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2021-09-21三代测序技术

2021-09-21三代测序技术

作者: MaggieXie | 来源:发表于2021-09-22 08:45 被阅读0次

    三代测序技术(Third Generation Sequencing,TGS)现在主要有美国的 Pacific Biosciences(PacBio)的SMRT和英国的Oxford Nanopore Technology的nanopore技术。
    首先对测序来说,最好是对原模板进行直接测序,并且不受读长的限制,但是显然二代测序无法达到这两点,而三代测序弥补了这两点不足。可以对单分子进行测序,nanopore还能避免在扩增的过程中造成的偏好性,对单分子进行测序读长超过了2Mb,还能检测碱基修饰等信息。
    1.SMRT技术
    这个技术关键的是有一个称为零级波导(zero-mode waveguides, ZMW)的纳米结构。ZMW是一个孔状的光电结构,底部有一个激发光,并且固定着DNA聚合酶。这个激发光在进入ZMW后会呈指数级衰减。当进行合成反应的时候模板和引物与酶结合,互补配对的dNTP因为在底部停留的时间较长,所以能够被激发光激发荧光信号,而其他的游离dNTP则信号弱,这样子就有力区分了背景噪音和荧光信号。在进行一次反应后,由于荧光基团是被固定在dNTP的5’磷酸位上,脱水缩合时能够将荧光基团去除,便于进行下一次的反应。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,它的损伤主要是由于激光造成的。


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    另外通过检测间隔碱基之间的时长可以判断是否存在修饰,因为修饰碱基会影响聚合酶反应的速度,光谱也会发生变化。
    这个方法的缺点也很显而易见,因为在进入ZMW之前并没有形成DNA簇,检测的是单分子的荧光信号,因此错误率比较高。但是由于这种错误是随机误差产生的,可以通过多重测序进行纠正。
    为了提高测序的准确性,PacBio公司在2019年推出了高精度的HiFi测序。通过CCS(Circular Consensus Sequencing)技术,能够将测序准确度达到99%以上。
    这种技术主要运用了滚环复制的优势。这边所用到的DNA聚合酶的活性很强,酶读长远远大于插入片段的读长,因此通过adapter将DNA双链形成环状,使酶围绕着一个模板链进行多次测序,依次来提高测序的准确性。


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    3.示SMRT测序过程.jpg

    2.纳米孔测序技术
    该测序技术的主要原理是:在小孔的两端加上恒定的电压。当单链的DNA/RNA通过纳米孔时,因为不同碱基的形状不同,产生不同大小的电阻,通过检测电压的变化情况,可以判断碱基的类型。
    根据测序的方式不同,可以分为两种:外切酶测序和链测序。
    外切酶测序:
    在膜的两侧放上不同浓度的KCl溶液,DNA单链在核酸外切酶I的作用下,被依次剪切为单核苷酸,检测单核苷酸通过纳米孔时引起的电流变化可以读取DNA的序列。
    链测序:
    先用解旋酶将双链解旋为单链,马达蛋白控制核酸通过纳米孔的速度。能够解决因为核酸移位速度过快以及电流变化幅度较小造成的差异。
    理论上来说,纳米孔测序能够检测DNA和RNA的序列。


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    芯片可以重复使用直到纳米孔损耗低于质检标准。能够达到很长的读长,平均在几十到几百kb,是目前测序量最高的平台之一。

    二代测序和三代测序的区分
    1)首先是在测序的读长方面,二代测序读长普遍在几十到几百kb之间,而三代测序读长甚至能够达到Mb的水平
    2)其实是使用的单分子测序还是扩增后测序的差异。三代测序均采用单分子测序,而二代测序均为克隆后测序
    3)Ion Torrent,Illumina,PacBio采用便合成便测序,而华大的采用探针技术,nanopore采用了纳米孔测序
    4)在检测方法上,Illumina,华大和PacBio采用光信号,Ion Torrent采用了pH,是第一台没有用到光学感应的高通量测序平台。nanopore采用了电信号。

    更多信息详见三代基因组测序技术原理简介 - helixminer - 博客园 (cnblogs.com)

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