一代至四代测序技术详细讲解

上述方法有

一个共同点,那就是任何一个小片段DNA分子的PCR扩增产物都是在空间上聚集的:原位polony法和桥式PCR法中所有的产物都集中 在平板的某处,在微乳液PCR法(emulsion PCR)中所有的产物都集中在微珠的表面。真正的测序反应本身和传统测序法一样,是由重复的聚合酶促反应和最后的荧光读取分析反应组成(图6)。本文讨论 的所有测序仪都是使用合成测序法(sequencing by synthesis),即通过聚合酶或连接酶不断地延伸引物获得模板序列,最后对每一轮反应的结果进行荧光图像采集、分析,获得序列结果。

1.1 454测序仪

454测序仪的出现极大促进了测序业务的开展,科研人员已经将测序技术作为解决科研工作中许多常见问题的利器。这是因为454测序仪在以下几个方面 取得了质的突破:首先是解决了高通量测序问题;其次它简化了样品准备步骤,将以往转化大肠杆菌扩增质粒的繁琐过程全部用简单的体外PCR扩增法替代了;最 后,它缩小了测序反应体积,节省了试剂。这样,454测序仪做到了以极其低廉的价格进行大规模平行测序反应。它的测序规模之大、测序费用之低是以往的测序 仪无法匹敌的。454测序仪与其它的新一代测序仪一起,降低了测序检测的费用,推动了测序技术平民化进程,使得小实验室也能开展测序检测项目,打破了以往 只有少数几个大型测序中心才能进行测序研究的“垄断地位”。在过去的18个月里,由于有了454测序仪的帮助,人们对人类基因组的结构有了更深入的了解, 同时第一次使用非Sanger测序法对个人进行了测序,还建立了一种发现小RNA的新方法。不过,要能让更多的人使用上新一代的测序产品,它们还需要变得 更便宜,并且更加容易操作。在一段时间之内,454测序仪必定会进一步降低测序费用,帮助人们迎接个人基因组时代的到来。

自从诺贝尔奖得主Frederick Sanger和Walter Gilbert(图2)分别发明了链终止法DNA测序技术(sequencing by chain termination technique)和链断裂法DNA测序技术(sequencing by chain fragmentation technique)之后,人们就一直希望能够扩大DNA测序技术的处理规模。到了今天,我们对测序技术的需求和对计算机技术的需求一起出现了迅猛的增 长,因为测序技术的发展速度已经远远跟不上实验要求的增长速度。于是出现了好几种替代Sanger测序法的新型测序方法,比如杂交测序法、借助原子力显微 镜(atomic force microscopy)直接DNA成像测序法(direct imaging of DNA sequence)、质谱分析法、合成测序法以及微液流测序法等等。在我们进行人类基因组计划时还出现了三项技术改进方法,即使用荧光标记物取代了放射性 标记物来标记终止碱基(双脱氧碱基);使用毛细管电泳(capillary electrophoresis)取代了传统的平板凝胶电泳;建立了末端配对测序法(paired-end sequencing)来对质粒、fosmid、人工细菌染色体(BAC)等短片段序列进行测序,解决了测序长度带来的限制问题。同时,开展研究的自动化 液体分装技术(liquid-handling robotics)帮助我们摆脱了人工试管操作,可以用自动化的方式在微量滴定板(microtiter plate)上装载待测序样品(质粒等),极大地降低了测序的费用和劳动强度。

随着美国454 Life Sciences公司(该公司现已被美国罗氏公司收购)的第一台新一代测序仪——454测序仪的面世,我们获得了一种完全不同的测序方式。454测序仪引 领的新一代测序技术在一直困扰传统测序技术的三个瓶颈问题上取得了突破。这三个问题分别是文库制备、模板制备和测序。而且,在随后出现的其它新一代测序仪 产品身上,我们或多或少都会发现在454测序仪上使用到的技术,这也足以说明454测序仪的技术创新的确取得了巨大的成功。

454测序仪的先行者地位使它对整个测序业的影响远远超过了其它新一代测序仪竞争对手。这一点从Leamon、Rothberg等

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