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“每千美元测定一个人的基因组”——您有妙计吗?

已有 6213 次阅读 2008-10-5 11:52 |个人分类:未分类| 基因, PCR, DNA, 测序仪, 拼接

 

                                                 目标:“每千美元测定一个人的基因组”

 

一、DNA测序发展综述 


1953年Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型以来,随着各种新技术和新理论的不断诞生,人类开始在分子水平上真正揭示生物世界的奥秘,并由被动适应自然界转向主动改造和重组自然界。尤其是自1990年人类基因组计划正式启动,在美国、英国、日本、法国、德国和中国科学家的共同努力下,这项工作在新世纪到来之际提前完成,得到人类全基因组序列,标志着人类已从基因组时代步入“后基因组时代”。由于人类基因组计划的顺利进行,使得DNA序列数据库的容量呈指数增长,提供了以往不可想象的巨大的生物学信息量。在这些巨量的序列信息基础上,就可以在分子层面上探索人类健康和重大疾病的防治,开展生物技术在各个领域的应用,使人类生存的健康质量和预防疾病的能力发生革命性的飞跃。在这段时期生命科学的迅速进步得益于许多分子生物学新技术的不断涌现,而且很快就被广泛地应用。包括1975年Southern杂交方法的创立;1977年Sanger和Maxam、Gilbert先后发明了两种DNA序列的快速测定法;1980年基因合成仪的发明使核酸的化学合成从手工发展到全自动合成;1985年Cetus公司Mullis等发明的聚合酶链式反应(PCR)的特定核酸序列扩增技术;1992年Affymatrix公司Fodor小组原位合成制备了世界上第一块基因芯片;1995年第一台全自动核酸序列测定仪在ABI公司问世,这些里程碑性质的新技术对分子生物学的发展起到了重大的推动作用。


基因组学的迅速发展加快了DNA分析仪器的系统化和模块化进程,使多层次的基于DNA技术的综合生物学分析成为科研和临床工作的常用工具。尽管目前DNA分析仪器采用的技术原理基本相同,但存在主要设备功能单一,高水平仪器、配套试剂和软件等均来源于进口且费用高于市场平均价数倍等严峻问题。DNA分析平台包括寡核苷酸原位合成、PCR实时定量分析、DNA杂交和DNA测序等基本模块,既可单一模块应用,又可以组合使用。


近年来,随着电子科学与技术的不断进步,生命科学分析仪器也得以飞速的发展。最普遍应用的PCR技术从单一的定性PCR衍生出半定量、定量和实时定量等新的应用技术,相应开发成功了一系列用于高通量、高速的PCR仪以及自动化进行的实时定量PCR仪,而且实验周期从数个小时缩短至20~30分钟,极大提高了工作效率。基因芯片技术由于其高通量的先天优势,被广泛应用于科研工作的前期筛选,特别是原位合成技术的发展使早期仅能在芯片上制备20个碱基长的寡核苷酸发展到可以达到100个碱基长的寡核苷酸,有效的提高了芯片应用上的灵敏度和特异性指标,从而实现更高效的研究目的。DNA序列测定技术发展的更为广阔,Sanger技术的局限性(主要是对电泳分离的依赖和无法再进一步地并行和微量化)造成对高等生物基因组进行序列测定的规模限制和代价高昂,而新的利用酶促扩增和原位监测的基于合成法测序(Sequence by synthesis)的新技术单次运行已经可以达到4Gb的序列读取数量,且单位成本大大降低。以美国科学界和企业界为引领的研发活动有一个既定目标,那就是“每千美元测定一个人的基因组”。由于总体的技术门槛不高,目前已经有四种新型仪器投放市场,数个不同原理的技术和设备都在研发之中。


国内对于仪器设备的总体研究活动和实力相对偏弱。目前仅在PCR相关和芯片设备方面有所建树,但仍不能达到国际流行先进设备的技术水平。但是,从技术本质考察此类貌似迥异的设备仪器可以发现,其所涉及的技术方向不外乎温度循环控制、微量液流控制、光学信号探测、表面化学工艺、DNA相关的酶促反应以及高容量数据分析处理等几方面。 

 
二、商业测序仪市场比较

 
国际市场主要为Roche公司(454/ Genome Sequencer FLX System)、Applied Biosystems公司(SOLiD System)和Illμmina公司(SOLEXA/Genome Analyzer System)所垄断,加之2008年3月问世的Helicos BioSciences公司的HeliScope™单分子测序仪,代表了国际先进的大规模DNA测序系统的技术水平和发展趋势,以下对其功能技术参数和预期成果做一比较。 


   GS 454  SOLiD  SOLEXA  HeliScope™  

单运数据产量  0.1Gb  1.5~3Gb  1.3Gb  7.5Gb 
覆盖人基因组  0.1×  1×  0.5×  2.5×  
平均读长(bp)  250~310  35  32  20~35 
样品准备  2天  7天  11小时  未知  2天 
运行时间  7.5小时  8天  3天  14天 

精确度  99.5%  99.94%  98.5%  99.4%  
设备价格  350万元  413万元  301万元  945万元  
单次运行价格  14万元  2.38万元  2.1万元  12.6万元 


 
日本滨松光子学株式会社 EMCCD 制造商 500张/秒  http://www.hamamatsu.com/
 
三、基于De Bruijn 图的基因拼接
 
http://www.ebi.ac.uk/~zerbino/velvet/
GPL下的自由基因拼接软件
http://genome.cshlp.org/cgi/content/short/18/5/821
原理文献
四、著名公司
https://www.celera.com/ 测序公司
Knome公司 个人基因组测序
https://www.23andme.com/ google创始人布林的妻子开的测序公司 

 

 

欢迎各位读者发表能够降低个人DNA测序成本的奇思妙想,或和作者联系,

您的智慧将为全人类的健康做出贡献!


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