illumina高通量測序儀匯總介紹

1、隨著基因領(lǐng)域研究的不斷深入，自sanger測序?qū)崿F(xiàn)對堿基信息的可讀取后，更高通量的需求使得二代測序在基因組測序、臨床檢測和生物制藥等領(lǐng)域展現(xiàn)出無與倫比的潛力。對于剛?cè)胄械男』锇?，面對各式各樣的測試平臺好奇又迷茫，Roche454、Illumina、ThermoFisher,以及國產(chǎn)MGI平臺等，這么多測序儀，他們的特點(diǎn)是什么？背后的發(fā)展歷程是怎樣的？今天小翊借花獻(xiàn)佛，梳理了目前主流的二代測序平臺，讓我們了解二代測序這十幾年的發(fā)展歷程。表1二代測序部分儀器展示備注：圖片來源于各儀器品牌官網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)一、羅氏454454GSGS測序系統(tǒng)一一昔日的輝煌二代測序于2005年初登舞臺，454公司基于焦磷酸測

2、序法推出了GenomeSequencer20System(GS20)系統(tǒng)，開啟了邊合成邊測序(sequencing-by-synthesis)高通量測序的進(jìn)程。2007年，羅氏公司收購了454,并推出了一系列性能更優(yōu)的NG繇統(tǒng)，極大的提升測序通量和準(zhǔn)確性，也進(jìn)一步增加了測序讀長。雖然羅氏454具有讀長優(yōu)勢，但是測序通量和成本始終限制了454平臺的推廣，因此羅氏在2016年底終止了454NGSW序相關(guān)的業(yè)務(wù)。表2羅氏454GS測序儀器參數(shù)對比GSFLXGSFLXGSFLX+GSFLX+GSJuniorGSJuniorGSJunior+GSJunior+讀長600bp1,000bp500bp1,0

3、00bp平均讀長450bp700bp400-500bp700bp測序通量450M-650M700M*35Mb70Mb測序長度分布85%以上的reads300bp；20%以上的85%以上的eads500bp;45%以上的99%以上的reads400bp;-reads500bpeads700bp最大reads數(shù)100M100M10M10M準(zhǔn)確度99.995%99.997%一一運(yùn)行時(shí)間10h23h10h18h樣本要求DNA、cDNA或PCR產(chǎn)物DNA或cDNA基因組DNA、擴(kuò)增子、cDNA或BAC等基因組DNA、擴(kuò)增子、cDNA或BAC等應(yīng)用領(lǐng)域微生物群落多樣性分析、復(fù)雜環(huán)境樣品的宏基因組學(xué)研究、微

4、生物基因組的denovo測序、轉(zhuǎn)錄組測序研究，此外還可應(yīng)用于外顯子測序、目標(biāo)區(qū)域捕獲、病原菌檢測等研究。備注：數(shù)據(jù)來源于羅氏官網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)二、IlluminaIllumina測序儀一一測序界的巨鱷2006年，Solexa公司推出了GenomeAnalyzer系統(tǒng)(簡稱GA),其包括DNA簇(DNAcluster)、橋式PCR(BridgePCR)和可逆阻斷(Reversibleterminator)等核心技術(shù)，這使得GA系統(tǒng)在高通量、低成本、應(yīng)用范圍廣等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。2007年,Illumina公司收購了Solexa,并在隨后幾年間發(fā)布了多種測序儀，主要包括兩類：低通量的桌面式測序儀和高通量臺

5、式測序儀，基本覆蓋行業(yè)內(nèi)的各種測序應(yīng)用，目前占據(jù)的測序市場份額超8成。1、IlluminaHiSeqIlluminaHiSeq系列HiSeq系歹U由Illumina公司2010年推出，該系列非常適合全基因組、轉(zhuǎn)錄組測序。2014年1月，Illumina宣布推出HiSeqXTen測序平臺，適用于大規(guī)模人群分析，包括10個(gè)可平行測序的超高通量測序儀，此系統(tǒng)號稱為首個(gè)將人類全基因組測序成本降至1000美元或更低的測序平臺。測序原理：利用可逆性末端邊合成邊測序技術(shù)、四通道成像技術(shù)，每輪測序反應(yīng)中存在 4 4 種核甘酸。儀器特點(diǎn)：該系列儀器成本低，靈活性高，通量大。缺點(diǎn)是讀長短和對每個(gè)測序反應(yīng)產(chǎn)生的大量

6、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)不足。應(yīng)用領(lǐng)域：Hiseq2500Hiseq2500 適合大規(guī)?；蚪M學(xué)，Hiseq3000/4000Hiseq3000/4000 適合生產(chǎn)級模板的基因組學(xué)，HiseqHiseqX XFiveFive 適合生產(chǎn)級規(guī)模的人類全基因組測序，HiseqHiseqX XTenTen 適合群體規(guī)模的測序?？傮w來說，HiseqHiseq系列適合全基因組測序、靶向重測序、全轉(zhuǎn)錄組測序、denovodenovo 測序、表觀遺傳調(diào)控等。2、IlluminaMiSeqIlluminaMiSeqMiSeq系列由Illumina公司2011年推出，與Hiseq分享主要的核心技術(shù)，但是體積和通量更小

7、、價(jià)格低，Miseq更佳便于擴(kuò)增子和細(xì)菌樣本測序，更佳適合臨床使用。測序原理：可逆性末端邊合成邊測序技術(shù)、四通道成像技術(shù)。儀器特點(diǎn)：易于操作，體積小巧,可進(jìn)行雙向擴(kuò)增子測序，樣本制備簡易，具有 2x300bp2x300bp 的讀長，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 1515GbGb 的產(chǎn)出。缺點(diǎn)是不適合 WGSWGS 和 WESWES 測序。應(yīng)用領(lǐng)域：MiSeqMiSeq 系列快速簡約，適合小型全基因組測序（微生物、病毒）、靶向基因測序（擴(kuò)增子、基因集合）、16S16S 宏基因組測序、靶向基因表達(dá)譜、長片段擴(kuò)增子測序、DNA-DNA-蛋白互作分析及 miRNAmiRNA 和小 RNARNA 分析等。3、Illumin

8、aNIlluminaNextseqxtseq500500Nextseq500是Illumina公司于2014年推出的一款高通量臺式測序儀，其大小與Miseq測序原理：改良型邊合成邊測序（兩通道SBS）化學(xué)原理。儀器特點(diǎn)：運(yùn)行時(shí)間短、測序質(zhì)量高，全基因組、外顯子和RNA測序可在一個(gè)平臺完成，改良型技術(shù)效率更高。應(yīng)用領(lǐng)域：適合大型全基因組測序（人類、植物、動(dòng)物）、小型全基因組測序（微生物、病毒）、外顯子組測序、靶向基因測序（擴(kuò)增子、基因集合）、全轉(zhuǎn)錄組測序、基因表達(dá)譜（mRNA-Seq）、miRNA和小RNA分析、DNA-蛋白互作分析、甲基化測序和16S宏基因組測序。相當(dāng)，性能卻與Hiseq相當(dāng)測

9、序原理：可逆性末端邊合成邊測序技術(shù)、雙通道成像技術(shù)。儀器特點(diǎn)：運(yùn)行時(shí)間短、選擇靈活，測序質(zhì)量更高。缺點(diǎn)是不適合 WGSWGS 和 WESWES 測序。應(yīng)用領(lǐng)域：適合大型全基因組測序（人類、植物、動(dòng)物）、小型全基因組測序（微生物、病毒）、外顯子組測序、靶向基因測序（擴(kuò)增子、基因集合）、全轉(zhuǎn)錄組測序、基因表達(dá)譜（mRNA-SeqmRNA-Seq）、miRNAmiRNA 和小 RNARNA 分析、DNA-DNA-蛋白互作分析、甲基化測序和 16S16S 宏基因組測序。公司于2016年1月發(fā)布的一款小型桌面式測序儀，體積比Miseq儀器小44%5、IlluminaNIlluminaNovaSeqSeq

10、系列NovaSeq系列是Illumina公司于2017年1月發(fā)布的可擴(kuò)展的高通量測序儀，該系列有5000和6000兩種系統(tǒng)，并且具有可選擇的不同數(shù)量流動(dòng)槽芯片的測序模式。MiniSeq是Illumina4、IlluminaMIlluminaMiniSeqiSeq測序原理：可逆性末端邊合成邊測序技術(shù)、整合了圖案化流動(dòng)槽技術(shù)。儀器特點(diǎn)：可擴(kuò)展、通量高、選擇靈活、簇密度和產(chǎn)出更高。應(yīng)用領(lǐng)域：使用范圍廣，以上 4 4 種類型儀器的測序領(lǐng)域均可覆蓋。Illumian公司系列測序儀參數(shù)對比如表3 3所示:表3Illumina測序儀器參數(shù)對比iSeq100MiniSeqMiSeqSeriesNextSeqS

11、eriesHiSeq4000HiSeqXSeriesNovaSeq6000平臺類型桌面式桌面式 桌面式桌面式/大規(guī)模大規(guī)模測序大規(guī)模測序大規(guī)模測序讀長2X150bp2X150bp2八00bp2X150bp2X150bP2M50bp2X150/250bp測序通量1.2Gb7.5Gb15Gb120Gb1500Gb1800Gb6000Gb最大reads數(shù)4million25million25million400million5billion6billion20billion運(yùn)行時(shí)間9-17.5h424h435h12W0h135d3d44h備注：數(shù)據(jù)來源于Illumina官網(wǎng)三、ThermoFishe

12、rThermoFisher體系測序儀測序的聯(lián)合王國2008年ABI與Invitrogen合并成為Lifetechnologies公司，2010年8月，LifeTechnologies將IonTorrent收購，2013年，LifeTechnologies被ThermoFisher收購,借此ThermoFisher正式入駐測序行業(yè)，旗下測序體系包括ABISOLID和Ion-Proton兩種平臺。1、ABISOLIDABISOLIDABI在收購了AgencourtPersonalGenomics測序公司后，推出了SOLiD?5500和SOLiD?5500 xl新一代測序儀，為廣大科研工作者提供更為

13、全面的NGS服務(wù)解決方案。測序原理：微乳滴 PCRPCR 與微球相結(jié)合的策略來擴(kuò)增 DNADNA 模板，并在測序過程中對堿基間隔反復(fù)的讀取，拼接合成后最終獲得整條模板片段的完整序列信息。儀器特點(diǎn)：測序通量已達(dá)到 45Gb/45Gb/天，準(zhǔn)確率高達(dá) 99.99%99.99%o o 并且 SOLiDSOLiD 系統(tǒng)對于高 GCGC 含量的樣本，也具有非常大的優(yōu)勢。缺點(diǎn)是讀長較短，測序時(shí)間長。應(yīng)用領(lǐng)域：全基因組測序、染色質(zhì)免疫共沉淀(ChIP)ChIP)、微生物測序、數(shù)字核型分析、臨床測序、基因型分析、基因表達(dá)分析和小分子 RNRNA A的發(fā)現(xiàn)等等。2 2、IonPGMIonPGMLifeTechn

14、ologies公司于2010年推出了首款半導(dǎo)體個(gè)人化操作基因組測序儀PGM?,主要用于小基因組和外顯子的測序。測序原理：基于離子半導(dǎo)體測序技術(shù)，檢測堿基摻入過程中釋放氫離子，不用熒光、化學(xué)發(fā)光和酶級聯(lián)反應(yīng)，通過高敏的離子傳感器獲得信號數(shù)據(jù)。儀器特點(diǎn)：樣本消耗少，準(zhǔn)確性達(dá)到 99.97%,99.97%,提供 3 3 種芯片測序，流程簡單。缺點(diǎn)是讀長短，不利于基因組 denovodenovo 組裝，并且對于Ion單堿基重復(fù)序列準(zhǔn)確率不高。應(yīng)用領(lǐng)域：小基因組測序（如微生物和病毒的從頭測序和重測序，線粒體測序等）、擴(kuò)增子重測序（16S16S 宏基因組測序）、靶基因組測序、基因組/全外顯子驗(yàn)證等。3、I

15、onProtonIonProtonLifeTechnologies公司于2012年宣布在中國推出新的臺式基因測序儀IonProtonsystem,旨在一天內(nèi)完成人類基因組測序。IonProton?測序儀采用了新一代半導(dǎo)體測序技術(shù)， 且芯片密度比IonPGM?測序儀高1000倍，運(yùn)行速度更快，單位時(shí)間的通量更局。測序原理：離子半導(dǎo)體測序技術(shù)。儀器特點(diǎn)：測序時(shí)長更短，兩種通量芯片可供選擇，單次可產(chǎn)生 10-15Gb10-15Gb 數(shù)據(jù)量，支持條形碼讀取并完成單片 9696 個(gè)樣本的測序。缺點(diǎn)是原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性相對不高，讀長較多，平均最大讀長為 200bp200bp。應(yīng)用領(lǐng)域：適用于外顯子（構(gòu)成蛋白質(zhì)

16、的基因片段）測序，以及人類或植物基因組圖譜繪制等大型測序工程。4、IonS5/S5xlIonS5/S5xl2015年10月推出了IonS5和IonS5xl,適用于靶向測序。該系統(tǒng)將多個(gè)genepanel和小的基因組集合起來，并簡化操作流程和動(dòng)手在操作時(shí)間，目前支持4種不同的芯片類型。測序原理：離子半導(dǎo)體測序技術(shù)。儀器特點(diǎn)：運(yùn)行速度更快，需要樣本少，不同通量的芯片可選。缺點(diǎn)是讀長較短，數(shù)據(jù)分析工具和途徑較少。應(yīng)用領(lǐng)域：可應(yīng)用于癌癥、遺傳病、液體活檢、感染性疾病領(lǐng)域。使用于靶向 RNARNA 和 DNADNA 測序,微生物、轉(zhuǎn)錄組、外顯子組和RNA-seqRNA-seq。ThermoFisher體

17、系測序儀參數(shù)對比如表4所示：表4ThermoFisher體系測序儀器參數(shù)對比備注：數(shù)據(jù)來源于ThermoFisher官網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)四、華大智造測序儀一一測序?qū)玫男沦F2013年3月18日，華大基因?qū)G(CompleteGenomics)公司全額收購，開啟了華大測序儀之路。歷經(jīng)兩年的研發(fā)和改進(jìn)，華大基因推出了BGISEQ-500桌面化測序系統(tǒng)。之后又推出的BGISEQ-50、MGISEQ-200和MGISEQ-2000均取得了CFDA認(rèn)證，還推ABISOLIDABISOLIDIonPGMIonPGM產(chǎn)出160-320Gb30MbWGbIonProtonIonProtonUpto10GbIonS5/S

18、5xlIonS5/S5xl1.5-50Gb讀長/75bp*35bp；Mate-paired:60bp*60bp/2*35bp/2*50bp200bp/400bpReadsReads0.7-2.8billion4-5.5million運(yùn)行時(shí)間1-7d2.37.3hUpto200-bp6080million200bp/400bp/600bp2V30M3-24hFragment:35bp/50bp/75bpPE:75bp*75bp/50bp*25bp出了MGISEQ-T7,華大測序體系得到了從8G到6T通量的覆蓋，應(yīng)用領(lǐng)域也得到了極大的拓展。1、RevolocityRevolocity2015年6月

19、推出了一款完全集成式白“超級測序儀一一Revolocity測序儀， 該系統(tǒng)一年可完成10000-30000個(gè)全基因組測序，也支持全外顯子測序。測序原理：cPALcPAL 技術(shù)。儀器特點(diǎn)：適用于大規(guī)模 WGSWGS 和 WESWES,50,50 x深度基因組測序僅需 8 8 天，5050 x x 深度下對人類基因組測序拷貝數(shù)變異和結(jié)構(gòu)變異為 96%,96%,模塊化處理全血和唾液用時(shí)少。缺點(diǎn)是目前僅限于人類全基因組測序。應(yīng)用領(lǐng)域：全基因組測序和全外顯子測序。2、BGISEQ-500BGISEQ-5002015年華大基因推出了新型桌面化測序系統(tǒng)BGISEQ-500測序原理： 以 cPALcPAL 技

20、術(shù)和改進(jìn)的 DNADNA 納米球技術(shù)為核心技術(shù)。 儀器特點(diǎn)： 85%85%以上的數(shù)據(jù)高于 Q30Q30 標(biāo)準(zhǔn)， 多讀長選擇， 雙芯片平臺，全自動(dòng)文庫制備系統(tǒng)和全自動(dòng)樣本加載系統(tǒng)，目前應(yīng)用僅限于中國大陸地區(qū)。應(yīng)用領(lǐng)域：NIPTNIPT、PGSPGS、PM-SeqPM-Seq、染色體異常檢測、WGSWGS、WESWES、RNA-seqRNA-seq（定量）、轉(zhuǎn)錄組測序、ChIP-SeqChIP-Seq、smallRNAsmallRNA 等。表5華大智造測序儀器參數(shù)對比BGISEQ-50BGISEQ-50BGISEQ-500BGISEQ-500MGISEQ-200MGISEQ-200MGISEQ-2

21、000MGISEQ-2000MGISEQ-MGISEQ-T7T7芯片類型FCSFCLFCSFCL&FCSFCLane/E片1lane2lane1lane4lane&2lane運(yùn)行模式小通量大通量中通量大通量超高通量讀長SE50SE35-PE100SE50-PE100 SE50-SE400SE50-PE150測序通量8Gb520Gb60Gb1440Gb6Tb有效reads數(shù)160M1300M280-300M1500-1800M5000M運(yùn)行時(shí)間15h9d15-48h435hPE15024h備注：數(shù)據(jù)來源于華大智造官網(wǎng)五、小結(jié)羅氏454則在長讀長、低通量和高精度需求領(lǐng)域還有少許應(yīng)用。雖然羅氏454在二代測序儀名落孫山，但是并未放棄，其在臨床檢測領(lǐng)域也做出了許多的努力。華大測序儀作為后起新秀，在不斷布局，覆蓋各種通量和測序領(lǐng)域，由于其成本相對較低，并且具有本土優(yōu)勢，市場較為看好。如果能夠在敏感性與特異性之間做到平衡優(yōu)化就更好了。ThermoFisher旗下的多種測序儀雖然市場占有相對較小，但