基因组测序的原理与方法及关进设备？

1. 基因组测序的原理与方法及关进设备？

全基因组测序是对未知基因组序列的物种进行个体的基因组测序。1986年， Renato Dulbecco是最早提出人类基因组定序的科学家之一。他认为如果能够知道所有人类基因的序列，对於癌症的研究将会很有帮助。美国能源部（DOE）与美国国家卫生研究院（NIH），分别在1986年与1987年加入人类基因组计划。除了美国之外，日本在1981年就已经开始研究相关问题，但是并没有美国那样积极。到了1988年，詹姆士·华生（DNA双螺旋结构发现者之一）成为NIH的基因组部门主管。1990年开始国际合作。1996年，多个国家召开百慕达会议，以2005年完成定序为目标，分配了各国负责的工作，并且宣布研究结果将会及时公布，并完全免费。
1998年，克莱格·凡特的塞雷拉基因组公司成立，而且宣布将在2001年完成定序工作。随后国际团队也将完成工作的期限提前。2000年6月26日，塞雷拉公司的代表凡特，以及国际合作团队的代表弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins），在美国总统柯林顿的陪同下发表演说，宣布人类基因组的概要已经完成。2001年2月，国际团队与塞雷拉公司，分别将研究成果发表於《自然》与《科学》两份期刊。在基因组计划的研究过程中，塞雷拉基因组使用的是霰弹枪定序法（shotgun sequencing），这种方法较为迅速 ，但是仍需以传统定序来分析细节。全基因组测序技术主要包括第二代测序技术（NGS）和第三代测序技术。第二代测序技术已经能够快速、低成本的进行全基因组测序，其设备供应商主要是Solexa （现被Illumina公司合并），454（罗氏公司）和SOLiD（AB公司）。第三代测序技术于2011年4月正式推广，其单分子实时（SMRT）测序技术完全不同与第二代测序，它的序列读长高达3000 bp（Pacific Biosciences 公司研发）。

2. DNA测序技术的设备

DNA测序仪，性能特点，自动化程度高，提供连续、无需监控的操作，自动灌胶、上样、电泳分离、检测及数据分析，可连续运行24小时无需人工干预。样品分析量大，一束毛细管可同时对16个样品进行全自动分析，一天可完成数百个样品的测序或片段分析工作。先进的荧光检测系统，采用光栅分光，CCD摄像机成像技术，实现多色荧光同时检测，与传统的滤镜及光电倍增管的检测方式相比，光栅及CCD的优势在于更新荧光化学时无需更换任何硬件设备。从激光光源发出的光线被光学元件分成两股，16根毛细管被一束激光同时从两面照射，有效提高荧光检测灵敏度和均一性。DNA测序仪在2011年前多由美国生产。2011年4月18日，由中科院北京基因组研究所与中科院半导体研究所承担的“模块化DNA分析系统”项目通过评审验收。这标志着我国在第二代DNA测序仪研发方面，形成了具有自主知识产权的高通量DNA测序技术及其系统样机。日前，验收组对该项目进行了测试和验收考核。验收组认为，此项目完成了仪器研制项目实施方案所要求的各项技术指标，有效测序片段数量、平均读长和有效序列数据总产量等关键技术性能指标远远优于立项指标，该成果实现了与国际主流设备性能相当的国产化DNA测序能力，在基因组学、生物信息学，乃至生命科学诸多方向的基础研究和应用研究方面具有重要实用价值。项目负责人、中科院北京基因组所副所长于军表示，计划下一步将继续开发适应于我国科研需求的下一代测序仪、配套试剂、芯片和测序分析软件等，使这一设备全面实现系统功能。高压电泳仪，测序用电泳槽，制胶设备，PCR仪。

3. 基因测序仪的原理

基因测序仪是一种在医学领域使用的仪器。
原理：

abi prism 310型基因分析仪采用毛细管电泳技术取代传统的聚丙烯酰胺平板电泳，应用该公司专利的四色荧光染料标记的ddntp(标记终止物法)，因此通过单引物pcr测序反应，DNA测序仪生成的pcr产物则是相差1个碱基的3''''末端为4种不同荧光染料的单链dna混合物，使得四种荧光染料的测序 pcr产物可在一根毛细管内电泳，从而避免了泳道间迁移率差异的影响，大大提高了测序的精确度。由于分子大小不同，在毛细管电泳中的迁移率也不同，当其通过毛细管读数窗口段时，激光检测器窗口中的ccd(charge-coupled device)摄影机检测器就可对荧光分子逐个进行检测，激发的荧光经光栅分光，以区分代表不同碱基信息的不同颜色的荧光，并在ccd摄影机上同步成像，分析软件可自动将不同荧光转变为dna序列，从而达到dna测序的目的。分析结果能以凝胶电泳图谱、荧光吸收峰图或碱基排列顺序等多种形式输出。

4. 基因组测序的具体过程

讲起来很复杂哈，简单来说，就是边合成边测序，把所要测序的序列通过各种手段来建库，然后加上5‘和3’都加上接头，放在一个小玻璃片一样的芯片上，上面一般是8个lane，把样品加入到lane上之后和上面长好的接头序列相结合（之前的建库时加的接头与之反向互补），然后再经过PCR扩增的过程形成一个DNA簇，然后再进行新一条链的合成，在此合成过程中边合成边测序，没加上去一个碱基，机器就读一次，根据其发到荧光来判断加的是那种碱基，这样就能得到所要的序列信息了。
 
测序会有误差的，就好比PCR扩增循环多了也会有误差一样，假如说在第一百个碱基合成时其误差是99.9%，那下一个的误差就是99.9%*99.9%.....依次以指数形式递增，到一定程度后测得的序列就不可靠了，所以会有一个极限，现在solexa的极限貌似比之前的150bp要长了。
 
当然以上都是指的Solexa的平台，454是焦磷酸测序原理，就又是一种方式了，这种方法得到的可靠序列长度之前说是500bp以上，现在估计都能测通1000bp了。

5. 基因测序的应用领域

英国伦敦大学学院和美国罗格斯大学的联合研究团队，将基因测序技术和超级计算机技术相结合，试图探索解决这一命题。研究人员把艾滋病（HIV）蛋白酶分子作为对象,酶在不同人体中形状略有不同，尤其是在蛋白质活动区，在那里酶完成切片并构成了下一个病毒，进而形成特定的病毒基因序列。如果知道了酶的形状，就可以找到相应的药物来阻止这一过程。研究人员通过模拟人体中不同形状的艾滋病病毒感染的关键蛋白质，演示了由计算机优化给出的多种艾滋病治疗药物疗效的排序清单。英国伦敦大学学院的皮特.柯文尼教授称：“有可能通过病人的基因组序列，推断出酶的形状，构建准确的蛋白质三维结构，筛选匹配药物，并将结果告诉主治医生给出最优处方。”目前，研究团队已采用这一思路，对市场上在用的9种艾滋病治疗药物中的7种进行了排序验证。 科学家表示实际工作远比看起来复杂。目前他们建立的50多个模拟模型，就要配有5000个处理器的计算机不停的计算12-18个小时，还要对计算结果做大量的数据分析，才能给出药物的排序。今天的通用计算机技术很难胜任这样的工作，乐观的看，依当前计算机技术发展速度看，也许十年后真能实现计算机为病人“抓药”。

6. 基因测序的技术原理

基因测序技术能锁定个人病变基因，提前预防和治疗。 自上世纪90年代初，学界开始涉足“人类基因组计划”。而传统的测序方式是利用光学测序技术。用不同颜色的荧光标记四种不同的碱基，然后用激光光源去捕捉荧光信号从而获得待测基因的序列信息。 虽然这种方法检测可靠，但是价格不菲也是有目共睹的，一台仪器的价格大约在50万到75万美元，而检测一次的费用也高达5千到1万美元。 最新的基因测序仪中，芯片代替了传统激光镜头、荧光染色剂等，芯片就是测序仪。 通过半导体感应器，仪器对DNA复制时产生的离子流实现直接检测。当试剂通过集成的流体通路进入芯片中，密布于芯片上的反应孔立即成为上百万个微反应体系。 这种技术组合，使研究人员能够在短短2小时内获取基因信息。而使用传统的光学测序技术需等待数周乃至数月后才能得到结果。同时，检测一次的费用也降到了最低1千美元。

7. 全基因组测序的测序应用

当病毒爆发时帕尔迪斯着手测定病毒基因组序列、研究病毒变异和传播的方式，她将研究成果发布在网上，于是全世界病毒追踪者和科学家都可加入这紧急战斗。开放交流对于遏制病毒传播，对抗未来的种种病毒不可或缺。

8. DNA测序技术的操作

成功地使用银染测序系统需要对提供的操作方法进行仔细考虑。银染不如放射性检测法灵敏，而需要更多的模板量，此外，也不可能通过延长X-光胶片曝光时间的方法增加信号强度。因此，请使用推荐的DNA模板量, 每次均使用所提供的对照检查系统的可靠性，并且注意如下几点：（1） DNA的浓度和纯度必须经过琼脂糖凝胶电泳或荧光法测定, 样品应与已知量DNA一起电泳。（2） 分光光度法对于很多DNA提取物包括质粒小量制备来说，并不能给出一个可信的DNA浓度估计，混杂的染色体DNA、蛋白、RNA、有机物及无机化合物均可能有260 nm光吸收。因此，分光光度法常常错误地高估DNA浓度。 （3） DNA制备过程中用核糖核酸酶处理所产生核糖核苷酸，虽然它们在电泳后DNA样品的前面，并不能观察到，但它们仍会有260nm光吸收。 1. 对于每组测序反应，标记四个0.5ml eppendorf管(G、A、T、C)。每管加入2ml适当的d/ddNTP混合物(d/ddNTP Mix)。各加入1滴(约20ml)矿物油，盖上盖子保存于冰上或4℃备用。2. 对于每组四个测序反应,在一个eppendorf管中混合以下试剂：（1） 样品反应：质粒模板DNA 2.1pmol5×测序缓冲液 5ml引物 4.5pmol无菌ddH2O 至终体积16ml（2）对照反应pGEM-3Zf(+)对照DNA(4mg)　 4.0ml5×测序缓冲液 5mlpUC/M13正向引物(4.5pmol) 3.6ml无菌ddH2 O 至终体积 16 ml3. 在引物/模板混合物(以上第2步)中加入1.0ml测序级Taq DNA聚合酶(5u/ml)。用吸液器吸动几次混匀。4. 从第3步的酶/引物/模板混合物中吸取4ml加入每一个d/ddNTP混合物的管内。5. 在微量离心机中离心一下，使所有的溶液位于eppendorf管底部。6. 把反应管放入预热至95℃的热循环仪，以[注意]中循环模式为基准，开始循环程序。对于每个引物/模板组合都必须选择最佳退火温度。下列程序一般能读出从引物开始350碱基的长度。7. 热循环程序完成后，在每个小管内加入3μl DNA测序终止溶液，在微量离心机中略一旋转，终止反应。[注意] 1、测序所用模板DNA的量一般按下面要求加入：模板种类/长度 模板量200bp (PCR产物) 16ng(120fmol)3000-5000bp（超螺旋质粒DNA) 4mg (2pmol)48000bp(λ,粘粒DNA) 1mg(31fmol)由于超螺旋质粒产生的信号比松弛的线性双链DNA弱，因此使用超螺旋质粒作为模板时其用量要比其它模板大一些。2、计算与4.5pmol相当的引物纳克数可用以下一般公式：4.5pmol=1.5ng×n,其中n为引物碱基数计算与1pmol相当的引物微克数可用以下一般公式：dsDNA:1pmol=(6.6×10-4 mg)×n,其中n为模板碱基对数ssDNA:1pmol=(3.3×10-4 mg)×n,其中n为模板碱基数3、为阻止Taq DNA聚合酶延伸非特异性退火引物， 热循环仪必须预热至95℃。温度变换应越快越好。下面的循环时间不包括变温时间。如果你无法确定使用何种模式，建议从模式1开始。模式1：适用于引物<24碱基或GC含量<50%95℃ 2分钟。然后： 95℃ 30秒(变性), 42℃ 30秒(退火), 70℃ 1分钟(延伸)。模式2:适用于≥24碱基或略短的GC含量≥50%的引物。95℃ 2分钟, 然后: 95℃ 30秒(变性), 70℃ 30秒(退火/延伸)。 4. 在加入终止溶液之后样品可在4℃保存过夜。 玻璃板的处理银染测序的玻璃板一定要非常清洁，一般先用温水和去污剂洗涤，再用去离子水冲洗玻璃板，除去残留的去污剂，最后用乙醇清洗玻璃板。玻璃板上遗留的去污剂微膜可能导致凝胶染色时背景偏高(棕色)。短玻璃板经粘合溶液处理可将凝胶化学交联于玻璃板上。这一步对于在银染操作过程中防止凝胶撕裂至关重要。短玻璃板的处理A. 在1ml 95%乙醇, 0.5%冰乙酸中加入5ml粘合硅烷(Bind Silane), 配成新鲜的粘合溶液。B. 用经浸透新配的粘合溶液浸透的吸水棉纸擦拭仔细清洗过并已经自然干燥的玻璃板, 整个板面都必须擦拭。C. 4-5分钟后, 用95%乙醇单向擦玻璃板, 然后略用力沿垂直方向擦拭。重复三次这一清洗过程, 每次均须换用干净的纸, 除去多余的粘合溶液。[注意] 1. 在95%乙醇单向擦玻璃板时过度用力会带走过多的粘合硅烷, 使凝胶不能很好地粘附。2. 准备长玻璃板之前要更换手套，防止粘染粘合硅烷。3、防止粘合溶液沾染在长玻璃板上是很重要的, 否则将导致凝胶撕裂。长玻璃板的处理A. 用浸透Sigmacote溶液的棉纸擦拭清洗过的长玻璃板。B. 5-10分钟后用吸水棉纸擦拭玻璃板以除去多余的Sigmacote溶液。[注意] 1. 用过的凝胶可在水中浸泡后用剃须刀片或塑料刮刀刮去。玻璃板须用去污剂完全清洗。或者凝胶用10% NaOH浸泡后除去。为防止交叉污染, 用于清洗短玻璃板的工具必须与清洗长玻璃板的工具分开, 如果出现交叉污染, 以后制备的凝胶可能撕裂或变得松弛。凝胶的制备（1）玻璃板经粘合硅胶和Sigmacote处理后，即可固定玻璃板。该方法是用0.2mm或0.4mm厚的边条置于玻璃板左右两侧，将另一块玻璃板压于其上。在长玻璃板的一侧插入鲨鱼齿梳平的一面边缘，用夹子固定住。（2）根据所需要的凝胶浓度，按下表制备测序凝胶，一般6%-8%的胶浓度可获得较好的结果。配制过程中，先用适量双蒸水溶解尿素，再加入 Acr&Bis和10×TBE缓冲液，再用双蒸水调终体积至99.2ml，并用0.45mm的滤膜过滤，然后加过硫酸铵和TEMED。溶解尿素时不必加热。如果确需加热则应等溶液完全冷却后，方可加入TEMED和过硫酸铵。一般在胶灌制后4-6分钟，即开始聚合，如果聚合不好，则应使用高浓度的 TEMED和过硫酸铵。凝胶终浓度3 4 5 6 8 12 16 18尿素(g) 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0Acr&Bis(ml) 7.5 10.0 12.0 14.5 20.0 30.0 40.0 50.010×TBE缓冲液(ml) 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0双蒸水(ml) 47.5 45.0 43.0 40.5 35.0 25.0 15.0 5.010%过硫酸铵(ml) 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7TEMED(ml) 87 80 80 80 80 70 47 40(3)胶配制好后，即可灌制胶板。一般是将凝胶沿着压条边缘缓慢地倒入玻璃板的槽中，倒完后，静止放置使之聚合完全。[注意] 1、使用夹子固定玻璃板时，最好夹子的力量稍大一些，防止因力量不足使灌胶的过程中出现漏胶液现象。2、灌制凝胶的过程中要严防产生气泡，否则影响测序的结果。 预电泳（1）当凝胶聚合完全后，拨出鲨鱼齿梳，将该梳子反过来，把有齿的一头插入凝胶中，形成加样孔。（2）立即将胶板固定在测序凝胶槽中，一般测序凝胶槽的上下槽是分开的，因而只有在固定好凝胶板后，方能加入TBE缓冲液。（3）稀释10×TBE缓冲液至1×TBE，将该缓冲液加入上下二个电泳槽中，去除产生的气泡，接上电源准备预电泳。（4）有些电泳槽，如LKB的Macrophor等是使用水浴加热的，则应先将水浴加热至55℃后进行预电泳。有的不使用水浴加热，依靠电泳过程中自身产生的热进行保温，如上海求精有机玻璃仪器生产的测序电泳槽，这种槽需夹上二块散热铝板，使整个凝胶板的温度一致。（5）按30V/cm的电压预电泳20-30分钟。预电泳的过程是去除凝胶的杂质离子，同时使凝胶板达到所需的温度。高温电泳可防止GC丰富区形成的发夹状结构，影响测序的结果。[注意]（1）. 用鲨鱼齿梳制作加样孔时，应注意将齿尖插入胶中0.5mm左右，千万注意不能使加样孔渗漏，否则得不到正确的结果。（2）. 应时刻注意上面电泳槽中的缓冲液是否渗漏，否则极易造成短路而损坏电泳仪。样品的制备当在预电泳时，即可进行样品的制备，将反应完毕的样品在沸水浴中加热1-3分钟，立即置于冰上即可。如果样品长时间不用，则应重新处理。可使用4- 6%聚丙烯酰胺凝胶，胶厚0.4mm。厚度小于0.4mm的胶可能导致信号太弱。加样时不必吸去上层覆盖的矿物油，但要小心地吸取矿物油下的蓝色样品。上样及电泳关闭电泳仪，用移液枪吸缓冲液清洗样品孔，去除在预电泳时扩散出来的尿素，然后立即用毛细管进样器吸取样品，加入样品孔中。上样顺序一般为G、A、 T、C。加样完毕后，立即电泳。开始可用30V/cm进行电泳，5分钟后可提高至40-60V/cm，并保持恒压状态。一般来说，一个55cm长， 0.2mm厚的凝胶板，在2500V恒压状态下电泳2小时即可走到底部，同时在电泳过程中，电流可稳定地从28mA降至25mA。为了能读到更长的序列，可采用两轮或多轮上样。[注意]1、上样电泳时，一定要注意凝胶板的温度是否达到55℃左右，如果还没有达到，则应等温度达到后才能上样电泳。2、一般来说电泳时，不宜使用太高的电压，因为太高的电压会使凝胶的分辨率降低，并且使带扩散。电泳中可进行恒功率电泳。 染色过程要求凝胶浸在塑料盘中。因而至少使用两个盘子，大小与玻璃板类似。在盘中加入新鲜溶液之前须用高质量的水洗涤盘子。1. 电泳完毕后用一个塑料片子小心地分开两板，凝胶应该牢固地附着在短玻璃板上。2. 固定凝胶：将凝胶(连玻璃板)放入塑料盘，用固定/停止溶液浸没,充分振荡20分钟或直至样品中染料完全消失，胶可在固定/停止溶液中保存过夜(不振荡)。保留固定/停止溶液，用于终止显影反应。3. 洗胶：用超纯水振荡洗胶3次，每次2分钟。从水中取出, 当转移至下一溶液时拿着胶板边沿静止10-20秒，使水流尽。4. 凝胶染色：把凝胶移至染色溶液充分摇动30分钟。5. 凝胶显影：(1). 在显影溶液中加入甲醛(3ml)和硫代硫酸钠溶液(400μl)以完成显影液的配制。(2). 从染色溶液中取出凝胶放入装有超纯水的盘中浸洗5-10秒。注意，把凝胶从超纯水转移到显影溶液的总时间不能长于5-10秒。浸泡时间过长则导致信号微弱或丧失信号。若浸泡时间过长,可重复第五步用染色液浸泡。(3). 立刻将凝胶转移至1升(总量的一半)预冷的显影液充分振荡直至模板带开始显现或开始出现第一批条带,把凝胶移入剩下的1升显影液中继续显影2--3分钟,或直至所有条带出现。6. 固定凝胶：在显影液中直接加入等体积的固定/停止溶液。停止显影反应,固定凝胶。7. 在超纯水中浸洗凝胶两次，每次2分钟，注意在本操作中戴手套拿着胶板边缘避免在胶上印上指纹。8. 将凝胶置于室温干燥或用抽气加热法干燥。在可见光灯箱或亮白，黄色背景(如纸)上观察凝胶，若需永久保存的记录, 则可用EDF胶片保留实验结果。[注意]　测序产物的银染是显现序列信息的一种新方法，本系统的成败受几个因素的影响。1. 水的质量对于染色的成功极其重要。超纯水(NANOpureR 或Milli-QR 的水)或双蒸水可获得较好的效果, 如果水中有杂质, 则低分子量条带可能无法出现。2. 碳酸钠也非常重要。使用新鲜的，美国化学学会级碳酸钠较好，如Fisher和Kodak ACS试剂级碳酸钠(Fisher Cat #S263-500或S262-3，或Kodak Cat #109-1990)，一般可获得较好的结果。3. 染色后的洗涤步骤是非常关键的。如果凝胶洗涤时间太长，银颗粒会脱离DNA, 产生很少或没有序列信号。如果洗涤时间过长，染色步骤可以重新进行。4. 如果凝胶厚度超过0.4mm或丙烯酰胺浓度高于4-6%，则有必要延长固定和染色的时间。如果凝胶比0.4mm薄，染色反应后的洗涤必须缩短至不超过5秒。5. 在室温下进行所有步骤，显影反应除外。显影溶液必须预冷至10-12℃以减小背景杂色。注意：临用前在显影溶液中加入甲醛和硫代硫酸钠。用新配的染色及显影溶液。不要重复使用任何溶液。