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Solexa高通量测序方法

2020.7.14

高通量测序发展的背景

基因决定了一个人的相貌、身高甚至疾病，它存在于每个人体细胞的ＤＮＡ中。而组成ＤＮＡ的基本物质则是由Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ表示的４种碱基，一个人的基因组测序就是排列出其ＤＮＡ上所有碱基的顺序。如果每个人都能拥有一份属于自己的基因组图谱，那么科学家们长期以来期待的“个性化医疗时代”就会可能成为现实，药品会根据个人不同的 DNA 量身定制。

但目前的测序费用还是极其昂贵的，非普通人所能企及。科学家正在研究新一代测序仪器和方法，希望有朝一日能把破译个人“基因密码”的费用降低到 1000 美元。如果能够实现，普通民众就有望在必要情况下可以把基因组测序变成一项常规检查项目。

测序成本不断下降

几年前，由六个国家 16 个中心以及全球众多科学家共同完成的 “ 人类基因组计划 ” （ HGP ），首度解读了人体 DNA 中所隐藏的、完整描述造就和维持人体生命的说明书。该计划从 90 年启动通过 10 余年的工作，共花费了近 30 亿美元。而这其中 1995 年文特尔曾发明了著名的 “ 基因组鸟枪测序法 ” 。这种方法将基因组 DNA 切断成小片断，分别测序，再将他们拼接起来，大大加快了基因组测序的速度。即便如此，科学家也用了 10 余年的时间才完成了人类基因组的第一次测序工作。由于越来越多的领域需要用到基因组测序，开发更快更便宜的测序方法成为急迫的课题。

以末端终止法为核心第一代测序技术－化学测序方法，成型于上世纪 80 年代。测序时， DNA 分子被切断为大的片段，测得大片段的序列后，继续将大片段剪切为小片段，逐步测定整个基因组顺序，这种方法费事费时，需要大量的技术人员参与，耗费大量财力。

开始于上个世纪 90 年代的第二代测序技术，是以集成化、自动化为基础的基因测序技术，为大规模的基因测序奠定了基础，测序方法也从平板胶电泳发展为毛细管电泳。从而将包括人类基因组计划在内的多个生物的全基因组的测序完成，其通量较第一代有明显的大幅度的提升（代表机型： 310 、 377 、 3700 、 3100 、 3730 MegaBACE1000 、 4000 、 4500 ）。但是，昂贵的科研费用还是意味着，大规模基因测序工作大多只能局限于专业测序中心来完成，供大型、昂贵的研究项目之用。

近年，出现了一些新的技术和方法。这些技术和方法不断得到创新和改良，在保证基因组测序足够精确度的前提下，操作程序的优化，测定一种基因组变得越来越简单起来，测试的成本也呈现直线下降的趋势。现在一种被称为 “ 革命性的基因组测序技术 ” 的全新测序方法，使科学家们希望只要花费一千美元即可测得一个人的全基因组即将成为可能。

Solexa 高通量测序法原理

Solexa 方法是利用单分子阵列测试 genotyping ，此种测序法首先是将 DNA 从细胞中提取，然后将其打断到约 100 － 200bp 大小，再将接头连接到片段上，经 PCR 扩增后制成 Library 。随后在含有接头的芯片（ flow cell ）上将已加入接头的 DNA 片段绑定在 flow cell 上，经反应，将不同片段扩增。在下一步反应中，四种荧光标记的染料应用边合成边测序（ Sequencing By Synthesis ）的原理，在每个循环过程里，荧光标记的核苷和聚合酶被加入到单分子阵列中。互补的核苷和核苷酸片断的第一个碱基配对，通过酶加入到引物上。多余的核苷被移走。这样每个单链 DNA 分子通过互补碱基的配对被延伸，利用生物发光蛋白，比如萤火虫的荧光素酶，可通过碱基加到引物后端时所释放出的焦磷酸盐来提供检测信号。针对每种碱基的特定波长的激光激发结合上的核苷的标记，这个标记会释放出荧光。荧光信号被 CCD 采集， CCD 快速扫描整个阵列检测特定的结合到每个片断上的碱基。通过上述的结合，检测可以重复几十个循环，这样就有可能决定核苷酸片断中的几十个碱基。

Solexa 的这种方法，可在一个反应中同时加入 4 种核苷的标签，采用边合成边测序（ SBS － sequencing by synthesis ），可减少因二级结构造成的一段区域的缺失。并具有所需样品量少，高通量，高精确性，拥有简单易操作的自动化平台和功能强大等特点，此反应可以同时检测上亿个核苷酸片断 , 因此在同一个芯片或几个芯片上花费很少（只需常规方法的 1 ％）的成本就可测试全基因组。

随着 DNA 测序表达谱产品（ DNA sequencing ,expression profiling ）以及 microRNA 分析平台 -Solexa Genome Analysis System. 相继问世，使得此种方法在更多的领域得到应用。

Illumina公司的Solexa测序技术为广大用户提供了强大的下一代测序方法，为目前遗传分析和功能基因组等热门研究领域的部分热门课题提出了全新的应用方案。

测序与重测序

无论您需要测定的是整个基因组的序列还是基因组上一个大片断候选区域的序列， Illumina Genome Analyzer系统都是当今世界上最先进、最经济的平台。Solexa测序技术和可逆中止化合物染料（reversible terminator chemistry）奠定了在下一代测序技术中高质量、高通量、低成本数据产出的基础。

表达谱分析

通过对样本中数以百万计的cDNA标签同时进行序列测定，Genome Analyzer系统可以使您对整个转录组进行数字化的分析，而成本仅仅维持在与目前其他模拟化分析技术同样的水平。由于我们的技术无需利用任何转录子特异性杂交探针，您可以同时进行全基因组转录子的发掘与定量分析，而无需事先知道基因组的注释情况。

小RNA鉴定与定量分析

Solexa测序技术可以提供一套全新独特的，适用于各个物种的小RNA深度鉴定与定量分析研究平台。通过大量的平行测序，研究人员可以发掘、鉴定并定量出任何物种全基因组水平的小RNA图谱。应用这种低成本快速测定数百万标签序列的新方法，Illumina Genome Analyzer提供了解密小RNA图谱独一无二的方法。

高通量 ngs 测序分析

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周锦帆