PNAS：半导体测序助力胎儿遗传病检测

半导体测序是采用半导体传感器芯片，对DNA复制期间产生的氢离子进行实时的测定。近日来自中国广州医科大学等机构的科研人员报告了一种基于半导体的DNA测序平台具有迅速、便携且成本低等特点，可能有助于增加胎儿遗传测试的速度并减少成本。日前，来自中国广州医科大学等机构的科研人员报告了一种基于半导体的DNA测序平台可能有助于增加胎儿遗传病检测的速度并减少成本，研究报告被发表在5月5日的PNAS网络先行版上。什么是基于半导体的DNA测序？半导体DNA测序平台是使用半导体生物传感器芯片，对DNA复制期间产生的氢离子进行实时测定。芯片上密布了数百万个微孔，每个微孔都是单独的反应器，包括一个待测序的DNA模板片段（一种微流控芯片技术）。在加入一种dNTP后，如果加入的这种dNTP和模板中的引导核苷酸互补，就会形成互补链。在形成互补链过程中释会放出一个氢离子（H），从而引起PH值的改变。通过实时测定PH值变化值逐步将遗传信息（DNA）翻译成DNA序列组合信息。胎儿遗传病检测发展：从荧光检测到氢离子检测过去对于有必要接受染色体异常检查的孕妇，传统诊断多采用羊膜穿刺或绒毛膜采样的方法，大多在怀孕12周左右进行。这些介入性方法有两大缺点：一是时间长，需要2周到3周才能出结果；二是穿刺针有不到1％的几率扎到胎儿，可能引发感染甚至流产。自从1977年第一代测序技术出现之后，经过了30多年发展，第三代测序技术已经初露端倪，并向着更快、更准、更便宜的方向发展。目前称得上第三代测序技术主要是Helicos公司的单分子测序技术、OxfordNanoporeTechnologies公司的纳米孔单分子测序技术等。然而纳米孔单分子测序技术因为测序量较低而不能用于孕妇的胎儿DNA产前检测。与第二代测序技术相类似，基于半导体的DNA测序平台也属于一种无创检测，其操作基本步骤与二代相似。当试剂通过继承的流体通路进入芯片中，密布于芯片上的反应孔立即成为上百万个微反应体系。这种独特的流体体系、微体系机械设计和半导体技术的组合，使得研究人员能够在两个多小时内获取从10Mb到1Gb以上高精确度序列。只需抽取孕妇2毫升血样，就能诊断与染色体异常有关的先天缺陷，包括最常见的唐氏综合征、导致形体和器官多种异常的爱德华氏综合征等。这项研究的负责人、加州大学圣迭戈分校遗传医学研究所所长KangZhang说，这种高通量测序技术，能一次对几十万到几百万条DNA（脱氧核糖核酸）进行序列测定。可把诊断提前到怀孕第9周，4天便能出结果，准确率也非常高。半导体测序在产前检测中的优点：迅速、便捷、成本低近来基于大规模平行测序的方法已经促进了迅速的、非侵入式的出生前遗传测试，这种测试通过分析母亲血浆中流动的无细胞DNA从而测试，被称为非整倍性的染色体拷贝数的异常。这项研究中的基于半导体的实验台测序平台，可在2-4个小时里每秒获取50亿个数据点，因此也就增加了迅速、便携而且具有成本效益的胎儿非整倍性产前诊断的效率。研究人员通过对515名孕妇测试诊断灵敏度和特异性从而验证了这个测序平台，这些孕妇来自中国的两所医院，此前通过核型分析获得了她们的非整倍性数据。研究人员报告称，这个平台发现了全部55例唐氏综合征、16例爱德华综合征、3例Patau综合征——它们的特点都是有额外的染色体拷贝——而特异性和灵敏度在99%到100%之间。此外，这种方法帮助识别出了15名性染色体非整倍性的胎儿。之后，研究人员将这一平台应用到了1760名没有核型分析数据的孕妇身上，结果检测到了15例唐氏综合征、爱德华综合征或Patau综合征，以及1例X染色体非整倍性。为什么半导体测序检测DNA序列速度更快？第二代测序（Illumina/SolexaGenomeAnalyzer测序）的基本原理是边合成边测序。采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。测序过程包括：测序文库的构建、锚定桥接、预扩增、单碱基延伸测序和数据分析5个步骤。其不足是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。由于DNA合成过程中释放氢离子引起的pH值变化，半导体传感器芯片就是对DNA复制期间产生的氢离子进行实时的测定，不需要修饰核苷酸，也不需要激光器或光学检测设备，因此速度较快。该项研究课题组KangZhang等人员表示，随着大龄母亲越来越多，新生儿出生缺陷几率呈上升趋势。基于半导体的实验台测序平台能提高诊断速度，降低检测成本，不仅为将来“由医院直接完成所有检测”提供了可能性，而且为节省具有特异性的产前遗传诊断的时间和成本铺平了道路。硼酸