不同代次测序技术的原理、发展及适用范围

摘 要:

目前为止,已经发展出了三代不同的测序技术。第一代测序技术具有较长的测序片段和高准确率,在人类基因组计划中发挥了极大的作用。第二代测序技术实现了高通量、高效率、高准确度,大大降低了测序成本。第三代测序技术即纳米孔单分子测序技术,实现了对每一条DNA分子的单独测序,有着更快的数据读取速度,应用潜能也势必超越先前的测序技术。

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目前为止,已经发展出了三代不同的测序技术,这些测序技术具有不同的原理和特点,因此其适用范围也不同。

1、第一代测序技术 

1975年Sanger和Coulson发明了“Plus and Minus”(俗称“加减法”)测定DNA序列;1977年Maxam and Gilbert发明了化学降解法测序;1977年Sanger引入ddNTP(双脱氧核苷三磷酸),发明了著名的双脱氧链终止法。双脱氧链终止法有效控制了化学降解法中化学毒素和同位素的危害,在随后的二十多年得到很好的应用。这些技术及在此基础上发展的相关技术统称为第一代测序技术。

第一代测序技术凭借其长的序列片段和高的准确率,适合对新物种进行基因组长距框架的搭建以及后期GAP填补,尤其在人类基因组计划中发挥了极大的作用和进行了发展。但第一代测序技术成本昂贵,而且难以胜任微量DNA样品及大规模高通量测序工作的要求。

2、第二代测序技术

随着人类基因组计划的完成,人们开始进入后基因组时代。科学家逐渐测出多种生物的序列,传统的测序技术已无法满足高通量和高效率的大规模基因组测序,第二代DNA测序技术就诞生了。第二代测序技术实现了高通量、高效率、高准确度,大大降低了测序的成本,DNA测序可以向个人测序发展。

第二代测序技术中,454序列片段最长,比较适合对未知基因组从头测序,搭建主体结构,但是在判断连续单碱基重复区时准确度不高。Solexa较454具有通量高、片段短、价位低的特点,可以用于大基因组和小基因组的测序和重测序。Solexa双末端测序(paired-end sequencing)可以为基因组进一步拼接提供定位信息,但是随着反应轮数增加,序列长度和质量均有所下降,而且在阅读AT区时有明显错误倾向。SOLiD基于双碱基编码系统的纠错能力以及较高的测序通量,适合转录本研究以及比较基因组学特别是SNP检测等,但是测序的片段短限制了该技术在基因组拼接中的广泛应用。

3第三代测序技术

随着在遗传学研究中,成千上万的基因组需要测出及分析,高通量的第二代测序技术还是面临成本高、效率低、准确度不是很高等问题,第三代测序技术已经开始崭露头角,即基于纳米孔(nanopore)的单分子测序技术(见下图)。

不同代次测序技术的原理、发展及适用范围

第三代测序技术真正实现了对每一条DNA分子的单独测序,有着更快的数据读取速度,应用潜能也势必超越先前的测序技术。但是目前第三代测序技术目前还在开发阶段,尚未正式大量投入使用。

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