第二代测序,二代测序名词解释

二代测序（NGS），又称为高通量测序，是低成本、高准确度、一次可对多个样本的几十万甚至几百万条DNA分子同时进行快速测序分析的新一代测序技术，虽然已被广泛运用于临床，但尚无科学协会对其在肿瘤学实践中的应用提出建议。

早在2018年，欧洲肿瘤内科学会（ESMO）发布了分子靶点临床可行性量表（ESCAT），根据对患者管理的影响将分子靶点分为6个等级，针对导致全球死亡最多的8种癌症中所发生的基因组改变，ESCAT量表评估了其证据等级和临床意义。

第二代测序技术的核心思想是边合成边测序（Sequencing by Synthesis)，即通过捕捉新合成的末端的标记来确定DNA的序列，现有的技术平台主要包括Roche/454 FLX、Illumina/Solexa Genome Analyzer和Applied Biosystems SOLID system。这三个技术平台各有优点，454 FLX的测序片段比较长，高质量的读长（read）能达到400bp；Solexa测序性价比最高，不仅机器的售价比其他两种低，而且运行成本也低，在数据量相同的情况下，成本只有454测序的1/10；SOLID测序的准确度高，原始碱基数据的准确度大于99.94%，而在15X覆盖率时的准确度可以达到99.999%，是目前第二代测序技术中准确度最高的。
更多内容详见百度百科：http://baike.baidu.com/view/4990239.htm

测序技术是基因组学的核心技术，上期的推送【 LAI：基因组组装质量评估新标准 】简单介绍了测序技术的发展进程。其实，测序技术的发展主要基于两个非常具有里程碑意义的理念： “生命是序列的”和“生命是数据的”。 序列是基因组学最基本最重要的数据，也是生命科学领域大数据时代的核心组成部分。简单来说，测序技术就是将DNA/RNA分子中碱基ATGC的排列顺序显示出来。 1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构。 DNA双螺旋模型以及“生命是序列的”观点的发表，直接推动了测序技术的发展，因为解读生命遗传信息的前提就是得到它的载体——序列。 从20世纪70年代到现在有很多测序技术和平台的产生，其中包括SBC法、454、Ion Torrent、SBL法、Sanger法、Illumina、Pacbio、Nanopore等。今天主要跟大家分享后四种常用的测序技术。 第一代测序技术 Sanger法是基于DNA合成反应的测序技术，又称为SBS法、末端终止法。1975年由Sanger提出，并于1977发表第一个完整的生物体基因组序列。 核心原理： 由于 双脱氧核苷酸(ddNTP) 的3’位置脱氧，其在DNA的合成过程中不能形成磷酸二酯键，因此可以用来中断DNA合成反应，在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP（分为：ddATP,ddCTP,ddGTP和ddTTP），通过凝胶电泳和放射自显影，根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列。 在每个反应体系中，ddNTP相对于dNTP是很少的，所以只有部分新链在不同的位置特异性终止，最终就会得到一系列长度不一的序列。 第二代测序技术 以Illumina平台为代表的第二代测序技术实现了高通量测序，有了革命性进展，使得大规模并行测序成为现实，极大推动了生命科学领域基因组学的发展。Illumina循环SBS法(cycle SBS)即SBRT(Sequencing By Reversible Termination,可逆终止)的核心技术是DNA合成的可逆性末端循环，即3'-OH可逆性的修饰和去修饰。 基本原理： 将dNTP的3'-OH以叠氮集团 RTG (Reversible Terminating Group,可逆末端基团)进行修饰；将4种碱基分别与不同的 荧光分子 连接；DNA合成时，RTG能起到类似于ddNTP的作用终止反应；每次合成反应终止并读取信号之后，洗脱RTG和荧光分子，进行下一轮循环。 主要过程： a, DNA待测文库构建 利用超声波把待测的DNA样本打断成小片段，并在这些小片段的两端添加上不同的接头，构建出单链DNA文库。这些文库中的DNA在通过flowcell(吸附流动DNA片段的槽道)时会随机附着在flowcell表面的channel上。每个Flowcell有8个channel，每个channel的表面都附有很多接头，这些接头能和建库过程中加在DNA片段两端的接头相互配对，并能支持DNA在其表面进行桥式PCR的扩增。 b,c 桥式PCR 以Flowcell表面所固定的接头为模板，进行桥形扩增。经过不断的扩增和变性循环，最终每个DNA片段都将在各自的位置上集中成束，每一个束都含有单个DNA模板的很多份拷贝，进行这一过程的目的在于实现将碱基信号强度放大，以达到测序所需的信号要求。 测序方法采用边合成边测序的方法： 1. dNTP模型 2. dNTP加上可终止反应的基团RTG和荧光信号 3.  反应体系中同时添加DNA聚合酶、接头引物和带有碱基特异荧光标记的4种dNTP 4. 脱掉-OH和二磷酸，进行合成 5. 反应因RTG终止，激发荧光进行信号采集。 6. 洗脱RTG和荧光分子，进行下一轮循环 第三代测序技术 以Pacbio平台为代表的SMRT(Single-Molecule Real Time Sequencing,单分子实时测序)测序技术具有高通量、长读长的特点。 基本原理： Pacbio仍然采用边合成边测序的原理，但实现了两个重要的技术突破。一个是将荧光分子标记在磷酸上，这样在反应停止且捕获荧光信号以后，可直接随磷酸基团脱落，解决了因噪音污染导致的读长很短的问题；二是由于不需要PCR扩增，信号的有效提取成为了关键。通过引入零模波导孔（ZMW）技术解决这一问题。在纳米室底部有一个孔径70nm的小孔，由于远远小于激光的波长，所以激光从底部照射时，只会照亮一个小的区域，提高了信噪比。 主要过程： 如下图所示，类似于Illumina部分展示的模式图，也是边合成边测序。 第四代测序技术 纳米孔测序技术是单分子实时测序的新一代技术，主要是通过ssDNA或RNA模板分子通过纳米孔而带来的“电信号”变化推测碱基组成进行实时测序。 基本原理： 当纳米孔充满导电液时，两端加上一定电压，分子模板通过纳米孔生成可测量电流。纳米孔的直径只能容纳一个核苷酸，单链模板就会在电场作用下依次通过纳米孔而引起电流强度变化，通过检测相应的电流峰判断碱基，实现实时测序。 四大测序技术的优缺点： Sanger法测序读长长、准确度高，但是通量不高； Illumina测序读长短、通量高、准确度高，在进行基因组组装或者结构变异分析的时候没有优势，可用作三四代测序read的纠错； Pacbio测序读长长、通量高、准确度不高，但可通过测序深度弥补，GC偏差低，可进行甲基化的直接测序。 Nanopore测序读长长、通量高、准确度低，不可通过测序深度弥补，但可通过Illumina read 纠错。 第一、二、三代测序技术都是基于边合成边测序的原理，因此Nanopore技术被一些人（包括我）称为第四代测序技术； 随着测序技术的发展和成熟，逐渐形成基因测序产业链 本期对于测序技术的介绍到此为止，主要是同大家交流学习，欢迎指出不足之处。另外推荐一本2016年出版的杨焕明院士的《基因组学》，非常好的一本书。

不同的测序项目，数据分析流程及用到的软件有些差异，以转录组测序为例，项目分析流程为：数据产出统计-数据去杂-转录组拼接-SSR分析及SNP分析-基因功能注释-基因表达差异分析-差异基因表达模式聚类-差异基因富集分析。用到的软件有SeqPrep、Sickle、Trinity、bowtie、RSEM、edgeR、BLAST、blast2go、blastx/blastp 2.2.24+、Samtools、VarScan v.2.2.7、
msatcommander、goatools、KOBAS。

与一代、二代测序相比,单分子测序技术的优势：由于单分子测序具有通量更高，仪器和试剂相对便宜、操作简单等的优势而比第二代测序技术有更广阔的应用空间。 第一代指双脱氧末端终止法，扩增后通过毛细管电泳读取序列，每次获取数据量少。第二代为高通量测序，采用微珠或高密度芯片边合成边测序，代表有454，solexa，solid，高通量，可一次获得数G数据，相对与第三代，都仍然需要扩增的方法放大信号，扩增后再检测。 利用DNA聚合酶合成 与模板互补的DNA链， 在三维空间中记录模板位置和核苷酸序列信息， 再反向构建DNA模板的序列。除了DNA合成反应的三大要素（模板、酶、核苷酸）之外， 模板所处位置和反应循环中单色荧光标记的核苷酸顺序(如A、C、G、T )也是最终DNA序列能够完成的关键要素。如果反应所用的核苷酸标记着四种不同的荧光， 则每一次反应循环就需要切换不同波长的光以记录不同的碱基。 以上内容参考：百度百科-单分子测序

一代测序、二代测序和三代测序的优势如下：第一代测序：指双脱氧末端终止法，（Sanger法）扩增后通过毛细管电泳读取序列，每次获取数据量少。优势：由于ddNTP的2’和3’都不含羟基，其在DNA的合成过程中不能形成磷酸二酯键，因此可以用来中断DNA合成反应。在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP（分为：ddATP,ddCTP,ddGTP和ddTTP），通过凝胶电泳和放射自显影后可以根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列。第二代测序：为高通量测序，采用微珠或高密度芯片边合成边测序，代表有454，solexa，solid，高通量，可一次获得数G数据，相对与第三代，都仍然需要扩增的方法放大信号，扩增后再检测。优势：二代测序相比一代测序大幅降低了成本，保持了较高准确性，并且大幅降低了测序时间，将一个人类基因组从3年降为1周以内。第三代测序：特点是单分子测序，多基于纳米科技，无需扩增，对单分链DNA/RNA直接用合成、降解、通过纳米孔等方式直接测序，核心特点是无需扩增所以成本更低。优势：①第三代基因测序读长较长，可以减少拼接成本，节省内存和计算时间；②作用原理上避免了 PCR 扩增引入错误；③拓展应用：RNA的序列，甲基化的DNA序列等。想要了解更多有关基因检测的相关信息，推荐咨询海普洛斯。海普洛斯有超强的技术团队。海普洛斯是一支由从事医学、基因组学、分子生物学、生物信息学、计算生物学、机器学习、大数据挖掘等研究的年轻海归科学家和国内顶尖科技人才组成的团队。【● 没病有必要做基因检测吗？过来人有话说......】

一代测序，二代测序，三代测序的优点缺点分别介绍如下：一代测序优点是读长较长、准确性高。缺点是测序成本高、通量低，使得de novo测序、转录组测序等应用难以普及。二代测序优点是相比一代测序大幅降低了成本，保持了较高准确性，并且大幅降低了测序时间，将一个人类基因组从3年降为1周以内。缺点是序列读长方面比第一代测序技术要短很多。三代测序优点是读长较长，可以减少拼接成本，节省内存和计算时间。缺点是单读长的错误率偏高，需重复测序以纠错（增加测序成本）。想要了解更多有关一代测序，二代测序，三代测序的相关信息，推荐咨询海普洛斯。旗下医学检验实验室具有国际顶尖基因测序平台以及完善的国际标准质量体系，通过CAP(美国病理学家协会)/EMQN(欧洲分子基因诊断质量联盟)/中国卫生部临检中心等权威认证，业务覆盖肿瘤全病程管理、遗传性疾病筛查、重大感染性疾病（含新冠核酸）等领域，已为全国500多家三甲医院、数百家科研院所、体检机构、保险公司、互联网平台以及各地政府提供基因检测技术服务和整体解决方案。 【● 没病有必要做基因检测吗？过来人有话说......】

第一代测序：指双脱氧末端终止法，扩增后通过毛细管电泳读取序列，每次获取数据量少。 第二代测序：为高通量测序，采用微珠或高密度芯片边合成边测序，代表有454，solexa，solid，高通量，可一次获得数G数据，相对与第三代，都仍然需要扩增的方法放大信号，扩增后再检测。 第三代测序：特点是单分子测序，多基于纳米科技，无需扩增，对单分链DNA/RNA直接用合成、降解、通过纳米孔等方式直接测序，核心特点是无需扩增所以成本更低。 扩展资料：DNA测序是指分析特定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。快速的DNA测序方法的出现极大地推动了生物学和医学的研究和发现。 在基础生物学研究中，和在众多的应用领域，如诊断，生物技术，法医生物学，生物系统学中，DNA序列知识已成为不可缺少的知识。具有现代的DNA测序技术的快速测序速度已经有助于达到测序完整的DNA序列，或多种类型的基因组测序和生命物种，包括人类基因组和其他许多动物，植物和微生物物种的完整DNA序列。 参考资料：百度百科-DNA测序