高通量测序
高通量测序原理和应用
高通量测序是以DNA测序为基础的一种技术，旨在实现快速和准确地读取整 个基因组。本展示将介绍高通量测序的定义、测序技术、应用场景及其在医 学中的重要性。
高通量测序的定义和原理
高通量测序指的是通过并行测序技术，以迅速、高效地测定DNA或RNA序列。 它基于光学、电化学或生物学等原理，通过将待测样本切割成小片段，并用 核酸测序技术读取、记录和分析这些片段的序列信息。
第一代测序技术
Sanger测序法
由Frederick Sanger在1977年开发，是第一代测序技术的代表。它基于二进制分子链终止法，使用放射性同 位素或荧光染料进行标记。
第二代测序技术
Illumina测序
利用bridgePCR技术，通过可控制的DNA合成和荧光校验基团，实现对DNA片段的快速高通量测序。
应用场景和优势
1 基因组学研究
高通量测序革新了基因组学研究，为解读基因组提供了更快速、更准确的方法。
2 医学诊断
它可以检测基因变异、确定疾病风险和提供个体化医疗方案。
3 生物多样性研究
通过对DNA或RNA片段的测序，可以快速鉴定物种和了解生物多样性。
高通量测序在医学中的应用
遗传病筛查
肿瘤基因组学
可以快速检测潜在的遗传病风险， 帮助家庭做出更明智的生育决策。
通过测序肿瘤细胞的DNA片段， 可以发现肿瘤突变、预测疗效、 指导个体化治疗。
药物基因组学
通过分析个体基因型，可以确定 个体对药物的反应，指导用药剂 量和选择。
未来发展趋势
未来高通量测序技术将更加快速、准确和经济。同时，与人工智能和大数据的结合，将促进高通量测序在个性 化医学和精准治疗方面的深入应用。
第三代测序技术
高通量测序技术及其在基因研究中的应用
高通量测序技术及其在基因研究中的应用随着科技的不断发展，生命科学领域也在不断涌现出新的技术和方法。
其中，高通量测序技术是最重要的一种技术之一。
通过高通量测序技术，不仅可以快速准确地测定DNA序列，还可以对基因表达、DNA甲基化、蛋白质互作等多个方面进行深入研究，为生物学领域的研究提供了有力的工具。
下面将对高通量测序技术及其应用进行详细介绍。
一、什么是高通量测序技术高通量测序技术又称为第二代测序技术，它是指一种通过并行测序的方式，对样本中的DNA进行高速测量并获取其序列信息的技术。
高通量测序技术的原理非常简单，它将DNA样本进行随机的分离、扩增、分离、读取等多个步骤，最终生成数百万条DNA片段的测序产物。
这些产物可以通过计算机软件进行处理和分析，获得整个DNA序列的信息。
二、高通量测序技术的类型高通量测序技术的发展已经经历了多个阶段。
目前，市面上已经存在多个高通量测序技术平台。
其中最常用的是Illumina公司和Ion Torrent公司的高通量测序技术。
Illumina公司的高通量测序技术基于测序-合成（sequencing-by-synthesis，SBS）原理，并采用双端30bp或100bp定向测序或PE150bp或PE250bp的测序方式，单个测序通量可达到数百Gb-数Tb。
而Ion Torrent公司的高通量测序技术则采用了基于半导体学的测序原理，并采用了无筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子筛分子简单的操作流程，可以对小型基因组进行有效的测序。
三、高通量测序技术在基因研究中的应用高通量测序技术在基因研究中应用广泛，其中最常用的是全基因组测序、RNA测序、甲基化测序等。
1、全基因组测序全基因组测序是指通过高通量测序技术，对生物的整个基因组进行测序。
通过全基因组测序，可以获取整个基因组的序列信息，并对基因组结构、基因型等方面进行研究。
高通量测序原理及分析
高通量测序原理及分析高通量测序是一种快速测序技术，它可以在短时间内获取大量DNA或RNA序列信息。
它的原理是将DNA或RNA样本分解成小片段，然后通过特定的方法将这些片段固定在固定载体上，再通过PCR扩增得到数百万个复制的片段。
完成测序后，这些片段将被连接到一个固定的载体上，形成一个DNA文库。
然后使用高通量测序仪器进行测序，通常采用的是Illumina测序技术。
这种技术是一种基于合成荧光标记的测序方法，其原理是通过逐个加入不同的荧光标记的碱基，测定每个碱基的顺序。
在测序过程中，高通量测序仪器会通过激光照射荧光标记，检测每个碱基特有的荧光信号，并记录下这些信号，并根据信号的顺序得出DNA或RNA序列信息。
在测序完成后，会得到大量的DNA或RNA片段序列信息。
接下来需要对这些数据进行分析以获取有意义的结果。
分析的步骤主要包括：数据预处理、序列比对、变异检测和功能注释等。
数据预处理是将原始测序数据进行质量控制、去除污染序列、修正测序错误等步骤，以提高数据的可靠性和准确性。
序列比对是将测序得到的片段序列与已知的参考基因组或转录组进行比对，以确定这些片段来自哪些基因或转录本。
这可以帮助研究人员了解样本中基因的表达情况、基因组的结构变异等信息。
变异检测是通过比对分析，发现样本中存在的单核苷酸多态性（SNP）、插入/缺失变异（InDel）等基因组结构变异。
这可以帮助研究人员了解不同个体之间的遗传差异，或者研究疾病与基因突变的关联性。
功能注释是对已知的基因和转录本进行生物学功能的注释，以了解它们在细胞活动和生物过程中的作用。
总之，高通量测序技术以其快速、准确、经济的特点，已成为基因组学、转录组学和表观遗传学等领域的重要工具，为研究人员提供了更多理解生物信息的机会。
高通量测序流程和原理
高通量测序流程和原理高通量测序是一种快速、准确地测定DNA或RNA序列的技术，它在生物学研究、医学诊断和药物研发等领域发挥着重要作用。
本文将介绍高通量测序的流程和原理，帮助读者更好地理解这一技术。
高通量测序的流程主要包括样品准备、文库构建、测序仪测序和数据分析四个步骤。
首先，样品准备阶段需要从生物组织中提取DNA或RNA，并进行纯化和定量。
接下来是文库构建，这一步骤包括将DNA或RNA片段连接到测序适配器上，并进行PCR扩增，然后通过尺寸筛选和纯化得到文库。
然后，文库被加载到测序仪中进行测序，测序仪会通过不同的化学方法和光学检测技术获取DNA或RNA片段的序列信息。
最后，通过数据分析软件对测序得到的数据进行处理，包括序列拼接、比对、变异检测等步骤，最终得到样品的DNA或RNA序列信息。
高通量测序的原理是基于DNA或RNA的合成和测序技术。
在测序过程中，DNA或RNA片段会被适配器连接，并通过PCR扩增得到文库。
然后，文库中的DNA或RNA片段会被固定在测序仪的表面上，并进行碱基的逐个添加和检测。
测序仪会通过光学检测技术记录每个碱基的信号强度，并将其转化为序列信息。
最后，数据分析软件会对这些信号进行处理，得到样品的DNA或RNA序列信息。
高通量测序技术的发展使得科研人员能够更快速、更准确地获取大规模DNA或RNA序列信息，从而推动了基因组学、转录组学和表观基因组学等领域的发展。
同时，高通量测序技术也在临床诊断和个性化医疗中发挥着越来越重要的作用。
总的来说，高通量测序的流程主要包括样品准备、文库构建、测序仪测序和数据分析四个步骤，其原理是基于DNA或RNA的合成和测序技术。
这一技术的发展对于推动生物学研究、医学诊断和药物研发具有重要意义，相信随着技术的不断进步，高通量测序技术将会在更多领域展现出其巨大的潜力。
高通量测序技术简介
数据转换
将采集到的图像数据转换为对应的碱基序列 信息。
质量控制
对转换后的数据进行质量评估和控制，以确 保测序结果的准确性和可靠性。
数据输出
将最终测序结果以FASTQ等格式输出，供后 续生物信息学分析使用。
03
高通量测序技术平台
Illumina平台
伦理规范制定
制定高通量测序技术应用的伦理规范，确保 技术的合理、安全使用。
法规监管和政策支持
加强高通量测序技术的法规监管和政策支持， 推动技术的健康发展。
THANKS
感谢观看
Genia Technologies平台
采用基于光学干涉的测序技术，通过检测DNA分子在光学干涉仪中的干涉信号变化实 现测序，具有高精度、高灵敏度等优势。
04
高通量测序技术在基因组学研究 中的应用
全基因组重测序
定义
全基因组重测序是对已知基因组 序列的物种进行不同个体的基因 组测序，并在个体或群体水平上 进行差异性分析的方法。
该技术能够在短时间内产生大量的序 列数据，为基因组学、转录组学、宏 基因组学等领域的研究提供了有力支 持。
发展历程及现状
第一代测序技术
以Sanger测序为代表，具有读长较长、准确性高的优点， 但通量低、成本高，难以满足大规模测序需求。
第二代测序技术
以Illumina公司的HiSeq系列、Life Technologies公司的 SOLiD系列等为代表，实现了高通量、低成本的目标，广泛应
高通量测序技术简介
• 引言 • 高通量测序技术原理 • 高通量测序技术平台 • 高通量测序技术在基因组学研究中
的应用
• 高通量测序技术在临床医学中的应 用
高通量测序技术简介
高通量测序技术简介近年来，随着生物技术的发展，高通量测序技术在生物学研究、临床医学、农业科技等众多领域中发挥着越来越重要的作用。
本文将为读者简单介绍高通量测序技术的基本原理、应用及未来发展方向。
一、高通量测序技术基本原理高通量测序技术（High-Throughput Sequencing，简称HTS）是指通过同时测序数以亿计上万条DNA片段的方法，快速准确地得出基因信息。
其核心技术包括样品制备、DNA片段库构建和测序。
样品制备主要包括DNA抽提、纯化和切割等步骤。
DNA片段库构建通常分为两种方式：文库构建（Library Preparation）和逆相PCR法（Inverse PCR）构建。
其中文库构建方法包括Genomic DNA文库构建、cDNA文库构建和ChIP-seq文库构建等。
测序分为Sanger测序和第二代/第三代测序两种。
目前，Illumina、Ion Torrent、PacBio和Nanopore等公司的测序技术已开始广泛应用。
二、高通量测序技术的应用高通量测序技术在生物领域中的应用越来越广泛。
具体应用包括以下几个方面：1、基因组学：基因组学是高通量测序技术最早应用的领域之一。
通过对整个基因组进行测序，可以深入研究基因的结构、组织与表达等方面的信息，促进基因组学的发展。
2、转录组学：高通量测序技术在转录组学中的应用主要为RNA测序，可以发现RNA剪切变异、可变外显子和SNPs （Single Nucleotide Polymorphisms）等。
3、表观基因组学：表观基因组学是研究基因组DNA序列和其组杂化状况的学科。
高通量测序技术可以对DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质状态等进行充分研究。
4、单细胞测序技术：在原有的基础上，在单细胞尺度上进行分析，可以识别不同类型的单细胞和细胞异质性在不同生理状态下的基因表达差异。
5、临床医学：高通量测序技术在临床上可以进行新生儿常染色体脆性综合征、癌症个性化治疗、基因疾病等多方面的风险评估。
高通量测序-名词解释
高通量测序基础知识汇总一代测序技术：即传统的Sanger测序法，Sanger法是根据核苷酸在待定序列模板上的引物点开始，随机在某一个特定的碱基处终止，并且在每个碱基后面进行荧光标记，产生以A、T、C、G结束的四组不同长度的一系列核苷酸，每一次序列测定由一套四个单独的反应构成，每个反应含有所有四种脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)，并混入限量的一种不同的双脱氧核苷三磷酸(ddNTP)。
由于ddNTP缺乏延伸所需要的3-OH 基团，使延长的寡聚核苷酸选择性地在G、A、T或C处终止，使反应得到一组长几百至几千碱基的链终止产物。
它们具有共同的起始点，但终止在不同的的核苷酸上，可通过高分辨率变性凝胶电泳别离大小不同的片段，通过检测得到DNA碱基序列。
二代测序技术：next generation sequencing〔NGS〕又称为高通量测序技术，与传统测序相比，二代测序技术可以一次对几十万到几百万条核酸分子同时进行序列测定，从而使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的分析成为可能，所以又被称为深度测序〔Deep sequencing〕。
NGS主要的平台有Roche〔454 & 454+〕，Illumina〔HiSeq 2000/2500、GA IIx、MiSeq〕，ABI SOLiD等。
基因：Gene，是遗传的物质基础，是DNA或RNA分子上具有遗传信息的特定核苷酸序列。
基因通过复制把遗传信息传递给下一代，使后代出现与亲代相似的性状。
DNA：Deoxyribonucleic acid，脱氧核糖核酸，一个脱氧核苷酸分子由三部分组成：含氮碱基、脱氧核糖、磷酸。
脱氧核糖核酸通过3',5'-磷酸二酯键按一定的顺序彼此相连构成长链，即DNA链，DNA链上特定的核苷酸序列包含有生物的遗传信息，是绝大部分生物遗传信息的载体。
RNA：Ribonucleic Acid，，核糖核酸，一个核糖核苷酸分子由碱基，核糖和磷酸构成。
高通量测序的流程
高通量测序的流程高通量测序技术作为现代生物学和医学研究中不可或缺的重要工具，已经在基因组学、转录组学和生物信息学等领域广泛应用。
本文将深入探讨高通量测序的流程及其技术要点，以及在不同应用场景下的具体应用。
一、高通量测序技术是一种通过并行处理大量DNA或RNA分子的方法，能够快速、准确地测定样本中的基因组序列信息。
其广泛应用于基因变异分析、群体遗传学研究、肿瘤基因组学以及微生物群落结构分析等多个领域。
二、高通量测序的主要步骤1. 样本准备与DNA/RNA提取高通量测序的第一步是样本的准备和核酸的提取。
样本可以是来自生物体的任何组织或细胞，提取得到的DNA或RNA质量和纯度直接影响后续测序结果的可靠性。
常用的提取方法包括酚/氯仿法、商业提取试剂盒以及磁珠法，选择合适的方法取决于样本类型和实验室设施的情况。
2. 文库构建DNA或RNA提取后，需要将目标核酸转化为可用于高通量测序的文库。
文库构建的关键步骤包括断裂、末端修复、连接连接子、文库扩增和文库纯化等。
每个步骤都需要精确控制反应条件和使用高质量的试剂，以避免污染和损伤目标DNA/RNA。
3. 测序平台选择与测序类型确定在文库构建完成后，需要根据具体实验设计选择合适的测序平台和测序类型。
目前常用的高通量测序平台包括Illumina、Ion Torrent、PacBio和Oxford Nanopore等，每种平台都有其特定的优缺点和适用场景。
测序类型主要分为全基因组测序(WGS)、全外显子组测序(WES)、RNA测序和甲基化测序等，根据研究问题的不同选择合适的测序类型至关重要。
4. 数据与质控测序平台的数据需要经过严格的质量控制(QC)流程，包括去除低质量序列、去除接头序列、去除PCR重复序列和去除污染序列等步骤。
质控后的数据才能用于后续的生物信息学分析。
5. 数据分析与解释质控通过的数据将进行生物信息学分析，这包括序列比对、变异检测、表达定量、功能注释和数据可视化等步骤。
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基于磁珠的大规 ABI 模并行连接测序
Helicos Ion Torrent
SMRT
单分子荧光测序 Helicos 半导体测序 Life-technology
单分子实时测序 Pacific Bio
目前成熟的三大高通量测序技术简介 Next Generation Sequencing
• • • • Sample fragmentation Library preparation Sequencing reaction Data analysis
（a）高通量鸟枪Sanger测序法。首先基因 组DNA被随机切割成小片段分子，接着众 多小片段DNA被克隆入质粒载体，随后转 化到大肠杆菌中。最后培养大肠杆菌提取 质粒，进行测序。每一个测序反应都在只 有几微升的反应体系中完成。测序后获得 一系列长短不一的末端标记有荧光的片段， 最后通过对每一个延伸反应产物末端荧光 颜色进行识别来读取DNA序列。 （b）鸟枪循环芯片测序法。首先将基因组 DNA随机分割成小片段DNA分子，然后在 这些小片段DNA分子的末端连接上普通的 接头，最后用这些小片段DNA分子制成 polony芯片。每一个polony中都含有一个小 片段DNA分子的许多个拷贝。许多这样的 polony集合在一起就形成了polony芯片。这 样一次测序反应就可以同时对众多的 polony进行测序。然后与sanger法中一样， 通过对每一个延伸反应产物末端荧光颜色 进行识别来读取出DNA序列。重复上述步 骤就能获得完整的序列。
Sequence ~1000 molecules per ~ 1 µ m cluster ~1000 clusters per 100 µ m square ~40 million clusters per experiment
20 microns
Sequencing-by-Synthesis (SBS)
焦磷酸测序技术(pyrosequencing)是由Nyren等人于1987年发展起来的一种新型的酶联级 联测序技术。红色单链表示模板链，引物以黑色表示，DNA聚合酶以绿色的椭圆形表示。每 当掺入一个碱基（如图中蓝色的G）时，就会释放出焦磷酸（PPi），然后被磷酸化酶 （sulfurylase，图中蓝色箭头所示）转化成ATP。然后荧光素酶（图中红色箭头所示）就可 以在ATP参与下将荧光素转变成氧化荧光素，同时发光也会被测序仪检测到。测序反应是通 过释放PPi经过ATP硫酸化酶和荧光素酶作用发光，向反应体系中加入1种dNTP,如果它刚好 能和DNA模板的下一个碱基配对，则会在DNA 聚合酶的作用下，添加到测序引物的3‘末端， 同时释放出一个分子的焦磷酸（PPi），CCD捕捉拍照。反应是连续的，所以遇到连续的碱 基如polyA时，易产生误差。
Nature (2001) 409:860-921
分层的shotgun测序法
刺激DNA测序技术发展的四个方面
人类基因组计划的出现，使人们面临了巨大的经费问题，因为传统的 Sanger 测序法无论如何优化，也无法大幅度降低测序费用； 人类以及其它主要模式生物参考序列数据库的建立使得短片段作图成为可 能，这极大地促进了短片段测序技术的发展；
454 sequencing： Emulsion PCR (emPCR)
A
+ PCR Reagents + Emulsion Oil
B
Adapter carrying library DNA
Micro-reactors
Mix DNA Library & capture beads (limited dilution)
9
高通量测序技术的起源与发展
• • • • • • • • 1992年Lynx Therapeutics MPSS 2003年Polony Sequencing（哈佛） 2005年454 Pyrosequencing 2006年Solexa Sequencing-by-Synthesis 2007年ABI SOLiD 2008年Helicos tSMS Sequencing 2010年Ion torrent Semiconductor Sequensing 2011年Pacific Biosciences SMRT Sequensing
2 高通量测序原理简介以及比较
高通量测序简介
• 高通量测序:一次性对几百万到十亿条DNA 分子进行并行测序，又称为下一代测序技 术，其使得可对一个物种的转录组和基因 组进行深入、细致、Sequencing • Next Generation Sequencing • Deep Sequencing
Roche 454 焦磷酸测序 Pyrophosphate Sequencing
Illumina Solexa 合成测序 Sequence by Synthesize
ABI SOLiD 连接法测序 Sequence by Ligation
传统的Sanger测序法及新 一代DNA测序技术工作流 程图比较：
探针连接，检测荧光
切除荧光基团
第二轮探针连接，检测荧光
切除荧光基团 每个探针进行检测的两个碱基后面有三个匹配碱基，因此一条测序引物读取的序列是不完整的
连接法测序 （二）
测序引物沿着Adapter移动5次，确保每个位点都被检测
SOLiD 的特点与主要应用
• • • • 读长较短，50-75bp 精度高，可达Q40 通量高， 20-30G每天，1Run 可达120G 主要应用：基因组重测序、SNP检测等
Walter Gilbert（1932~）
Sanger测序技术
PCR末端终止技术+电泳检测技术 单个片段序列测定 最高通量：小于4MB/天
基于平板胶的测序技术
96通道毛细管阵列
人类基因组从头测序分析
HGP项目：20世纪90年代美国能源部 资助启动人类基因组计划，六个国家 的科学家耗资4.37亿，于2000年完成 人类基因组工作草图。 方法和结果：应用分层shotgun+Sanger 测序法，结果预测了31,000个基因， 证明基因组的95%是非编码序列。 意义：人类基因组测序的完成标志着 分子医学时代的到来；此项目也催生 了高通量测序技术。
Illumina Solexa 测序流程
Solexa 的特点与主要应用
• 读长较短，100－150bp • 通量高，25G每天，120-150G每Run • 主要应用：RNA测序、表观遗传学研究
ABI SOLiD 简介
• SOLiD Sequencing by Oligo Ligation/Detection • Oligo连接测序：通过连接酶连接，再对 oligo上荧光基团进行检测
3’ 5’
Cycle 1: Add sequencing reagents First base incorporated Remove unincorporated bases
A T G C G C A G A T G C T T A C G A T A C C C G A
Detect signal Cycle 2-n: Add sequencing reagents and repeat
Illumina Solexa简介
• 桥式PCR • 边合成边测序 • 可逆终止物
HiSeq 2000
Clonal Single Molecule Arrays 单分子克隆 Attach single molecules to surface
Amplify to form clusters Prepare DNA fragments Ligate adapters
C T
1、每轮测序反应加入四种带有荧光标记的dNTP，末端带有可以 被去除的阻断基团
2、每轮反应只能整合一个核苷酸，仪器读取相应的荧光信号 3、信号读取结束，用化学方法去除阻断基团，进行下一轮测序 反应
T C
G A T
5’
Reversible Terminator Chemistry 可逆终止反应
不断涌现的新型分子生物学技术极大地促进了分子生物学的发展，随之而 来的越来越多的比如基因变异、RNA 表达、蛋白与DNA 相互作用以及染色 体构象等等生物学现象需要人们用高通量DNA 测序手段去解释，这也极大 地促进了新型测序技术的发展；
其它学科、各项相关技术的发展，例如显微镜技术、表面化学技术、核苷 生化技术、聚合酶工程技术、计算机技术、数据储存及分析技术等，为 DNA 测序技术提供了极大的支持。
一般高通量测序技术流程Shot Gun构建 DNA片段固定 单条模板扩增
序列组装和比较
1
图像获得和处理
TGCT…
簇序列读取反应
2
3
TTTT…
4
454 Pyrosequencing
• 基于磁珠的焦磷酸测序：
A 磁珠制备设备
C 454测序原理
B 454测序仪
454新测序方法用到的焦磷酸测序原理
高通量测序技术及其应用
李海阔 博士
上海业力生物科技有限公司
Shanghai Yeli bio-technology Co. Ltd
主要报告内容
1 测序简介
2 高通量测序原理简介以及比较 3 一些应用实例 4 前景展望
1 测序简介
经典的DNA测序技术
Sanger法 化学法
Frederick Sanger（1918~）
Create “Water-in-oil” emulsion
Adapter complement
Enrich Anneal Seq primer “Break micro-reactors” Isolate DNA containing beads Perform emulsion PCR
Generation of millions of clonally amplified templates on each bead No cloning and colony picking