实现“终极版”核苷酸测序仪的技术要素

20世纪70年代发明的第一代DNA测序技术,尽管测序通量有限,却成功地保证了“人类基因组计划”的实施;世纪之交出现的下一代(第二代) DNA测序技术经历了通量飞跃,为各种精准医学项目的实施提供了保障;目前的第三代技术,尽管通量居二代之后,但读长和单分子测序优势也让其有立足之本;第四代测序技术的基本标志是不经过cDNA (以RNA为模版合成的互补DNA),无PCR扩增,而直接测定单分子RNA序列,以及确定单分子RNA上的修饰核苷酸位点。从技术的角度看,第三、四代技术有一定技术要素共享(比如在单分子水平测定DNA序列),但是就测序对象而言,第四代应该属于“终极版”核苷酸测序仪：可以从单细胞出发,既能测定DNA序列,也可以测定RNA序列,也可以直接确定修饰核苷酸位点。因此,要实现这个“终极版”核苷酸测序仪,就要调动相关核心技术要素,而这些要素毫无疑问地会涉及物理、化学、工程学、生物学、半导体科学、计算机科学等领域的前沿技术,包括纳米科学、单分子光学、单分子拉曼光谱、单分子核磁共振、单分子酶学、人工智能等所谓的“硬科技”。其功能是从单细胞的裂解开始,经微纳结构实现组分分流后,直接导入RNA序列测定单元,定量分析细胞RNA分子的种类、数量、序列和修饰核苷酸位点的存在频率。本文系统介绍了第四代测序仪的可能技术要素,以及应用需求和新研究范式。     

DNA测序技术的发展历史与最新进展

DNA测序技术是现代分子生物学研究中最常用的技术。从1977年第一代测序技术的出现,经过30多年的发展,DNA测序技术取得重大进展,以高通量为特点的第二代测序技术逐步成熟并商业化,以单分子测序为特点的第三代测序技术也已经出现。介绍每一代测序技术的特点,并重点介绍了第二代测序技术及其应用。展望新的测序技术对于未来生物学研究及人们自身健康与人类疾病等方面研究的影响。     

单分子实时测序技术在环境微生物研究中的应用

1975年,第一个cDNA的基因组——噬菌体фX174基因组的测序完成,标志着测序时代的开始。1996年以来人类基因组计划的发起极大地推动了测序技术的应用和发展,第二代测序技术也被称为高通量测序技术。而单分子DNA测序技术是最近10年内发展起来的新一代的测序技术,称为第三代测序技术,其中包括单分子实时测序(Single molecule real time sequencing,SMRT)、真正单分子测序和单分子纳米孔测序等技术。SMRT测序技术有超长读长、测序周期短、不需要模板扩增和直接检测表观修饰位点等特点,为研究人员提供了新的选择。本文综述了SMRT测序技术的基本原理、性能以及它在微生物16S rRNA基因、微生物全基因组以及微生物宏基因组测序等方面的应用,并分析了SMRT测序技术在环境微生物应用中的优势以及存在的问题。     

第三代测序技术及其应用

第二代测序技术发展到一定阶段以后其缺陷逐渐显现,而第三代测序技术的出现在一定程度上弥补了第二代测序技术在应用方面的缺点.就目前正在发展的5种第三代高通量测序技术的原理进行了阐述,并比较了这几种测序技术的优缺点,最后对三代测序技术在基因组测序,甲基化研究,RNA测序以及医学方面的应用作了简单介绍.     

基于三代测序技术的微生物组学研究进展

微生物在人类生活中无处不在, 过去人们对微生物的认识仅停留在单菌培养和定性研究上, 而测序技术的发展极大地促进了微生物组学的研究。越来越多的证据表明: 人体共生微生物、特别是肠道微生物与人类健康息息相关。 二代测序技术凭借其高通量、高准确率和低成本的特点, 成为微生物组学研究中的主流测序技术。但是随着研究的深入, 二代测序技术的短读长(< 450 bp)增加了后续数据分析和基因组拼接难度, 也限制了该技术在未来研究中的应用。在此背景下, 第三代测序技术应运而生。第三代测序技术又称单分子测序, 能够直接对单个DNA分子进行实时测序, 而不需要经过PCR扩增。第三代测序技术的平均读长在2-10 kb左右, 最高可以达到2.2 Mb, 实现了长序列的高通量测序。凭借其超长的测序读长、无GC偏好性等优势, 三代测序技术为微生物基因组全长测序, 组装完整可靠的基因组提供了新的方法。本文在描述三代测序的技术特点和原理的基础上, 重点介绍了三代测序技术在微生物16S/18S rRNA基因测序、单菌的基因组组装以及宏基因组中的研究应用和进展。     

第三代测序基本原理

文章阐述了以单分子实时测序和纳米孔技术为标志第三代测序的基本原理,介绍了Helicos的Heliscope单分子测序仪、Pacific Bioscience的SMRT技术和Oxford Nanopore Technologies公司正在研究的纳米孔单分子测序技术。与其他测序技术进行了简单的对比以并提出一些单分子测序仍需面对的问题以及对未来单分子测序的展望。     

单分子实时测序技术的原理与应用

单分子DNA测序技术是近10年发展起来的新一代测序技术,也称为第三代测序技术,包括单分子实时测序、真正单分子测序、单分子纳米孔测序等技术。文章介绍了单分子实时(Single-molecule real-time,SMRT)测序技术的基本原理、性能以及应用。与Sanger测序法和下一代测序技术相比,SMRT测序具有超长读长、测序周期短、无需模板扩增和直接检测表观修饰位点等特点,为研究人员提供了新选择。同时,SMRT测序的低准确率备受争议(约85%),其中约93%的错误是插入缺失,因此,其数据应用于基因组组装前需先对数据进行纠错处理。目前,SMRT测序在小型基因组从头测序和完整组装中已有良好应用,并且已经或将在表观遗传学、转录组学、大型基因组组装等领域发挥其优势,促进基因组学的研究。     

单分子纳米孔测序技术及其应用研究进展

测序技术在通量和成本方面有了较大的改进,以单分子纳米孔测序技术为代表的第三代测序技术更是以其超长读长、实时检测和可以直接检测碱基甲基化修饰等优势在医学及生命科学等领域作出了较大贡献。文中就单分子纳米孔测序技术的原理进行了简要描述,并对其在临床、动物、植物、细菌及病毒等领域的应用和其未来的发展方向进行了讨论。     

主编导读

第三代测序技术 自1868年Miescher在白细胞中首次发现遗传信息载体核酸,不断发展完善的测序技术为破解遗传密码提供了重要的技术手段,发挥了至关重要的作用.近些年,以单分子实时测序技术(single molecule real time sequencing,SMRT)和纳米孔单分子测序技术(single-mole...     

第三代测序技术的主要特点及其在病毒基因组研究中的应用

随着基因测序技术的创新和应用,新的高通量测序技术不断涌现,以Pacific Biosciences(PacBio)公司的单分子实时测序(single molecule real time sequencing)为代表的第三代测序(third generation sequencing,TGS)技术开始逐渐应用于基因组研究,包括大型基因组拼装、基因结构变异和表观遗传研究等方面。本文主要对TGS技术的原理、特点和应用,特别是在病毒研究中的应用进行介绍,并与第二代测序(next generation sequencing,NGS)技术进行比较,为基因组测序技术的选择及其临床应用提供一定参考。     

纳米孔测序信号处理及其在DNA数据存储的应用

随着高通量测序技术的不断更新,可以在单个分子水平读取核苷酸序列的第三代测序技术迅速发展,纳米孔测序技术是其具有代表性的单分子测序技术,该技术通过检测DNA单链分子穿过纳米孔时引起的跨膜电流信号的变化,实现碱基识别。纳米孔测序仪在便携性、碱基读取速度、测序读段长度等方面较传统的第一代与第二代测序技术都有明显优势。随着纳米孔测序技术的不断发展成熟,与其配套的各种信号处理与生物信息处理工具也迅速涌现,碱基识别和模型仿真是其中两个较为关键的研究方向。首先介绍纳米孔测序基本原理与信号处理流程,探讨其目前面临的挑战,归纳近年来在碱基识别与纳米孔模型仿真两个方面的主要进展与发展趋势,并用实测数据比较了不同碱基识别方法的性能。继而搭建了纳米孔测序集成仿真平台,为信号处理算法的评估提供支撑。进一步,随着全球数据量的爆发式增长,DNA数据存储正成为未来非常有潜力的海量数据存储方式,采用纳米孔测序读出是一种非常有效的方法。总结了纳米孔测序技术在DNA数据存储中的应用进展,分析了其可行性。分析了基于纳米孔测序实现的人工染色体数据存储的快速读出方法,探讨了与实际测序数据结合的纳米孔测序读段仿真在DNA数据存储中的应用,为开发适合DNA数据存储的方案提供参考。     

Advantages of Single-Molecule Real-Time Sequencing in High-GC Content Genomes

Next-generation sequencing has become the most widely used sequencing technology in genomics research, but it has inherent drawbacks when dealing with high-GC content genomes. Recently, single-molecule real-time sequencing technology (SMRT) was introduced as a third-generation sequencing strategy to compensate for this drawback. Here, we report that the unbiased and longer read length of SMRT sequencing markedly improved genome assembly with high GC content via gap filling and repeat resolution.     

第三代测序技术的研究进展与临床应用

Sanger测序法，又称第一代测序技术，作为测序金标准推动了人类基因组“工作框架图”的绘制，但通量低、成本高的缺点限制了其进一步大规模应用。第二代测序技术，又称下一代测序技术，因其通量高、成本低等优点使得基因测序在基础研究与临床诊疗中得到广泛应用，但短读长一直是其不可回避的技术短板。第三代测序技术的出现，因其具有长读长优势，为基因序列上复杂重复区域解析与高质量基因组组装提供了新的技术手段。近年来，第三代测序技术进一步发展与完善，同时在肿瘤、免疫、生殖等相关领域逐步体现出临床应用价值。本文将综述第三代测序技术的研究进展与临床应用。     

DNA测序技术概述

DNA测序技术作为现代生命科学研究的核心技术之一,自上世纪70年代中期DNA发明以来发展迅速。我们简要综述现有的几代DNA测序技术的原理及其发展历程,并对未来可能出现的第三代测序进行预测。     

单细胞测序方法研究进展

近年来,高通量测序技术(Next-generation sequencing,NGS)快速发展,已广泛应用于生命科学各个领域,但传统的混合细胞测序(Bulk cell sequencing)检测的是细胞群体的总平均反应,无法反应每个细胞的真实情况,这会影响研究者对细胞功能认知的准确性。单细胞测序技术(Single cell sequencing,sc-Seq)的出现,从一定程度上解决了传统测序固有的缺陷。单细胞测序是针对单个细胞的RNA或DNA进行测序,能够准确测出单个细胞的基因结构和表达状态,从而分析相同表型细胞的异质性。本文首先介绍单细胞测序的原理、测序类型和测序平台,有助于理解单细胞测序和在进行科研项目时设计合适的项目方案。进一步介绍单细胞转录组测序的分析流程和各种常用的分析工具或软件,并重点阐述单细胞转录组测序分析中的细胞聚类和拟时序分析的原理和研究进展,为进行单细胞转录组测序数据分析提供参考。最后,本文简述了单细胞测序研究热度、单细胞测序的应用、挑战和展望等,有助于更全面地认识单细胞测序。     

Nanopore-based Fourth-generation DNA Sequencing Technology

Nanopore-based sequencers, as the fourth-generation DNA sequencing technology, have the potential to quickly and reliably sequence the entire human genome for less than $1000, and possibly for even less than $100. The single-molecule techniques used by this technology allow us to further study the interaction between DNA and protein, as well as between protein and protein.Nanopore analysis opens a new door to molecular biology investigation at the single-molecule scale.In this article, we have reviewed academic achievements in nanopore technology from the past as well as the latest advances, including both biological and solid-state nanopores, and discussed their recent and potential applications.     

基于第二代测序技术的基因资源挖掘

转录组研究一直是生命科学研究的一个重要方向,在第二代测序技术问世以前,已经产生了一些行之有效的转录组研究方法,但这些方法存在一定的局限性。第二代测序技术的出现不仅使转录组研究很快进入了高速发展期,同时也为遗传资源的挖掘提供了一套全新的技术平台。本文简要介绍了第二代测序技术的化学原理和特性,重点阐述了利用第二代测序技术进行转录组测序,从而在此基础上挖掘遗传资源的研究。