第二代測序技術(shù)

--以Illumina/Solexa Genome Analyzer 為例

1.概述

      DNA測序（DNA sequencing）作為一種重要的實驗技術(shù),，在生物學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。早在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（Watson and Crick,1953)被發(fā)現(xiàn)后不久就有人報道過DNA測序技術(shù)，但是當時的操作流程復(fù)雜,，沒能形成規(guī)模。隨后在1977年Sanger發(fā)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(fā)明了化學(xué)降解法,。Sanger法因為既簡便又快速，并經(jīng)過后續(xù)的不斷改良,，成為了迄今為止DNA測序的主流,。然而隨著科學(xué)的發(fā)展，傳統(tǒng)的Sanger測序已經(jīng)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(shù),，第二代測序技術(shù)（Next-generation sequencing)應(yīng)運而生,。第二代測序技術(shù)的核心思想是邊合成邊測序（Sequencing by Synthesis)，即通過捕捉新合成的末端的標記來確定DNA的序列,，現(xiàn)有的技術(shù)平臺主要包括Roche/454 FLX,、Illumina/Solexa Genome Analyzer和Applied Biosystems SOLID system。這三個技術(shù)平臺各有優(yōu)點,，454 FLX的測序片段比較長,，高質(zhì)量的讀長（read）能達到400bp；Solexa測序性價比最高,，不僅機器的售價比其他兩種低,，而且運行成本也低，在數(shù)據(jù)量相同的情況下,，成本只有454測序的1/10,；SOLID測序的準確度高，原始堿基數(shù)據(jù)的準確度大于99.94%,，而在15X覆蓋率時的準確度可以達到99.999%,，是目前第二代測序技術(shù)中準確度最高的。雖然第二代測序技術(shù)的工作一般都由專業(yè)的商業(yè)公司來完成,，但是了解測序原理,、操作流程等會對后續(xù)的數(shù)據(jù)分析有很重要的作用，下文將以Illumina/Solexa Genome Analyzer 測序為例,，簡述第二代測序技術(shù)的基本原理,、操作流程等方面。

2.基本原理

      Illumina/Solexa Genome Analyzer測序的基本原理是邊合成變測序,。在Sanger等測序方法的基礎(chǔ)上,，通過技術(shù)創(chuàng)新，用不同顏色的熒光標記四種不同的dNTP,，當DNA聚合酶合成互補鏈時,，每添加一種dNTP就會釋放出不同的熒光，根據(jù)捕捉的熒光信號并經(jīng)過特定的計算機軟件處理,，從而獲得待測DNA的序列信息,。

3.操作流程

1）測序文庫的構(gòu)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(tǒng)所需的樣品量可低至100ng,能應(yīng)用在很多樣品有限的實驗中）,，然后將DNA隨機片段化成幾百堿基或更短的小片段,，并在兩頭加上特定的接頭（Adaptor）。如果是轉(zhuǎn)錄組測序,，則文庫的構(gòu)建要相對麻煩些,，RNA片段化之后需反轉(zhuǎn)成cDNA，然后加上接頭,，或者先將RNA反轉(zhuǎn)成cDNA,，然后再片段化并加上接頭,。片段的大?。?span lang=EN-US XML:LANG="EN-US">Insert size）對于后面的數(shù)據(jù)分析有影響,，可根據(jù)需要來選擇。對于基因組測序來說,，通常會選擇幾種不同的insert size,，以便在組裝（Assembly）的時候獲得更多的信息。

2）錨定橋接（Surface Attachment and Bridge Amplification）

      Solexa測序的反應(yīng)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(nèi)表面有無數(shù)的被固定的單鏈接頭。上述步驟得到的帶接頭的DNA 片段變性成單鏈后與測序通道上的接頭引物結(jié)合形成橋狀結(jié)構(gòu),，以供后續(xù)的預(yù)擴增使用,。

3）預(yù)擴增（Denaturation and Complete Amplification）

      添加未標記的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,。通過不斷循環(huán),，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）單堿基延伸測序（Single Base Extension and Sequencing）

      在測序的flow  cell中加入四種熒光標記的dNTP ,、DNA 聚合酶以及接頭引物進行擴增,，在每一個測序簇延伸互補鏈時，每加入一個被熒光標記的dNTP就能釋放出相對應(yīng)的熒光,，測序儀通過捕獲熒光信號,，并通過計算機軟件將光信號轉(zhuǎn)化為測序峰，從而獲得待測片段的序列信息,。從熒光信號獲取待測片段的序列信息的過程叫做Base Calling,，Illumina公司Base Calling所用的軟件是Illumina’s Genome Analyzer Sequencing Control Software  and Pipeline Analysis Software。讀長會受到多個引起信號衰減的因素所影響,，如熒光標記的不完全切割,。隨著讀長的增加，錯誤率也會隨之上升,。

5）數(shù)據(jù)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。測序得到的原始數(shù)據(jù)是長度只有幾十個堿基的序列,，要通過生物信息學(xué)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，并進一步分析得到有生物學(xué)意義的結(jié)果,。

（注：圖片引自Elaine R. Mardis (2008) Next-Generation DNA Sequencing Methods Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 9:387–402）

4.討論

      目前Solexa測序的讀長能達到75bp,，這個大小比傳統(tǒng)的Sanger測序要短得多,，也比Applied  Biosystems 公司的SOLID測序要短，但是Solexa測序的優(yōu)勢是能夠獲得海量的數(shù)據(jù),，并且價格低廉,，按相同的數(shù)據(jù)量來算，Solexa測序要比其他測序技術(shù)便宜很多,。75bp的長度肯定是不適合直接用來分析的,，測序得到的reads需要拼接之后才能有實際的用途，這就要求有強大的生物信息學(xué)分析能力作為支撐,。

      和傳統(tǒng)的測序技術(shù)相比,，Solexa測序的錯誤率也相對較高，并且測序錯誤傾向于分布在read后面的堿基中,，如何區(qū)分測序錯誤和真正的DNA多態(tài)性也是一個大問題,。

      盡管新一代測序技術(shù)還不盡如人意，但是它還是有著廣泛的應(yīng)用,。目前一些模式生物的全基因組重測序,、非模式生物的全基因組測序以及一些生物的轉(zhuǎn)錄組測序都采用了新一代測序技術(shù)，比如說前不久剛發(fā)表的熊貓的全基因組(Ruiqian Li et al,2009)測序就是用Solexa測序技術(shù)完成的,。

5.參考文獻

(1)Elaine R. Mardis (2008) Next-Generation DNA Sequencing Methods Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 9:387–402

(2)Jay Shendure,  Hanlee Ji (2008) Next-generation DNA sequencing. nature biotechnology 6:1135-1145

(3)Stephan C Schuster (2008) Next-generation sequencing transforms today’s biology. Nature Methods 5:16-18

(4)Zhou DG, Zhao QG, Fu CG et al (2008) The Next Generation Sequencing and its Effect on the Rice Molecular Design Breeding. Molecular Plant Breeding  6: 619-630

(5)http://www./newsf/2008-10/20081023145504.htm