DNA遗传物质
核酸(nucleicacid)是生命体遗传信息的主要载体。1953年Watson和Crick关于DNA双螺旋结构的发现表明,几乎所有基因的三维结构基本一致,A、T、C、G(RNA中为A、U、C、G)4种碱基数量和排列顺序的变化造就了生命体的多样性。因此DNA和RNA序列被称为遗传密码,是分析基因结构、功能及其相互关系的基础,也是临床疾病分子诊断最精确的判定依据。基因测序技术正是解读这些生命密码的基本手段。在进行DNA测序以前,人们通常只能进行染色体级别的研究。
高通量测序概述
高通量测序(high-throughput sequencing, HTS) 即下一代测序(next generation sequencing, NGS),又称为大规模平行测序(massively parallel sequencing,MPS),最早是从焦磷酸测序的原理上发展起来的,目前较为成熟的应用平台主要有lonTorrent、Illumina和Complete Genomics(CG)的各种型号。
高通量测序的特点
高通量测序技术的特点之一是操作步骤多、程序复杂,既包括实验室内的标本预处理、核酸提取及其片段化(基因组检测时)、建库、扩增、靶序列富集、混样(pooling)、测序前准备及测序,即湿桌实验过程(wet bench process);也包括测序后的数据质量分析、比对、变异识别、注释和结果报告与解释等生物信息学分析流程(bioinformatics pipeline),即干桌实验过程(dry bench process)。上述任一环节出现间题,均会影响检测结果的准确性,进而影响临床决策。
假阳性和假阴性
如何避免假阳性结果是所有高灵敏检测方法需要高度关注的问题。严格有序的实验室各功能区的物理分隔及持续的通风换气是避免因“基因或核酸”气溶胶导致实验室和标本间交叉污染的前提硬件条件;在日常工作中,严格遵循各功能区物品专用、各功能区域的单一工作流向、及时的实验室清洁,以及生物信息学分析流程中适当的数据库和滤过策略的使用等,是防止假阳性的软件要素。
假阴性结果通常容易被忽视,但在精准医学尤其是精准肿瘤学的临床实践中,假阴性结果与假阳性结果对临床疾病诊疗决策具有同等的危害性。临床标本的采集、运送和保存过程中处理不当,核酸提取过程中靶核酸的丢失和提取试剂中可抑制后续检测过程(如扩增)的试剂(如有机溶剂)残留,因仪器设备维护和校准不到位所致的加样不准、光路不正、温度不均一等,均有可能造成假阴性结果。因此,涉及上述各个关键环节的。
发展历程
1977年Sanger和Gilbert分别提出双脱氧链终止法(dideoxy chain-termination method/ Sanger sequencing) 和化学降解发(chemical degradation method/Maxam-Gilbert mehtod) ,标志着第一代测序技术的诞生。由于对核酸测序技术做出的重大贡献,Sanger和Gilbert,以及发现DNA重组技术的Berg分享了1980年的诺贝尔化学奖。此后,随着研究工作的日益深入,自动化测序、焦磷酸测序、高通量测序、甲基化修饰测序等技术应运而生。
2005~2007年,以基于边合成边测序原理的Roche公司的454技术和Illumina公司的Solexa技术,以及基于边连接边测序原理的Life Technologies公司的SOLiD技术为标志的第二代高通量测序技术诞生,测序的规模化进程有了突破性的进展。尽管高通量测序技术很大程度上增加了测序通量、降低了测序成本,并且极大地推进了相关研究的进展,但是模板扩增和序列读长(即读段长度,指在单次测序反应中产生的碱基数)短始终是其难以克服的技术瓶颈。
2008年至今,随着物理、化学、材料和生命科学的不断发展和融合,以单分子测序和长读长为标志的第三代测序技术应运而生。第三代测序技术读长可达上百kb,无须PCR扩增即可实现对DNA分子的实时检测。
文字整理自:《高通量测序技术》(李金明)
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