单分子测序技术及应用研究进展

从DNA双螺旋结构的发现开始,生命科学研究进入分子水平,在20世纪70年代出现的测序技术为破译遗传密码作出了巨大贡献.近几年出现的单分子测序技术,可以在单个分子水平读取核苷酸序列,也被称为第三代测序技术,主要代表有HeliScope、Nanopore和PacBio等.与传统的第一代和第二代测序技术相比,第三代测序能够产生更长的碱基读长,能直接对RNA进行测序,无需逆转录,测序速度极快,同时其中某些技术所涉及的设备可以小型化,可便携至野外现场测序.第三代测序技术在生命科学基础理论研究及生物医学临床实践中,具有广泛的应用.本文重点介绍了各种单分子测序技术的原理、优缺点,及其应用研究进展.     

DNA测序技术的进展和挑战

基因是人类的遗传信息的载体,其遗传和表达影响人类的繁衍及各种生命活动;个体基因组DNA序列突变往往会导致疾病的发生,获取个体的基因组DNA序列将有助于疾病的诊断.DNA测序技术潜在的医学应用前景使其近几年有了飞速的发展.本文将介绍各代DNA测序技术已经取得的进展,目前尚待克服的挑战及可能的解决办法,并着重分析最新的单分子测序技术的发展潜能及临床应用前景.     

新一代快速测序仪实现低成本基因测序

测序技术对于确定基因组碱基序列至关重要。如今．采用全新方法的新一代测序仪已经开始普及。     

单分子测序技术在肿瘤诊断中的应用研究进展

肿瘤的发生发展通常与多个基因的遗传突变、表达异常有关,全面深入地分析肿瘤基因组、转录组及表观遗传组学对于快速剖析疾病特定基因簇及修饰位点至关重要。之前,研究者们主要采用第二代测序技术进行有效信息的挖掘,然而随着研究的不断深入,第二代测序技术表现出诸如序列拼接困难、低丰度难以检出等缺点。因此,单分子测序技术以其独特的优势应运而生,文中主要对单分子测序技术在几种常见肿瘤中的研究现状进行了综述,并展望了其在临床诊断中的应用前景。     

纳米孔测序技术在病毒性传染病检测及研究中的应用

快速、准确鉴定出病原体是临床感染性疾病诊断和传染病预防控制的基础。高通量测序基因检测技术突破了传统检测手段的时效性、灵敏度等的局限，为病原体检测和研究提供了便捷、高效的途径。本综述以高通量测序技术发展过程为基础，回顾纳米孔三代测序技术，及其在病毒性传染病检测鉴定及研究中的应用，并对该技术的应用前景及可能存在的问题进行阐述，期望它能在病毒性传染病的防控方面发挥更大的作用。     

新一代测序技术的研究进展

大规模DNA测序技术是揭秘人类和其它生物遗传密码的重要技术,在分子生物学和基础医学领域有广泛应用。第二代测序技术的出现使DNA测序的通量大幅提高,测序的成本大幅下降,原来只有在大型测序中心才能完成的测序任务现在已经可以在更多的实验室展开。但是,早期的第二代测序技术仍然存在诸如文库构建过程复杂、测序成本依然较高等缺点。为了克服上述缺点,近三年发展了几种新的第二代和第三代测序技术,这些技术不仅继承了早期第二代测序技术通量高的优点,而且在文库构建等方面取得了重要突破,进一步简化了测序操作,降低了测序成本,缩短了测序时间。本文就几种最新的大规模测序技术的原理、特点与发展趋势进行简要介绍。     

纳米孔测序技术应用于食品微生物检测的可行性分析

近些年来DNA测序技术发展迅速,已经从第一代生化测序发展到第三代单分子测序。作为第三代测序技术中的一种不同于当前流行的其他测序技术,纳米孔测序技术是基于电信号的一种物理方法测序。许多研究者通常将高通量测序技术应用于食品微生物的研究,但是将纳米孔测序技术应用于食品中微生物的检测却鲜有报道。Oxford Nanopore Technologies(牛津纳米孔科技公司)研发的DNA测序仪MinION,是世界首例用于商业测序的纳米孔测序仪,经过不断完善,近年来MinION在DNA测序中被广泛应用。MinION 测序一次需要的DNA量约1μg,其标准识别速度为一秒钟识别250个碱基,平均读长可至13kb~20kb,测序准确率可以达到98%。纳米孔测序的高识别速度和高准确率,完全满足快速检测的要求,将其应用于食品中微生物检测是完全可行的。     

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。     

固态纳米孔:下一代DNA测序技术——原理、工艺与挑战

固态纳米孔测序技术作为新兴的第四代DNA测序技术,具有低成本、高读长、易集成等优势.如今,随着半导体工艺技术的飞速发展,小型化、高速度、大通量的纳米孔测序芯片的实现成为可能.相比传统的测序技术,固态纳米孔测序技术在成本、速度等方面有着十分巨大的优势.然而,作为一种新兴的测序技术,固态纳米孔在制造、测序、集成等方面也存在着诸多挑战.本文主要介绍了纳米孔测序技术的原理、制备工艺和面临的挑战,并展望了未来纳米孔测序技术的发展前景.     

One by one: Single molecule tools for genomics.

Much of the effort in any genomics programme arises from the need to generate and purify large numbers of identical molecules, since most analytical tools rely on the analysis of bulk DNA. Biological steps such as bacterial cloning--commonly used to prepare bulk samples of defined DNA fragments--are capricious and introduce their own restrictions and distortions. The analysis of single molecules, either directly or by in vitro enzymatic amplification, makes possible the examination of native genomic DNA without the complications and restrictions of biological propagation. Techniques already exist for the in vitro propagation of genomic fragments and for genome mapping, and offer the advantages of speed, flexibility and predictable behaviour. Single molecule sequencing, for which many approaches are being developed, is more challenging, but offers even greater rewards in terms of throughput and read length.     

An integrative approach for the optical sequencing of single DNA molecules

A new approach for optically sequencing ensembles of single DNA molecules using DNA polymerase to mediate the consecutive incorporation of fluorochrome-labeled nucleotides into an array of large single DNA molecules is presented. The approach utilizes cycles of labeled fluorochrome addition, detection to count incorporations, and bleaching to reset the counter. These additions are imaged and analyzed to estimate the number of labeled additions and to correlate them on a per-locus basis along DNA backbones. Initial studies used precisely labeled polymerase chain reaction products to aid the development and validation of simple models of fluorochrome point spread functions within the imaging system. In complementary studies, nucleotides labeled with the fluorochrome R110 were incorporated into surface-elongated lambda DNA, and fluorescent signals corresponding to the addition of R110-dUTP were counted and assigned precise loci along DNA backbones. The labeled DNAs were then subjected to photobleaching and to a second cycle of addition of R110-labeled nucleotides-a second round of additions was correlated with the first to establish strings of addition histories among the ensemble of largely double-stranded templates. These results confirm the basic operational validity of this approach and point the way to the development of a practical system for optical sequencing.     

Variation in the nucleotide sequence of a prolamin gene family in wild rice

Variation in the DNA sequence of the 10 kDa prolamin gene family within the wild rice species Oryza rufipogon was probed using the direct sequencing of PCR-amplified genes. A comparison of the nucleotide and deduced amino-acid sequences of eight Asian strains of O. rufipogon and one strain of the related African species O. longistaminata is presented.     

DNA聚合酶对PacBio SMRT测序结果影响的评价

目的 评估不同DNA聚合酶是否会对以16S rRNA全长为测序靶点的肠道微生物多样性研究结果产生影响。方法 用美国太平洋公司的三代测序仪（PacBio single molecule real-time sequencing technology）对3份分别采用KAPA HiFiTM HotStart DNA聚合酶和PCRBIO HotStart DNA聚合酶扩增的军犬粪便样品进行精确至“种”水平的测序分析。结果 经配对Mann-Whitney U检验显示,不同DNA聚合酶扩增的同一样品在门、属和种水平上差异无统计学意义（P>0.05）,然而在某些相对含量较少的操作分类单元（OTU）上,其扩增效率存在差异。经基于非加权UniFrac距离的非加权组平均法聚类分析和基于加权UniFrac距离的非参数多元方差分析发现不同DNA聚合酶扩增的同一样品其多样性差异无统计学意义（P>0.05）。结论 KAPA HiFiTM HotStart DNA聚合酶和PCRBIO HotStart DNA聚合酶虽对模板DNA扩增存在一定的偏好性,但该偏好性不影响PacBio SMRT测序结果。     

单细胞RNA测序技术在病毒研究中的应用

单细胞RNA测序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)技术已经成为不同领域中研究细胞异质性的有效工具。在病毒研究领域中,利用该技术分析病毒和细胞的转录组,可以在单细胞水平上检测病毒感染的动态变化,了解病毒与细胞间复杂的相互作用。本文简述了scRNA-seq技术,着重介绍病毒感染宿主细胞后scRNA-seq研究的最新进展,同时也描述了细胞周期、基因表达、细胞状态等细胞异质性对病毒感染过程的影响,以及病毒变异对其本身感染过程的影响。此外,本文还分析了scRNA-seq在研究病毒–宿主互作动态变化方面具有的独特优势,及其在病毒研究领域中广阔的应用前景,为揭示病毒的感染与致病机制、抗病毒靶标的开发等提供参考。     

Integrated method for single-cell DNA extraction, PCR amplification, and sequencing of ribosomal DNA from harmful dinoflagellates Cochlodinium polykrikoides and Alexandrium catenella

A simplified technique was developed for DNA sequence-based diagnosis of harmful dinoflagellate species. This protocol integrates procedures for DNA extraction and polymerase chain reaction (PCR) amplification into a single tube. DNA sequencing reactions were performed directly, using unpurified PCR products as the DNA template for subsequent sequencing reactions. PCR reactions using DNA extracted from single cells of Cocodinium polykrikoides and Alexandrium catenella successfully amplified the target ribosomal DNA regions. DNA sequencing of the unpurified PCR products showed that DNA sequences corresponded to the expected locus of ribosomal DNA regions of both A. catenella and C. polykrikoides (each zero genetic distance and 100% sequence similarity). Using the protocol described in this article, there was little DNA loss during the purification step, and the technique was found to be rapid and inexpensive. This protocol clearly resolves the taxonomic ambiguities of closely related algal species (such as Alexandrium and Cochlodinium), and it constitutes a significant breakthrough for the molecular analysis of nonculturable dinoflagellate species.