生物前沿技术概览教程

连接技术
连接技术
高；在所有测序技 妨碍长重复序列区
术中，用于拼接一 域测序；样品制备
个人基因组的试剂 费事；尚无商业化
成本最低；每个测 供应的仪器
序步骤独立，使错
误的累积变得最低
Ion Torrent/生命技 合成测序法
以离子敏感场效应 对核酸碱基的掺入 阅读高重复和同种
术公司
晶体管检测 pH 值 可直接测定；在自 多聚序列时有困难
变化
然条件下进行 DNA
合成（不需要使用
据删节和分析的费
用很高
ABI/SOLiD
连接测序法
荧光/光学
很高测序通量；在 测序运行时间长；
广为接受的几种第 读长短，造成成本
二代平台中，所要 高，数据分析困难
拼接出人类基因组 和 基 因 组 拼 接 困
的试剂成本最低 难；仪器昂贵
赫利克斯
单分子合成测序法 荧光/光学
高通量；在第二代 读长短，推高了测
测序法
统检测
所能得到的链长 制备序列产出量
贝克曼
桑格-毛细管电泳 荧光/光学 测序法
度），准确度高
低）；样品制备成本 高
罗氏/454
焦磷酸测序法
光学
在第二代中最高读 样品制备较难；仪
长；比第一代的测 器昂贵
序通量大
以鲁米那
可逆链终止物和合 荧光/光学
很高测序Baidu Nhomakorabea量
仪器昂贵；用于数
(illumina)
成测序法
第二代 DNA 测序技术始于 2008 年，是最近几年获得突破的新技术，导致测序成本急速下降， 现在最大的成本在于用于精确排列的光学检测系统和数据分析所需的复杂硬件系统。第二代 测序技术目前有 4 种不同的测序平台，Roche 的 454 测序平台和 illumina 的测序系统最为常 用。基本原理都是边合成边测序，用不同颜色的荧光标记四种不同的 dNTP，当 DNA 聚合酶 催化合成互补链时，每添加一种 dNTP 就会释放出不同的荧光，根据捕捉的荧光信号并经过 计算机软件处理，从而获得待测 DNA 的序列信息。 由于成本迅速下降，第二代测序技术可以大规模的用于工商业。比如可以提供潜在疾病的测 试。个人全基因组测序的成本 2008 年大概在 20,000 美元，现在大概是 5,000 美元，外显子 测序的成本大概是 1000 美元。23andMe 是一个提供为个人提供 DNA 测试服务的公司，只要 花费 99 美元，将唾液放到试管寄到 23andMe 公司，即可以进行 DNA 测试，测试结果在 4-6 周之后出来。23andMe 进行的是特定位点的 SNP 的检测，不是全基因组测序，所以成本较 低。23andMe 未来可能开放基因组数据库的 API 给药企，但这种数据对药企究竟能有多大用 处还不是很确定。 目前基因筛查能有效诊断的疾病只有几十种（比如唐氏综合症），而现在已明确的与特定基 因缺陷有关的疾病约有 7000 种，只是所研究出的相关程度还不够强。目前的技术瓶颈不在 于测序，而在于确定怎样的序列对应怎样的疾病。比如，安吉丽娜-朱莉进行的 BRCA1 和 BRCA2 基因的筛查可以较准确的预测乳腺癌的发病率。对乳腺癌发病率的预测还与具体人种、 家族遗传及发病信息、饮食、病史等相关信息有关，较为复杂。除了 BRCA1 和 2，包括 TP53, PTEN, STK11/LKB1, CDH1, CHEK2, ATM, MLH1, MSH2 在内的基因发生突变都已被证明与遗传 性乳腺癌和卵巢癌症相关。遗传性乳腺癌与 BRCA1 和 BRCA2 基因突变的相关程度较高。总 体而言，美国白人妇女中，有 5-10％的乳腺癌和 10％-15％的卵巢癌是由 BRCA1 和 BRCA2 基因突变引起的。在中国妇女中，与 BRCA1/2 基因突变相关的乳腺癌还不到 5%。对一个人 种、一个家族有效的基因筛查换到另一个人种、另一个家族中效果就会打折扣。 美国国家卫生研究院 2013 年 9 月 4 日宣布，将在未来 5 年总共投入 2500 万美元，用于资 助为新生儿进行基因组测序的前景与伦理挑战所进行的研究，使基因组测序技术向大规模应 用迈出重要一步。有一天，每个新生儿在出生时，将会有自己的基因序列，它将成为电子健 康记录的一部分，并且终其一生都会被用来帮助更好地预防疾病，以及更多地警示一种疾病
的早期临床表现。传统筛查是检测血液中的化学物质及有缺陷的蛋白质，它们是近 60 种遗 传疾病的标志。所资助的相关项目将测试基因组筛查到底多有用以及是否合乎伦理。
第X代 第一代 第二代
第三代
第四代
表 1：四代测序技术总结
公司
测序方法
检测方法
优点
相对局限性
ABI/生命技术公司 桑格-毛细管电泳 荧光标记/光学系 高读长（单次聚合 通量低（一次样品
生物前沿技术概览
一、 DNA： 二代、三代、四代测序，序列对遗传疾病的诊断（比如癌症基因组的构建）；基因治疗，近 年来出现技术突破，已经有药在欧盟获批。
第一代 DNA 测序技术始于 1975 年，包括链终止法和化学法（链降解），历时 10 多年完成了 人类基因组草图的绘制。原理上都是与模板结合的核苷酸在某一固定的点开始，随机在某一 个特定的碱基处终止，产生 A，T，C，G 四组不同长度的一系列核苷酸，然后在 PAGE 胶上 电泳检测链的长度（荧光或者同位素标记），从而推测出 DNA 序列。每一次序列测定由一套 四个单独的反应构成，每个反应含有所有四种脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)，并混入限量的一种 不同的双脱氧核苷三磷酸(ddNTP)。由于 ddNTP 缺乏延伸所需要的 3-OH 基团，使延长的寡 聚核苷酸选择性地在 A，T，C，G 处终止。终止点由反应中相应的双脱氧核苷三磷酸而定。 每一种 dNTP 和 ddNTP 的相对浓度可以调整，使反应得到一组长几百至几千碱基的链终止产 物。
中属于单分子性质 序成本，降低了基
的测序技术
因组拼接的质量；
仪器非常昂贵
太平洋生物科学公 实 时 单 分 子 DNA 荧光/光学
高平均读长，比第 准确率一次性达标
司
测序
一代的测序时间降 的 机 会 低
低；不需要扩增 （ 81-83% ）； DNA
聚合酶在阵列中易
降解；仪器昂贵
全基因组学公司 复合探针锚杂交和 复合探针锚杂交和 在第三代中通量最 低读长；模板制备