NGS004 NGS测序分类

1. 按照测序原理分类:

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2. 按读长分类

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3. 按应用分类

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4. 短读长测序

产生模板的克隆有几个方法

模板克隆方法分类
  • 基于磁珠(bead-based)
    在磁珠法的准备过程中,一个接头和寡核糖核酸片段互补并且固定在珠子上(图1a)。DNA模板通过使用油包水PCR(emulsion PCR,emPCR)得以扩增。单个珠子上被克隆得到的DNA片段可以达到上百万个。这些珠子可以被分为glass surface或者PicoTiterPlate(罗氏诊断)。
  • 固相介质(solid-state)
    固相介质扩增避免了油包水PCR,取而代之的是在固相介质上(flowcell)直接进行 PCR。该方法中,正向和反向引物结合在芯片的表面,这些引物给单链DNA(single-stranded DNA,ssDNA)提供了末端的互补序列供其结合。
  • DNA微球技术(DNA nanoball)。
    BGI使用的 Complete Genomics technology测序技术是唯一一个在溶液中完成模板富集的技术。DNA被连接成环通过旋转环状扩增(rolling circle amplification,RCA),随后加载至flowcell中进行cPAS测序。

illumina测序

详见测序流程介绍2-illumina测序

MGI DNBSEQ

详见测序流程介绍3-华大MGI测序

Roche 454

Roche 454 测序流程

Gega A, Kozal M J. New technology to detect low-level drug-resistant HIV variants[J]. Future virology, 2011, 6(1): 17-26.
2005年Rothberg创建了454 life technology公司,将焦磷酸测序与乳状PCR(emulsion PCR)结合。所谓乳液PCR就是将带有接头的单链DNA文库分子固定在磁珠上,随后将携带有磁珠的PCR扩增体系乳化形成油包水混合物,每滴油包水中仅含有一个捕获磁珠,以及PCR扩增所需要的酶及底物等,相当于一个微型的反应体系。随后打破乳液混合物,但是扩增的片段仍在磁珠上,将磁珠加载至picotiterplate(PTP)中进行测序,PTP板是一个60mm×60mm的光纤板,包含有约160万个PTP小孔(直径为29μm),仅能容纳一个磁珠(直径28μm),其中各孔内含有测序需要的酶及底物,并且不会因为dNTP的加入和流走而损失。测序过程中,四种核苷酸分别按照dTTP,dATP,dCTP,dGTP的顺序依次循环加入PTP,如果是与模板匹配的dNTP,则在DNA聚合酶的作用下,会释放一分子的焦磷酸(PPi),在ATP硫酸化酶(ATP sulfurylase)的催化作用下与5’-磷酰硫酸(APS)的形成ATP:
PPi + APS→ ATP
新生成的ATP,会促使荧光素酶(luciferase)将荧光素转换成氧化荧光素,进而发出荧光,并被高灵敏的CCD检测到,随后剩余的dNTP及ATP会被三磷酸腺苷双磷酸酶(apyrase)水解,淬灭荧光信号并再生反应体系,将dNTP的聚合与光信号进行偶联,实现了对DNA的实时测序。

Ion torrent

测序芯片

测序流程

测序原理

Ion Torrent是第一个没有光学感应的NGS平台。与酶化学复合物产生的信号相比,Ion Torrent平台检测的是dNTP中释放出来的H离子。pH值的改变通过(integrated complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)以及(ion-sensitive field-effect transistor,ISFET)来检测。传感器对pH的变化对于连续碱基的检测还不够完善,因此在测量同一碱基连续出现时的数量可能会有所误差。

AB SoLiD(sequncing by oligo ligation detection)

寡聚物连接检测测序原理

与454类似,SOLiD也是采用乳液PCR的方式进行模板的扩增。SOLiD测序的核心是连接酶及双碱基探针。其中碱基的结构为3’-XX-nnn-zzz-5’-Fluorescence,其中1,2号位的“X”为4种碱基的一种,XX组合共有16种;3-5号位的“n”为随机碱基;6-8号位的“z”为能与任意碱基配对结合的特殊碱基;5’位置分别标记了4种荧光标记(cy5,Texas Red,cy3,FAM),其中每4种“XX”组合使用一种荧光标记。当oligo能与模板聚合,即可检测荧光信号,记录荧光信号以后,使用化学方法对第5位和第6位之间进行切割,即可移除荧光信号,以便进行下一轮连接测序,也即每次连接可以加入5个碱基,在最后一次连接后,将新合成的链变性洗脱,接着使用n-1引物(在引物n的基础上,向3’端移动一个碱基的位置)进行第2轮测序,直至第5轮测序时(单向测序),即可以完成所有位置的碱基的测序,并且每个位置的碱基均被测序了两次,所以SOLiD测序具有极高的准确率(99.99%),但是缺点是最大读长为75bp。

5. 长读长测序

Nanopore

Nanopore测序原理

nanopore测序是将人工合成的一种多聚合物的膜浸在离子溶液中,多聚合物膜上布满了经改造的穿膜孔的跨膜通道蛋白(纳米孔),也就是Reader蛋白,在膜两侧施加不同的电压产生电压差,DNA链在马达蛋白的牵引下,解螺旋通过纳米孔蛋白,不同的碱基会形成特征性离子电流变化信号。该膜具有非常高的电阻。通过对浸在电化学溶液中的膜上施加电势,可以通过纳米孔产生离子电流。进入纳米孔的单分子引起特征性的电流干扰,这被称为Nanopore信号。

Pacbio SMRT

原理

流程

PacBio单分子实时DNA测序技术(single molecular real time sequencing,SMRT),其主要特点是序列读长长,目前平均序列读长在10 kb以上,最长可达40 kb。
PacBio SMRT技术的两点关键创新:分别是零模波导孔(zero-mode waveguides, ZMWs)和荧光标记在核苷酸焦磷酸链上(Phospholinked nucleotides)。
SMRT Cell含有纳米级的零模波导孔,每个ZMW都能够包含一个DNA聚合酶及一条DNA样品链进行单分子测序,并实时检测插入碱基的荧光信号。ZMW是一个直径只有10~50 nm的孔,当激光打在ZMW底部时,只能照亮很小的区域,DNA聚合酶就被固定在这个区域。只有在这个区域内,碱基携带的荧光基团被激活从而被检测到,大幅地降低了背景荧光干扰。
将荧光染料标记在核苷酸的磷酸链而不是碱基上,当核苷酸掺入到新生的链中,标记基团就会自动脱落,减少了DNA合成的空间位阻,维持DNA链连续合成,延长了测序读长。SMRT测序最大限度地保持了聚合酶的活性,是最接近天然状态的聚合酶反应体系。

6. 方法学对比

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