华因康新一代高通量测序技术之应用篇

        在过去几年里,新一代DNA 测序技术平台得到迅猛发展,各种新技术犹如雨后春笋般涌现。2010 年12 月底美国《福布斯》封面文章标题为“基因测序科技突飞猛进”,该文章对新型基因测序仪器做了介绍。目前DNA 测序技术已广泛应用于生物学研究的各个领域,很多生物学问题都可以借助高通量DNA 测序技术予以解决。过去三年,大规模测序已经发展为主流的测序技术,该测序技术令DNA 测序费用降到了以前的百分之一。

一、第一代高通量测序技术的兴起背景与市场现状
        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速度相当慢。随着人类基因组计划的完成,人们进入了后基因组时代,即功能基因组时代,传统的测序方法已经不能满足深度测序和重复测序等大规模基因组测序的需求,这

人类基因组测序相关历史回顾:
 1990 年10 月1 日,美国HGP 启动,计划在15 年内投入至少30 亿美元进行人类全基因组的分析。1998 年,中科院遗传所组建,1999 年成立了北方人类基因组中心。
1999 年7 月,在国际人类基因组得到完成人类3 号染色体一个约30Mb 区域的测序任务,约占人类整个基因组的1%。
2000 年6 月26 日人类基因组工作草图完成。

些促使了新一代DNA 测序技术的诞生。
        2005 年, 454 生命科学公司推出了市场上首个新一代测序平台GenomeSequencer 20。随后,Illumina 和ABI 公司也陆续推出了不同类型的测序系统,同样是瞄准了测序这个潜在的巨大市场。
        测序领域进展迅速,方法和检测手段也各种各样。目前,在测序方法上,有连接法、合成法、Nanopore 技术。连接法主要有Complete Genomics 与ABI;合成法有太平洋生物科学公司(PacBio)SMRT 测序,Heliscope 单分子基因测序,Ion Torrent,Illumina 系列平台,454 系列平台。Nanopore 技术主要有生物纳米孔(α溶血素)和固态纳米孔(石墨烯等)。


 产地  平台及公司名称 测序方法   检测方法 大约读长(碱基数)   优点 相对局限性 
国外   基因组测序仪FLX 系统(Roche)  焦磷酸法  光学  800-1000 在第二代中最高读长;比第一代的测序通量大   样品制备较难;难于处理重复和同种碱基多聚区域;试剂冲洗带来错误累积;仪器昂贵
 HiSeq 2000/MiSeq(Illumina)  可逆链终止物和合成测序法  荧光/光学  2x125 很高,操作简单   仪器昂贵;用于数据删节和分析的费用很高
 SOLiD 5500xl 系统(ABI)  连接测序法  荧光/光学  25-35  很高测序通量;在广为接受的几种第二代平台中,所要拼接出人类基因组的试剂成本最低  测序运行时间长;读长短,造成成本高,数据分析困难和基因组拼接困难;仪器昂贵
Heliscope  (Helicos)  单分子合成测序法  荧光/光学  25-30  高通量;在第二代中属于单分子性质的测序技术  读长短,推高了测序成本,降低了基因组拼接的质量;仪器非常昂贵
 国内 PSTAR-II
 (HYK)
 连接测序法  荧光/光学  30bp  测序通量高;准确度高;灵活性高;价格低,测序试剂均自主研发,大大降低测序价格  读长短,对庞大的基因组拼接相对困难,但对于小片段基因分析十分适用,成本较低
 

二、华因康PSTAR-II新一代测序技术主要应用方向
新一代测序技术凭借其费用更低、通量更高、速度更快,已成为现代科学研究的最新手段。华因康自主研发的PSTAR-II 高通量基因测序系统,采用独有的专利技术及国际公认最准确的连接法对DNA/RNA 进行大规模序列测定,是具有独立知识产权的第一台国产测序仪,已经广泛应用于科研、生物医学、临床医疗、医药、能源、卫生保健、生物信息、软件分析、生命安全等领域。
(一)SNP
     分析主要包括:耐药性检测,疾病(癌症等)风险性检测,营养指导等。
     由单核苷多态性(SNP)所引起的遗传多态性与个体患病种类、患病程度程度及相应药物代谢差异有非常密切的关系。因此,检测单核苷多态性,对于疾病的预测、预防、诊断,有针对性地使用特效药物,合理设计治疗策略以及预后治疗等都有着重要意义。由于高通量测序方法检测SNP,具有准确率高,通量大,单位SNP 价格便宜等优势,国际顶尖生物科技公司454、ABI 和Illumina 的第二代测序系统在SNP 检测领域的应用均已经进行大规模推广。
     华因康PSTAR-II 系统拥有自主专利技术,实现我国在高通量测序领域零的突破,且已经在SNP 检测方面建立了较为完整的技术平台,并与多家高校与院所等联合开发高通量基因测序在SNP 等方向的临床应用。
(二)微量DNA突变检测与深度测序
      主要包括:考古以及古生物学测序,法医学等
      珍贵的DNA 样品,例如微量古生物残留物、极难培养的微量细菌等,由于采样量非常少加上时间久远,样品中会有部分的DNA 降解,以及基因组降解现象严重,较完整的基因结构在数ng 以下。这种微量的DNA 通常难以直接进行后面的序列检测工作,需要对样品进行扩增放大。
      华因康PSTAR-II 高通量测序系统,通量大,能够对放大的微量样品做全面测序,同时每个位点的测序深度可达数百到上千次,充分覆盖DNA 材料中的绝大多数DNA 序列结构。对每个位点上千次的覆盖测序,不仅保证了测序结果的准确可靠,同时,还可以通过对每个位点上千次测序结果的分析,从大量一致性序列中发现其中微量的突变信息,评估每个DNA 位点发生突变的可能性和几率。此外,深度测序还可以在临床检测、疾病预诊断、细胞分化程度等方面通过检测特定微量DNA/RNA 的突变以及丰度变化,来实现诸如肿瘤预测、用药指导等方面的应用。目前,华因康已与多家医院合作开展易瑞沙药物适用性检测及乳腺癌普查等项目,并已开发了药物适用性分析、疾病易感检测、遗传病评估等多种软件。

 

   (三)环境微生物检测、农业与食品安全
      主要包括:育种基因检测,转基因检测,宏基因组测序等
      环境污染伴随着与之相关的微生物菌群,对该类微生物菌群的鉴定与研究,并从中取得应用成果,是目前环境治理、污水处理、垃圾与废弃物可再生处理领域迫切需要深入研究的课题。利用基因技术进行作物育种以及转基因安全评估与检测是农业领域最近十年新兴的研究方向。食品中微生物种类和含量检测是食品安全中重要的一个环节。
      华因康PSTAR-II 高通量测序技术,可对复杂组成的样品进行统一的DNA 测序,并提供足量的数据信息。经过数据分析,可获得复杂样品的DNA 组成信息,进而分析其内的物种组成、含量以及根据物种的基因,预计其相关的生物功能。在环境领域,可用于分析污水的总菌落构成与菌种的变异情况,同时也可用于污水处理中活性功能菌群分析与菌群功能鉴定以及在此基础上的进一步优化;在农业与食品领域,高通量可方便的测定农业作物的基因组草图,鉴定转基因物种的基因序列,检测作物菌群的构成,食品污染的微生物构成等方面;同时,高通量测序在农业作物基因组草图构建上,速度快,成本低准,确率高,可快速的测定农作物以及经济作物的基因组序列,为育种筛选、作物优培等提供了良好的试验手段和检测工具。
(四)功能基因组学等方面研究
      主要包括:转录组测序,表达谱测序,MicroRNA 测序,甲基化测序等功能基因组学( Functuional genomics ) 又往往被称为后基因组学(Postgenomics),它利用结构基因组所提供的信息和产物,发展和应用新的实验手段,通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能,使得生物学研究从对单一基因或蛋白质得研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究。
       高通量测序技术结合常规的生化技术,为功能基因组学研究打开了一扇新的大门,加速了后基因组学的研究进展。通过对样品转录组谱的测序,可获得样品的总转录情况。对比不同的样品,经过生物信息学处理,可获得样品间的表达差异,进而揭示不同基因在不同组织/样品的转录表达情况,为研究样品的功能差异提供了坚实的数据基础。在miRNA 领域,可分析样品内的总miRNA 构成,以及其含量,并能够从大量数据中发现新的miRNA 种类。
      高通量测序技术由于其巨大的数据产出,能够总整体水平上分析、比较DNA 突变、RNA 表达差异、甲基化水平、功能基因的开关等的差异,从而为蛋白质研究、信号通道研究、蛋白与DNA 作用研究、细胞分化与发育研究、表观遗传研究提供有利的数据证据支持。

 

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