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科普篇|说说测序

2022年发表的一篇综述文章:《A Comprehensive Review of Performance of Next-Generation Sequencing Platforms》


该文章主要介绍近几十年来测序技术及测序仪器的发展,比较了不同类型测序仪单位时间内的产出,reads的质量,reads的长度以及应用等方面,目的在于帮助行业内人士根据自己的需求选择合适的测序技术。


一、测序技术的发展史

1、2005年之前的初步研究,包括使用DNA测序方法的人类基因组计划,通常被成为一代测序,其中的代表为Sanger(1977年)和Maxam and Gilbert(1977年)测序;其中Sanger测序采用与模板链互补的放射性标记DNA链的合成测序方法,结合双脱氧链终止技术(ddNTP的3’不含羟基,在核酸链延伸的过程中不能形成磷酸二酯键),然后用聚丙烯酰胺凝胶电泳对这些片段进行碱基判别。后续利用毛细管电泳进行了技术提升,准确率可达99.99%,被称为测序技术的“金标准”,即使在技术高速发展的今天,仍然有广泛的使用。

2、由于一代测序的测序速度较慢,成本高,迫切需要更经济的技术进行替代,于是在2005年大规模并行测序技术应运而生,主要的代表有Roche Life Sciences, Thermo Fisher Scientific, Illumina, and Applied Biosystems等。主要的优势在于通量大,速度快,成本低。产生的序列读长为50~300bp。测序的基本原理为边合成边测序(Sequencing by synthesis,SBS),通过识别合成链末端的标记来进行碱基的判别。其中,最具有代表性的测序技术当属Illumina测序技术,占据全世界测序数据的90%以上;下表展示了近些年的一些Illumina测序产品性能,展现出了较好测序性能;

另外,中国深圳的华大基因于2013年收购Complete Genomics,并推出了几款二代测序仪器,用于研究、农业、医疗和环境应用的数据分析工具和技术。

3、第三代测序技术(2010)有Single-Molecule Sequencing (SMS) and True Single-Molecule Sequencing (tSMS),其中具有代表性的是来自美国的Pacific Biosciences (PacBio)。该测序平台采用与第二代测序方法类似的合成测序方法,但需要较少的起始材料,错误率较低,运行时间短,读长较长等优势。

4、在第三代测序技术上结合了纳米孔技术,诞生了第四代测序技术,其代表为Nanopore测序,有别于二代测序的光学检测原理,该技术是基于蛋白纳米孔检测核酸分子电信号,再对碱基进行转换识别,在运输或搬运后,无需对仪器设备进行校准操作,在技术上本身上具有长度长,实时测序,直接测序等优势。

二、测序平台之间的比较

测序仪器制造公司都提供各种测序平台。这些测序仪器的读取长度和生成数据所消耗的时间也各不相同,并显示出各自的优缺点。高性能测序仪的每小时产出分析表明,Nanopore的PromethION优于其他所有测序仪,华大基因排名第二,Illumina排名第三(Figure 2)。

三、总结

Nanopore测序,即蛋白纳米孔技术与第三代测序技术的融合,属于第四代测序范畴。它可以对各类样本进行实时测序,而不需要在合成阶段进行扩增和重复循环,并以较长的测序读长进行全基因组测序,极大地解决了短片段测序的一些问题,以较低的成本进行疾病诊断研究。

相信在不久的将来,高通量的测序技术和仪器将在世界各地的临床和诊断实验室中发挥作用,帮助我们实现个性化医疗的梦想。当前面临的主要挑战包括缺乏管理质量、测序工作流程、测序数据处理和分析的标准化程序。

[1] Pervez MT, Hasnain MJU, Abbas SH, Moustafa MF, Aslam N, Shah SSM. A Comprehensive Review of Performance of Next-Generation Sequencing Platforms. Biomed Res Int. 2022 Sep 29;2022:3457806. doi: 10.1155/2022/3457806.

[2] Goodwin S, McPherson JD, McCombie WR. Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies. Nat Rev Genet. 2016 May 17;17(6):333-51. doi: 10.1038/nrg.2016.49.

[3] Hu T, Chitnis N, Monos D, Dinh A. Next-generation sequencing technologies: An overview. Hum Immunol. 2021 Nov; 82(11): 801-811. doi: 10.1016/j.humimm.2021.02.012. Epub 2021 Mar 19.