一代二代三代測(cè)序技術(shù)

1、三代基因組測(cè)序技術(shù)原理簡介摘要：從1977年第一代DNA測(cè)序技術(shù)（Sanger法）1，發(fā)展至今三十多年時(shí)間， 測(cè)序技術(shù)已取得了相當(dāng)大的發(fā)展，從第一代到第三代乃至第四代，測(cè)序讀長從長到短，再從短到長。雖然就當(dāng)前形勢(shì)看來第二代短讀長測(cè)序技術(shù)在全球測(cè)序市場(chǎng)上仍 然占有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)位置，但第三和第四代測(cè)序技術(shù)也已在這一兩年的時(shí)間中快速發(fā)展著。測(cè)序技術(shù)的每一次變革，也都對(duì)基因組研究，疾病醫(yī)療研究，藥物研發(fā)， 育種等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。在這里我主要對(duì)當(dāng)前的測(cè)序技術(shù)以及它們的測(cè)序原理做一個(gè)簡單的小結(jié)。圖1：測(cè)序技術(shù)的發(fā)展歷程生命體遺傳信息的快速獲得對(duì)于生命科學(xué)的研究有著十分重要的意義。以上（圖1）所描述

2、的是自沃森和克里克在1953年建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以來，整個(gè)測(cè)序技術(shù)的發(fā)展歷程。第一代測(cè)序技術(shù)第一代DNA測(cè)序技術(shù)用的是1975年由桑格（Sanger）和考爾森（Coulson）開創(chuàng)的鏈終止法或者是1976-1977年由馬克西姆 （Maxam）和吉爾伯特（Gilbert）發(fā)明的化學(xué)法（鏈降解）. 并在1977年，桑格測(cè)定了第一個(gè)基因組序列，是噬菌體X174的，全長5375個(gè)堿基1。自此，人類獲得了窺探生命遺傳差異本質(zhì) 的能力，并以此為開端步入基因組學(xué)時(shí)代。研究人員在Sanger法的多年實(shí)踐之中不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。在2001年，完成的首個(gè)人類基因組圖譜就是以改進(jìn)了 的Sanger法為其測(cè)序基礎(chǔ)，S

3、anger法核心原理是：由于ddNTP的2和3都不含羥基，其在DNA的合成過程中不能形成磷酸二酯鍵，因此可以 用來中斷DNA合成反應(yīng)，在4個(gè)DNA合成反應(yīng)體系中分別加入一定比例帶有放射性同位素標(biāo)記的ddNTP（分為：ddATP,ddCTP,ddGTP和 ddTTP），通過凝膠電泳和放射自顯影后可以根據(jù)電泳帶的位置確定待測(cè)分子的DNA序列（圖2）。這個(gè)網(wǎng)址為sanger測(cè)序法制作了一個(gè)小短片，形象而生動(dòng)。值得注意的是，就在測(cè)序技術(shù)起步發(fā)展的這一時(shí)期中，除了Sanger法之外還出現(xiàn)了一些其他的測(cè)序技術(shù)，如焦磷酸測(cè)序法、鏈接酶法等。其中，焦磷酸測(cè)序法是后來Roche公司454技術(shù)所使用的測(cè)序方法24

4、，而連接酶測(cè)序法是后來ABI公司SOLID技術(shù)使用的測(cè)序方法2,4，但他們的共同核心手段都是利用了Sanger1中的可中斷DNA合成反應(yīng)的dNTP。圖2：Sanger法測(cè)序原理第二代測(cè)序技術(shù)總的說來，第一代測(cè)序技術(shù)的主要特點(diǎn)是測(cè)序讀長可達(dá)1000bp，準(zhǔn)確性高達(dá)99.999%，但其測(cè)序成本高，通量低等方面的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了其真 正大規(guī)模的應(yīng)用。因而第一代測(cè)序技術(shù)并不是最理想的測(cè)序方法。經(jīng)過不斷的技術(shù)開發(fā)和改進(jìn)，以Roche公司的454技術(shù)、illumina公司的 Solexa，Hiseq技術(shù)和ABI公司的Solid技術(shù)為標(biāo)記的第二代測(cè)序技術(shù)誕生了。第二代測(cè)序技術(shù)大大降低了測(cè)序成本的同時(shí)，還大幅

5、提高了測(cè)序速 度，并且保持了高準(zhǔn)確性，以前完成一個(gè)人類基因組的測(cè)序需要3年時(shí)間，而使用二代測(cè)序技術(shù)則僅僅需要1周，但在序列讀長方面比起第一代測(cè)序技術(shù)則要短很 多。表1和圖3對(duì)第一代和第二代測(cè)序技術(shù)各自的特點(diǎn)以及測(cè)序成本作了一個(gè)簡單的比較5，以下我將對(duì)這三種主要的第二代測(cè)序技術(shù)的主要原理和特點(diǎn)作一個(gè)簡單的介紹。圖3. 測(cè)序成本的變化1. Illumine Illumina公司的Solexa和Hiseq應(yīng)該說是目前全球使用量最大的第二代測(cè)序機(jī)器，這兩個(gè)系列的技術(shù)核心原理是相同的2,4。這兩個(gè)系列的機(jī)器采用的都是邊合成邊測(cè)序的方法，它的測(cè)序過程主要分為以下4步，如圖4. （1）DNA待測(cè)文庫構(gòu)建利用

6、超聲波把待測(cè)的DNA樣本打斷成小片段，目前除了組裝之外和一些其他的特殊要求之外，主要是打斷成200-500bp長的序列片段，并在這些小片段的兩端添加上不同的接頭，構(gòu)建出單鏈DNA文庫。 （2）FlowcellFlowcell是用于吸附流動(dòng)DNA片段的槽道，當(dāng)文庫建好后，這些文庫中的DNA在通過 flowcell的時(shí)候會(huì)隨機(jī)附著在flowcell表面的channel上。每個(gè)Flowcell有8個(gè)channel，每個(gè)channel的表面都附 有很多接頭，這些接頭能和建庫過程中加在DNA片段兩端的接頭相互配對(duì)（這就是為什么flowcell能吸附建庫后的DNA的原因），并能支持DNA在其 表面進(jìn)行橋式

7、PCR的擴(kuò)增。 （3）橋式PCR擴(kuò)增與變性橋式PCR以Flowcell表面所固定的接頭為模板，進(jìn)行橋形擴(kuò)增，如圖4.a所示。經(jīng)過不 斷的擴(kuò)增和變性循環(huán)，最終每個(gè)DNA片段都將在各自的位置上集中成束，每一個(gè)束都含有單個(gè)DNA模板的很多分拷貝，進(jìn)行這一過程的目的在于實(shí)現(xiàn)將堿基的信 號(hào)強(qiáng)度放大，以達(dá)到測(cè)序所需的信號(hào)要求。（4）測(cè)序測(cè)序方法采用邊合成邊測(cè)序的方法。向反應(yīng)體系中同時(shí)添加DNA聚合酶、接頭引物和帶有堿基特異 熒光標(biāo)記的4中dNTP（如同Sanger測(cè)序法）。這些dNTP的3-OH被化學(xué)方法所保護(hù)，因而每次只能添加一個(gè)dNTP。在dNTP被添加到合成 鏈上后，所有未使用的游離dNTP和DNA

8、聚合酶會(huì)被洗脫掉。接著，再加入激發(fā)熒光所需的緩沖液，用激光激發(fā)熒光信號(hào)，并有光學(xué)設(shè)備完成熒光信號(hào)的記錄， 最后利用計(jì)算機(jī)分析將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為測(cè)序堿基。這樣熒光信號(hào)記錄完成后，再加入化學(xué)試劑淬滅熒光信號(hào)并去除dNTP 3-OH保護(hù)基團(tuán)，以便能進(jìn)行下一輪的測(cè)序反應(yīng)。Illumina的這種測(cè)序技術(shù)每次只添加一個(gè)dNTP的特點(diǎn)能夠很好的地解決同聚物長度的準(zhǔn)確測(cè)量問 題，它的主要測(cè)序錯(cuò)誤來源是堿基的替換，目前它的測(cè)序錯(cuò)誤率在1%-1.5%之間，測(cè)序周期以人類基因組重測(cè)序?yàn)槔?0x測(cè)序深度大約為1周。圖4. Illumina測(cè)序流程1. Roche 454 Roche 454測(cè)序系統(tǒng)是第一個(gè)商業(yè)化運(yùn)營二

9、代測(cè)序技術(shù)的平臺(tái)。它的主要測(cè)序原理是（圖5 abc）2：（1）DNA文庫制備454測(cè)序系統(tǒng)的文件構(gòu)建方式和illumina的不同，它是利用噴霧法將待測(cè)DNA打斷成300-800bp長的小片段，并在片段兩端加上不同的接頭，或?qū)⒋郎y(cè)DNA變性后用雜交引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，連接載體，構(gòu)建單鏈DNA文庫（圖5a）。（2）Emulsion PCR （乳液PCR，其實(shí)是一個(gè)注水到油的獨(dú)特過程）454當(dāng)然DNA擴(kuò)增過程也和illumina的截然不同，它將這些單鏈DNA結(jié)合在水油包被的直徑約28um的磁珠上，并在其上面孵育、退火。乳液PCR最大的特點(diǎn)是可以形成數(shù)目龐大的獨(dú)立反應(yīng)空間以進(jìn)行DNA擴(kuò)增。其關(guān)鍵技術(shù)是

10、“注水 到油”（水包油），基本過程是在PCR反應(yīng)前，將包含PCR所有反應(yīng)成分的水溶液注入到高速旋轉(zhuǎn)的礦物油表面，水溶液瞬間形成無數(shù)個(gè)被礦物油包裹的小水 滴。這些小水滴就構(gòu)成了獨(dú)立的PCR反應(yīng)空間。理想狀態(tài)下，每個(gè)小水滴只含一個(gè)DNA模板和一個(gè)磁珠。這些被小水滴包被的磁珠表面含有與接頭互補(bǔ)的DNA序列，因此這些單鏈DNA序列能夠特異地結(jié) 合在磁珠上。同時(shí)孵育體系中含有PCR反應(yīng)試劑，所以保證了每個(gè)與磁珠結(jié)合的小片段都能獨(dú)立進(jìn)行PCR擴(kuò)增，并且擴(kuò)增產(chǎn)物仍可以結(jié)合到磁珠上。當(dāng)反應(yīng)完成 后，可以破壞孵育體系并將帶有DNA的磁珠富集下來。進(jìn)過擴(kuò)增，每個(gè)小片段都將被擴(kuò)增約100萬倍，從而達(dá)到下一步測(cè)序所要

11、求的DNA量。（3）焦磷酸測(cè)序測(cè)序前需要先用一種聚合酶和單鏈結(jié)合蛋白處理帶有DNA的磁珠，接著將磁珠放在一種PTP平板上。這種平板上特制有許多直徑約為44um的小孔，每個(gè)小孔僅能容納一個(gè)磁珠，通過這種方法來固定每個(gè)磁珠的位置，以便檢測(cè)接下來的測(cè)序反應(yīng)過程。 測(cè)序方法采用焦磷酸測(cè)序法，將一種比PTP板上小孔直徑更小的磁珠放入小孔中，啟動(dòng)測(cè)序反應(yīng)。 測(cè)序反應(yīng)以磁珠上大量擴(kuò)增出的單鏈DNA為模板，每次反應(yīng)加入一種dNTP進(jìn)行合成反應(yīng)。如果dNTP能與待測(cè)序列配對(duì)，則會(huì)在合成后釋放焦磷酸基團(tuán)。釋 放的焦磷酸基團(tuán)會(huì)與反應(yīng)體系中的ATP硫酸化學(xué)酶反應(yīng)生成ATP。生成的ATP和熒光素酶共同氧化使測(cè)序反應(yīng)中的

12、熒光素分子并發(fā)出熒光，同時(shí)由PTP板另 一側(cè)的CCD照相機(jī)記錄，最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行光信號(hào)處理而獲得最終的測(cè)序結(jié)果。由于每一種dNTP在反應(yīng)中產(chǎn)生的熒光顏色不同，因此可以根據(jù)熒光的顏色來 判斷被測(cè)分子的序列。反應(yīng)結(jié)束后，游離的dNTP會(huì)在雙磷酸酶的作用下降解ATP，從而導(dǎo)致熒光淬滅，以便使測(cè)序反應(yīng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。由于454測(cè)序技術(shù) 中，每個(gè)測(cè)序反應(yīng)都在PTP板上獨(dú)立的小孔中進(jìn)行，因而能大大降低相互間的干擾和測(cè)序偏差。454技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于其能獲得較長的測(cè)序讀長，當(dāng)前454 技術(shù)的平均讀長可達(dá)400bp，并且454技術(shù)和illumina的Solexa和Hiseq技術(shù)不同，它最主要的一個(gè)缺點(diǎn)是無法

13、準(zhǔn)確測(cè)量同聚物的長度， 如當(dāng)序列中存在類似于PolyA的情況時(shí)，測(cè)序反應(yīng)會(huì)一次加入多個(gè)T，而所加入的T的個(gè)數(shù)只能通過熒光強(qiáng)度推測(cè)獲得，這就有可能導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。也正是由 于這一原因，454技術(shù)會(huì)在測(cè)序過程中引入插入和缺失的測(cè)序錯(cuò)誤。圖5. Roche 454測(cè)序流程1. Solid技術(shù) Solid測(cè)序技術(shù)是ABI公司于2007年開始投入用于商業(yè)測(cè)序應(yīng)用的儀器。它基于連接酶法，即利用DNA連接酶在連接過程之中測(cè)序（圖6）2,4。它的原理是：圖6-a. Solid測(cè)序技術(shù)（1）DNA文庫構(gòu)建 片段打斷并在片段兩端加上測(cè)序接頭，連接載體，構(gòu)建單鏈DNA文庫。 （2）Emulsion PCRSolid

14、的PCR過程也和454的方法類似，同樣采用小水滴emulsion PCR，但這些微珠比起454系統(tǒng)來說則要小得多，只有1um。在擴(kuò)增的同時(shí)對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物的3端進(jìn)行修飾，這是為下一步的測(cè)序過程作的準(zhǔn)備。3修飾的微 珠會(huì)被沉積在一塊玻片上。在微珠上樣的過程中，沉積小室將每張玻片分成1個(gè)、4個(gè)或8個(gè)測(cè)序區(qū)域（圖6-a）。Solid系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是每張玻片能容 納比454更高密度的微珠，在同一系統(tǒng)中輕松實(shí)現(xiàn)更高的通量。 （3）連接酶測(cè)序這一步是Solid測(cè)序的獨(dú)特之處。它并沒有采用以前測(cè)序時(shí)所常用的DNA聚合酶，而是采用了 連接酶。Solid連接反應(yīng)的底物是8堿基單鏈熒光探針混合物，這里將其簡單表示為：

15、3-XXnnnzzz-5。連接反應(yīng)中，這些探針按照堿基互補(bǔ)規(guī) 則與單鏈DNA模板鏈配對(duì)。探針的5末端分別標(biāo)記了CY5、Texas Red、CY3、6-FAM這4種顏色的熒光染料（圖6-a）。這個(gè)8堿基單鏈熒光探針中，第1和第2位堿基（XX）上的堿基是確定的，并根據(jù)種類的不同 在6-8位（zzz）上加上了不同的熒光標(biāo)記。這是Solid的獨(dú)特測(cè)序法，兩個(gè)堿基確定一個(gè)熒光信號(hào)，相當(dāng)于一次能決定兩個(gè)堿基。這種測(cè)序方法也稱之為 兩堿基測(cè)序法。當(dāng)熒光探針能夠與DNA模板鏈配對(duì)而連接上時(shí)，就會(huì)發(fā)出代表第1，2位堿基的熒光信號(hào)，圖6-a和圖6-b中的比色版所表示的是第1，2位 堿基的不同組合與熒光顏色的關(guān)系。

16、在記錄下熒光信號(hào)后，通過化學(xué)方法在第5和第6位堿基之間進(jìn)行切割，這樣就能移除熒光信號(hào)，以便進(jìn)行下一個(gè)位置的測(cè)序。 不過值得注意的是，通過這種測(cè)序方法，每次測(cè)序的位置都相差5位。即第一次是第1、2位，第二次是第6、7位在測(cè)到末尾后，要將新合成的鏈變性，洗 脫。接著用引物n-1進(jìn)行第二輪測(cè)序。引物n-1與引物n的區(qū)別是，二者在與接頭配對(duì)的位置上相差一個(gè)堿基（圖6-a. 8）。也即是，通過引物n-1在引物n的基礎(chǔ)上將測(cè)序位置往3端移動(dòng)一個(gè)堿基位置，因而就能測(cè)定第0、1位和第5、6位第二輪測(cè)序完成，依此類推， 直至第五輪測(cè)序，最終可以完成所有位置的堿基測(cè)序，并且每個(gè)位置的堿基均被檢測(cè)了兩次。該技術(shù)的讀

17、長在250bp，后續(xù)序列拼接同樣比較復(fù)雜。由于雙次 檢測(cè)，這一技術(shù)的原始測(cè)序準(zhǔn)確性高達(dá)99.94%，而15x覆蓋率時(shí)的準(zhǔn)確性更是達(dá)到了99.999%，應(yīng)該說是目前第二代測(cè)序技術(shù)中準(zhǔn)確性最高的了。但 在熒光解碼階段，鑒于其是雙堿基確定一個(gè)熒光信號(hào)，因而一旦發(fā)生錯(cuò)誤就容易產(chǎn)生連鎖的解碼錯(cuò)誤。圖6-b. Solid測(cè)序技術(shù)第三代測(cè)序技術(shù)測(cè)序技術(shù)在近兩三年中又有新的里程碑。以PacBio公司的SMRT和Oxford Nanopore Technologies納米孔單分子測(cè)序技術(shù)，被稱之為第三代測(cè)序技術(shù)。與前兩代相比，他們最大的特點(diǎn)就是單分子測(cè)序，測(cè)序過程無需進(jìn)行PCR擴(kuò)增。其中PacBio SMRT技

18、術(shù)其實(shí)也應(yīng)用了邊合成邊測(cè)序的思想5，并以SMRT芯片為測(cè)序載體?；驹硎牵?DNA聚合酶和模板結(jié)合,4色熒光標(biāo)記 4 種堿基（即是dNTP）,在堿基配對(duì)階段,不同堿基的加入,會(huì)發(fā)出不同光,根據(jù)光的波長與峰值可判斷進(jìn)入的堿基類型。同時(shí)這個(gè) DNA 聚合酶是實(shí)現(xiàn)超長讀長的關(guān)鍵之一,讀長主要跟酶的活性保持有關(guān),它主要受激光對(duì)其造成的損傷所影響。PacBio SMRT技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵是怎樣將反應(yīng)信號(hào)與周圍游離堿基的強(qiáng)大熒光背景區(qū)別出來。他們利用的是ZMW（零模波導(dǎo)孔）原理：如同微波爐壁上可看到的很多密集 小孔。小孔直徑有考究,如果直徑大于微波波長,能量就會(huì)在衍射效應(yīng)的作用下穿透面板而泄露出來，從而與周

19、圍小孔相互干擾。如果孔徑小于波長,能量不會(huì)輻射 到周圍，而是保持直線狀態(tài)（光衍射的原理）,從而可起保護(hù)作用。同理,在一個(gè)反應(yīng)管(SMRTCell:單分子實(shí)時(shí)反應(yīng)孔)中有許多這樣的圓形納米小孔, 即 ZMW(零模波導(dǎo)孔),外徑 100多納米,比檢測(cè)激光波長小(數(shù)百納米),激光從底部打上去后不能穿透小孔進(jìn)入上方溶液區(qū),能量被限制在一個(gè)小范圍(體積20X 10-21 L)里,正好足夠覆蓋需要檢測(cè)的部分,使得信號(hào)僅來自這個(gè)小反應(yīng)區(qū)域,孔外過多游離核苷酸單體依然留在黑暗中,從而實(shí)現(xiàn)將背景降到最低。另外，可以通過檢 測(cè)相鄰兩個(gè)堿基之間的測(cè)序時(shí)間，來檢測(cè)一些堿基修飾情況，既如果堿基存在修飾，則通過聚合酶時(shí)的

20、速度會(huì)減慢，相鄰兩峰之間的距離增大，可以通過這個(gè)來之間 檢測(cè)甲基化等信息（圖7）。SMRT技術(shù)的測(cè)序速度很快，每秒約10個(gè)dNTP。但是，同時(shí)其測(cè)序錯(cuò)誤率比較高（這幾乎是目前單分子測(cè)序技術(shù)的通?。?，達(dá) 到15%,但好在它的出錯(cuò)是隨機(jī)的，并不會(huì)像第二代測(cè)序技術(shù)那樣存在測(cè)序錯(cuò)誤的偏向，因而可以通過多次測(cè)序來進(jìn)行有效的糾錯(cuò)。圖7.PacBio SMRT測(cè)序原理Oxford Nanopore Technologies公司所開發(fā)的納米單分子測(cè)序技術(shù)與以往的測(cè)序技術(shù)皆不同，它是基于電信號(hào)而不是光信號(hào)的測(cè)序技術(shù)5。該技術(shù)的關(guān)鍵之一是，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種特殊的納米孔，孔內(nèi)共價(jià)結(jié)合有分子接頭。當(dāng)DNA堿基通過納米孔

21、時(shí)，它們使電荷發(fā)生變化，從而短暫地影響流過納米孔的電流強(qiáng)度（每種堿基所影響的電流變化幅度是不同的），靈敏的電子設(shè)備檢測(cè)到這些變化從而鑒定所通過的堿基（圖8）。該公司在去年基因組生物學(xué)技術(shù)進(jìn)展年會(huì)(AGBT)上推出第一款商業(yè)化的納米孔測(cè)序儀，引起了科學(xué)界的極大關(guān)注。納米孔測(cè)序（和其他第三代測(cè)序技 術(shù)）有望解決目前測(cè)序平臺(tái)的不足，納米孔測(cè)序的主要特點(diǎn)是：讀長很長，大約在幾十kb，甚至100 kb;錯(cuò)誤率目前介于1%至4%，且是隨機(jī)錯(cuò)誤，而不是聚集在讀取的兩端;數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)讀取;通量很高(30x人類基因組有望在一天內(nèi)完成);起始DNA在 測(cè)序過程中不被破壞;以及樣品制備簡單又便宜。理論上，它也能直接測(cè)

22、序RNA。納米孔單分子測(cè)序計(jì)算還有另一大特點(diǎn)，它能夠直接讀取出甲基化的胞嘧啶，而不必像傳統(tǒng)方法那樣對(duì)基因組進(jìn)行bisulfite處理。這對(duì)于在基因組 水平直接研究表觀遺傳相關(guān)現(xiàn)象有極大的幫助。并且改方法的測(cè)序準(zhǔn)確性可達(dá)99.8%，而且一旦發(fā)現(xiàn)測(cè)序錯(cuò)誤也能較容易地進(jìn)行糾正。但目前似乎還沒有應(yīng)用該 技術(shù)的相關(guān)報(bào)道。圖8. 納米孔測(cè)序其他測(cè)序技術(shù)目前還有一種基于半導(dǎo)體芯片的新一代革命性測(cè)序技術(shù)Ion Torrent6。該技術(shù)使用了一種布滿小孔的高密度半導(dǎo)體 芯片， 一個(gè)小孔就是一個(gè)測(cè)序反應(yīng)池。當(dāng)DNA聚合酶把核苷酸聚合到延伸中的DNA鏈上時(shí)，會(huì)釋放出一個(gè)氫離子，反應(yīng)池中的PH發(fā)生改變，位于池下的離子

23、感受器感 受到H+離子信號(hào)，H+離子信號(hào)再直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而讀出DNA序列（圖9）。這一技術(shù)的發(fā)明人同時(shí)也是454測(cè)序技術(shù)的發(fā)明人之一 Jonathan Rothberg，它的文庫和樣本制備跟454技術(shù)很像，甚至可以說就是454的翻版，只是測(cè)序過程中不是通過檢測(cè)焦磷酸熒光顯色，而是通過檢測(cè)H+信號(hào) 的變化來獲得序列堿基信息。Ion Torrent相比于其他測(cè)序技術(shù)來說，不需要昂貴的物理成像等設(shè)備，因此，成本相對(duì)來說會(huì)低，體積也會(huì)比較小，同時(shí)操作也要更為簡單，速度也相當(dāng)快速， 除了2天文庫制作時(shí)間，整個(gè)上機(jī)測(cè)序可在2-3.5小時(shí)內(nèi)完成，不過整個(gè)芯片的通量并不高，目前是10G左右，但非常適合

24、小基因組和外顯子驗(yàn)證的測(cè) 序。圖9. Ion Torrent小結(jié)以上，對(duì)各代測(cè)序技術(shù)的原理做了簡要的闡述，這三代測(cè)序技術(shù)的特點(diǎn)比較匯總在以下表1和表2中。其中測(cè)序成本，讀長和通量是評(píng)估該測(cè)序技術(shù)先進(jìn)與否 的三個(gè)重要指標(biāo)。第一代和第二代測(cè)序技術(shù)除了通量和成本上的差異之外，其測(cè)序核心原理（除Solid是邊連接邊測(cè)序之外）都是基于邊合成邊測(cè)序的思想。第 二代測(cè)序技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本較之一代大大下降，通量大大提升，但缺點(diǎn)是所引入PCR過程會(huì)在一定程度上增加測(cè)序的錯(cuò)誤率，并且具有系統(tǒng)偏向性，同時(shí)讀長也比 較短。第三代測(cè)序技術(shù)是為了解決第二代所存在的缺點(diǎn)而開發(fā)的，它的根本特點(diǎn)是單分子測(cè)序，不需要任何PCR的過

25、程，這是為了能有效避免因PCR偏向性而導(dǎo) 致的系統(tǒng)錯(cuò)誤，同時(shí)提高讀長，并要保持二代技術(shù)的高通量，低成本的優(yōu)點(diǎn)。表1：測(cè)序技術(shù)的比較第X代公司平臺(tái)名稱測(cè)序方法檢測(cè)方法大約讀長(堿基數(shù))優(yōu)點(diǎn)相對(duì)局限性第一代ABI/生命技術(shù)公司3130xL-3730xL桑格-毛細(xì)管電泳測(cè)序法熒光/光學(xué)600-1000高讀長，準(zhǔn)確度一次性達(dá)標(biāo)率高，能很好處理重復(fù)序列和多聚序列通量低；樣品制備成本高，使之難以做大量的平行測(cè)序第一代貝克曼GeXP遺傳分析系統(tǒng)桑格-毛細(xì)管電泳測(cè)序法熒光/光學(xué)600-1000高讀長，準(zhǔn)確度一次性達(dá)標(biāo)率高，能很好處理重復(fù)序列和多聚序列；易小型化通量低；單個(gè)樣品的制備成本相對(duì)較高第二代Roche

26、/454基因組測(cè)序儀FLX系統(tǒng)焦磷酸測(cè)序法光學(xué)230-400在第二代中最高讀長；比第一代的測(cè)序通量大樣品制備較難；難于處理重復(fù)和同種堿基多聚區(qū)域；試劑沖洗帶來錯(cuò)誤累積；儀器昂貴第二代IlluminaHiSeq2000,HiSeq2500/MiSeq可逆鏈終止物和合成測(cè)序法熒光/光學(xué)2x150很高測(cè)序通量儀器昂貴；用于數(shù)據(jù)刪節(jié)和分析的費(fèi)用很高第二代ABI/Solid5500xlSolid系統(tǒng)連接測(cè)序法熒光/光學(xué)25-35很高測(cè)序通量；在廣為接受的幾種第二代平臺(tái)中，所要拼接出人類基因組的試劑成本最低測(cè)序運(yùn)行時(shí)間長；讀長短，造成成本高，數(shù)據(jù)分析困難和基因組拼接困難；儀器昂貴第二代赫利克斯Helisc

27、ope單分子合成測(cè)序法熒光/光學(xué)25-30高通量；在第二代中屬于單分子性質(zhì)的測(cè)序技術(shù)讀長短，推高了測(cè)序成本，降低了基因組拼接的質(zhì)量；儀器非常昂貴第三代太平洋生物科學(xué)公司PacBio RS實(shí)時(shí)單分子DNA測(cè)序熒光/光學(xué)1000高平均讀長，比第一代的測(cè)序時(shí)間降低；不需要擴(kuò)增；最長單個(gè)讀長接近3000堿基并不能高效地將DNA聚合酶加到測(cè)序陣列中；準(zhǔn)確性一次性達(dá)標(biāo)的機(jī)會(huì)低（81-83%）；DNA聚合酶在陣列中降解；總體上每個(gè)堿基測(cè)序成本高（儀器昂貴）；第三代全基因組學(xué)公司GeXP遺傳分析系統(tǒng)復(fù)合探針錨雜交和連接技術(shù)熒光/光學(xué)10在第三代中通量最高；在所有測(cè)序技術(shù)中，用于拼接一個(gè)人基因組的試劑成本最低；每個(gè)測(cè)序步驟獨(dú)立，使錯(cuò)誤的累積變得最低低讀長；模板制備妨礙長重復(fù)序列區(qū)域測(cè)序；樣品制備費(fèi)事；尚無商業(yè)化供應(yīng)的儀器第三代Ion Torrent/生命技術(shù)公司個(gè)人基因組