSeq/MiSeq测序平台 2006年,Illumina公司收购Solexa公司,获得新一 代高通量测序技术并把该技术发展成为市场上的主 流技术,目前提供HiSeq4000、HiSeq3000、HiSeq2000、 HiSeq2500/1 500、Genome AnalyzerlIx、MiSeq等测序 第二代测序技术的突出点是以高通量、低成本为 主,然而,第二代测序的较短读长不利于生物信息学 分析 1,而且,扩增PCR前后的DNA分子片段数目比 例有偏差,这对基因表达、尤其是对大量表达的基因 影响会更大n 。这些缺点在一定程度上制约了第二代 测序技术的应用和发展,推进第三代单分子测序技术 应运而生。 3第三代测序技术 鉴于一代和二代测序存在依赖于模板扩增以及 序列读长等的缺点,为了补充和进一步完善测序 技术,近几年研发出最新一代的测序方法——单分子 测序技术(Single-molecule sequencing),主要包括Heli— COS公司的真正单分子测序技 ̄:(True singlle--molecule sequencing,tSMSTM)、Oxford Nanopore公司的单分 系统。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,实现自动化 样本制备和大规模平行测序,其文库片段的扩增是通 过桥式PCR来实现 。Hiseq2500测序仪虽然具有高 准确性,高通量,高灵敏度,和低运行成本等突出优 势,但是,基于DNA模板扩增,其在组装高GC含量基 因组时尤其受限n ,最重要是较短的测序读长不利于 组装基因组。目前Hiseq3()()0/4000测序仪是基于 HiSeq2500系统流动槽技术发明的对人类基因组学测 序有很大益处的世界最先进的高通量测序平台。双 流动槽的HiSeq4000系统具有更长的读长,更高的通 量和更短的测序时间等优点而应用广泛。而单流动 槽的HiSeq3000系统则享有同样的低价格和快速运行 时间。基因组重测序、转录组测序和外显子等方面的 子纳米孔测序技术(The singJe-molecule nanopore DNA sequencing)、Paciifc Biosciences(PacBio)公司的单 分子实时测序技术(Single-molecule real-time, SMRT)等。 3.1真正单分子测序技术 真正单分子测序技术(True single-molecule se— quencing,tSMSTM)是主要由Braslavsky等人 利用合 成测序理论开发的第一个单分子测序方法( tSMSTM)。原理是将待测序列打断成小片段用末端 转移酶阻断,经过杂交、定位点、合成等步骤检测带有 荧光信号的单个碱基 ”。该测序有样本试剂消耗少, 通量非常高,不需要PCR扩增或连接酶等优点,适合 RNA直接测序或把DNA聚合酶用逆转录酶代替进 行RNA直接测序[221。然而,由于测序的平均读长相 对较短,原始数据准确率相对低,仪器价格昂贵等缺 点,该测序技术需要进一步的改进。 3.2单分子纳米孔测序技术 Oxford Nanopore technologies公司开发的纳米孔 测序技术(The single-molecule nanopore DNA se— quencing)原理是基于电信号测序的技术。其原理为: 应用依然广泛。 MiSeq测序仪是小型测序平台,以边合成边测序 技术为基础,通过可逆终止方法对数百万个片段同时 进行大规模平行测序,具有测序速度快,数据准确率 高的优点,可实现300bpx2的测序长度,主要在微生 物多样性分析、宏基因组测序、转录组de novo测序、 微生物基因组测序、小RNA测序、表达谱、ChlP-Seq 中的应用较多。目前,Illumina公司2014年推出的新 代Hiseq X Ten测序仪已实现1000美元完成一个人 类基因组的目标(http://www.nature.com/news/ 单个碱基或DNA分子通过纳米孔通道时,会引起通 道电学性质的变化。理论上,A,c,G,T 4种不同的碱 基化学性质的差异会导致它们穿越纳米孔时引起的 电学参数的变化量也不同,对这些变化进行检测可以 is-the-1-000-genome—f-0r—real一1.1 4530)。 2.3 ABI/SOLiD测序平台 3|20 年第44卷第4觏(总第30 期 Monographs专题论述 得到相应碱基的类型,进而测定DNA链的序列 ,241。 相对于其他测序技术,Oxford纳米孔测序技术的 样本处理极其简单,无需DNA聚合酶或者连接酶,也 无需dNTPs,因此其测序成本十分低廉,比其他测序 技术更有可能实现1 000美元基因组目标。然而,Ox— f0-rd纳米孔测序技术面临的最大的问题是如何将 DNA通过纳米孔的速度减慢,使每一个碱基通过纳 米孔的时间从微秒级上升至毫秒级纳米孔测序技术, 提高通量和准确率。2012年Oxford Nanopore Tech— nologies公司宣布了两款基于Oxford纳米孔测序技术 的测序平台,但目前没有它完成全基因组测序等相关 该测序技术比起一代和二代减少成本和测序时间,并 且避免二代测序中的PCR扩增的环节。以上介绍的 几种单分子测序技术里,PacBio公司的RS(Re— al-timesequencing)系列测序仪已经商业化且应用较为 广泛。目前,单分子实时测序技术(SMRT)在基因 组、甲基化、基因重测序和转录组学等方面的应用也 越来越普遍。 4.1基因组测序 David A.等 首次利用单分子实时测序技术对 引起德国大规模爆发的腹泻和血溶性尿毒症综合征 (2011年)的发病菌株进行全基因组测序发现:基因水 应用的报道,仅用来完成过合成DNA模板测序,因 平交换出现的高毒性产志贺毒素的大肠杆菌(Shi. 此,该技术实际应用的性能还未知。如果对该技术进 ga-toxin-producing enteroaggregative E.coli O104:H4)属于 步完善和改进的话,相信不久的将来也会变成核心 致病型肠黏附性大肠杆菌。SMRT测序技术的较短 技术。 的运行时间有利于在很短时间内得到变异微生物的 3.3单分子实时测序技术 基因组,能够快速、准确地发掘爆发起因,并提供治疗 PacBio RS测序技术是第三代测序中应用比较广 策略 1。 泛且已商业化的核心技术。该测序是基于荧光标记 采用PacBio SMRT测序技术对分离自垃圾堆里 的边合成边测序技术,其原理是:DNA模板被聚合酶 的Pandoraea sp.Strain R_B--44的全基因组序列进行从 捕获后,4种不同荧光标记的脱氧核糖核苷三磷酸 头(de novo)测序,结果发现该菌株具有细菌群感效应 (dNTP)通过布朗运动随机进入检测区域与聚合酶结 的特点,这也关于是全基因组序列和一个Pandoraea 合,与DNA模板匹配的碱基生成化学键的时间比其 种类的细菌群感效应特点的首次报道,这也为了解土 他碱基停留的时间长很多,这有利于荧光标记的 壤细菌群体感应活动提供了重要信息 。 dNTP被激发而检测到相应的荧光信号,根据发射的 The Burkholderia cepacia complex(BCC)由1 8种 不同波长的荧光基团,可以识别延伸的碱基种类 , , 细菌种类组成,Burkholderia cenocepacia H1 1 1是BCC 之后经过信息处理可测定DNA模板序列。 的一种,分离自囊性纤维性患者的唾液,为了克服基 单分子实时测序(Single-molectde real-time, 因组测序领域G+C含量导致的缺陷,使用Pacbio SMRT)与Sanger测序法和高通量测序技术相比有优 RSII进行大片段文库测序,不仅弥补了B.cenocepa— 点,也有不足之处。例如,单分子测序比一代和二代 cia H111的组成部分(2个染色体和themegaplasmid 测序原始数据准确率低,有效反应孑L不足故通量低等 pC3)的缺陷 ,并有助于产生高质量的循环序列。 缺点,同时,SMRT测序的低准确率备受争议,SMRT 4.2基因组重测序 测序的错误率大约是15%,碱基错测率约1%,其他错 2010年,联合应用Roche 454和IUumina测序技 误主要是由单碱基的插入和缺失导致的,进行纠正 术绘制了植物乳杆菌P-8基因组精细图谱 。2014 后,其正确率可达99.3%,并且,SMRT测序的错误都 年,内蒙古农业大学“乳品生物技术与工程”教育部重 是随机错误,而非系统错误,系统错误是无法通过提 点实验室研究人员利用单分子实时测序技术对植物 高测序覆盖度矫正的 1。因此,其数据应用于基因组 乳杆菌P-8(Lactobacillus plantarum P-8)进行了基因组 组装前需先对数据进行纠错处理。然而,整体的优势 重新测序 ,三代测序结果表明,虽然所得基因组与参 相对一代和二代还是较高的。SMRT测序具有超长 考序列整体线性关系良好,但是也存在一定数量的 读长、测序时间短、无需模板扩增和直接检测表观修 SNP位点。在植物乳杆菌P-8中,同时存在片段大于 饰位点等特点,这可以避免PCR导致的误差,而且在 25 bp段的变异位点。对测序结果的进一步分析发 较短的时间内测序,酶失活之前检测完成而提高准确 现,这些位点都是因为之前测序技术读长有限,无法 率。Uemura等-z 1使用RNA直接测序技术对核糖体中 跨越含有重复序列区域进而导致错误的拼接结果。 mRNA的翻译过程进行实时测序,观察到了单个核糖 使用PacBio数据纠正后,在植物乳杆菌P-8基因组中 体如何将氨基酸串联起来的过程,这为研究人员提供 检测到一个基因组片段大小15.174 kb,Gc含量为 了直接测转录本的新选择,一个全新的研究思路。目 39.7%的新的质粒。 前,SMRT测序在小型基因组从头测序和完整组装中 武汉生物技术研究院对一株产生重要药物的细 已有良好应用,并且已经或将在表观遗传学、转录组 菌进行基因组测序,采用Illumina测序技术组装之后 学、大型基因组组装等领域发挥其优势,促进基因组 得到6条scaffold,其中config为518条,采用PacBio单 学的研究。 分子测序技术进行测序得到3条scaffold,深入分析发 4第三代测序技术的应用 现3条scaffold中一条3.8Mb是环形基因组,而另外两 个是167 Kb和47 Kb的质粒。研究结果表明,采用三 过去几年,单分子测序技术开始慢慢的进人人们 代单分子测序技术同时还可以了解到基因组的甲基 的视野,人们也对这个新型的测序技术越来越关注。 化修饰位点,整个基因组中含有6一mA修饰位点9459 Vo1一.44,No.42016(total 3os)J '一 专题论述Monographs 个,4-mC修饰位点4336个,并精确确定被修饰碱基 的位置 。 4.3 甲基化研究 标。新一代测序技术仍在不断开发中,技术的进步推 动测序成本不断降低和测序时问不断缩短,相信不久 千元基因组甚至百元基因组的目标将会实现。届时, 单分子测序技术能检测20种不同类型的DNA化 学修饰,其中包括细菌DNA的三3V甲基化类型 (6mA,4mC and 5mC),利用SMRT测序进行甲基化转 移酶从头测序鉴定发现了细菌种类和相关菌株的多 人们对生命的发育过程和疾病的发生分子机制等重 大问题将会有更深刻细致的了解,并实现P,.NA直接 测序测技术的商业化。这将有利于展开个人基因组 测序工作,同时也便捷了各领域的研究人员获得研究 领域的物种基因组,促进基因组学研究的发展。 样性 。近几年,人们对微生物组的研究大有兴趣,但 对肠道微生物细菌甲基化的相关报道依然很少,2014 年,美国加利福尼亚大学用使用PacBio平台测定来自 两个婴儿粪便的宏基因组DNA基础上测定了优势菌 株Bacteroides dorei的DNA腺苷酸甲基化(Darn methyl— 参考文献: 【1 J AVERY O T,MACLEOD C M,McCARTY M.Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumo— ation),研究发现腺苷酸甲基化对肠道菌群的存活影 响较大,因为这个甲基化影响肠道微生物的营养,能 量等的运输与转移 q。采用PacBio RS测序平台对6 株环境细菌进行重测序,不仅鉴定出新的6mA和 4mC位点,还能检测一些表观遗传学标志的甲基转移 酶 。内蒙古农业大学乳品楼重点实验室研究团队利 用PacBio测序技术对L.caise zhang和L.plantarum p-8 进行全基因组测序发现L.caise zhang存在6 mA甲基 化位点,L.plantarum p-8没有 ,因此,SMRT测序系 统不仅了解到基因表观遗传信息,也为生物学和功能 ;6-面的应用开辟新思路。 4.4转录组学 Lu chen等 对人类造血组细胞中(human hemo— COCCal types[J].J Exp Med,1944,98:451—460 f2]刘振波.DNA测序技术比较D]生物学通报,2012,47:14—17. 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