测序技术介绍.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,测序技术介绍,测序技术发展史,一代测序,1954,年，,Whitfeld,等用化学降解法测定多聚核糖核苷酸序列，是关于,DNA,测序技术的较早报道。,1977,年，,Sanger,发明,DNA,双脱氧核苷酸末端终止测序法（,chain terminator sequencing,），,A.M.Maxam,和,W.Gilbert,发明,DNA,化学降解测序法,(chemical degradation sequencing),，,2,项技术的出现，标志第,1,代测序技术诞生。,Sanger 测序法的原理,每一次,DNA,测序反应都由,4,个独立反应组成；,由于,DNA,双链中核苷酸以,3,，,5-,磷酸二酯键相连，因此在测序过程中掺入,2,，,3-,双脱氧核苷三磷酸,ddNTP,（不含,3-OH,），当,ddNTP,位于,DNA,双链的延伸末端时，无羟基,3,端不能与其他脱氧核苷酸形成,3,，,5-,磷酸二酯键，因此，,DNA,双链合成便终止；,若在终止位点掺入,ddATP,，则新生链末端为,A,，若掺入,ddTTP,、,ddCTP,、,ddGTP,，相应地，新生链末端则是,T,、,C,或,G,。,该测序技术的具体做法如下：将模板、引物、,4,种,dNTP,（其中含有一种为放射性同位素标记的核苷酸）与,DNA,聚合酶共同保温，形成的混合物包含许多长短不一的片段，最后利用聚丙烯酰胺变性凝胶电泳（,SDS-PAGE,）分离该混合物，得到放射性同位素自显影条带图谱，人们依据凝胶电泳图即可读出,DNA,双链的碱基序列组成。,自动化测序实际上已成为当今,dna,序列分析的主流。美国,PE ABI,公司已生产出,373,型、,377,型、,310,型、,3700,和,3100,型等,dna,测序仪，其中,310,型是临床检测实验室中使用最多的一种型号。,测序过程中的常见问题分析,在进行,DNA,测序时，紧接引物的,10 30 Bases,有时不一定能完全读清楚。由于,DNA,结构上的原因，有时会出现反应中途无法进行之情况。如：,G/C rich;G/C Cluster,；,Poly A,、,Poly T,的连续结构等。此外，另一种情况为反应中途出现的套峰现象，此种情况一般为,DNA,结构中的重复序列，造成测序用引物和模板之间有二个以上的结合位点。具体问题分析如下：,1,：测序结果有很多套峰，出现很多,N,值,原因分析：,PCR,产物直接进行测序，在,PCR,产物长度以后将无反应信号，机器将产生许多,N,值。在序列的起始端出现,N,值，主要是由于有未去除的染料单体造成的干扰峰，是机器无法正确判读出位何值。有时，引物二聚体或者起始端小片段的丢失，也会出现,N,值。模版本身含杂合序列，有等位基因。,测序过程中的常见问题分析,2,：为什么找不到我的,PCR,引物序列？,用,PCR,引物作为测序引物，所测序列是从引物,3,末端后第一个碱基开始的，所以就找不到您的测序引物了。可以进行反向测序，得到引物的反向互补序列。还可以将所测片段克隆到适当载体中，由于通用引物与插入序列有一段距离，就可以测出您的引物序列。,3,：测序结果和文献资料不一样，为什么,?,原因有很多，如同一种动物，在不同的种族之间，或者不同的个体之间，基因序列也不一定完全一样。如果是,PCR,产物克隆测序,那还有,PCR,过程中的错配因素等等。我们提供的测序结果是客户样品序列的忠实结果，不能保证和文献序列完全一致。,4,：过短的,PCR,产物为什么不适于直接测序？,首先由于一般的,PCR,产物纯化试剂盒要求产物片段大于,200bp,过短的,PCR,产物不能进行纯化；再者，测序的前,50bp,和后,50bp,的序列是不好的，所以不适于直接测序。,测序过程中的常见问题分析,5,：酒精如果没有挥发完全,在约,300bp,处会出现连续异常的,G,峰，酒精挥发时间过长会导致,DNA,断裂。,第一个峰，重叠干扰。如果不判读为干扰峰，那就说明样品不纯，如果是基因组,DNA,，就很好地说明了样品为杂合子，该位点可能存在,SNP,现象（,T/G,）。如果判读为干扰峰，我们只需认定样品此处碱基为,T,为行了。,第二个峰，错位干扰。如果不判读为干扰峰，则说明样本可能比预期多一个碱基（,G,），如果判读为干扰峰，我们仍只需认定样品此处碱基为,T,为行了。,测序过程中的常见问题分析,6,：为什么用,PCR,产物或质粒测序时，经常会出现套峰现象,?,下图是,pGEM-T,载体测序的结果，在,83,位点处测序结果出现双峰，即模板中含有两个或两个以上的相同载体，但是插入片段不同。解决办法：重新挑取单克隆或者重新提取质粒。需要注意的是，重新进行,PCR,反应或者酶切鉴定仅能证明该克隆含有插入片段，并不足以证明模板的单一。,测序过程中的常见问题分析,7,：,poly,结构的测序结果,以,polyT,为例，在,polyA/T,结构之后往往出现移码现象，而在,polyG/C,之后会往往导致测序信号的衰减。解决办法：使用反向引物对模板进行测序，测到该,poly,结构处，即可完成模板全长的拼接。,第二代测序技术（Next-Generation Sequencing）,各自的优点,454,测序平台得到的片段能够达到,400 bp,，并且读长的质量高；,Solexa,测序平台的性价比最高，在数据量相同的情况下，测序成本仅为,454,测序平台的,1/10,；,SOLiD,测序平台准确度能够达到,99.94%,，在片段覆盖率为,15,时，测序准确度可接近,100%,。,2005,年底，,454,公司推出第一个基于焦磷酸测序原理的高通量基因组测序系统,Genome Sequencer 20 System,，这是核酸测序技术发展史上里程碑式的事件。随后，罗氏公司以,1.55,亿美元收购了,454,公司，并在,2006,年推出了更新的,GS FLX,测序系统，该系统可在,10,小时的运行中获得,100,万条读长（,reads,），,46,亿个碱基信息（,base pair,），且准确率达到,99%,以上。,2008,年，,GS FLX,系统再次升级，通量提高了,5,倍，读长和准确率也有所增加。虽然,454 GS,测序平台也许不是市场占有率最高的测序仪，但截至,2011,年,3,月，利用该系统进行研究的论文已发表超过,1000,余篇，而它在读长上的优势明显胜于另两套系统，因此在从头测序（,de novo,）和宏基因组测序（,meta genome,）方面有着不可替代的地位。,2006,年，,Solexa,公司也推出了自己的,NGS,系统,Genome Analyzer,，简称,GA,。这套基于,DNA,簇（,DNA cluster,）、桥式,PCR,（,Bridge PCR,）和可逆阻断（,Reversible terminator,）等核心技术的系统具有高通量、低错误率、低成本、应用范围广等优点。,2007,年，,Illumina,公司以,6,亿美元的高价收购了,Solexa,，使,GA,得以商品化。,GA,最早期的版本一次运行可获得,1Gb,的数据，因此也有,1Gb Analyzer,的含义，而最新的,Hiseq2000,平台则能够在,10,天的运行中获得,300Gb,以上的数据，读取的碱基长度达到,150bp,左右。更有消息称，,Illumina,已完成了,600Gb,的运行测试并在部分客户中开展了前期体验，,Tb,（,1000Gb,）级的测试,Run,也将于年内进行。据不完全统计，,Illumina,公司已售出超过,600,台,/,套,GA IIx,和,Hiseq2000,平台，,2010,年仅深圳华大基因研究院一家就购买了,128,台,Hiseq2000,，一举成为全球最大的基因组测序与分析中心，,Illumina,公司在测序领域的影响力由此可见一斑。,在,Sanger,测序时代，美国应用生物系统公司（,ABI,）一直是该行业的龙头老大，其垄断地位无人能撼，从早期的,377,到全自动化的,3730 xl,，,ABI,的测序仪被广泛应用在基因组学研究的各个方面。然而在第二代测序技术迅猛发展之初，,ABI,起步较晚，显得有些漫不经心。直到,2005,年,454,公司推出,GS,平台，,ABI,的领先地位受到威胁，这才开始发力，迅速收购了研发,NGS,的一家小公司,Agencourt,，并于,2007,年推出了它的,SOLiD,测序平台。此后,SOLiD,不断升级，目前已到,SOLiD 5,版本（,SOLiD 5500 xl,）。,SOLiD,的全称是,Sequencing by Oligo Ligation Detection,，即寡聚物连接检测测序，其基本原理是通过荧光标记的,8,碱基单链,DNA,探针与模板配对连接，发出不同的荧光信号，从而读取目标序列的碱基排列顺序。在该方法下，目标序列的所有碱基都被读取了两遍，因此,SOLiD,最大的优势就是它的高准确率。据悉，,SOLiD 5,平台的测序通量已达到,30Gb/,天，成本低于,60,美元,/Gb,，准确率高达,99.99%,。并且由于,SOLiD,系统采用的不是,PCR,反应进行,DNA,合成与测序，因此对于高,GC,含量的样本，,SOLiD,系统具有非常大的优势。,2025/9/12 周五,454测序原理,焦磷酸测序法（Pyrosequencing)的原理,2025/9/12 周五,454测序原理,焦磷酸测序法（Pyrosequencing)的原理,2025/9/12 周五,454测序原理,焦磷酸测序法（Pyrosequencing)的原理,2025/9/12 周五,454测序原理,在454测序仪中，A、T、G、C四种碱基是分别存储在单独的试剂瓶中的，每步反应四种碱基依次加入反应池，当碱基配对结合，就会释放出一个焦磷酸（PPi），而这个焦磷酸在酶的作用下，将荧光素氧化成氧化荧光素，并发出光信号，从而读取出这一位置的碱基信息。,454测序仪的整个实验步骤可大致概括为：,样品处理,文库制备,emPCR,反应板准备,上机测序,2025/9/12 周五,454测序原理,样品处理：,样品处理主要是针对大片段的DNA分子，如基因组DNA、Fosmid或BAC质粒等，利用超声或氮气打断将这些DNA分子片段化，然后采用琼脂糖凝胶电泳回收或磁珠纯化，选择500-800bp的DNA片段。对于非编码RNA或PCR产物，则不需要这一步骤。,2025/9/12 周五,454测序原理,文库制备包括接头连接和磁珠纯化两步，454的文库接头分A、B两种，各44bp，由20bp的PCR引物、20bp的测序引物及4bp（TCAG）的“key”碱基构成，其中B接头的5端带有生物素（Biotin）标记，用于磁珠纯化步骤。经过磁珠结合与DNA变性之后，只有A+目的片段+B形式的连接产物得以富集，另两种形式（AA、BB）的产物都被去除。,2025/9/12 周五,454测序原理,emPCR（乳液PCR)是454测序的一个关键步骤，将富集到的文库与测序磁珠、各反应物混合，加入特定的矿物油和表面活性剂，再利用振荡器剧烈振荡，使反应体系形成油包水（water-in-oil）的稳定乳浊液。在理想条件下，每一个液滴，或称微反应器（microreactor）中将只包含一个磁珠和一条单链DNA，通过控制该步骤的条件，1mL乳液中可以形成至少10的6次方个理想的微反应器。经过PCR扩增后，每一个磁珠上将形成密集的DNA簇，这些DNA序列完全相同，即可用于后续的步骤。随后，乳液混合物被打破，扩增的片段依然结合在磁珠上。,2025/9/12 周五,454测序原理,454测序的反应板称为PTP（Pico Titer Plate），含有350万个由光纤组成的小孔，每个孔的直径为29m，而测序磁珠的直径为20m，因此每个孔中仅能容纳一个磁珠。将磁珠与测序试剂加入PTP中，使之可用于上机测序。,2025/9/12 周五,454测序原理,测序步骤如前所述，四种碱基在泵的控制下依次加入反应板，反应完成后再洗去，每延伸一个或若干个碱基，就会发出一次光信号，通过记录信号的有无和强度，即可测定DNA序列。,2025/9/12 周五,2025/9/12 周五,454测序原理,优缺点：,454测序准确度较高，当读长超过400bp时，其准确性仍能达到99%以上；,主要的错误来自于同聚物，即相同碱基的连续延伸，如ATTTG这样一段序列，A和G的读取没有问题，但T只记录了一次光信号，仅信号强度与ATG序列的T有所不同，因此同聚物越长，可能产生的误差就越大。,目前，由于454测序仪在读长上的明显优势，它在大基因组从头测序（de novo）、转录组分析、基因组结构分析等领域有着广泛的应用。,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,常用术语：,SBS,：,边合成边测序反应，每次,SBS,会延伸一个碱基，大约耗时,70,分钟。,Run,：,单次上机测序反应，可以产生,4G-75G,测序通量不等。,Lane,：,单泳道，每条泳道可以直接物理区分测序样品，,1,次,run,最多可以同时上样,8,条,Lane,。,Channel,：,Lane,的同义词。,Tile,：,小区，每条,Lane,中排有,2,列,tile,，合计,120,个小区。每个小区上分布数目繁多的簇结合位点。,Cluster,：,簇，在,Solexa,测序技术中会采用桥式,PCR,方式生产,DNA,簇，每个,DNA,簇才能产生亮度达到,CCD,可以分辨的荧光点。,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Index,：,标签，在,Solexa,多重测序（,Multiplexed Sequencing,）过程中会使用,Index,来区分样品，并在常规测序完成后，针对,Index,部分额外进行,7,个循环的测序，通过,Index,的识别，可以在,1,条,Lane,中区分,12,种不同的样品。,Barcode:,Index,同义词,Fasta,：,一种序列存储格式。一个序列文件若以,FASTA,格式存储，则每一条序列的第一行以,“,”,开头，而跟随,“,”,的是序列的,ID,号（即唯一的标识符）及对该序列的描述信息；第二行开始是序列内容，序列短于,61nt,的，则一行排列完；序列长于,61nt,的，则每行存储,61nt,，最后剩下小于,61nt,的，在最后一行排列完；第二条序列另起一行，仍然由,“,”,和序列的,ID,号开始，以此类推。,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Fastq,：,Fastq,是,Solexa,测序技术中一种反映测序序列的碱基质量的文件格式。第一行以,“,”,符号开头，后面紧跟一个序列的描述信息；第二行是该序列的内容；第三行以,“,+,”,符号开头，后面紧跟的内容与第一行一样，同样是该序列的描述信息；而第四行是第二行中的序列内容每个碱基所对应的测序质量值。,PF%,：,PF%,是指符合测序质量标准的簇的百分比（,Multiplexed Sequencing,），与测序的通量相关联。,Read,：,Solexa,是成簇反应的，每个簇对应一条,DNA,序列片段，成为一个,read,。,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,Solexa,测序,2025/9/12 周五,应用：,Solexa,平台的应用范围极广，几乎囊括了目前基因组学研究的所有方面，例如基因组从头测序（,de novo,）、重测序（,re-sequencing,）、基因组结构分析、转录组测序、表达谱分析、小,RNA,及非编码,RNA,测序、表观遗传学研究等等。,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,SOLiD,测序,2025/9/12 周五,三者比较,测序技术读取长度（），在种测序技术中最长，可以对未知基因组进行从头测序，但其通量最低（）。当遇到（如 等）时，碱基个数和荧光信号强度不成线性关系，即判断重复碱基有困难。,2025/9/12 周五,三者比较,属于高度自动化的系统，读取片段比其它种类的测序多，适合进行大量小片段的测序（如），其测序通量大，其新机型产出量为，但基于可逆反应时随反应轮数增加效率降低、信号减弱，并且读长（通常为）比短，给从头测序拼接带来困难。,2025/9/12 周五,三者比较,技术每个碱基读取次，有非常高的准确性，特别是针对的检测。此外，灵活的系统和完善的磁珠编码系统可以进行样品的来分割测序区域，特别适用于具有高质量参考基因组序列物种的重测序，但是该测序读长（）最短，并且读取长度受反应轮数的限制，给从头测序拼接带来困难。,2025/9/12 周五,第三代测序技术,原理：,脱氧,核苷酸,用荧光标记，显微镜可以实时记录荧光的强度变化。当荧光标记的脱氧核苷酸被掺入,DNA,链的时候，它的荧光就同时能在,DNA,链上探测到。当它与,DNA,链形成化学键的时候，它的荧光基团就被,DNA,聚合酶,切除，荧光消失。这种荧光标记的脱氧核苷酸不会影响,DNA,聚合酶的活性，并且在荧光被切除之后，合成的,DNA,链和天然的,DNA,链完全一样。,2025/9/12 周五,第三代测序技术,技术关键：,第一：因为在显微镜实时记录,DNA,链上的荧光的时候，,DNA,链周围的众多的荧光标记的脱氧核苷酸形成了非常强大的荧光背景。这种强大的荧光背景使单分子的荧光探测成为不可能。,Pacific Biosciences,公司发明了一种直径只有几十纳米的纳米孔,zero-mode waveguides(ZMWs),，单分子的,DNA,聚合酶被固定在这个孔内。在这么小的孔内，,DNA,链周围的荧光标记的脱氧核苷酸有限，而且由于,A,，,T,，,C,，,G,这四种荧光标记的脱氧核苷酸非常快速地从外面进入到孔内又出去，它们形成了非常稳定的背景荧光信号。而当某一种荧光标记的脱氧核苷酸被掺入到,DNA,链时，这种特定颜色的荧光会持续一小段时间，直到新的化学键形成，荧光基团被,DNA,聚合酶切除为止。,第二：共聚焦显微镜实时地快速地对集成在板上的无数的纳米小孔同时进行记录。,2025/9/12 周五,第三代测序技术,技术特点：,1,、它实现了,DNA,聚合酶内在自身的反应速度，一秒可以测,10,个,碱基,，测序速度是化学法测序的,2,万倍。,2,、它实现了,DNA,聚合酶内在自身的延续性，一个反应就可以测非常长的序列。二代测序现在可以测到上百个碱基，但是三代测序现在就可以测几千个碱基。,3,、它的精度非常高，达到,99.9999%,。,4,、直接测,RNA,的序列。既然,DNA,聚合酶能够实时观测，那么以,RNA,为模板复制,DNA,的逆转录酶也同样可以。,RNA,的直接测序，将大大降低体外逆转录产生的系统误差。,5,、第二个是直接测甲基化的,DNA,序列。实际上,DNA,聚合酶复制,A,、,T,、,C,、,G,的速度是不一样的。正常的,C,或者甲基化的,C,为模板，,DNA,聚合酶停顿的时间不同。根据这个不同的时间，可以判断模板的,C,是否甲基化。,2025/9/12 周五,第三代测序技术,2025/9/12 周五,2025/9/12 周五,The End,