SMRT测序技术及其在微生物研究中的应用

高通量测序技术的发展为研究者深入探索微生物世界提供可能。随着以Pacific Bio Sciences(PacBio)公司的单分子实时测序(Single molecule real time sequencing,SMRT)为代表的第三代测序(Third generation sequencing,TGS)技术逐渐发展成熟,微生物研究方法正面临又一次新的变革。SMRT测序技术凭借其特殊建库方式(SMRTbell)和超长的测序读长等特点,为微生物16S rRNA基因全长测序提供新的选择。同时,为组装完整可靠的宏基因组和微生物全基因组提供新方法。随着PacBio测序平台的成本大幅下降,SMRT测序技术的PacBio系列平台开始逐渐被应用于微生物16S rRNA基因测序、宏基因组测序和全基因组测序研究中。综述了SMRT测序技术的技术原理和特点及其在微生物16S rRNA基因全长测序、宏基因组测序等方面的应用,并分析了目前SMRT测序技术在微生物各方面研究中的优势和存在的问题,提出基于SMRT测序技术获得的长片段在后期分析中存在的问题。SMRT测序技术将越来越多地引入到微生物研究中,期望为将要选择使用SMRT测序技术研究微生物的研究人员提供一定参考。     

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。     

下一代测序技术在表观遗传学研究中的重要应用及进展

下一代测序技术(Next generation sequencing,NGS)的出现,极大地促进了表观遗传学的研究。将NGS技术引入表观遗传学,便形成了以NGS为基础的各种表观遗传学测序及研究方法,如:全基因组亚硫酸氢盐测序法(Whole genome bisulfite sequencing,WGBS)、简化代表性亚硫酸氢盐测序法(Reduced representation bisulfite sequencing,RRBS)、甲基化DNA免疫共沉淀测序(Methylated DNA immunoprecipitationsequencing,MeDIP-seq)、染色质免疫共沉淀测序(Chromatin immunoprecipitation-sequencing,ChIP-seq)、Tet辅助重亚硫酸盐测序法(Tet-assisted bisulfite sequencing,TAB-seq)、各种染色体构象捕获测序(Chromosome conformation capture sequencing,3C-seq)技术、DnaseⅠ-seq/MNase-seq/FAIRE-seq以及RNA测序(RNA sequencing,RNA-seq)。这些方法的应用和普及改变了人们对多种表观遗传现象的传统认识,使研究人员能够更加全面地深入了解各种表观遗传标志在机体内的广泛分布,以及如何在外界因素的影响下发生相应的动态变化。文章概述了当今主要商业NGS平台的原理和特点,系统介绍了以NGS方法为基础衍生出来的各种表观遗传学测序及研究方法,并在此基础上对近年来应用NGS技术在表观遗传学研究领域中取得的最新研究成果进行了综述。     

宏基因组二代测序技术在微生物群抗微生物药物耐药基因研究中的应用现状和研究进展

抗微生物药物耐药性（antimicrobial resistance,AMR）是一个跨地区、跨领域和跨学科问题,涉及临床医学、动物医学、环境健康学及政策研究等,全球各地均面临着严峻的AMR局面。随着生物技术的发展,宏基因组二代测序技术（metagenomic next generation sequencing,mNGS）的出现为抗微生物药物耐药基因（antibiotic resistance genes,ARGs）的研究带来了巨大突破和转机。本文阐述了研究AMR的重要性和mNGS技术的发展现状,分别总结了mNGS技术在人、动物和环境领域ARGs研究的应用现状,并对基于宏基因组测序的ARGs在人-动物-环境界面的多生境和多层面研究进行了展望。     

高通量测序技术在农作物全基因组序列测定中的应用概览

近几年飞速发展的高通量测序技术(next generation sequencing,NGS)在生命科学研究的各个领域充分展现了其低成本、高通量和应用面广等优势。在现代农业生物技术领域,利用高通量测序技术,科学家们不仅能更经济而高效对农作物、模式植物或不同栽培品种进行深入的全基因组测序、重测序,也可以对成百上千的栽培品种进行高效而准确的遗传差异分析、分子标记分析、连锁图谱分析、表观遗传学分析、转录组分析,进而改进农作物的育种技术,加快新品种的育种研究。其中,获得农作物的全基因组序列是其他研究和分析的基础。本文通过介绍近年来发表的一些利用高通量测序技术进行的农作物全基因组测定和组装的工作,展示高通量测序技术在现代农业生物技术领域的广泛前景以及其建立起来的研究基础。     

新一代测序技术在遗传性耳聋基因研究及诊断中的应用

超过50%的耳聋由遗传基因缺陷所致,伴随着基因组学技术的发展,耳聋分子遗传学研究逐渐成为耳科学研究的前沿领域。新一代高通量测序技术的出现,提供了以数据为导向的新的遗传性疾病研究模式,革新了人们对遗传性疾病的认识过程,使得对遗传性疾病的研究策略也发生了重大转变。近年来新一代测序技术(Next generation sequencing,NGS)在耳聋研究中的应用,大大加快了耳聋基因发现的速度,并逐渐向临床应用方向转化。文章总结了遗传性耳聋的特点和研究现状,以及新一代测序技术在耳聋研究中的应用和前景,以及基于NGS技术的耳聋基因研究和临床耳聋基因诊断的发展方向。     

全长转录组测序在植物中的应用研究进展

全长转录组测序(Iso-Seq)是指使用第三代测序(TGS)技术获得mRNA的全长序列。随着以单分子实时(SMRT)测序为代表的TGS技术逐渐发展成熟,以及该技术在基因组和转录组de novo测序等方面的优势,全长转录组测序技术已经广泛被应用于动物、植物、微生物测序研究中,并挖掘出大量相关数据。本文综述了基于Iso-Seq技术的原理及其在模式植物和非模式植物研究中的应用,期望为研究植物全长转录组相关分析提供参考。     

宏基因组研究的生物信息学平台现状

由Handelsman et al(1998)提出的宏基因组(metagenome)泛指特定环境样品(例如:人类和动物的肠道、母乳、土壤、湖泊、冰川和海洋等环境)中微生物群落所有物种的基因组。宏基因组技术起源于环境微生物学研究,而新一代高通量测序技术使其广泛应用成为可能。与基因组学研究相类似,目前宏基因组学发展的瓶颈在于如何高效分析高通量测序产生的海量数据,因此,相关的生物信息学分析方法和平台是宏基因组学研究的关键。该文介绍了目前宏基因组研究领域中主要的生物信息学软件及工具;鉴于目前宏基因组研究所采用的"全基因组测序"(whole genome sequencing)和"扩增子测序"(amplicon sequencing)两大测序方法所获得的数据和相应分析方法有较大差异,文中分别对相应软件平台进行了介绍。     

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。     

木本植物全基因组测序研究进展

近年来,植物全基因组测序的结果正如雨后春笋般涌现,木本植物全基因组测序也在紧锣密鼓地展开。但由于木本植物通常基因组较大,基因组结构较为复杂,在测序、测序后的组装、注释、功能分析等均存在较大的困难。在基因组测序分析的经费预算方面也存在着较大的压力。因此,有必要对这方面的研究进展及其存在问题进行分析比较,以提高林木全基因组研究方面的效率。文章在比较分析已经发展起来的3代基因测序技术(Sanger测序法、合成测序法和单分子测序法)的基础上,选择4种已经公布的木本植物(杨树、葡萄、番木瓜、苹果),从全基因组测序的研究背景、测序结果及应用的研究进展和存在问题等方面进行了述评,对未来要开展的木本植物全基因组测序前的准备工作(材料选择、遗传图谱和连锁图谱的构建、测序技术的选择),全基因组测序结果的生物信息学分析和应用进行了讨论。     

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。     

Applications of sequencing technology in clinical microbial infection

Infectious diseases are a type of disease caused by pathogenic microorganisms. Although the discovery of antibiotics changed the treatment of infectious diseases and reduced the mortality of bacterial infections, resistant bacterial strains have emerged. Anti‐infective therapy based on aetiological evidence is the gold standard for clinical treatment, but the time lag and low positive culture rate of traditional methods of pathogen diagnosis leads to relative difficulty in obtaining the evidence of pathogens. Compared with traditional methods of pathogenic diagnosis, next‐generation and third‐generation sequencing technologies have many advantages in the detection of pathogenic microorganisms. In this review, we mainly introduce recent progress in research on pathogenic diagnostic technology and the applications of sequencing technology in the diagnosis of pathogenic microorganisms. This review provides new insights into the application of sequencing technology in the clinical diagnosis of microorganisms.     

金针菇基因组测序与组装策略分析

采用二代和三代测序技术分别对金针菇单核体菌株“6-3”进行测序,应用4种组装策略进行基因组的de novo组装,对比组装效果。基因组组装的参数方面,仅使用二代测序组装的效果最差,长度大于10kb的Contig全长只有24.6Mb,Contig N50只有23kb,组装率只有59.27%。采用三代组装二代校正的组装策略效果最好,长度大于10kb的Contig全长为38.3Mb,Contig N50为2.8Mb,组装率高达92.16%。保守单拷贝基因拼接效果方面,4种组装策略获得基因组序列与BUSCO数据库里的担子菌的保守单拷贝基因比对,基因完整性均大于94%。在组装准确性方面,经过PCR扩增、Sanger测序验证,三代组装二代校正的基因组序列完整并且连续,同时序列上碱基的SNP、InDel数量最少。综上所述,三代组装二代校正得到的基因组序列具有Contig N50值大、组装率高、碱基准确性高的特点,是食用菌基因组测序较为理想的方案。     

高通量测序技术及其应用

高通量测序技术是DNA测序发展历程的一个里程碑,它为现代生命科学研究提供了前所未有的机遇。详细介绍了以454、Solexa和SOLiD为代表的第二代高通量测序技术,以HeliScope TIRM和Pacific Biosciences SMRT为代表的单分子测序技术,以及最近Life Science公司推出的Ion Personal Genome Machine (PGM)测序技术等高通量测序技术的最新进展。在此基础上,阐述了高通量测序技术在基因组测序、转录组测序、基因表达调控、转录因子结合位点的检测以及甲基化等研究领域的应用。最后,讨论了高通量测序技术在成本和后续数据分析等方面存在的问题及其未来的发展前景。     

通往个性化医疗的新一代测序技术：Ion Torrent

自1977年第一代Sanger测序法诞生以来,测序技术经历了突飞猛进的发展,第二代和第三代测序技术相继出现。随着测序仪代次的更迭,实现测序目的的技术权重已逐渐由偏重生化反应转向偏重物理学、材料学等非生物学科。Life Technologies公司推出的Ion Torrent Personal Genomic Machine（PGM）就是这类技术转型的代表。我们对测序技术的发展和Ion TorrentPGM的特点及应用做简要综述。     

高通量测序技术在动植物研究领域中的应用

高通量测序是核酸测序研究的一次革命性技术创新, 该技术以极低的单碱基测序成本和超高的数据产出量为特征, 为基因组学和后基因组学研究带来了新的科研方法和解决方案. 在动植物研究领域, 高通量测序引领了一次具有里程碑意义的科学研究模式革新, 科研人员可利用该技术在基因组、转录组和表观基因组等领域展开多层次多方面多水平研究. 本文就高通量测序技术应用于动植物基因组学和功能基因组学研究进展进行了系统阐述, 并对当前高通量测序技术的现状和热点及未来的发展趋势作了深入剖析和讨论.     

Oxford Nanopore MinION Sequencing and Genome Assembly

The revolution of genome sequencing is continuing after the successful second-generation sequencing (SGS) technology. The third-generation sequencing (TGS) technology, led by Pacific Biosciences (PacBio), is progressing rapidly, moving from a technology once only capable of providing data for small genome analysis, or for performing targeted screening, to one that pro-mises high quality de novo assembly and structural variation detection for human-sized genomes. In 2014, the MinION, the first commercial sequencer using nanopore technology, was released by Oxford Nanopore Technologies (ONT). MinION identifies DNA bases by measuring the changes in electrical conductivity generated as DNA strands pass through a biological pore. Its portability, affordability, and speed in data production makes it suitable for real-time applications, the release of the long read sequencer MinION has thus generated much excitement and interest in the geno-mics community. While de novo genome assemblies can be cheaply produced from SGS data, assem-bly continuity is often relatively poor, due to the limited ability of short reads to handle long repeats. Assembly quality can be greatly improved by using TGS long reads, since repetitive regions can be easily expanded into using longer sequencing lengths, despite having higher error rates at the base level. The potential of nanopore sequencing has been demonstrated by various studies in gen-ome surveillance at locations where rapid and reliable sequencing is needed, but where resources are limited.     

人类基因组结构变异检测方法

本研究介绍了基因组结构变异检测的生物信息学基本方法和前沿技术。对基于第二代测序技术的四种检测方法(读对方法,读深方法,分裂片段方法和序列拼接方法)的原理和特点进行了详细解读,分析了第二代测序技术应用在检测结构变异上的特点与发展趋势。最后介绍了三代测序、Linked-reads和光学物理图谱等新技术在基因组结构变异检测中的应用,论述了融合新技术的结构变异检测方法的特点与优势。