从Sanger法到第三代测序看DNA测序发展

2011-09-15 18:19 · ella

DNA测序技术是现代生物学研究中重要的手段之一。自从1977年第一代测序技术问世以来,经过三十几年的努力,DNA测序技术已经取得了很大的发展,在第一代和第二代测序技术的基础上,以单分子测序为特点的第三代测序技术已经诞生。

DNA测序技术是现代生物学研究中重要的手段之一。自从1977年第一代测序技术问世以来,经过三十几年的努力,DNA测序技术已经取得了很大的发展,在第一代和第二代测序技术的基础上,以单分子测序为特点的第三代测序技术已经诞生。

第三代测序仪由德国总理默克尔启动

2011年9月13日,来自柏林的消息,德国总理默克尔在访问柏林Max Delbruck分子医学中心时,启动了该中心新安装的一台单分子实时DNA测序系统——PacBio RS。该系统是由美国加利福尼亚州的Pacific Biosciences公司开发并制造的。PacBio RS系统的首次启动标志着第三代测序技术正式进入了应用。

DNA测序(DNA sequencing,或译DNA定序)是指分析特定DNA片段的碱基序列,也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤的(G)排列方式。确定DNA双股链上每一个独立结构单元或碱基的确切顺。

DNA序列的正确测定,是进行基因结构和功能分析,绘制基因图谱、转基因检测等方面工作的重要前提。同时DNA测序技术为快速、简捷分析蛋白序列及结构提供了工具。

DNA测序的发展

1953年,Watson和Crick推导出DNA双螺旋结构;

1954年,Whitfeld发明化学降解测序法;

1972年,Berg开发DNA重组技术;

1975年,Sanger发明加减测序法;

1977年,Sanger发明双脱氧测序法;

1986年,第一台半自动测序仪出现;

2000年,Drosophila全基因组测序完成。

DNA序列测定分手工测序和自动测序,手工测序包括sanger双脱氧链终止法和maxam-gilbert化学降解法。20实际80年代中期,测序仪出现。发展至今,自动化测序已成为当今DNA序列分析的主流。美国pe abi公司已生产出373型、377型、310型、3700和3100型等DNA测序仪,其中310型是临床检测实验室中使用最多的一种型号。

最早的测序技术

测序技术最早可以追溯到20世纪50年代,早在1954年就已经出现了关于早期测序技术的报导,即Whitfeld等用化学降解的方法测定多聚核糖核苷酸序列。

第一代测序技术诞生

1 9 7 7年S a n g e r等发明的双脱氧核苷酸末端终止法和Gilbert等发明的化学降解法,标志着第一代测序技术的诞生。

此后, 在S a n g e r 法的基础上,80年代中期出现了以荧光标记代替放射性同位素标记、以荧光信号接收器和计算机信号分析系统代替放射性自显影的自动测序仪。另外,90年代中期出现的毛细管电泳技术使得测序的通量大为提高。除此之外,这一时期还出现了一些其他的测序方法,如焦磷酸测序法(pyrosequencing)、连接酶测序法(sequencing byligation, SBL)、杂交测序法(sequencing by hybridization, SBH)等。

第二代自动测序技术

尽管第一代测序技术已经帮助人们完成了从噬菌体基因组到人类基因组草图等大量的测序工作,但由于其存在成本高、速度慢等方面的不足,并不是最理想的测序方法。经过不断的开发和测试,进入21世纪后,以Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa技术和ABI公司的SOLiD技术为标志的第二代测序技术诞生了。

与第一代技术相比,第二代测序技术不仅保持了高准确度,而且大大降低了测序成本并极大地提高了测序速度。使用第一代Sanger的测序技术完成的人类基因组计划,花费了30亿美元巨资,用了三年的时间;然而,使用第二代SOLiD的测序技术,完成一个人的基因组测序现在只需要一周左右的时间。由于第二代测序技术产生的测序结果长度较短,因此比较适合于对已知序列的基因组进行重新测序,而在对全新的基因组进行测序时还需要结合第一代测序技术。

第三代基因组测序技术实现单分子速读

据《自然》杂志网站2月8日报道,在美国佛罗里达州马可岛召开的“基因组生物学与技术进展大会”上,来自加利福尼亚门洛帕克市的太平洋生物科技公司(Pacific Biosciences)介绍了其研制的第三代基因组测序仪,该测序仪实现了一次标记一个分子式的单分子速读。

A method for the determination of nucleotide sequence in polyribonucleotides

A new class of cleavable fluorescent nucleotides

DNA sequencing with chain-terminating inhibitors

Genome sequencing in microfabricated high-density picolitre reactors

人类基因组计划(human genome project,HGP)是一项规模宏大的科学计划,其旨在测定组成人类染色体(指单倍体)中所包含的30亿个核苷酸序列的碱基组成,从而绘制下人类基因组图谱,并且辨识并呈现其上的所有基因及其序列,进而破译人类遗传信息。人类基因组计划是人类为了解自身的奥秘所迈出的重要一步,是继曼哈顿计划和阿波罗登月计划之后,人类科学史上的又一个伟大工程。截至到2005年,人类基因组计划的测序工作已经基本(92%)完成。其中,2001年人类基因组工作草图的发表(由公共基金资助的国际人类基因组计划和私人企业塞雷拉基因组公司各自独立完成,并分别公开发表)被认为是人类基因组计划的里程碑。

全基因组关联研究取得新进展

全基因组关联研究(Genome-wide Association Study,简称GWAS)是一种用来寻找基因变异与表型之间关系的遗传学方法,最近几年在人类医学遗传学领域中发展迅速。到目前为止,世界各地的研究人员已经对数百种疾病(如肿瘤、心血管病、糖尿病、肥胖症、精神疾病等)进行了GWAS分析,确定了大批疾病易感区域和相关基因,发现了一些与疾病相关的基因突变位点。

白菜全基因组图谱“谜底”揭晓

2011年8月29日,国际权威杂志《自然-遗传学》(Nature Genetics)在线发表了我国科学家主导完成的白菜全基因组研究成果。这项成果由中国农业科学院蔬菜花卉研究所和油料作物研究所、深圳华大基因研究院主导,英国、韩国、加拿大、美国、法国、澳大利亚等国家组成的“白菜基因组测序国际协作组”(Brassica rapa Genome Sequencing Project Consortium, BrGSPC)共同合作完成。

蜥蜴全基因组测序完成

来自美国、瑞典和英国的研究人员近日在《自然》(Nature)在线版上公布了北美绿蜥蜴(Anolis carolinensis)的基因组框架图。这也是首个非禽类爬行动物的序列,有助于了解脊椎动物的进化。

 

Complete Genomics公司

Complete Genomics公司(简称CGI)创建于2005年,公司专注于人类全基因组测序,为生物医药研究者提供前所未有的人类全基因组数据及分析服务。公司的创建者之一Rade Drmanac是基因组学领域的创建者之一,人类基因组计划的参与者。在2009年science杂志上发表的一篇论文介绍了CGI的专利DNA测序平台,由于采用了高密度DNA(玻璃板)纳米芯片技术,在芯片上嵌入DNA纳米球,然后用非连续、非连锁联合探针锚定链接(cPAL)技术来读取序列,减少了试剂消耗和成像时间,CGI的测序平台具有精度高、成本低的特点。

美国太平洋生物科学公司(Pacific Biosciences)

美国太平洋生物科学公司(Pacific Biosciences)成功研制了第三代测序系统PacBio RS。公司宣布将在2013年上市销售个人基因组测序仪。

 

Roche公司

瑞士Roche(罗氏)公司开发了第二代测序技术中第一个商业化运营的测序平台454测序系统。Roche公司创立于1896年,总部位于瑞士巴塞尔。该公司目前的盈利为7,200万美元,但高盛估计,这个数字到2012年将增至3倍。

罗氏在众多领域已成为全球的领先者:

• 全球诊断领域排名第一  • 全球肿瘤领域排名第一  • 移植学和病毒学领域的领先者  • 全球生物科技领域排名第二

Illumina公司

Illumina公司的G e n o m e A n a l y z e r 于2 0 0 6 年问世, 它是一种基于S o l e x a 技术的测序系统。

Illumina是由David Walt博士、CW 集团的Larry Bock、兽医学博士John Stuelpnagel、 Anthony Czarnik博士及Mark Chee博士于1998年4月共同组建。

Illumina于2001年开始提供SNP基因分型服务,并于一年后利用GoldenGate基因分型技术推出首个Illumina BeadLab系统。目前,Illumina针对日益成熟的基因序列分析市场,提供基于微阵列技术的产品和服务。

美国应用生物系统公司(ABI)

美国应用生物系统公司(ABI)是世界上规模最大、销售额第一的生化仪器、分析仪器公司之一,同时也是世界上最大的有机质谱仪、生物质谱仪供应商,为生命科学界提供基因研究,蛋白质研究及新药开发第一流的仪器,试剂,软件和技术服务。

 

                      

DNA测序                                     高速基因测序工程                              基因测序原理

 

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