下一代测序技术（NGS）展望

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下一代测序技术（NGS）展望5 F3 W5 k' X' |7 _3 \8 j
2014-02-19 1 来源：ebiotrade 作者：koo
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自从哈佛大学遗传学家 George Church 和 454 Life Sciences 公司 Jonathan Rothberg 掀起下一代测序 NGS 的革命以来，已经过去了将近十年。毫不夸张地说，这段时间以来 NGS 技术已经发生了翻天覆地的变化，在测序通量突飞猛进的同时，测序成本直线下降。" L0 H7 P: A7 B+ v  n- f* O# R
想当年 454 Life Sciences 公司测序 580-kb 的细菌基因组，需要四小时的工作循环。而今年一月份 Illumina 公司发布的 HiSeq X™ Ten 测序系统，能够以千元成本测序完整的人类基因组，最多每天能测序 600 billion bp。
) n8 d9 S; ^+ U" k如今，下一代测序技术给生命科学领域带来了彻底的改变。而 NGS 领域本身也在经历着某种意义上的变革。正因如此，基因组学 Archon X 奖（Archon Genomics X Prize）不得不于 2013 年 8 月宣布取消，因为测序成本的直线下降已经使竞赛变得毫无意义。Church 的团队是该竞赛仅有的两只报名队伍之一，他认为参赛者们是否能够完成竞赛任务还很难预料。但无论如何，既然竞赛已经启动，总得让人家比完吧。, J1 x3 X1 I6 G6 P
言归正传，下一代测序领域的 2013 年既忙碌又喧嚣，在开年之际让我们对这一领域发生的最新进展做个小结吧。; V8 v: K' o! h4 U! f. g6 q
454 Life Sciences
& z. t# {8 r0 X/ x9 Q) {: B& l- l2013 年 10 月， 454 Life Sciences 宣布将于 2016 年中旬逐步淘汰其焦磷酸测序仪器，GS Junior 和 GS FLX+。据该公司介绍，从扩展性和成本角度看，454 平台作为首个商业化的 NGS 系统已经基本上走到尽头，很难再对其进行升级和改良。Roche 的 Beth Button 指出，公司正在寻求新的测序合作伙伴。2013 年 9 月，该公司宣布与昔日的竞争对手 Pacific Biosciences 合作，拟基于 PacBio 公司的SMRT技术进行诊断产品的开发。% w' k' q/ \% B# e
Illumina; F& K2 ~) Q( M7 L% T/ p; `7 U
2014 年 1 月 Illumina 公司发布了两个以 Solexa 测序技术为基础的新测序平台，HiSeq X Ten 和 NextSeq™ 500。
/ D' s2 b3 @" D( I据该公司介绍，定 价$250,000 的台式 NextSeq 500 兼具了样品制备和测序功能。“它按钮式的操作，可以在许多常见测序应用之间切换。该系统能够在一天内测序整个人类基因组和多达 16 个外显子组。”NextSeq 500 运行 75 个测序循环只需 12 小时。
: G- \/ ?7 W; B, rHiSeqX Ten 系统以 10 台仪器为单位销售，据称可以实现千元成本的人类基因组测序。该系统现定价 1000 万美元，能够在三天时间内生成 1.8 terabases 的数据，相当于每天约 600 Gb，比 HiSeq 2500 强十倍。" \  E7 B4 p* Q7 P7 S; Q; l9 o
华盛顿大学的 Elaine Mardis 表示，HiSeqX Ten 系统针对的应该是提供人类基因组测序的服务产业，因为很少有研究机构能用到如此高的通量。“要想实现千元成本，就需要正确的样本量，”她说。当然，高通量还意味着更为复杂的数据分析。
2 x" T5 ?2 H, Z+ @% UMardis 的团队曾作过计算，为了跟上 HiSeqX Ten 他们可能需要花费 800 万美元在信息学设施上。此外，实现千元成本意味着每年需要测序 18,000 到 20,000 个基因组。“我要测序许多肿瘤基因组，”她说。“但数量还远远不够。”$ [( g4 M+ q# @, o8 x
Life Technologies! Z6 R. g# ?- }1 x0 v! ]  O
已被 Thermo Fisher 收购的 Life Technologies 拥有两款 NGS 平台， SOLiD 和 Ion Torrent 。据 Thermo 的 Andy Felton 介绍，公司已经将工作的重心放在后者身上。“绝大多数研发工作已经转移到 Ion 上，”他说。; p, h: {& g! f' p+ f
目前的 Ion PGM 系统可使用最新的 Ion 318 芯片，产出多达 6 million 400bp 的读取，也就是说 4 小时运行的产量能达到 2 Gb。而新 Ion Proton™ 使用 Ion PI™ 芯片，能够产出 80 million 200 bp 的读取，即每次运行产量达到 10 Gb 至 14 Gb。
4 w8 h. t$ ]7 v* Z1 e4 h- F3 G据介绍，今年公司将会推出用于转录组测序的新 Ion PII 芯片，每张这样的芯片可产出 300 million 100bp 的读取，随着系统改良甚至可能达到 200bp。" E7 G) C2 w/ r; o2 @* _, h
此外， Life Technologies 公司正在研发一种新的聚合酶，Hi-Q。据 Felton 介绍，Hi-Q 能“显著提高精确性”，减少 90% 的插入/缺失误差。这种酶将于今年的中旬实现全面商业化。
( o! {+ i6 ~& U+ O2 M5 y; J- B2 RPacific Biosciences2 s5 K- R! M. o. i6 A. r' y/ a
Pacific Biosciences 公司以长读取的下一代测序技术著称。据该公司的创始人 Steve Turner 介绍，在新测序化学 P5-C3 的帮助下，如今 PacificBio 的测序读长已经达到了 8.5kb。P5-C3“提供了一个保护性的支架”，可以阻止酶和荧光团之间发生身体接触，避免酶受到潜在的光学损伤。
, `7 A3 o8 {( [“我们已经很大程度上减少了系统中的光学损伤，我们相信现在测序读长受到的限制，只来自于样品本身，” Turner 说。 样品本身的限制是指，读长越长就越难生成不含损伤位点或缺口的测序模板，而这样的缺口会导致测序过早中止。
9 }' Y2 ^; j, Z5 J) d4 k9 U目前 PacBio ® RS II 和 SMRT Cell 系统，每次运行可产出 50,000 个读取（约 400 million bp）。这一数字会在接下来的一年中继续增涨， Turner 说。“我们预计在 2014 年内，令测序读长再增加50%，并于 2015 年达到 20,000bp。”
4 B& b9 x) Q1 E! U& h, g" L最近研究人员发表文章向人们展示，在新装配方法 HGAP 的帮助下（hierarchical genome-assembly process），可以实现只利用 PacBio 化学法对真核基因组进行从头装配。一月份，该公司公布了对黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）进行的完整二倍体基因组装配，生成了长达 24.6 Mb 的重叠群（contigs）， N50 值为 15.2 Mb（ N50 值反映了重叠群的长度）。就在上周， PacBio 公司又公布了一个 54x 覆盖度的单倍体人类基因组装配，生成了“3.25 Gb 的基因组装配，重叠群 N50 值为 4.38 Mb，其中最长的重叠群达到 44 Mb。”+ {# y- o8 R1 {; m& n6 b
Oxford Nanopore9 i9 n3 F' n, k4 C
Oxford Nanopore 公司无疑是纳米孔测序的领导者，这一技术也被称为第三代测序。该公司 2013 年 10 月份宣布，将在 2014 年年初推出 USB 大小的 MinION ™ 测序仪，为客户提供先期体验（early-access）。
4 H! K/ H0 n( n# R与其他类似先期体验项目不同的是， Oxford Nanopore 公司不会局限于传统的测序中心，而是向广大的个人用户敞开大门。该公司准备在接下来的一周发出邀请。" L, b' C5 {( c' J. m6 J
Oxford Nanopore 公司强调，不是每个 MinION Access Program（MAP）申请者都会在第一轮受到邀请，而且公司提供的 MinION 数量也可能少于申请者的要求。这些仪器将在六周内进行发送。4 E( ]" Q- G  B, ?
2012 年， Oxford Nanopore 公司在 AGBT 大会上描述了两个测序系统， MinION 就是其中之一，另一个产品是 GridION™。据公司发言人称， MinION 的大小使其更容易受到人们的关注，它的灵活性和测序能力将推动 NGS 进一步迈向普罗大众。3 G% C0 `2 u2 B7 ]
Oxford Nanopore 公司希望通过 MinION Access Program 评估测序系统的实用性、对不同应用的适应性、数据分析、以及公司的物流运输和试剂分配等。这些数据将有助于未来开展的 GridION 先期体验项目，不过该公司还未公布这一项目的具体启动时间。
) }% ~3 l/ y9 d& R" A, s& ~* H广泛的应用前景; X. G% I( N: I+ x4 o
在下一代测序技术不断进步的同时，它的应用也越来越广泛。据 Mardis 介绍，下一代测序在临床领域的应用快速增涨。越来越多的研究者选择下一代测序的多基因 panel 对肿瘤进行研究，或者通过外显子测序鉴定潜在的药物靶点。在诊断儿童遗传学疾病时，人们也逐渐抛开了传统的诊断方法，转而使用全外显子组测序。+ H+ [6 W4 ], z3 o( k$ H4 b
Mardis 补充到， NGS 检测有两大优势，它既可以帮助人们确定治疗方案，也可以为患儿父母评估他们未来子女患同样疾病的风险。实际上 Church 认为，用下一代测序进行（致病基因）携带者筛查，是 NGS 的“杀手锏”。
# D. p0 ^% r6 v& A+ x, C5 r“任何考虑使用辅助生殖手段的人…都应当知道精子捐献者是否携带与严重疾病有关的隐性等位基因，”他说。“人们已经发现了数百个能够预测疾病的基因，现在也有不少服务可以对它们进行准确的检测。”: v2 j4 V. H- h8 g+ K3 e7 c7 e3 B
最近， Church 作为共同作者发表了一项新研究。据他介绍，这是首次发表用 NGS 进行携带者筛查的文章，他们的方法“充分提高了质量并且降低了成本”。研究团队使用padlock探针，在194个细胞系中抽出并测序了15个有临床意义的基因，其中55个细胞系来自于携带上述基因突变的个体。4 \3 A+ Z1 ~! T5 j3 F
下一代测序的另一个新兴的应用领域是单细胞 RNA 测序。“单细胞 RNA 测序能向我们展示，相同细胞中 RNA 表达的天然随机性，这一点非常吸引人。” Mardis 说。3 A0 G( p/ E- b: O/ \/ Q
Church 介绍到，他即将发表的一篇文章描述了一种新的测序方案，称为荧光原位测序（fluorescent in situ sequencing）。这一技术将荧光原位杂交和 RNA -Seq结合起来，能够计数并确定不同转录本在组织切片中的空间定位。: c+ m; R% O8 q# s) i  W
Church 的团队通过荧光原位测序证实，转录本会依据伤口的愈合情况在成纤维细胞中呈不对称分布。/ w9 w; F2 H) ~9 d
这样的数据在十年前简直难以想象。同样，我们也很难想象 NGS 在未来十年又会发生怎样的翻天覆地的变化。
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2014年技术展望：下一代测序、RCR/克隆、蛋白分析、细胞分析
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