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，ABI3730XL，ABISOLID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；HeliScopeStudiesonsequencingtechnologyandsequencerXUZhi-chaoCollegeofLifeSciencesAbstract:SequencingtechnologyhasleapingdevelopedpromotedbytheHumanGenomeProjectsincetheSangersequencingtechnologybeeninvented.Sequencingtechnologyhasgonethroughthreegenerationbytheimprovementofsequencingmethodsandsequencer,atthesametime,sequencingtechnologydevelopedtowardshigh-flux,singlemoleculesequencingandlowerprice.Sequencingtechnologyhasbecomethemostimportantexperimentalmeansinmolecularbiologyexperimentscurrently.Thispapersimplyreviewsthehistoricaldevelopmentofsequencingtechnology,introducestheprincipleandworkflowofthemainsequencer.Keywords:sequencer;IlluminaGA;ROCH-454;ABI-3730XL;ABI-SOLID;HeliScope1953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年代中后期，随后的20多年第一代测序技术测出了不少简单的小型基因组。1990年提出人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP），逐步诞生了高通量第二代测序技术。近年来，单分子等第三代测序技术开始出现，也预示着测序技术将应用更广，同时测序的成本会越来越低[4][5]。1.1第一代测序技术1975年Sanger和Coulson发明了“PlusandMinus”（俗称“加减法”）测定DNA序列[6]；1977年MaxamandGilbert发明了化学降解法测序[7]；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[8]。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。（StephanCSchusterNext-generationsequencingtransformstoday’sbiology）第一代测序技术在人类基因组计划中有了极大作用与发展[9]。1.2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（post-genomicera）。科学家逐步测出多种生物的序列，传统的测序技术已经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（next-generationsequencing）就诞生了[10]。第二代测序技术主要有Roche公司应用焦磷酸测序原理的454测序技术及454基础上的GSFLX、GSJunior测序平台[11]；Illumina公司应用合成测序原理的新一代SolexaGenomeAnalyzer测序平台，ABI公司使用连接技术的Solid测序平台。第二代测序技术实现了高通量、高效率、高准确度的测序大大降低了测序的成本，DNA测序可以向个人测序发展。第二代测序技术很好应用于单核苷酸多态性（SingleNucleotidePolymorphism，SNP）的研究，对探索人类的遗传及基因病有极大的意义[9]。1.3第三代测序技术然而在遗传学中，成千上万的基因组需要测出及分析，高通量的二代技术还是面临成本高、效率低、准确度不是很高等的难题，第三代测序技术已经开始崭露头角。第三代测序技术主要有Helicos公司开发的单分子测序、CompleteGenomics公司对人类大型基因组研究中最新技术[12]、OpGen公司的OpticalMappingSolutions测序等。二、测序仪器目前市场上测序所用的仍然以第二代测序仪为主，进行常规测序所用的主要仪器是ABI3730XL，而进行高通量测序所用的通常为IlluminaGAⅡ,（一）Illumina测序仪IlluminaGenomeAnalyze系列Illumina公司的新一代测序仪GenomeAnalyzer最早由Solexa公司研发，利用其专利核心技术“DNA簇”和“可逆性末端终结（reversibleterminator）”，实现自动化样本制备及基因组数百万个碱基大规模平行测序。Illumina公司于2007年花费6亿美金的巨资收购了Solexa，就是为了促成GenomeAnalyzer的商品化。GenomeAnalyzer作为新一代测序技术平台，具有高准确性，高通量，高灵敏度，和低运行成本等突出优势，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。GenomeAnalyzer自上市以来，已经为千人基因组计划立下了赫赫战功。今年早期，荷兰科学家利用它首次绘出女性的基因组图谱。之前，《Nature》杂志上一连出现三个人类基因组图谱：炎黄一号-第一个亚洲人图谱；第一个癌症病人图谱；第一个非洲人图谱。它们全是依赖GenomeAnalyzer完成的。这和第一个人类基因组图谱的13年形成了多么鲜明的对照。根据去年底的数据，GenomeAnalyzer已售出约200台，估计是市场占有率最广的。前不久，华大基因再添置了12台，准备放在香港和深圳的实验室，至此华大基因已经有29台GenomeAnalyzer。而著名的麻省理工学院和哈佛大学Broad研究院拥有47台Illumina测序仪。众多实验室之所以选择Illumina，看中的无疑是GenomeAnalyzer的高性价比。上个月，Illumina将GenomeAnalyzerII升级到GenomeAnalyzerIIx，距年底实现单次运行获得95GB数据的宏伟目标又近了一步。GenomeAnalyzerIIx有两个核心特征：其一是更大的试剂冷却器，支持超过100个测序循环，进一步提升了系统的易用性和自动化；其二是全新的流动池支架，让每轮运行所得的高质量数据增加20%。依靠系统软件和试剂的改进，GenomeAnalyzerIIx现在能够支持100bp以上的配对末端读长，并在每次运行中产生超过20GB的高质量数据。GenomeAnalyzer技术的基本原理：1.文库制备将基因组DNA打成几百个碱基（或更短）的小片段，在片段的两个末端加上接头(adapter)。2.产生DNA簇利用专利的芯片，其表面连接有一层单链引物，DNA片段变成单链后通过与芯片表面的引物碱基互补被一端“固定”在芯片上。另外一端（5’或3’）随机和附近的另外一个引物互补，也被“固定”住，形成“桥(bridge)“。反复30轮扩增，每个单分子得到了1000倍扩增，成为单克隆DNA簇。DNA簇产生之后，扩增子被线性化，测序引物随后杂交在目标区域一侧的通用序列上。3.测序GenomeAnalyzer系统应用了边合成边测序（SequencingBySynthesis）的原理。加入改造过的DNA聚合酶和带有4种荧光标记的dNTP。这些核苷酸是“可逆终止子”，因为3’羟基末端带有可化学切割的部分，它只容许每个循环掺入单个碱基。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2×50bp，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。4.数据分析自动读取碱基，数据被转移到自动分析通道进行二次分析。GenomeAnalyzer系统的优势。1.可扩展的超高通量GenomeAnalyzer系统目前每次运行后可获得超过20GB的高品质过滤数据。这个技术的可扩展性保证了更高的数据密度和输出，能用更少的经费完成更复杂的项目。到今年底，通量还有望上升到95GB，相当于人类基因组的30倍覆盖度。2.需要样品量少GenomeAnalyzer系统需要的样品量低至100ng，能应用在很多样品有限的实验（比如免疫沉淀、显微切割等）中。这也是很多研究人员所考虑的因素。3.简单、快速、自动化GenomeAnalyzer系统提供了最简单和简洁的工作流程。即使是最小的实验室也能像大型基因组中心一样进行大规模的实验。制备样品文库可以在几小时内完成，一个星期内就能得到高精确度的数据。ClusterStation可以说是GenomeAnalyzer的核心。由独立软件控制的自动生成DNA簇的过程可以在5小时之内（30分钟手工操作）完成。这个自动化的流程不需要进行EmulsionPCR，减少了手工操作误差和污染可能性，也不需要机器人操作或洁净室。快速的实验流程使GenomeAnalyzer的能力增至最大，而自动化步移降低了项目的时间和费用。4.新颖的测序化学技术GenomeAnalyzer通过合成测序来支持大规模并行测序。利用新颖的可逆荧光标记终止子，可以在DNA链延伸的过程中检测单个碱基掺入。由于四个可逆终止子dNTP在每个测序循环都存在，自然的竞争减少了掺入的误差。5.单个或配对末端支持GenomeAnalyzer系统支持单个片段或配对末端文库。文库构建过程简单，减少了样品分离和制备的时间。制备基因组DNA的单个片段或配对末端文库需要6个小时，只有3个小时需要手工操作。2×50个碱基或更长的读长增加了比对基因组的能力，并拓展了在其他方面的应用。然而，精明的用户更看重的是性价比，这也是他们选择Illumina的重要原因。Illumina的售价约为45万美元，低于454GSFLX的50万和SOLiD系统的59万（以上皆为美国的售价）。此外，运行成本也是一个关键因素。美国凤凰城翻译基因组学研究院（TGen）的主管DavidDuggan曾表示，当年购买新一代测序仪时，每次运行的费用就成为他下决定的主要因素。他最终选择了IlluminaGenomeAnalyzer，因为每轮的运行费用为3000-4000美元（2007年的数据），较为合理，而其他测序仪可能更高。当然，他也综合考虑了通量、运行时间和样