基因组测序的原理与方法.ppt

基因组学的基础理论研究
基因组学是要揭示下述四种整合体系的相互关系:
• 基因组作为信息载体 （碱基对、重复序列的整 体守恒与局部不平衡的关系）
• 基因组作为遗传物质的整合体 (基因作为功能和 结构单位与遗传学机制的关系)
• 基因组作为生物化学分子的整合体 (基因产物作 为功能分子与分子、细胞机制的关系）
ABI3730
5500xl SOLiD
ABI3700xl
ABI3700
5500 SOLiD
SOLiD3
ABI3130
SOLiD2
ABI377
ABI373
Mb4500
SOLiD
HiSeq1000/2000 GA-IIx
Mb4000
GA-II
Mb1000
GA-I
1990
2019
2000
2019
2019
2019
Year
2020
8
测序设备发展现状
➢第一代（稳定需求）
➢第二代（高速发展） ✓Roche
✓ABi
✓3130xL ✓3730xL ✓3500xL
✓Genome Sequencer FLX System ✓GS Junior System
✓Illumina
✓Genome Analyzer IIx ✓MiSeq ✓HiSeq 1000 ✓HiSeq 2000
出后的运输和降解。
• 最小内含子的生物学意义。 • 动物基因组与植物基因组在基因分布上的共性和个性。 • 物种衍变过程中基因组水平的变化。 • 基因组大小变化与遗传、分子、细胞机制的关系。 • “JUNK DNA”的发生、分类、进化与功能。
测序设备的
垄断和高速度换代
Less Than 5 yrs
ABI3730xl ABI3130xl
✓Pacific Biosciences
✓RSSystem
✓Polonator G.007
✓Complete Genomics ✓无锡艾吉因生物信息技术有限公司
✓AG-100
✓深圳华因康基因科技有限公司
✓Pstar-1
✓中科院北京基因组所/半导体所
✓BIGIS-1
9
✓BIGIS-4
大规模基因组测序的几个支撑技术
大 规 模基因组 测 序 的 两种策略
• 逐步克隆法
（Clone by Clone）
• 全基因组霰弹法
（Whole Genome Shot-gun)
逐步克隆法（Clone by Clone）
基因组DNA
完整的基因 组序列
BAC文库
根据物理图谱 正确定位的 BAC 或contig
用于霰弹法测 序的候选克隆
• 基因组的信息是用来发现和解释具有普遍意义的生命
现象和它们的变化、内在规律、和相互关系。
• 基因组的信息含量高。基因组学的研究又在于基因组
间的比较。
• 基因组学的复杂性必然导致多学科的引进和介入（各
生物学科、医学、药学、计算机科学、化学、数学、 物理学、电子工程学、考古学等）。
• 基因组学研究的手段和技术已经走在生命科学研究的
的系统生物学研究。
• 基因多态性的规模化研究就是基因组多态性的研究。 • 基因组学的研究必然要上升到细胞机制、分子机制和系
统生物学的水平。
• 基因组的起源与进化和物种的起源与进化一样是一个新
的科学领域。
• 基因组信息正在以天文数字计算，规模化地积累，它的
深入研究必将形成一个崭新的学科。
基因组学是一门大科学
项目
遗传背景
速度 费用 计算机性能
适用范围 代表测序物种
策略
全基因组霰弹法
逐步克隆法
不需要 快
需要（需构建精确的 物理图谱）
慢
wenku.baidu.com
低
高
高（以全基因组为单 位进行拼接）
大规模基因组测序的 原理与方法
胡松年 husnbig.ac
“基因组”----生命科学的“元素周期表 ”
元素周期表
元素周期表的发现奠定了二
十世纪物理、化学研究和发展的 基础
人体解剖图奠定了现 “基因组序列图”将奠定二十一世纪生
代医学发展的基础
命科学研究和生物产业发展的基础！
生命的奥秘蕴藏于 “四字天书”之 中
测序并进行 全基因组序 列组装
霰弹法克隆
用于霰弹法测序 的亚克隆
基因组DNA
测序并组装 ………ATGCCGTAGGCCTAGC
TAGGCCTAGCTCGGA……
完整的基因
组序列
………ATGCCGTAGGCCTAGCTCGGA…
…
全基因组霰弹法 （Whole Genome Shot-gun)
两种大规模基因组测序策略的比较
• 物种进化的整合体 (物种在地理与大气环境中的 自然选择）
基因组学是一个大学科
• “界门纲目科属种”，地球上现存物种近亿，所有生生灭
灭的生物，无一例外，都有个基因组。
• 基因组作为信息载体，它所储存的信息是最基本的生物
学信息之一；既是生命本质研究的出发点之一，又是生 物信息的归宿。
• 基因组学研究包括对基因产物（转录子组和蛋白质组）
❖ Sanger双脱氧末端终止法 ❖ PCR 技术 ❖ DNA 自动测序仪的发展 ❖ 生物信息学分析软硬件设施
“双脱氧末端终止”的含 义
PCR（聚合酶链式反应）原理
反应所需物质：DNA模板、引物、DNA聚合 酶、dNTP、缓冲液
每个循环包括：变性（90℃）、退火（54 ℃）、延伸（72 ℃）
Sanger 双脱氧末端终止法测序原理
…GCTTCTTCCTCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCA
TCATTTTCTCTTGCCGCCACCATGCTTCTTCCTCATTTTCTCT CCACCATGCCGCCACCACGCCACCATGCTTCTTCCTCATCTC
GCTTTCTTGCCGCCACCATGCCGCCACCGCTTCTTCCtTCTCT…
最前沿。
• 基因组信息来自于高效率和规模化所产生的实验数据。 • 人类基因组计划证明了基因组研究的迫切性和可行性。
基因组与生命之谜
• 基因组的产生与进化。 • 基因组DNA组分的变化、GC百分比、嘌呤：嘧啶守恒。 • 遗传密码的发生、发展和进化。 • 内含子（尤其是大于100，000 核苷酸的大内含子）剪
✓Life Technologies (ABi)
✓5500 SOLiD™ System ✓5500xL SOLiD™ System ✓Ion Torrent PGM™
✓DanaherMotion
➢第三代（即将面市）
✓Helicos Biosciences
✓Helicos Genetic Analysis System