第二代DNA测序技术的应用

第二代DNA测序技术的应用

DNA测序（DNA sequencing）作为一种重要的实验技术，在生物学研究中有着广泛的应用。第一代DNA测序技术是1977年Sanger发明的末端终止测序法，其法因为既简便又快速，并经过不断改良，成为了迄今为止DNA测序的主流。然而随着科学的发展，传统的Sanger测序已经不能完全满足研究的需要，对模式生物进行基因组重测序以及对一些非模式生物的基因组测序，都需要费用更低、通量更高、速度更快的测序技术，第二代测序技术（Next-generation sequencing)应运而生。第二代测序技术的核心思想是边合成边测序（Sequencing by Synthesis)，即通过捕捉新合成的末端的标记来确定DNA的序列，现有的技术平台主要包括Roche/454 FLX、Illumina/Solexa Genome Analyzer和Applied Biosystems SOLID system。

第二代测序技术的基本原理是边合成边测序。在Sanger等测序方法的基础上，通过技术创新，用不同颜色的荧光标记四种不同的dNTP，当DNA聚合酶合成互补链时，每添加一种dNTP就会释放出不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过特定的计算机软件处理，从而获得待测DNA的序列信息。

它的主要应用于以下几个方面：

细菌基因组测序和比较基因组研究：

为了测试454测序仪在全基因组测序方面的能力，454公司一开始就参与了一项合作项目，该研究项目会对4株结核分支杆菌基因组进行测序，这四株结核分支杆菌分别是一株对R207910具有耐药性的结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）菌株，基因组大小约4Mb；两株对R207910具有耐药性的耻垢分支杆菌（Mycobacterium smegmatis），基因组大小约6Mb；以及一株正常的耻垢分支杆菌（Mycobacterium smegmatis），基因组大小约6Mb。他们希望能发现结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）对R207910产生抗药性的机制。该项研究清晰的展现了454测序仪在测序速度和测序精度方面的优势。使用传统的Sanger测序法对一个4Mb的基因组和3个6Mb的基因组进行测序需要好几个月的时间，而用454测序仪，在只有一位实验人员参与实验的情况下，包括样品制备等步骤在内所用的时间仅需要一周。而且使用454测序仪还避免了传统测序方法中细菌克隆阶段可能出现的错误，获得了高质量的测序结果，发现了导致结核分枝杆菌对R207910产生抗药性的两个点突变位点。这项研究成果让我们在最近的40年内第一次找到了特异性治疗结核病的药物，同时也对454测序仪在细菌基因组测序方面的应用价值有了深刻的体会。随后，454测序仪又参与了比较基因组学研究项目、对高致病性细菌空肠弯曲菌（Campylobacter jejun）基因组的从头测序项目、对幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）在慢性胃炎致病过程中的进化研究项目、从南极海冰细菌（Antarctic sea ice bacterium）中新发现冰结合蛋白（ice-binding protein）并对其测序的研究项目，以及在引起肺炎、脑膜炎和泌尿道感染的细菌中发现致病因素的研究项目等。

小RNA测序：

对于包括miRNA在内的小RNA的研究兴趣从2005年开始就持续不断升温，而2005年恰好也是454测序仪上市的那一年。454测序仪以其不需要进行传统的细菌克隆步骤和足以覆盖只有21bp长的miRNA的测序长度等优势，很快就在miRNA的作用研究之中占据了一席之地。454测序仪最早参与进行的miRNA研究是对拟南芥（Arabidopsis thaliana）miRNA开展的研究。随后马上又参与了另一项研究项目，在这个项目中我们在小鼠体内发现了一种新型的小RNA——piRNA。这些研究项目为我们在人类、黑猩猩、斑马鱼和肿瘤细胞系中开展小RNA研究铺平了道路。454测

序仪具有的这种对小RNA进行研究的能力使它在众多有关RNA的研究领域都能有所作为，例如转录体研究领域、EST研究领域、5’-RATE研究领域和基于转录体的SNP 研究领域等。

在古生物学和古DNA研究领域的作用：

要用传统的测序方法对尼安德特人的基因组进行测序研究非常困难，因为这些古老DNA量非常少，而且都早已裂解成了片段。一开始，454公司使用比较容易得到的不太重要的古代DNA样品检验了454测序仪对它们的测序能力，结果非常好，尽管当时454测序仪的测序长度只有100bp。不过，尼安德特人的基因组片段长度基本上都介于40bp~90bp之间，而且最近开发的乳液PCR方法也能够对微量（单分子）样本进行很好的扩增。于是，454测序仪参与了对38,000年前古老的尼安德特人的基因组进行测序的工作，研究结果分别发表在了好几篇论文当中，引起了广泛的关注，并促进了古生物学基因组的研究。随后有人对长毛象（woolly mammoth）和更新世狼（Pleistocene wolves）的基因组开展了测序研究。

环境基因组学和感染性疾病研究领域：

美国在2001年爆发了炭疽恐怖袭击危机之后，454公司便对如何使用454测序仪对复杂的、未知的、未人工培养的环境微生物基因组进行测序展开了研究。前后两个合作研究项目均表明454测序仪能够用于从DNA混合样品中发现未知微生物并对其进行分类。在第一个研究项目中，有三名患者都接受了同一名澳大利亚器官捐赠者的器官，之后均因不明原因而死亡。从这三名死者身上提取了非人类DNA样品进行测序，结果获得了144,000条序列。分析后发现，这些序列分别属于一种沙粒病毒科（Arenaviridae）家族病毒的14个不同基因。随后进行的第二项研究在对健康蜂群和患病蜂群进行环境基因组学比较研究之后发现，以色列急性麻痹病毒（Israeli acute paralysis virus）是导致蜜蜂蜂群崩溃症的元凶。上述这些研究都突出了454测序仪的一个特点，即在样品准备前不需要进行克隆或预扩增步骤，因此非常适用于对未知的未能人工培养的物种进行测序。这些特点也在其它对地下矿藏、深海、土壤和高盐等环境下进行的环境微生物构成方面的研究所证实。

基因组结构研究领域：

454测序仪技术的进步使它能够适用于更多的科研领域。最新开发的末端配对测序法（paired-end sequencing）就非常适合用于发现人类基因组当中的结构变异。末端配对作图过程（paired-end mapping），简单来说就是对一个非洲人和一个欧洲人的基因组进行测序后发现结构变异并对其作图，最终将1,000多个3Kb或更长的结构变异片段定位到人类基因组参考序列中。研究发现，在人类基因组当中存在的结构变异远远超过了人们的预计，其中有很多变异都会造成非常重要的表型改变。这项对诺贝尔奖得主James Watson基因组进行测序的项目和其它相关研究，一起使得“人类基因多样性（human genetic variation）”这一科学命题成为了《科学》（Science）杂志的年度重大科技突破。

新一代DNA测序技术总览

作者：尹银亮、陈会平、毛良伟译来源：生物谷 原文刊登于《分析化学》综述Analytical Chemistry 原文标题：Landscape of Next-Generation Sequencing Technologies 索引信息：https://www.wendangku.net/doc/2e16120653.html,/10.1021/ac2010857 | Anal. Chem. 2011, 83, 4327–4341 原文作者：Thomas P. Niedringhaus, Denitsa Milanova, Matthew B. Kerby, Michael P. Snyder,and Annelise E. Barro 译者资料： 尹银亮，香港华大基因研发中心有限公司email：stevenyinbio@https://www.wendangku.net/doc/2e16120653.html, 陈会平，毛良伟，武汉华大基因科技有限公司 【内容】 第二代测序 第二代测序成本 第三代测序技术 单分子测序法 边连接边测序法 边合成边测序法 纳米孔测序技术 蛋白质纳米孔测序法 固态纳米孔测序法 长距离阅读DNA的扩展方法 总结性评论 DNA测序正处在技术上天翻地覆剧变的阵痛之中，其突出特点是，测序通量（测序数据量）的大幅增长，原始数据中每个碱基的测序成本急剧下跌，并伴随着以巨资购买仪器以引进新技术的需求。以前看似高不可攀的奢侈性研究活动（如个人基因组测序，宏基因组学研究，以及对大量重要物种的测序），在短短几年之间，正以急速的步伐而变得越来越切实可行了。本篇综述将集中讨论在第三，第四代测序方法背后的故事：它们所面临的挑战；各种方法的局限性；以及它们带给我们的充满诱惑的前景。 第一代DNA测序技术用的是1975年由桑格（Sanger）和考尔森（Coulson）开创的链终止法或者是1976-1977年由马克西姆（Maxam）和吉尔伯特（Gilbert）发明的化学法（链降解）. 在1977年，桑格测定了第一个基因组序列，是噬菌 体X174的，全长5375个碱基。其测序方法和历史过程以前已做过详细回顾。 后来的四色荧光桑格测序法（每一种荧光代表四种碱基中的一种）被用在自动毛细管电泳测序系统中，此系统由应用生物系统有限公司（Applied Biosystems Inc.）推上市场，后来该公司被整合入生命技术公司(Life Technologies)和贝克曼.考尔特公司(Beckman Coulter inc.)（见表1）。发表于2001年的第一个人类基因组

高通量测序：第二代测序技术详细介绍

高通量测序：第二代测序技 术详细介绍 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

在过去几年里，新一代DNA 测序技术平台在那些大型测序实验室中迅猛发展，各种新技术犹如雨后春笋般涌现。之所以将它们称之为新一代测序技术（next-generation sequencing），是相对于传统Sanger 测序而言的。Sanger 测序法一直以来因可靠、准确，可以产生长的读长而被广泛应用，但是它的致命缺陷是相当慢。十三年，一个人类基因组，这显然不是理想的速度，我们需要更高通量的测序平台。此时，新一代测序技术应运而生，它们利用大量并行处理的能力读取多个短DNA 片段，然后拼接成一幅完整的图画。 Sanger 测序大家都比较了解，是先将基因组DNA 片断化，然后克隆到质粒载体上，再转化大肠杆菌。对于每个测序反应，挑出单克隆，并纯化质粒DNA。每个循环测序反应产生以ddNTP 终止的，荧光标记的产物梯度，在测序仪的96 或384 毛细管中进行高分辨率的电泳分离。当不同分子量的荧光标记片断通过检测器时，四通道发射光谱就构成了测序轨迹。 在新一代测序技术中，片断化的基因组DNA 两侧连上接头，随后运用不同的步骤来产生几百万个空间固定的PCR 克隆阵列（polony）。每个克隆由单个文库片段的多个拷贝组成。之后进行引物杂交和酶延伸反应。由于所有的克隆都是系在同一平面上，这些反应就能够大规模平行进行。同样地，每个延伸所掺入的荧光标记的成像检测也能同时进行，来获取测序数据。酶拷问和成像的持续反复构成了相邻的测序阅读片段。

Solexa 高通量测序原理 --采用大规模并行合成测序法(SBS, Sequencing-By-Synthesis)和可逆性末端终结技术（Reversible Terminator Chemistry） --可减少因二级结构造成的一段区域的缺失。 --具有高精确度、高通量、高灵敏度和低成本等突出优势 --可以同时完成传统基因组学研究（测序和注释）以及功能基因组学（基因表达及调控，基因功能，蛋白/核酸相互作用）研究 ----将接头连接到片段上，经 PCR 扩增后制成 Library 。 ----随后在含有接头（单链引物）的芯片（ flow cell ）上将已加入接头的 DNA 片段变成单链后通过与单链引物互补配对绑定在芯片上，另一端和附近的另外一个引物互补也被固定，形成“桥” ----经30伦扩增反应，形成单克隆DNA簇 ----边合成边测序（Sequencing By Synthesis）的原理，加入改造过的DNA 聚合酶和带有4 种荧光标记的dNTP。这些dNTP是“可逆终止子”，其3’羟基末端带有可化学切割的基团，使得每个循环只能掺入单个碱基。此时，用激光扫描反应板表面，读取每条模板序列第一轮反应所聚合上去的核苷酸种类。之后，将这些基团化学切割，恢复3'端粘性，继续聚合第二个核苷酸。如此继续下去，直到每条模板序列都完全被聚合为双链。这样，统计每轮收集到的荧光信号结果，就可以得知每个模板DNA 片段的序列。目前的配对末端读长可达到2×50 bp，更长的读长也能实现，但错误率会增高。读长会受到多个引起信号衰减的因素所影响，如荧光标记的不完全切割。 Roche 454 测序技术 “一个片段 = 一个磁珠 = 一条读长（One fragment =One bead = One read）”

高通量测序：第二代测序技术详细介绍

在过去几年里，新一代DNA测序技术平台在那些大型测序实验室中迅猛发展，各种新技术犹如雨后春笋般涌现。之所以将它们称之为新一代测序技术(next-generation sequencing)，是相对于传统Sanger测 序而言的。Sanger测序法一直以来因可靠、准确，可以产生长的读长而被广泛应用，但是它的致命缺陷 是相当慢。十三年，一个人类基因组，这显然不是理想的速度，我们需要更高通量的测序平台。此时，新 一代测序技术应运而生，它们利用大量并行处理的能力读取多个短DNA片段，然后拼接成一幅完整的图 画。 Sanger测序大家都比较了解，是先将基因组DNA片断化，然后克隆到质粒载体上，再转化大肠杆菌。对 于每个测序反应，挑出单克隆，并纯化质粒DNA每个循环测序反应产生以ddNTP终止的，荧光标记的产 物梯度，在测序仪的96或384毛细管中进行高分辨率的电泳分离。当不同分子量的荧光标记片断通过检测器时，四通道发射光谱就构成了测序轨迹。 在新一代测序技术中，片断化的基因组DNA两侧连上接头，随后运用不同的步骤来产生几百万个空间固定的PCR克隆阵列(polony )。每个克隆由单个文库片段的多个拷贝组成。之后进行引物杂交和酶延伸反应。由于所有的克隆都是系在同一平面上，这些反应就能够大规模平行进行。同样地，每个延伸所掺入的 荧光标记的成像检测也能同时进行，来获取测序数据。酶拷问和成像的持续反复构成了相邻的测序阅读片 段。 DNA hnginetilntion DNA fraqmentnlion fn vivo cloning and amplification Cycle sequencing 3'-... GACTAGATACGAGCGTGA.. .-5* (template) 彳-…CTGAT O 曲爭i .CTGATC^A ...CTGATCT"*^ …CTG町CTA先 _________ > .,,CTGATCTAT ..CTGATCTATC ,.CTGATCTATGC ..CTGATCTATGCT ...CTGATCTATGCTC ..CTGATCTATGCTCG — Electro pho rsesis (1 read/cnpU(ary) Cyclic array sequencing Cycle 1 (>10? reads/array) Cycle 2 Cyde 3 B- A A A Is O 0 O? What IS Ibas# 1 ? Whar is bast 卍 in vitro ndaptor ligation Generf^tiorii ol ipolony array Polymerase dNTPs Lat>0led ddNTPs

一、二、三代测序技术

一代、二代、三代测序技术 第一代测序技术-Sanger链终止法 一代测序技术是20世纪70年代中期由Fred Sanger及其同事首先发明。其基本原理是，聚丙烯酰胺凝胶电泳能够把长度只差一个核苷酸的单链DNA分子区分开来。一代测序实验的起始材料是均一的单链DNA分子。第一步是短寡聚核苷酸在每个分子的相同位置上退火，然后该寡聚核苷酸就充当引物来合成与模板互补的新的DNA链。用双脱氧核苷酸作为链终止试剂（双脱氧核苷酸在脱氧核糖上没有聚合酶延伸链所需要的3－OH基团，所以可被用作链终止试剂）通过聚合酶的引物延伸产生一系列大小不同的分子后再进行分离的方法。测序引物与单链DNA模板分子结合后，DNA聚合酶用dNTP延伸引物。延伸反应分四组进行，每一组分别用四种ddNTP（双脱氧核苷酸）中的一种来进行终止，再用PAGE分析四组样品。从得到的PAGE胶上可以读出我们需要的序列。 第二代测序技术-大规模平行测序 大规模平行测序平台（massively parallel DNA sequencing platform）的出现不仅令DNA测序费用降到了以前的百分之一，还让基因组测序这项以前专属于大型测序中心的“特权”能够被众多研究人员分享。新一代DNA测序技术有助于人们以更低廉的价格，更全面、更深入地分析基因组、转录组及蛋白质之间交互作用组的各项数据。市面上出现了很多新一代测序仪产品，例如美国Roche Applied Science公司的454基因组测序仪、美国Illumina公司和英国Solexa

technology公司合作开发的Illumina测序仪、美国Applied Biosystems公司的SOLiD测序仪。Illumina/Solexa Genome Analyzer测序的基本原理是边合成边测序。在Sanger等测序方法的基础上，通过技术创新，用不同颜色的荧光标记四种不同的dNTP，当DNA聚合酶合成互补链时，每添加一种dNTP就会释放出不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过特定的计算机软件处理，从而获得待测DNA的序列信息。以Illumina测序仪说明二代测序的一般流程，（1）文库制备，将DNA用雾化或超声波随机片段化成几百碱基或更短的小片段。用聚合酶和外切核酸酶把DNA片段切成平末端，紧接着磷酸化并增加一个核苷酸黏性末端。然后将Illumina测序接头与片段连接。（2）簇的创建，将模板分子加入芯片用于产生克隆簇和测序循环。芯片有8个纵向泳道的硅基片。每个泳道内芯片表面有无数的被固定的单链接头。上述步骤得到的带接头的DNA 片段变性成单链后与测序通道上的接头引物结合形成桥状结构，以供后续的预扩增使用。通过不断循环获得上百万条成簇分布的双链待测片段。（3）测序，分三步：DNA 聚合酶结合荧光可逆终止子，荧光标记簇成像，在下一个循环开始前将结合的核苷酸剪切并分解。（4）数据分析 第三代测序技术-高通量、单分子测序 被称为第三代的测序的He-licos单分子测序仪，PacificBioscience的SMRT技术和 Oxford Nanopore Technologies 公司正在研究的纳米孔单分子测序技术正向着高通量低成本长读取长度的方向发展。不同于第二代测序依赖于DNA模板

高通量测序：第二代测序技术详细介绍

在过去几年里，新一代DNA 测序技术平台在那些大型测序实验室中迅猛发展，各种新技术犹如雨后春笋般涌现。之所以将它们称之为新一代测序技术（next-generation sequencing），是相对于传统Sanger 测序而言的。Sanger 测序法一直以来因可靠、准确，可以产生长的读长而被广泛应用，但是它的致命缺陷是相当慢。十三年，一个人类基因组，这显然不是理想的速度，我们需要更高通量的测序平台。此时，新一代测序技术应运而生，它们利用大量并行处理的能力读取多个短DNA 片段，然后拼接成一幅完整的图画。 Sanger 测序大家都比较了解，是先将基因组DNA 片断化，然后克隆到质粒载体上，再转化大肠杆菌。对于每个测序反应，挑出单克隆，并纯化质粒DNA。每个循环测序反应产生以ddNTP 终止的，荧光标记的产物梯度，在测序仪的96或384 毛细管中进行高分辨率的电泳分离。当不同分子量的荧光标记片断通过检测器时，四通道发射光谱就构成了测序轨迹。 在新一代测序技术中，片断化的基因组DNA 两侧连上接头，随后运用不同的步骤来产生几百万个空间固定的PCR 克隆阵列（polony）。每个克隆由单个文库片段的多个拷贝组成。之后进行引物杂交和酶延伸反应。由于所有的克隆都是系在同一平面上，这些反应就能够大规模平行进行。同样地，每个延伸所掺入的荧光标记的成像检测也能同时进行，来获取测序数据。酶拷问和成像的持续反复构成了相邻的测序阅读片段。

Solexa高通量测序原理 --采用大规模并行合成测序法(SBS,Sequencing-By-Synthesis)和可逆性末端终结技术（ReversibleTerminatorChemistry） --可减少因二级结构造成的一段区域的缺失。 --具有高精确度、高通量、高灵敏度和低成本等突出优势 --可以同时完成传统基因组学研究（测序和注释）以及功能基因组学（基因表达及调控，基因功能，蛋白/核酸相互作用）研究 ----将接头连接到片段上，经PCR扩增后制成Library。 ----随后在含有接头（单链引物）的芯片（flowcell）上将已加入接头的DNA片段变成单链后通过与单链引物互补配对绑定在芯片上，另一端和附近的另外一个引物互补也被固定，形成“桥” ----经30伦扩增反应，形成单克隆DNA簇 ----边合成边测序（Sequencing By Synthesis）的原理，加入改造过的DNA 聚合酶和带有4 种荧光标记的dNTP。这些dNTP是“可逆终止子”，其3’羟基末端带有可化学切割的基团，使得每个循环只能掺入单个碱基。此时，用激光扫描反应板表面，读取每条模板序列第一轮反应所聚合上去的核苷酸种类。之后，将这些基团化学切割，恢复3'端粘性，继续聚合第二个核苷酸。如此继续下去，直到每条模板序列都完全被聚合为双链。这样，统计每轮收集到的荧光信号结果，就可以得知每个模板DNA 片段的序列。目前的配对末端读长可达到2×50 bp，更长的读长也能实现，但错误率会增高。读长会受到多个引起信号衰减的因素所影响，如荧光标记的不完全切割。 Roche 454 测序技术 “一个片段= 一个磁珠= 一条读长（One fragment =One bead = One read）”

分子机制-核酸检测-二代DNA测序技术

主题：第二代DNA测序技术 概述： 第一代测序（缺点：通量低1000个核苷酸/反应，费用高） ?化学降解法 ?双脱氧链终止法（Sanger法） ?荧光自动测序技术 ?杂交测序技术 高通量测序： 第二代测序（next-generation sequencing，NGS） 第二代测序技术的核心思想是边合成边测序(Sequencing by Synthesis)，即通过捕捉新合成的末端的标记来确定DNA的序列，现有的技术平台主要包括Roche/454FLX、Illumina/Solexa Genome Analyzer和Applied Biosystems SOLID system。这三个技术平台各有优点，454FLX的测序片段比较长，高质量的读长(read)能达到400bp；Solexa测序性价比最高，不仅机器的售价比其他两种低，而且运行成本也低，在数据量相同的情况下，成本只有454测序的1/10；SOLID测序的准确度高，原始碱基数据的准确度大于99.94%，而在15X覆盖率时的准确度可以达到99.999%，是目前第二代测序技术中准确度最高的。虽然第二代测序技术的工作一般都由专业的商业公司来完成，但是了解测序原理、操作流程等会对后续的数据分析有很重要的作用，下文将以Illumina/Solexa Genome Analyzer测序为例，简述第二代测序技术的基本原理、操作流程等方面。 原理： Illumina/Solexa Genome Analyzer测序的基本原理是边合成边测序。在Sanger等测序方法的基础上，通过技术创新，用不同颜色的荧光标记四种不同的dNTP，当DNA聚合酶合成互补链时，每添加一种dNTP就会释放出不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过特定的计算机软件处理，从而获得待测DNA的序列信息。 Illumina Solexa测序仪特点：

三代测序原理技术比较

导从1977年第一代DNA测序技术（Sanger法）1,发展至今三十多年时间，测导序技术已取得了相当大的发展，从第一代到第三代乃至第四代，测序读长从读长到短，再从短到长。 摘要：从1977年第一代DNA测序技术（Sanger法）1，发展至今三十多年时间，测序技术已取得了相当大的发展，从第一代到第三代乃至第四代，测序读长从长到短，再从短到 长。虽然就当前形势看来第二代短读长测序技术在全球测序市场上仍然占有着绝对的优势 位置，但第三和第四代测序技术也已在这一两年的时间中快速发展着。测序技术的每一次变 革，也都对基因组研究，疾病医疗研究，药物研发，育种等领域产生巨大的推动作用。在 这里我主要对当前的测序技术以及它们的测序原理做一个简单的小结。 图1 :测序技术的发展历程 生命体遗传信息的快速获得对于生命科学的研究有着十分重要的意义。以上（图1）所描述的是自沃森和克里克在1953年建立DNA双螺旋结构以来，整个测序技术的发展历程。 第一代测序技术 第一代DNA测序技术用的是1975年由桑格（Sanger）和考尔森（Coulson ）开创的链终止法或者是1976-1977年由马克西姆（Maxam和吉尔伯特（Gilbert ）发明的化学法（链降解）?并在1977年，桑格测定了第一个基因组序列，是噬菌体X174的，全长5375个碱 基1。自此，人类获得了窥探生命遗传差异本质的能力，并以此为开端步入基因组学时代。 研究人员在Sanger法的多年实践之中不断对其进行改进。在2001年，完成的首个人类基 因组图谱就是以改进了的Sanger法为其测序基础，Sanger法核心原理是：由于ddNTP的2' 和3'都不含羟基，其在DNA的合成过程中不能形成磷酸二酯键，因此可以用来中断DNA 合成反应，在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP分为：ddATP,ddCTP,ddGTP和ddTTP），通过凝胶电泳和放射自显影后可以根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列（图2）。这个网址为san ger测序法制作了一个小短片，形象而生动。 值得注意的是，就在测序技术起步发展的这一时期中，除了San ger法之外还出现了一 些其他的测序技术，如焦磷酸测序法、链接酶法等。其中，焦磷酸测序法是后来Roche公司454技术所使用的测序方法2 - 4,而连接酶测序法是后来ABI公司SOLID技术使用的测序方 法2,4，但他们的共同核心手段都是利用了Sanger1中的可中断DNA合成反应的dNTP 图2: Sanger法测序原理

测序技术及测序仪器的比较

河南农业大学 本科生毕业论文（设计） 题目现阶段的测序技术及测序仪器的比较 学院生命科学学院 专业班级2007级生物技术4班 学生姓名徐志超 指导教师高玉千 撰写日期：2011年5月5日

现阶段的测序技术及测序仪器的比较 徐志超 生命科学学院 摘要：自sanger测序技术发明以来，经人类基因组计划的促进，测序技术有了跨越式的发展，以实验方法与实验仪器的改进为标志,测序技术经历了三代的发展，同时测序技术向着高通量测序，单分子测序，低价格测序的方向发展，目前测序技术已成为分子生物学实验中的重要的实验手段。本文主要简单回溯了测序技术的发展历史，介绍了现阶段主流测序仪器IlluminaGA，ROCH-454，ABI 3730XL，ABI SOLID及HeliScope的原理及工作流程。 关键词：测序技术；测序仪；IlluminaGA；ROCH-454；ABI-3730XL；ABI-SOLID；HeliScope Studies on sequencing technology and sequencer XU Zhi-chao College of Life Sciences Abstract:Sequencing technology has leaping developed promoted by the Human Genome Project since the Sanger sequencing technology been invented.Sequencing technology has gone through three generation by the improvement of sequencing methods and sequencer, at the same time, sequencing technology developed towards high-flux, single molecule sequencing and lower price. Sequencing technology has become the most important experimental means in molecular biology experiments currently. This paper simply reviews the historical development of sequencing technology,introduces the principle and workflow of the main sequencer. Keywords: sequencer;IlluminaGA;ROCH-454;ABI-3730XL;ABI-SOLID;HeliScope 1953年Watson和Crick揭示了DNA的双螺旋结构[1]，这大大激励了人们对DNA 序列的探索。于是DNA测序技术应运而生，是现代分子生物学中重要的实验手段。DNA测序技术及伴随产生的基因操纵技术它极大地推动了生命科学的发展[2][3]。先介绍一下DNA测序技术的发展历史。 一、DNA测序技术的发展历史 DNA测序技术迄今经历了三代的发展。DNA测序技术成熟于上世纪70年代中

一代、二代、三代测序技术

一代、二代、三代测序技术 (2014-01-22 10:42:13) 转载▼ 第一代测序技术-Sanger链终止法 一代测序技术是20世纪70年代中期由Fred Sanger及其同事首先发明。其基本原理是，聚丙烯酰胺凝胶电泳能够把长度只差一个核苷酸的单链DNA分子区分开来。一代测序实验的起始材料是均一的单链DNA分子。第一步是短寡聚核苷酸在每个分子的相同位置上退火，然后该寡聚核苷酸就充当引物来合成与模板互补的新的DNA链。用双脱氧核苷酸作为链终止试剂（双脱氧核苷酸在脱氧核糖上没有聚合酶延伸链所需要的3－OH基团，所以可被用作链终止试剂）通过聚合酶的引物延伸产生一系列大小不同的分子后再进行分离的方法。测序引物与单链DNA模板分子结合后，DNA聚合酶用dNTP延伸引物。延伸反应分四组进行，每一组分别用四种ddNTP（双脱氧核苷酸）中的一种来进行终止，再用PAGE分析四组样品。从得到的PAGE胶上可以读出我们需要的序列。 第二代测序技术-大规模平行测序 大规模平行测序平台（massively parallel DNA sequencing platform）的出现不仅令DNA测序费用降到了以前的百分之一，还让基因组测序这项以前专属于大型测序中心的“特权”能够被众多研究人员分享。新一代DNA测序技术有助于人们以更低廉的价格，更全面、更深入地分析基因组、转录组及蛋白质之间交互作用组的各项数据。市面上出现了很多新一代测序仪产品，例如美国Roche Applied Science公司的454基因组测序仪、美国Illumina公司和英国Solexa technology公司合作开发的Illumina测序仪、美国Applied Biosystems公司的SOLiD 测序仪。Illumina/Solexa Genome Analyzer测序的基本原理是边合成边测序。在Sanger等测序方法的基础上，通过技术创新，用不同颜色的荧光标记四种不同的dNTP，当DNA聚合酶合成互补链时，每添加一种dNTP就会释放出不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过特定的计算机软件处理，从而获得待测DNA的序列信息。以Illumina测序仪说明二代测序的一般流程，（1）文库制备，将DNA用雾化或超声波随机片段化成几百碱基或更短的小片段。用聚合酶和外切核酸酶把DNA片段切成平末端，紧接着磷酸化并增加一个核苷酸黏性末端。然后将Illumina测序接头与片段连接。（2）簇的创建，将模板分子加入芯片用于产生克隆簇和测序循环。芯片有8个纵向泳道的硅基片。每个泳道内芯片表面有无数的被固定的单链接头。上述步骤得到的带接头的DNA 片段变性成单链后与测序通道上的接头引物结合形成桥状结构，以供后续的预扩增使用。通过不断循环获得上百万条成簇分布的双链待测片段。（3）测序，分三步：DNA聚合酶结合荧光可逆终止子，荧光标记簇成像，在下一个循环开始前将结合的核苷酸剪切并分解。（4）数据分析 第三代测序技术-高通量、单分子测序 被称为第三代的测序的He-licos单分子测序仪，PacificBioscience的SMRT技术和 Oxford Nanopore Technologies 公司正在研究的纳米孔单分子测序技术正向着高通量低成 本长读取长度的方向发展。不同于第二代测序依赖于DNA模板与固体表面相结合然后边合成边测序，第三代分子测序，不需要进行PCR扩增。（1）Helico BioScience 单分子测序技术。该测序是基于边合成边测序的思想，将待测序列随机打断成小分子片段并用末端转移

二代测序总结

二代测序领域最新进展总结 导读 二代测序技术给生命科学领域带来了彻底的改变，而NGS 领域本身也在经历着某种意义上的变革。本文对二代测序领域的最新进展做了小结，其涉及的公司包括454 Life Sciences, Illumina, Life Technologies, Pacific Biosciences, Oxford Nanopore 等。 自从哈佛大学遗传学家George Church 和454 Life Sciences 公司Jonathan Rothberg 掀起二代测序NGS 的革命以来，已经过去了将近十年。毫不夸张地说，这段时间以来NGS 技术已经发生了翻天覆地的变化，在测序通量突飞猛进的同时，测序成本直线下降。 想当年454 Life Sciences 公司测序580-kb 的细菌基因组，需要四小时的工作循环。而今年一月份Illumina 公司发布的HiSeq X? Ten 测序系统，能够以千元成本测序完整的人类基因组，最多每天能测序600 billion bp。 如今，二代测序技术给生命科学领域带来了彻底的改变。而NGS 领域本身也在经历着某种意义上的变革。正因如此，基因组学Archon X 奖（Archon Genomics X Prize）不得不于去年八月宣布取消，因为测序成本的直线下降已经使竞赛变得毫无意义。

Church的团队是该竞赛仅有的两只报名队伍之一，他认为参赛者们是否能够完成竞赛任务还很难预料。但无论如何，既然竞赛已经启动，总得让人家比完吧。 言归正传，二代测序领域的2013年既忙碌又喧嚣，在开年之际让我们对这一领域发生的最新进展做个小结吧。 454 Life Sciences 去年十月，454 Life Sciences宣布将于2016年中旬逐步淘汰其焦磷酸测序仪器，GS Junior和GS FLX+。据该公司介绍，从扩展性和成本角度看，454平台作为首个商业化的NGS系统已经基本上走到尽头，很难再对其进行升级和改良。Roche的Beth Button指出，公司正在寻求新的测序合作伙伴。2013年9月，该公司宣布与昔日的竞争对手Pacific Biosciences合作，拟基于PacBio公司的SMRT技术进行诊断产品的开发。 Illumina 今年一月Illumina公司发布了两个以Solexa测序技术为基础的新测序平台，HiSeq X Ten和NextSeq? 500。 据该公司的新闻稿介绍，定价$250,000的台式NextSeq 500兼具了样品制备和测序功能。“它按钮式的操作，可以在许多常见测序应用之间切换。该系统能够在一天内测序整个人类基因组和多达16个外显子组。”NextSeq 500运行75个测序循环只需12小时。 HiSeqX Ten系统以10台仪器为单位销售，据称可以实现千元成本的人类基因组测序。该系统现定价1000万美元，能够在三天时间内生成1.8 terabases的数据，相当于每天约600 Gb，比HiSeq 2500强十倍。 华盛顿大学的Elaine Mardis表示，HiSeqX Ten系统针对的应该是提供人类基因组测序的服务产业，因为很少有研究机构能用到如此高的通量。“要想实现千元成本，就需要正确的样本量，”她说。当然，高通量还意味着更为复杂的数据分析。 Mardis的团队曾作过计算，为了跟上HiSeqX Ten他们可能需要花费八百万美元在信息学设施上。此外，实现千元成本意味着每年需要测序18,000到20,000 个基因组。“我要测序许多肿瘤基因组，”她说。“但数量还远远不够。”

一代、二代、三代测序技术

一代、二代、三代测序技术

图3. 测序成本的变化 1.Illumine Illumina公司的Solexa和Hiseq应该说是目前全球使用量最大的第二代测序机器，这两个系列的技术核心原理是相同的2,4。这两个系列的机器采用的都是边合成边测序的方法，它的测序过程主要分为以下4步，如图4. （1）DNA待测文库构建 利用超声波把待测的DNA样本打断成小片段，目前除了组装之外和一些其他的特殊要求之外，主要是打断成200-500bp长的序列片段，并在这些小片段的两端添加上不同的接头，构建出单链DNA文库。 （2）Flowcell Flowcell是用于吸附流动DNA片段的槽道，当文库建好后，这些文库中的DNA在通过 flowcell的时候会随机附着在flowcell表面的channel上。每个Flowcell有8个channel，每个channel的表面都附有很多接头，这些接头能和建库过程中加在DNA片段两端的接头相互配对（这就是为什么flowcell能吸附建库后的DNA的原因），并能支持DNA在其表面进行桥式PCR的扩增。 （3）桥式PCR扩增与变性 桥式PCR以Flowcell表面所固定的接头为模板，进行桥形扩增，如图4.a所示。经过不断的扩增和变性循环，最终每个DNA片段都将在各自的位置上集中成束，每一个束都含有单个DNA模板的很多分拷贝，进行这一过程的目的在于实现将碱基的信号强度放大，以达到测序所需的信号要求。 （4）测序 测序方法采用边合成边测序的方法。向反应体系中同时添加DNA聚合酶、接头引物和带有碱基特异荧光标记的4中dNTP（如同Sanger测序法）。这些dNTP的3’-OH被化学方法所保护，因而每次只能添加一个dNTP。在dNTP被添加到合成链上后，所有未使用的游离dNTP 和DNA聚合酶会被洗脱掉。接着，再加入激发荧光所需的缓冲液，用激光激发荧光信号，并有光学设备完成荧光信号的记录，最后利用计算机分析将光学信号转化为测序碱基。这样荧光信号记录完成后，再加入化学试剂淬灭荧光信号并去除dNTP 3’-OH保护基团，以便能进行下一轮的测序反应。Illumina的这种测序技术每次只添加一个dNTP的特点能够很好的地解决同聚物长度的准确测量问题，它的主要测序错误来源是碱基的替换，目前它的测序错误率在1%-1.5%之间，测序周期以人类基因组重测序为例，30x测序深度大约为1周。

三代测序原理技术比较

三代测序技术和原理介绍 导读从1977年第一代DNA测序技术（Sanger法）1，发展至今三十多年时间，测序技术已取得了相当大的发展，从第一代到第三代乃至第四代，测序读长从长到短，再从短到长。 摘要：从1977年第一代DNA测序技术（Sanger 法）1，发展至今三十多年时间，测序技术已取得了相当大的发展，从第一代到第三代乃至第四代，测序读长从长到短，再从短到长。虽然就当前形势看来第二代短读长测序技术在全球测序市场上仍然占有着绝对的优势位置，但第三和第四代测序技术也已在这一两年的时间中快速发展着。测序技术的每一次变革，也都对基因组研究，疾病医疗研究，药物研发，育种等领域产生巨大的推动作用。在这里我主要对当前的测序技术以及它们的测序原理做一个简单的小结。 图1：测序技术的发展历程 生命体遗传信息的快速获得对于生命科学的研究有着十分重要的意义。以上（图1）所描述的是自沃森和克里克在1953年建立DNA双螺旋结构以来，整个测序技术的发展历程。

第一代测序技术 第一代DNA测序技术用的是1975年由桑格（Sanger）和考尔森（Coulson）开创的链终止法或者是1976-1977年由马克西姆（Maxam）和吉尔伯特（Gilbert）发明的化学法（链降解）. 并在1977年，桑格测定了第一个基因组序列，是噬菌体X174的，全长5375个碱基1。自此，人类获得了窥探生命遗传差异本质的能力，并以此为开端步入基因组学时代。研究人员在Sanger法的多年实践之中不断对其进行改进。在2001年，完成的首个人类基因组图谱就是以改进了的Sanger法为其测序基础，Sanger法核心原理是：由于ddNTP的2’和3’都不含羟基，其在DNA的合成过程中不能形成磷酸二酯键，因此可以用来中断DNA合成反应，在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP（分为：ddATP,ddCTP,ddGTP和ddTTP），通过凝胶电泳和放射自显影后可以根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列（图2）。这个网址为sanger 测序法制作了一个小短片，形象而生动。 值得注意的是，就在测序技术起步发展的这一时期中，除了Sanger法之外还出现了一些其他的测序技术，如焦磷酸测序法、链接酶法等。其中，焦磷酸测序法是后来Roche公司454技术所使用的测序方法2–4，而连接酶测序法是后来ABI公司SOLID技术使用的测序方法2,4，但他们的共同核心手段都是利用了Sanger1中的可中断DNA合成反应的dNTP。

DNA测序技术比较_刘振波

1第1代测序技术 1954年，Whitfeld等用化学降解法测定多聚核糖核苷酸序列［3］，是关于DNA测序技术的较早报道。1977年，Sanger发明DNA双脱氧核苷酸末端终止测序法（chain terminator sequencing），A.M. Maxam和W.Gilbert发明DNA化学降解测序法(chemical degradation sequencing)，2项技术的出现，标志第1代测序技术诞生［1，2］。 Sanger测序法的原理如下：每一次DNA测序反应都由4个独立反应组成，由于DNA双链中核苷酸以3′，5′-磷酸二酯键相连，因此在测序过程中掺入2′，3′-双脱氧核苷三磷酸—— —ddNTP（不含3′-OH），当ddNTP位于DNA双链的延伸末端时，无羟基3′端不能与其他脱氧核苷酸形成3′，5′-磷酸二酯键，因此，DNA双链合成便终止，若在终止位点掺入ddATP，则新生链末端为A，若掺入ddTTP、ddCTP、ddGTP，相应地，新生链末端则是T、C或G。该测序技术的具体做法如下：将模板、引物、4种dNTP（其中含有一种为放射性同位素标记的核苷酸）与DNA聚合酶共同保温，形成的混合物包含许多长短不一的片段，最后利用聚丙烯酰胺变性凝胶电泳（SDS-PAGE）分离该混合物，得到放射性同位素自显影条带图谱，人们依据凝胶电泳图即可读出DNA双链的碱基序列组成（图1）。Sanger测序技术操作快速、简单，因此应用较广泛，例如，人类基因组测序正是基于该技术而完成［4］。DNA测序技术的出现，不但为人类对植物、动物和微生物进行基因改造的研究提供科学依据，而且在医学方面，对疾病诊断、治疗和研究具有重要价值。 图1第1代测序技术流程 （图1来源于https://www.wendangku.net/doc/2e16120653.html,） DNA测序技术比较 刘振波（内蒙古自治区赤峰市教育局教学研究中心内蒙古赤峰024000） 摘要自从1953年，J.D.Watson和F.H.C.Crick发现DNA的双螺旋模型之后，DNA测序技术随着科学的进步得到了迅猛发展。1977年Sanger［1］发明DNA双脱氧末端终止测序技术，Maxam与Gilbert［2］发明利用化学降解法进行测序的技术，2种测序技术被誉为DNA测序技术的始祖。随后，在第1代DNA测序技术的基础上，相继出现了第2代测序技术、基因芯片技术以及第3代测序技术。总结并展望了每一代测序技术及基因芯片技术的诞生、原理及应用前景，为利用测序技术研究基因表达提供理论基础和实验依据。 关键词DNA测序技术第2代测序技术第3代测序技术基因芯片 中国图书分类号：Q－33文献标识码：A

高通量测序：第二代测序技术详细介绍

在过去几年里,新一代ＤNA测序技术平台在那些大型测序实验室中迅猛发展,各种新技术犹如雨后春笋般涌现。之所以将它们称之为新一代测序技术(nｅｘt-generatiｏｎsequｅncing), 就就是相对于传统Ｓan ｇeｒ测序而言得。Sａnger 测序法一直以来因可靠、准确,可以产生长得读长而被广泛应用,但就就是它得致命缺陷就就是相当慢。十三年,一个人类基因组,这显然不就就是理想得速度,我们需要更高通量得测序平台。此时,新一代测序技术应运而生,它们利用大量并行处理得能力读取多个短DNA 片段,然后拼接成一幅完整得图画。 Ｓanｇeｒ测序大家都比较了解,就就是先将基因组DNA 片断化，然后克隆到质粒载体上，再转化大肠杆菌。对于每个测序反应,挑出单克隆,并纯化质粒ＤＮＡ。每个循环测序反应产生以ddNTP终止得,荧光标记得产物梯度,在测序仪得9６或３８４毛细管中进行高分辨率得电泳分离。当不同分子量得荧光标记片断通过检测器时，四通道发射光谱就构成了测序轨迹。 在新一代测序技术中,片断化得基因组DＮA 两侧连上接头,随后运用不同得步骤来产生几百万个空间固定得PCR 克隆阵列(ｐolony)。每个克隆由单个文库片段得多个拷贝组成。之后进行引物杂交与酶延伸反应。由于所有得克隆都就就是系在同一平面上,这些反应就能够大规模平行进行。同样地,每个延伸所掺入得荧光标记得成像检测也能同时进行,来获取测序数据。酶拷问与成像得持续反复构成了相邻得测序阅读片段。

Ｓｏｌｅxａ高通量测序原理 -－采用大规模并行合成测序法（ＳＢS，Sequｅnｃing-Ｂy-Synthesｉs)与可逆性末端终结技术(Reversible ＴermiｎａtｏｒＣhemistrｙ) －－可减少因二级结构造成得一段区域得缺失。 -－具有高精确度、高通量、高灵敏度与低成本等突出优势 －－可以同时完成传统基因组学研究(测序与注释)以及功能基因组学(基因表达及调控,基因功能,蛋白/核酸相互作用)研究 -－--将接头连接到片段上,经PCＲ扩增后制成Libｒarｙ。 ----随后在含有接头(单链引物)得芯片（floｗcell ）上将已加入接头得DNA 片段变成单链后通过与单链引物互补配对绑定在芯片上，另一端与附近得另外一个引物互补也被固定,形成“桥” -－－-经30伦扩增反应,形成单克隆DNＡ簇 －-－-边合成边测序(Seqｕenciｎg By Syntheｓiｓ)得原理，加入改造过得DNA 聚合酶与带有4 种荧光标记得dNTP。这些dＮTP就就是“可逆终止子”,其3’羟基末端带有可化学切割得基团，使得每个循环只能掺入单个碱基。此时,用激光扫描反应板表面,读取每条模板序列第一轮反应所聚合上去得核苷酸种类。之后，将这些基团化学切割，恢复３'端粘性,继续聚合第二个核苷酸。如此继续下去,直到每条模板序列都完全被聚合为双链。这样,统计每轮收集到得荧光信号结果,就可以得知每个模板DＮＡ片段得序列。目前得配对末端读长可达到2×50 bp，更长得读长也能实现,但错误率会增高。读长会受到多个引起信号衰减得因素所影响,如荧光标记得不完全切割。 Ｒoche454测序技术 “一个片段=一个磁珠= 一条读长(One fragｍeｎt ＝Oneｂeａｄ= Ｏｎｅｒead)”?1)样品输入并片段化:GS FＬX 系统支持各种不同来源得样品,包括基因组DNＡ、PCR 产物、BＡC、ｃＤNＡ、小分子RNA 等等。大得样品例如基因组DNA 或者BＡC 等被打断成3０0－800 ｂp 得片段；对于小分子得非编码RNＡ或者PCR 扩增产物,这一步则不需要。短得PCＲ产物则可以直接跳到步骤3)。

高通量测序技术--第二代测序技术

高通量测序技术--第二代测序技术 高通测序技术—量第二—测序代术技 高量通序技测术是对统传测一序次命性的革变改一，次几对万十到百万几DN条分A 子行进列序定，测此因在些有文献中称其下为代一测技术(nex序 gteenrtiano sequnecing足)见其时代的改变，同划时高通测量使得序一对个种物转的组和基录因进组行细致全貌的析分成为能，可以所又称为被度测深(d序eepseq uneincg)。 从2019年自44 5Lif ecSenies公司c2（07年0该司被公Rcoe正式收购h推）了454出 FXL磷酸焦序测台平4（4 F5L Xyrpsoeuqencng piatlorfm）以来曾，推过3出 70xl D3AN测仪序（330xl D7N AAalynze）的Appliedr BoiySste（AmIB这家一直）占着测序据场最市份大额公司的的先地位领就始动摇开，因为了们他的头产拳毛品细管列电泳测阵序系列（series ca仪ilplayra rayr elcetrohopesirsse uencing qmahcnei）s遇了两到强有力的竞个对手，争个一就是氏公罗司(oRhce的4)4 5测仪(序ocRh GSF X Lequesncre，)另一，就是2个00年美国6lluIinma司公出推的olSxe基a因分组析平台G（neoem nalyzeArp lafotmr，）为，此020年7BA公司推I了自主出发研S的LODi 测仪序A(I SBOLD siqueencre。)这三个测平台序即目为前通量高测平台的代序。表（见一表） 公司名称 技术原技理开术发商者业式模 Ap lyp BosistemysABI()基于珠磁大的模规并克行连隆DNA接序法测美国 gencAourt私基因组人学公司（AP）上G市司公 ： 售设备和试销获取利剂 Il润umilan合成测法序英国 Sloxae司公席科首家D学avdiB entlye上市司：公 销 售设和备试获取利润剂 R che 大规o模并行焦磷合成测序法酸国美44 5iLf Sceiecnse公司的创始人onJtahn Raohbtreg上市公司： 销