第三代基因測序技術(shù)簡介
發(fā)布日期:2022-03-13 16:48瀏覽次數(shù):3299次
高通量測序技術(shù)（也稱為二代測序技術(shù)）迅猛發(fā)展，已逐步廣泛應(yīng)用于基因檢測的多個(gè)方面的臨床服務(wù)，其對于單核苷酸多態(tài)性和小于50bp的插入或缺失變異檢測相對比較準(zhǔn)確，但是大的結(jié)構(gòu)變異檢測卻非常困難。另一類以不經(jīng)過擴(kuò)增的單分子測序和長讀長為標(biāo)志的DNA測序技術(shù)也隨即問世，這類測序技術(shù)被稱為第三代測序技術(shù)。
一、前言
當(dāng)前，高通量測序技術(shù)（也稱為二代測序技術(shù)）迅猛發(fā)展，已逐步廣泛應(yīng)用于基因檢測的多個(gè)方面的臨床服務(wù)，其對于單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）和小于50bp的插入或缺失（Insertion-Deletion，InDel）變異檢測相對比較準(zhǔn)確，但是大的結(jié)構(gòu)變異檢測卻非常困難。同時(shí)，另一類以不經(jīng)過擴(kuò)增的單分子測序和長讀長為標(biāo)志的DNA測序技術(shù)也隨即問世，這類測序技術(shù)被稱為第三代測序技術(shù)。因其測序時(shí)DNA分子無需PCR擴(kuò)增，實(shí)現(xiàn)了對每一條DNA分子的單獨(dú)測序，也稱為單分子測序技術(shù)。
二、技術(shù)平臺
Helicos公司于2008年推出了世界上第一款單分子測序平臺HeliScope，但其讀長較短（35bp），系統(tǒng)整體測序錯(cuò)誤率較高（5%）。之后出現(xiàn)了單分子的長讀長測序技術(shù)，目前長讀長測序是指單分子測序長度不少于 KB 級別測序讀長的技術(shù)平臺。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的長讀長測序平臺主要有Oxford Nanopore Technologies的納米孔測序平臺（Nanopore）和PacBio的單分子實(shí)時(shí)（SMRT）測序平臺。
（一）單分子實(shí)時(shí)測序技術(shù)（SMRT）
美國太平洋生物公司（Pacific Biosciences，PacBio）開發(fā)的三代測序技術(shù)稱為SMRT測序（Single Molecule Real-Time Sequencing），該技術(shù)建立在兩項(xiàng)重要的發(fā)明基礎(chǔ)之上，從而攻克了測序領(lǐng)域測序讀長短的重大難題。第一，零模波導(dǎo)孔技術(shù)（Zero-mode Waveguides，ZMWs）使激發(fā)光被限定在單分子納米孔底部一定范圍內(nèi)，過濾了背景噪音。第二，熒光基團(tuán)結(jié)合在核苷酸的磷酸基團(tuán)上，幫助DNA聚合酶完成一個(gè)全天然的DNA鏈合成過程。
基于該原理的具體產(chǎn)品有PacBio Sequel測序儀、PacBio Sequel II測序儀。PacBio Sequel測序儀是首個(gè)商業(yè)化應(yīng)用的第三代測序技術(shù)平臺，其打破傳統(tǒng)短讀長測序諸多技術(shù)瓶頸。PacBio Sequel II測序儀是PacBio Sequel的升級款，可提供CLR Library和CCS library（HIFI）兩種測序模式。測序芯片上的導(dǎo)孔（ZMW）由100萬個(gè)提升至800萬個(gè)，理論通量提升8倍。CCS reads單堿基準(zhǔn)確性有了極大提升，同一片段測序4次后，單一read的準(zhǔn)確性可達(dá)99%。
（二）納米孔單分子測序技術(shù)（Nanopore）
納米孔單分子測序是基于電信號測序的技術(shù)，原理是通過電場力驅(qū)動單鏈核酸分子穿過納米尺寸的蛋白孔道，由于不同的堿基通過納米孔道時(shí)產(chǎn)生了不同阻斷程度和阻斷時(shí)間的電流信號，由此可根據(jù)電流信號識別每條核酸分子上的堿基信息，從而實(shí)現(xiàn)對單鏈核酸分子的測序。由于其原理與其他平臺有較大差異，亦有被稱為第3.5代或四代測序技術(shù)。
Nanopore測序儀的具體產(chǎn)品種類很多，均為基于Nanopore芯片來搭建的平臺，大到由多個(gè)芯片陣列組成的PromehION、GridION系列測序儀，小到可以連接手機(jī)的Type C、電腦USB的MnION系列便攜式測序儀。其中PromethION是一款高通量、高樣本數(shù)的臺式系統(tǒng)，基于模塊化設(shè)計(jì)（多達(dá) 48 個(gè)測序芯片，各有多達(dá) 3,000 個(gè)納米孔通道，總計(jì)達(dá) 144,000 個(gè)），測序芯片既可單獨(dú)也可同時(shí)運(yùn)行，尤其適合于大樣本量、具有龐大數(shù)據(jù)量的項(xiàng)目。
（三）第三代測序平臺特點(diǎn)比較
這兩類第三代測序平臺均具有長讀長、無GC偏好性及可直接檢測甲基化修飾等優(yōu)點(diǎn)。相較而言，納米孔單分子測序技術(shù)讀長更長，可達(dá)到Mb級別；MnION測序儀如手機(jī)大小，較為便攜；單分子實(shí)時(shí)測序技術(shù)（SMRT）平臺，無錯(cuò)誤偏好，可通過增加數(shù)據(jù)糾錯(cuò)以提高測序準(zhǔn)確性。具體的比較如下表所示：
三、應(yīng)用方向的探索
目前長讀長測序的三代測序平臺，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜動植物基因組、微生物基因組、全長轉(zhuǎn)錄組、微生物群體研究及人類基因組變異檢測等領(lǐng)域的科研項(xiàng)目中，以解決這些科研領(lǐng)域檢測技術(shù)瓶頸的問題。
在疾病檢測方面，三代測序基于其單分子檢測與長讀長測序的特點(diǎn)，在基因組結(jié)構(gòu)變異、短串聯(lián)重復(fù)/微衛(wèi)星 、單體型分析 、真假基因區(qū)分 、甲基化檢測等相關(guān)的檢測中具有獨(dú)到的優(yōu)勢。例如，目前許多基于高通量測序技術(shù)的基因診斷產(chǎn)品已基本成熟；但因二代測序技術(shù)存在讀長短、對基因組覆蓋不均勻等局限，對SNVs和 InDels檢測尚可，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異的檢測無能為力。第三代測序技術(shù)用于遺傳病及腫瘤基因的檢測，憑借長讀長、無PCR、無 GC 偏好性等優(yōu)勢，進(jìn)行長片段序列測定，可以檢測缺失、重復(fù)、倒位、易位等結(jié)構(gòu)變異（＞50bp），可進(jìn)一步提高疾病的檢出率，彌補(bǔ)二代測序技術(shù)對結(jié)構(gòu)變異檢測的不足。
四、小結(jié)
長讀長測序的三代測序平臺，較二代測序?qū)⒆x長提升了萬倍，但由于錯(cuò)誤率、成本及樣本要求都較高，算法、軟件、數(shù)據(jù)庫等配套的技術(shù)需要研發(fā)等問題，目前尚處于科研項(xiàng)目應(yīng)用階段。針對這些問題，各技術(shù)平臺也不斷優(yōu)化技術(shù)以解決問題，例如PacBio測序儀的HIFI技術(shù)模式可有效提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，納米孔測序平臺也通過對PromethION進(jìn)行設(shè)備上的升級以提高準(zhǔn)確度。
隨著三代測序平臺的不斷發(fā)展，其未來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，可以有效彌補(bǔ)目前基于結(jié)構(gòu)變異、短串聯(lián)重復(fù)/微衛(wèi)星 、單體型分析等變異的基因相關(guān)疾病的檢測手段的空白。