454 GS FLX测序原理

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454生命科学公司所研发的新一代测序平台基于光纤微流体技术和包裹了待测DNA片段的乳化液滴技术(炸药中的表面活性剂来维持乳液的热稳定性)。基于焦磷酸测序法的超高通量基因组测序系统——Genome Sequencer 20 System,被《Nature》杂志以里程碑事件报道,开创了边合成边测序(sequencing-by-synthesis)的先河。

GS FLX系统是一种依靠生物发光进行DNA序列分析的新技术:在DNA聚合酶,ATP硫酸化酶,荧光素酶和双磷酸酶的协同作用下,将引物上每一个dNTP的聚合与一次荧光信号释放偶联起来 (见下图)。通过检测荧光信号释放的有无和强度,就可以达到实时测定DNA序列的目的。此技术不需要荧光标记的引物或核酸探针,也不需要进行电泳;具有分析结果快速、准确、灵敏度高和自动化的特点。

 

                                       454高通量测序方法原理示意图

优缺点:

1)454平台的突出优势是读长,每轮测序能产生100万个读长片段,读长可达到400-500bp;

2)通量为0.4-0.5Gb;

3)读出的片段较短,而且不能提供配对端点测序信息;

4)不需要任何克隆;但是这也造成了这一技术的一些缺陷:无克隆反应导致无法获得材料来覆盖序列缺口,而且在基因组测序完成过程中的一个重要部分就是补充低丰度区域。

应用:

包括基因组学的从头测序和重测序、小RNA的研究、转录图谱的分析以及染色体结构表观遗传学等

GS FLX系统的工作流程

GS FLX系统的流程概括起来,就是“一个片段 = 一个磁珠 = 一条读长(One fragment = One bead = One read)”。

1)样品输入并片段化:GS FLX系统支持各种不同来源的样品,包括基因组DNA、PCR产物、BAC、cDNA、小分子RNA等等。大的样品例如基因组DNA或者BAC等被打断成300-800 bp的片段;对于小分子的非编码RNA或者PCR扩增产物,这一步则不需要。短的PCR产物则可以直接跳到步骤3)。

2)文库制备:借助一系列标准的分子生物学技术,将A和B接头(3’和5’端具有特异性)连接到DNA片段上。接头也将用于后续的纯化,扩增和测序步骤。具有A、B接头的单链DNA片段组成了样品文库。

3)一个DNA片段=一个磁珠:单链DNA文库被固定在特别设计的DNA捕获磁珠上。每一个磁珠携带了一个独特的单链DNA片段。磁珠结合的文库被扩增试剂乳化,形成油包水的混合物,这样就形成了只包含一个磁珠和一个独特片段的微反应器。

4)乳液PCR扩增:每个独特的片段在自己的微反应器里进行独立的扩增,而没有其他的竞争性或者污染性序列的影响。整个片段文库的扩增平行进行。对于每一个片段而言,扩增后产生了几百万个相同的拷贝。随后,乳液混合物被打破,扩增的片段仍然结合在磁珠上。

5)一个磁珠=一条读长:携带DNA的捕获磁珠随后放入PTP板中进行后继的测序。PTP孔的直径(29um)只能容纳一个磁珠(20um)。然后将PTP板放置在GS FLX中,测序开始。放置在四个单独的试剂瓶里的四种碱基,依照T、A、C、G的顺序依次循环进入PTP板,每次只进入一个碱基。如果发生碱基配对,就会释放一个焦磷酸。这个焦磷酸在ATP硫酸化酶和萤光素酶的作用下,经过一个合成反应和一个化学发光反应,最终将萤光素氧化成氧化萤光素,同时释放出光信号。此反应释放出的光信号实时被仪器配置的高灵敏度CCD捕获到。有一个碱基和测序模板进行配对,就会捕获到一分子的光信号;由此一一对应,就可以准确、快速地确定待测模板的碱基序列。这也就是大名鼎鼎的焦磷酸测序。

6)数据分析:GS FLX系统在10小时的运行当中可获得100多万个读长,读取超过4-6亿个碱基信息。GS FLX 系统提供两种不同的生物信息学工具对测序数据进行分析,适用于不同的应用:达400 MB的从头拼接和任何大小基因组的重测序。

GS FLX系统的准确率在99%以上。其主要限制来自同聚物,也就是相同碱基的连续掺入,如AAA或GGG。由于没有终止元件来阻止单个循环的连续掺入,同聚物的长度就需要从信号强度中推断出来。这个过程就可能产生误差。因此,454测序平台的主要错误类型是插入-缺失,而不是替换。

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