第二代DNA測序技術

2021-09-08 15:50:41 字數 2978 閱讀 9162

dna測序(dna sequencing)作為一種重要的實驗技術,在生物學研究中有著廣泛的應用。早在dna雙螺旋結構(watson and crick,1953)被發現後不久就有人報道過dna測序技術,但是當時的操作流程複雜,沒能形成規模。隨後在2023年sanger發明了具有里程碑意義的末端終止測序法,同年a.m.maxam和w.gilbert發明了化學降解法。sanger法因為既簡便又快速,並經過後續的不斷改良,成為了迄今為止dna測序的主流。然而隨著科學的發展,傳統的sanger測序已經不能完全滿足研究的需要,對模式生物進行基因組重測序以及對一些非模式生物的基因組測序,都需要費用更低、通量更高、速度更快的測序技術,第二代測序技術(next-generation sequencing)應運而生。第二代測序技術的核心思想是

2.基本原理 illumina/solexa genome analyzer測序的基本原理是邊合成邊測序。在sanger等測序方法的基礎上,通過技術創新,用不同顏色的螢光標記四種不同的dntp當dna聚合酶合成互補鏈時,每新增一種dntp就會釋放出不同的螢光,根據捕捉的螢光訊號並經過特定的計算機軟體處理,從而獲得待測dna的序列資訊

3.操作流程 1)測序文庫的構建(library construction)

首先準備基因組dna(雖然測序公司要求樣品量要達到200ng,但是gnome analyzer系統所需的樣品量可低至100ng,能應用在很多樣品有限的實驗中),然後將dna隨機片段化成幾百鹼基或更短的小片段,並在兩頭加上特定的接頭(adaptor)。如果是轉錄組測序,則文庫的構建要相對麻煩些,rn**段化之後需反轉成cdna,然後加上接頭,或者先將rna反轉成cdna,然後再片段化並加上接頭。片段的大小(insert size)對於後面的資料分析有影響,可根據需要來選擇。對於基因組測序來說,通常會選擇幾種不同的insert size,以便在組裝(assembly)的時候獲得更多的資訊。

2)錨定橋接(su***ce attachment and bridge amplification)

solexa測序的反應在叫做flow cell的玻璃管中進行,flow cell又被細分成8個lane,每個lane的內表面有無數的被固定的單鏈接頭。上述步驟得到的帶接頭的dna 片段變性成單鏈後與測序通道上的接頭引物結合形成橋狀結構,以供後續的預擴增使用。

3)預擴增(denaturation and complete amplification)

新增未標記的dntp 和普通taq 酶進行固相橋式pcr 擴增,單鏈橋型待測片段被擴增成為雙鏈橋型片段。通過變性,釋放出互補的單鏈,錨定到附近的固相表面。通過不斷迴圈,將會在flow cell 的固相表面上獲得上百萬條成簇分布的雙鏈待測片段。

4)單鹼基延伸測序(single base extension and sequencing)

在測序的flow cell中加入四種螢光標記的dntp 、dna 聚合酶以及接頭引物進行擴增,在每乙個測序簇延伸互補鏈時,每加入乙個被螢光標記的dntp就能釋放出相對應的螢光,測序儀通過捕獲螢光訊號,並通過計算機軟體將光訊號轉化為測序峰,從而獲得待測片段的序列資訊。從螢光訊號獲取待測片段的序列資訊的過程叫做base calling,illumina公司base calling所用的軟體是illumina』s genome analyzer sequencing control software and pipeline analysis software。讀長會受到多個引起訊號衰減的因素所影響,如螢光標記的不完全切割。隨著讀長的增加,錯誤率也會隨之上公升。

5)資料分析(data analyzing)

這一步嚴格來講不能算作測序操作流程的一部分,但是只有通過這一步前面的工作才顯得有意義。測序得到的原始資料是長度只有幾十個鹼基的序列,要通過生物資訊學工具將這些短的序列組裝成長的contigs甚至是整個基因組的框架,或者把這些序列比對到已有的基因組或者相近物種基因組序列上,並進一步分析得到有生物學意義的結果。

高通量測序技術(high-throughput sequencing)又稱「下一代」測序技術("next-generation" sequencing technology),以能一次並行對幾十萬到幾百萬條dna分子進行序列測定和一般讀長較短等為標誌。

根據發展歷史、影響力、測序原理和技術不同等,主要有以下幾種:大規模平行簽名測序(massively parallel signature sequencing, mpss)、聚合酶轉殖(polony sequencing)、454焦磷酸測序(454 pyrosequencing)、illumina (solexa) sequencing、abi solid sequencing、離子半導體測序(ion semiconductor sequencing)、dna 奈米球測序 (dna nanoball sequencing)等。

高通量測序技術是對傳統測序一次革命性的改變,一次對幾十萬到幾百萬條dna分子進行序列測定,因此在有些文獻中稱其為下一代測序技術(next generation sequencing)足見其劃時代的改變,同時高通量測序使得對乙個物種的轉錄組和基因組進行細緻全貌的分析成為可能,所以又被稱為深度測序(deep sequencing)。

2023年4月helico bioscience公司的timothy等人在science上報道了他們開發的真正的單分子測序技術,也被稱為第三代測序技術,並利用該技術對乙個 m13病毒基因組進行重測序。這項技術之所以被稱為真正的單分子測序,是因為它完全跨過了上述3種高通量測序依賴的基於pcr擴增的訊號放大過程,真正達到了讀取單個螢光分子的能力,向1000美元測定乙個人類基因組的目標邁出了一大步。

生物通報道,近日,英國兩名學者(james hadfield和nick loman)繪製了高通量測序儀在全世界的分布圖。根據他們的統計,目前全世界總共購買了1599臺高通量測序儀(包括第二代和第三代),分布在527個研究中心,平均每個中心擁有3.0臺測序儀。中國共有199臺高通量測序儀,分布在8個機構。

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