新一代测序技术

第一代测序技术以“Sanger法”为代表，实现了测序技术从无到有的飞跃，人们借助其完成了“人类基因组草图”，以及动植物、微生物等模式生物的基因组测序。一代测序经发展实现了自动化，但总体而言通量低、流程长、成本高，难以商业化。新测序技术以不可抵挡的势头发展起来。

新一代测序技术（next-generation sequencing, NGS）的起点是2005年以来Roche 454、Illumina GA/HiSeq、Life SOLiD/Ion Torrent、PacBio RS技术的发明，新技术使测序通量快速增加，测序成本极大降低。本文主要介绍Illumina测序技术、Pacific BioSciences SMRT RS测序技术、Oxford纳米孔测序技术及华大平台的DNBSEQ TM 测序技术。

该技术是目前应用最广泛的新一代基因组测序平台，它使用边合成边测序技术实现大规模平行测序。它最早是由Solexa公司开发，所以也称为Solexa测序技术。Illumina测序平台有多种仪器选择，如超大通量、适合测序中心和测序公司的 HiSeq 系列测序仪，也有适合中小型实验室测序和医院医疗诊断测序使用的 MiSeq 和 NextSeq500 测序仪，也有专门用于医疗诊断测序用的 MiniSeq 等。测序模式分为 高通量模式 与 快速模式 。其中，高通量模式可兼容更多的样本量及应用种类；而快速模式测序速度更快、单次运行成本更低。

Solexa测序技术的原理网友“星空Idealist”在“知乎”、“Z_Y_H”在“”等平台做过详细介绍：

（ 第二代测序原理的详细解析！ - 星空Idealist的文章 - 知乎）；

（ illumina 双端测序 - Z_Y_H的文章 - ）。

下面只做简单概括。该方法的第一步是 建立测序文库 （sequencing library preparation）（图1）。基因组打碎成小片段，双端补齐，3’加A尾，添加Illumina专用接头（一端有oligo T），该接头含有一个酶切位点，且为环状非互补链，故形成一个“球形”接头。当用限制酶进行切割后，形成“Y形”末端，从而能按部就班逐链复制。在双链末端加入与后续扩增引物互补的片段（通过两次复制实现，所加两端引物序列不同，设为P5、P7），以及在引物内侧加入标记（barcode）（所加两端标记不同），如有需要可用 Taq 酶补齐至平末端。做好以上工作，需行纯化，仅将正确添加接头的序列用于后续反应，去除引物、酶等杂质。以上操作可一次性对整个文库进行。

提纯后进行文库的 扩增成簇过程 （cluster generation），该过程的目的是为使测序信号放大。经变性的测序文库在有八个泳道（lane）的芯片（flow cell）上，与固化在泳道玻片壁上的寡核苷酸特异性互补结合（P5’、P7’），经一轮复制（5’->3’），模板被切断并洗掉，固定在芯片的寡核苷酸合成为互补链。然后开始桥式扩增（bridge amplification）把带有待测DNA片段的文库扩增到1000个拷贝左右，每个拷贝都有相同的DNA序列，这样就形成了簇（cluster）。最后一次扩增产物变性为单链，这些单链可用来双端测序（paired-end sequencing），但通常的做法是利用甲酰胺基嘧啶糖苷酶（Fpg）的8-氧鸟嘌呤糖苷（8-oxo-G）选择性切断作用，选择性将正向或反向序列从接头处切去，避免因链间距过近对序列添加的影响。若先切去反向序列，则测完后，再重复前述反应至选择性切割时，切去正向序列，进行反向测序即可。

第三步是 测序过程 。Illumina平台使用SBS技术和3’端可逆屏蔽终结子技术（3’-blocked reversible terminator）进行测序。3’端可逆屏蔽终结子技术利用有荧光标记的特殊核苷酸，这种核苷酸的3’羟基被化学基团屏蔽，导致每次DNA链合成都只能加入一个核苷酸，但当荧光图像记录完后，该化学屏蔽基团便通过酶切方法切掉，3’端恢复连接能力，如此周而复始。可以想象，由于起初变性文库中包含模板-互补链（二者的标记没有区别），在一次过程中同时被测序，因此在收集单向测序（single read sequencing）结果时需进行互补链识别，以免序列拼接发生混乱。正反双端测序，极大提高了测序效率。

由于Illumina测序技术使用扩增成簇的信号放大原理，使其读长无法达到一代测序水平，因为当扩增至数百碱基后，受核苷酸浓度、酶活等影响，簇内碱基添加将不再同步，不同步则信号混乱，导致读序不准。

该技术是Pacific BioSciences推出的 单分子实时（single molecular real time）DNA测序技术 ，基于边合成边测序原理。该技术主要特点是读长长，平均序列在10kb以上，最长读长可达40kb。它以SMRT Cell为测序载体，SMRT Cell是一张厚度为100nm的金属片，一面带有15万个（2014年）直径为几十纳米的小孔，称为 零模波导 （zero-mode waveguide, ZMW），也称纳米孔。测序时，系统将测序文库、DNA聚合酶和带有不同荧光标记的dDNA放置到纳米孔底部进行DNA合成反应。通常一个纳米孔固定一个DNA聚合酶Fenix和一条DNA模板。

该方法的特别之处在于 测序文库不需要扩增 ，因为零模波导能极大消除噪音荧光背景，而使单分子反应释放的荧光也能被准确记录。此外，SMRT技术用于检测标记的荧光基团与脱氧核苷酸的结合位置不是在碱基上，而是在5’磷酸基团的第3个磷酸基上，这样在dNTP于测序模板互补结合到测序引物上发生缩合反应后，荧光基团就随焦磷酸一起被切掉了，省去酶切步骤。

2014年Oxford Nanopore公司推出了几款基于纳米孔测序技术的测序仪MinION、PromenthION、GridION。其基本原理为：在充满了电解液的纳米级小孔两端加上一定的电压，可以很容易地测量通过此纳米孔的电流强度。纳米孔的直径只能容纳一个核苷酸通过，当核苷酸通过时，纳米孔被核苷酸阻断，通过的电流强度随之变弱。由于四种核苷酸碱基的空间构象不同，它们在通过纳米孔时，被减弱的电流强度变化程度也就有所不同。因此，只需检测DNA通过纳米孔时检测电流强度的变化，即可实现实时测序。

该法亦无需文库扩增，读长长，实时，单分子，可以极大降低测序成本。

该技术起源于Complete Genomics，改进于华大。下面根据华大官网文章简要说明该方法的原理。

按照图2的流程，华大基因使用DNA纳米球技术来扩增DNA序列，在该技术中，DNA被分割成约100碱基对的片段。该片段的每一侧与第一种接头，即接头1连接。连接后的DNA片段被扩增，通过将两端的接头结合而形成环状连接的序列片段。该环状DNA片段被切割以加入第二种衔接子，即接头2，并重复扩增和环化过程。一旦将四种接头，即接头1,2,3和4（四种接头的序列不同，有些是与引物互补的寡核苷酸，有些是标记物等）加入到DNA片段中，则通过滚环扩增最后的环状DNA以产生 DNA纳米球 （DNA nanoball, DNB）。滚球扩增时不切断各拷贝，而利用某种方法使扩增后变性但又不影响延伸，得到一团多拷贝的纳米球。将纳米球固定在芯片上的网状小孔内。

测序使用联合探针锚定聚合技术（combinatorial probe-anchor ligation sequencing, cPAS）和多重置换扩增的双末端测序法（MDA-PE）增加测序读长，可测得100bp/150bp的双端序列。目前为止，并没有对联合探针锚定聚合技术的详细披露。 MDA-P的具体原理是：经复制延伸完成第一链（Forward Strand）的测序后，在具备链置换功能的高保真聚合酶的作用下，除去第一链模板同时合成第二链（Reverse Strand），并通过DNA分子锚，进行第二链的测序。

与其他二代测序相比，DNBSEQ TM 测序技术基于DNB，DNB以最初模板扩增，不同于PCR的指数增长，最重要的是 其不会使扩增过程中产生的错误累积 。

[1] 陈浩峰. 新一代基因组测序技术[M]. 第一版. 北京: 科学出版社, 2016.
[2] 第二代测序原理的详细解析！ - 星空Idealist的文章 - 知乎.
[3] illumina 双端测序 - Z_Y_H的文章 - .
[4] 华大科技-产品服务-全外显子测序-产品介绍 .
[5] 解密人类基因组：下一代测序 -（一） - Jing Zhou的文章 - LEXOLOGY.

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一二三代测序技术总结
答：（1）测序速度较第一代，测序成本较第一代低，并且保持了高准确度；（2）测序读段较短，比第一代测序技术的读段要短很多，大多只有100bp~150bp；3、第三代测序技术 概述：以PacBio公司的SMRT和Oxford Nanopore公司的纳米孔单分子测序技术为标志。特点：（1）与前两代相比，第三代测序技术是 单分...

测序相关知识总结
答：高通量测序技术(High-throughput sequencing,HTS)是对传统Sanger测序(称为一代测序技术)革命性的改变,一次对几十万到几百万条核酸分子进行序列测定, 因此在有些文献中称其为下一代测序技术(next generation sequencing,NGS )足见其划时代的改变, 同时高通量测序使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的分析成为...

基因测序的前世今生(一代测序,二代测序,三代测序最详原理)
答：测序技术的前世今生测序技术的发展历程第一代测序技术（Sanger测序）第一代DNA测序技术用的是1975年由桑格（Sanger）和考尔森（Coulson）开创的链终止法或者是1976-1977年由马克西姆（Maxam）和吉尔伯特（Gilbert）发明的化学法（链降解）,在2001年，完成的首个人类基因组图谱就是以改进了的Sanger法为其测序...

小白的生信笔记(1)——高通量测序的一些基础知识
答：不同于一代测序,NGS采用的是边合成边测序的策略,主要的技术路线以Roche公司的454技术、illumina公司的Solexa,Hiseq技术和ABI公司的Solid技术为代表。为了增强测序准确性,需要对同一模板通过PCR扩增多个拷贝来矫正偏差值。因此整个测序分为PCR扩增(一种可以快速复制大量产生相同DNA片段的技术)和测序两个步骤。但是PCR过程...

一代测序
答：链终止法(chain termination method)测序不是最早发明的测序技术,但确实为一代测序最受欢迎而广为应用的方法。该方法是1977年由Fred Sanger及其同事发明的,故常称为Sanger法。 链终止法的基本原理是利用引物促使待测片段在DNA聚合酶的作用下从一端开始发生复制,但复制往往并不能到达DNA的另一端而停止,这是因为在反...

一代测序技术包括哪些?
答：代表仪器美国ABI3130、3130XL、3730仪器，一般sanger测序公司拥该有仪器。优势：1、分型准确，2、通量高，3、检测速度快，4、不受SNP位点多态性特性限制，5、不受样本个数限制。SNaPshot技术是新一代测序技术（包括二代测序和芯片测序）SNP突变检测的金标准，sanger测序技术又是SNaPshot技术突变检测的金...

一代测序原理
答：1、一代测序原理是使用Sanger测序技术，通过对DNA链延伸过程中释放的逐个核苷酸残基进行检测，获得DNA序列信息。2、Sanger测序技术是一种经典的DNA测序方法，也被称为dideoxy链终止法，这种方法首先利用DNA聚合酶和单链DNA模板，以及一些特殊的dNTP副产物进行DNA的延伸，会在连接后停止链的生长，ddNTP比普通的...

一代测序原理及步骤
答：一代测序仪利用Sanger测序——双脱氧末端终止法的原理，将被荧光标记的ddNTP掺入到dNTP中，由于ddNTP随机掺入，PCR产物从引物之后的第一个碱基开始，每一个位置都有可能是ddNTP。由于ddNTP缺乏链延伸所需要的3'-OH，链的延伸就选择性地在G、A、T或C处终止。这样的PCR产物与普通PCR不一样，不能形成一...

第一代测序技术原理
答：上机测序：先在毛细管中注入丙烯酰胺溶液，丙烯酰胺在紫外线的电离作用下发生聚合反应变成聚丙烯酰胺凝胶，将DNA片段混合物加入到有聚丙烯酰胺凝胶的一端，在毛细管的两端加上电压进行电泳，在毛细管的正极的末端用激光照射，经过光学传感器记录荧光信号。BigDye试剂中包括四种荧光标记的ddNTP，dNTP，DNA聚合酶，...

DNA 的 1代测序,2代测序,3代测序的区别是什么啊?
答：第一代测序：指双脱氧末端终止法，扩增后通过毛细管电泳读取序列，每次获取数据量少。第二代测序：为高通量测序，采用微珠或高密度芯片边合成边测序，代表有454，solexa，solid，高通量，可一次获得数G数据，相对与第三代，都仍然需要扩增的方法放大信号，扩增后再检测。第三代测序：特点是单分子测序，多...