Nature子刊:新一代DNA测序技术原理获证实

发布时间:2010-07-09 17:23:33

摘要: 接二连三的个人基因组图谱绘制陆续完成,说明了第二代测序技术的强大力量,但是第二代测序技术很快就遇上了强劲的对手——第三代测序技术,也就是被称为下 下一代的测序(next-next-generation sequencing)的直接测序方法。

      生物通报 道:接二连三的个人基因组图谱绘制陆续完成,说明了第二代测序技术的强大力量,但是第二代测序技术很快就遇上了强劲的对手——第三代测序技术,也就是被称 为下下一代的测序(next-next-generation sequencing)的直接测序方法。这一测序技术是基于纳米孔(nanopore)的单分子读取技术,不同于之前的两代技术(需要荧光或者化学发光物 质的协助下, 通过读取DNA聚合酶或DNA连接酶将碱基连接到DNA链上过程中释放出的光学信号而间接确定的),可以直接读取序列信息,简洁快速。

      第一代测序技术是双脱氧链末端终止法——根据核苷酸在某一固定的点开始,随机在某一个特定的碱基处终止,产生A,T,C,G四组不同长度的一系列核 苷酸,然后在尿素变性的PAGE胶上电泳进行检测,从而获得DNA序列。第二代测序技术是焦磷酸测序法——由4种酶催化的同一反应体系中的酶级联化学发光 反应,适于对已知的短序列的测序分析。而第三代测序技术则是基于纳米孔的单分子读取技术,这种方法读取数据更快、有望大大降低测序成本,改变个人医疗的前 景。这一技术的研发是系统工程,涉及生物、半导体、计算机、化学、光学等多个领域,需要不同学科顶尖力量的合作。

      虽然目前已知第三代测序技术的基本原理是在纳米孔中配置纳米电极,用电 测方法测量一个DNA的核酸碱基排列。但是电测识别一个分子的技术开发极其困难,因此尚未有验证该原理的实例。

      近期来自日本大阪大学产业科学研究所纳米技术中心的研究人员利用大约只有1纳米的超短距离的电极,成功地测量出构成DNA的1个核酸碱基分子中流动 的电流。这种电测方法是下一代DNA测序基本原理在世界上首次验证成功。这一研究成果公布在《Nature Nanotechnology》杂志上。
      领导这一研究的是大阪大学的Kazumichi Yokota博士和Tomoji Kawai研究员,这项研究是科学技术振兴机构实施的“战略创造研究推进事业”中的个人型研究课题《自我组织化线路的超高集成分子设备的创制》的一部分。

      DNA测序在个人医疗、精确搜查罪犯、超高速检验病毒等领域起着巨大作用,然而目前的两代测序方法,测序序列都是在荧光或者化学发光物质的协助下, 通过读取DNA聚合酶或DNA连接酶将碱基连接到DNA链上过程中释放出的光学信号而间接确定的,除了需要昂贵的光学监测系统, 还要记录、存储并分析大量的光学图像,这都使仪器的复杂性和成本增加,依赖生物化学反应读取碱基序列更增加了试剂、耗材的使用。

      要获得更加迅速、高精度的检验,就需要开发超高速低成本的DNA测序方法,第三代测序技术应运而生,纳米孔技术不需要荧光标记物并且很可能不需要进 行扩增,能直接并快速“读”出DNA,同时足够廉价,使进行大量重复实验成为可能。目前一些公司已经研发出包含几百个纳米孔的芯片,可以用在一台机器上, 快速且廉价地给大量DNA进行排序。比如去年Complete Genomics公司就公布了三个利用这一技术完成的基因组测序(具体见专访Radoje Drmanac:5000元测序的奥秘)。

      在这篇文章中,研究人员利用纳米加工技术制作电极间距为1纳米的电极,这种方法能在纳米电极间以0.01纳米的精度进行控制。随后将核酸碱基的一个 分子夹在电极之间,通电后经过测定发现有三个核酸碱基分子显示异常电流值,证明通过电测可识别一个分子单位的核酸碱基分子种类。这种电测方法是下一代 DNA测序基本原理在世界上首次验证成功。

      研究人员将纳米电极放入溶解在水溶液中的构成DNA要素的4个核酸碱基分子,即腺嘌呤、鸟嘌 呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。在测定电极间的电流时间变化时发现,除腺嘌呤之外的3个核酸碱基分子各有不同的电流值,根据电流值的不同,可识别出不同的核酸碱基 分子。在两个核酸碱基分子等量混合时进行测定,可观测到两个核酸碱基分子的特征性电流峰值,验证了可根据电流值识别相应的核酸碱基分子。

      纳米孔就是直径在纳米尺度的小孔(1-2 nm),通常是利用固态物质或者生物分子制成的小孔,这种想法是在电场驱动下,当线状DNA分子通过小孔时,通过一些物理手段来确定碱基的序列。但是这种 技术也有以些关键问题需要解决,比如区分4种核苷酸的速度要与DNA运动的速度相称;控制DNA通过纳米孔的速度。

      计算和实验表明, 仅仅测量通过纳米孔离子电导率是不可能提供识别DNA分子中每个核苷酸所需要的分辨率,纳米孔通道长度通常为5nm, 可以容纳十多个碱基, 这一尺寸对于测序所需要的分辨单个碱基引起的电流变化过长,尽管离子电流测量还不能区分单个碱基, 但其可以很容易地辨别单链与双链DNA。

      NABsys公司与 Brown大学的一个团队合作, 利用这一性能来开发一种杂交测序法——杂交辅助的纳米孔测序方法(hybridization assisted nanopore sequencing, HANS),将基因组 DNA 随机切割成大约100 kb左右的片段,制成单链并与六寡聚核苷酸探针杂交,然后驱动结合了探针的基因组文库片段通过可寻址的纳米孔阵列,通过每个孔的离子电流均可独立测量,追 踪电流的变化确定探针杂交在每个基因组片段上的精确位置,利用基因组片段上杂交探针的重叠区域将基因组片段文库排列起来, 建立一组完整的基因组探针图,利用计算机算法, 获得完整的基因组序列。

      Complete Genomics公司的技术则采用了复合探针-锚定分子连接(Combinatorial probe anchor ligation,cPAL)化学试剂,以及预制基因组DNA纳米芯片,后者能提高成像效率,降低成本。具体而言:1)预制(准确的框架)基因组DNA纳 米芯片缩小了所需试剂容量,并且能加快成像——每次成像能捕捉到更多的DNA点;2)新颖的试剂(复合探针-锚定分子连接)能对70个DNA碱基对进行单 独序列阅读——每个碱基对的阅读都是完全独立的,这种序列阅读利用的是低浓度低成本试剂。
测序技术步骤(见下图)包括:
1.样品准备和文库构建;
2.DNA芯片分析;
3.成像,组装和分析;
4.复合探针-锚定分子连接(Combinatorial probe -- anchor ligation,cPAL)。
 
 
 
 

      下一代DNA测序技术也许能获得飞跃性的发展,改变电极间距离从纳米至微米变化,可对病毒及过敏原等各种尺寸的分子粒子进行超高感度、超高速度检 测。当然目前第三代基因测序技术竞争也很激烈,美国宣称要在2012年推出成熟的第三代基因测序仪,日本和欧洲也有相关的研发计划。我国也有这方面的计 划,中科院北京基因组研究所是国内权威的基因组学研究机构,他们已和浪潮集团成立了“中科院北京基因组研究所—浪潮基因组科学联合实验室”,这一实验室将 研发国产第三代基因测序仪,第一台样机预计2013年问世。
(生物通:万纹)