高通量测序技术在分子生物学中的应用_张春兰
第12卷第6期 潍坊学院学报 Vol.12No.62月 JournalofWeifanUniversitec.20122012年1 Dgy
高通量测序技术在分子生物学中的应用
张春兰
()潍坊学院,山东 潍坊 261061
*
摘 要:分子生物学的发展离不开测序技术的发展。高通量测序技术被誉为第二代测序技术,相对于具有通量高、速度快、费用低等特点。本文从三个水平介绍了高通量测序技术的应Saner测序技术而言,g
包括在基因组水平的重测序、从头测序和宏基因组测序,在R用,NA水平的转录组测序和小分子RNA测序,以及在表观遗传学方面的DNA甲基化研究和转录因子结合位点研究。
关键词:分子生物学;高通量测序;基因组;转录组;表观遗传学
()中图分类号:Q752 文献标识码:A 文章编号:1671—4288201206—0028-04
第一代测序技术是S在过去的3aner等于1970年代发明的双脱氧测序法,0多年中一直在DNA测g序领域占据着主要地位。高通量测序技术又称为深度测序技术、新一代测序技术或第二代测序技术。新一代测序技术可通过聚合酶或连接酶进行体外合成测序。相对于传统的S具有通量更aner测序技术,g运行时间更短、测序片段更长、花费更少等优点。高通量测序技术的迅猛发展,将生物学在基因水平的高、
研究带入了一个新的时期。高通量测序技术不仅可以进行大规模基因组测序,还可用于基因表达分析、非编码小分子R表观遗传学分析等相关研究。NA分析、1 高通量测序技术在DNA水平的应用1.1 未知基因组序列的全基因组从头测序
全基因组测序对全面了解一个物种的分子进化、基因组成和基因调控等有着非常重要的意义。新一越来越多的物种基因组信息相继公布。全基因组代测序技术极大地推动了各物种的全基因组测序工作,
从头测序指利用测序平台对某物种进行测序,然后从头组装数据,与数据库比对统计进行基因作图、与性状的关联分析、不同组织或材料间基因差异表达分析等,并最终完成基因组作图。Li等首次在动物方面完全运用高通量测序技术模式完成了大熊猫基因组从头测序的组装,测序深度达7覆盖约93倍,4%的基因
1]
。R组装形成了大熊猫的基因组草图[组区域,asmusse等从4000年前爱斯基摩托人的一束头发中提取[]
利用S得到大约7DNA,olexa进行全基因组测序,9%的序列2。Dalloul等联合多个测序平台(454测序平台完成5倍测序深度、完成IlluminaGAⅡ测序平台完成20倍测序深度、Saner技术完成6倍覆盖度) g3]
。了火鸡基因组的从头测序[父母及其孩子)进行研究,发现了影Jared等利用全基因组测序对一家四口(4]
。到目前为止,响人类自发性基因突变的平均速度,以及一些与影响兄弟姐妹疾病有关的基因[NCBI上
公布的已测序物种有人、小鼠、大鼠、牛等1拟南芥、水稻、大豆、隐藻4种植物以及其他真菌和原9种动物,生生物。
1.2 已知基因组序列的重测序
可以将测对已知基因组物种进行重测序是第二代测序技术目前应用最为广泛的领域。通过重测序,序数据与已有基因组信息相比对,发现基因结构变异、单核苷酸多态性、群体多态性、突变热点等,从而进行辅助分子育种、遗传进化分析及重要性状候选基因预测等。中科院上海生命中科学院、北京基因组所等六家科研机构共同对1第一次利用全基因组重测序筛选水稻S对50个水稻RIL系进行重测序,NP位点,
[]
群体进行表达差异分析,发现了122万多个SNPs5。Rubin等通过全基因组重测序对8个家鸡品系和1
,个野生品系进行测序,分析鸡驯养过程中的位点选择,发现了7约1000多万个SNPs300多个插入/缺失
2012-06-20*收稿日期:
,作者简介:张春兰(女,内蒙古兴和人,潍坊学院生物与农业工程学院讲师,在读博士。1974—)
—28—
第6期 张春兰:高通量测序技术在分子生物学中的应用
6]
。利用对不同条件下或不同表型的样本进行重测序,位点[也可在个体或群体水平进行差异性分析、遗传
平均每天吸烟2将疾病分析等。William等对一名烟龄超过15年,5根的原发性肺部肿瘤患者进行分析,该患者的癌组织与相邻正常组织的基因组进行测序,发现了超过5万个基因点突变,并且确认有392个在
7]
。编码区域[
1.3 宏基因组学研究
)宏基因组学(测序是近年来提出的一种新概念,目前主要用于微生物的研究中。是Meta-Genomics指直接从环境中提取所有物种的D而是从整体上研究整个微NA进行全基因组测序。即不再进行分离,生物种群结构的特征,研究对象从单一基因组发展到基因组集合。与传统的微生物研究相比,宏基因组不更真实地接近于大自然生态群落和复杂性和多样性,对人类更好地了解微生物群落再局限于实验室培养,有着重要的意义。
2 高通量测序技术在RNA水平的应用)2.1 转录组测序(RNA-seq
从而全面快速地获得该RNA-Seq技术能够在单核苷酸水平对特定物种的整体转录活动进行检测,
物种在某一状态下的几乎所有转录本信息。由于转录组测序可以得到全部R加NA转录本的丰度信息,之准确度又高,使得它具有十分广泛的应用领域。主要应用于:
()检测新的转录本。M与绵羊基1artenJer等比较了绵羊的正常组和骨延迟愈合组的基因表达谱, g
[]
与牛基因因组比对后发现了12431个新的转录本8。HuanW等比较了不同发育时期牛胚胎的转录本,g
[]
组比较后发现了1785个新的转录本9。
()基因转录水平研究,如基因表达量、不同样本间差异表达。李新建在其博士论文中比较了荣昌猪2
[0]
。和长白猪的转录本,筛选出1596个差异表达显著的基因1
()基因功能注释。将所测r如GO、已注释功能的基因相比对分析,从而3eads与已有数据库(KEGG)
揭示特定转录状态下的基因的功能和生物通路等。AaiK等采用454测序平台对牛角癌组织和正常角组 j
[1]
。织转录本分析,并对909345个转录本进行了GO和KEGG分析1
()转录本结构变异研究,如可变剪接、基因融合等。转录本结构的变异能揭示基因转录4RNA编辑、
从而翻译成不同的蛋白。S后表达的多样性。可变剪接使一个基因产生多个mRNA转录本,ereiA等对 g
[2]
。R拟南芥的RNA-Se2%含有内含子的基因进行了可变剪切1NA编辑通过碱基q分析发现至少有约4
的替换或转换等使基因序列发生改变。PenZY等通过对一个汉族男性约76700万个转录表达序列分 g 析,发现在2内含子、非翻译区和蛋白编码基因的编码序列中存在R为后2688个在非编码基因、NA编辑,
[3]
。基因融合是最近利用转录组高通量测序研究的一个期的实验制作了一个综合性的RNA编辑组图谱1
主要在肿瘤组织中发现。S新的内容,hanchenRen等对14个中国汉族人的原发性前列腺癌和他们的正g 常组织进行R揭示前列腺癌的基因融合、长非编码R可变剪切和体细胞突变的多样NA-seNA、q分析,
14]
。性[
)。S(开发S寻找潜在的S5NPs和SSR等。通过比对转录本和参考基因组间的序列,NPs或SSRste-
开发了9编henB等对HaMa0个欧洲后代进行了转录组测序分析,01个人基因组上的的cSNP( ppp中6
[15]
。A开发了3码SNP)nelaCa′novas等对荷斯坦奶牛乳样品进行转录组分析,3045个具有多态性的 g
[6]。cSNPs1
2.2 小分子RNA测序
近年来研究发现小分子RNA是一类主要存在于真核生物体内的特殊的内源性调控序列。长度范围,进化上高度保守。目前认为主要通过与靶基因配对结合抑制基因翻译,或影响基因的降解来在18-27nt
17]
,),调控基因表达。自从1中被发现以来[人们越来越意识993年首次在秀丽线虫(Caenorhaditseleansg
/到小分子RNA的重要作用。人们开始采用大规模平行标签测序技术、454-FLX、SolexaIllumina测序技术为代表的新型焦磷酸高通量测序技术来发掘生物体内的大量小分子RNA。并随着技术的逐渐升级,使得测序深度更深、费用更低、速度更快。高通量测序既能捕捉到真实存在的小R甚至是体内表达量NA,很低的小R同时也能对没有注释的小片段RNA,NA进行预测。
—29—
潍坊学院学报 2012年12月
3 表观遗传学研究3.1 甲基化研究
DNA甲基化是基因表达调控的另一种广泛而重要的方式。它通过改变染色质结构、DNA稳定性及
从而控制基因的表达。对甲基化位点及方式的研究,近年来也发展了多种方法,DNA与蛋白质相互作用,
如甲基转移酶法、免疫化学法、氯乙醛法、直接测序法、甲基化特异性的PCR法、DNA微阵列法等。利用高通量测序法在全基因组范围内检测甲基化位点是近年来发展起来的一种方法。目前已建立了至少三种
[8]
、依赖于高通量测序的D甲基化D甲基结合蛋白测序和亚硫NA甲基化分析技术:NA免疫共沉淀测序119]19]20]21]
。高通量测序已应用于拟南芥[、、酸氢盐测序[水稻[人[等生物D取得了丰硕NA甲基化的研究,
的成果,并逐步应用于各种生物体上。3.2 转录因子结合位点研究
转录因子通过与D开启或关闭基因的表达以达到调控基因表达目的。染色质NA特定区域相结合,,免疫共沉淀(是目前研究体内蛋白质与DchromatinimmunoreciitationassaChIP)NA相互作用的最 ppy广泛应用于组蛋白修饰、特定转录因子的基因调控作用等相关领域。其基本原理为经典的一种实验技术,
是在活细胞状态下固定蛋白质-D并将其随机切断为一定长度范围内的染色质小片段,然后NA复合物,通过免疫学方法沉淀此复合体,特异性地富集目的蛋白结合的D通过对目的片断的纯化与检NA片段,测,从而获得蛋白质与DNA相互作用的信息。自从2007年应用该技术获得的科研成果分别在Sci-
[2][3][4]
、和C等顶级刊物上发表以来,利用该技术揭示蛋白因子作用位点的文章如雨后春ence2Nature2ell2笋般出现在各种刊物和杂志上。
4 结束语
分子生物学的发展离不开测序技术,自从1977年Saner测序法的问世到近年来高通量测序法的广g相继揭秘了大量的遗传信息。但是,第二代高通量测序技术还处于起步阶段,由于测序费用仍很泛应用,
昂贵、测序长度也受到限制、信息平台尚未完善等原因,使得该技术的应用受到了一定的限制。相信随着测序技术的逐步改进,高通量测序将成为一项实验室常规手段,为生物学的分子研究带来革命性的变革。—————————————————————
参考文献:
[][],():1LiR,Fan W,TianG,etal.TheseuenceanddenovoassembloftheiantandaenomeJ.Nature2010,4637279 qygpg 311-317.
[][],enome2RasmussenM,LiY,LindreenS,etal.AncienthumanseuenceofanextinctPalaeo-EskimoJ.Nature2010, ggq):463(7282757-62.
[]:3Dalloul.Multi-platformnext-generationseuencinofthedomesticturkeMelearisalloavo)enomeassembl qgy(ggpgy [],():analsisJ.PLoSBiol2010,89e100475.and y
[]4RoachJC,GlusmanG,SmaitAF,etal.Analsisofinheritanceinafamilbwhole-genomeseuencineneticuartet yyyqggq [],):J.Science2010,328(5978636-639.[]],enotin5HuanX,QiF,QianQ,etal.Hih-throuhutbwhole-genomereseuencinJ.GenomeRes2009,19 gypggggpyqg[
():61068-1076.
[],6RubinCJZodM C,ErikssonJ.Whole-genomereseuencinrevealslociunderselectiondurinchickendomestication yqgg
[],():J.Nature2010,4647288587-591.
[],[]7LeeW,JianZ,LiuJetal.ThemutationsectrumrevealedbairedenomeseuencesfromaluncanceratientJ. gpypgqgp
,():Nature2010,4567279473-479.
[],8JerM,OttCE,GrünhaenJetal.ComositetranscritomeassemblofRNA-Sedatainasheemodelfordelaed ggppyqpy [],bonehealinJ.BmcGenomics2011,12:158. g
[]],9HuanW,KhatibH.ComarisonoftranscritomiclandscaesofbovineembrosusinRNA-SeJ.BmcGenomics g pppygq[ ():2010,111711-720.
[]李新建.猪脂肪沉积关键基因筛选及T陕西:西北农林科技大学,10CTP基因功能研究[C].2011.
[],11TriathiA K,KorinaPG,JakhesaraSJetal.AreliminarsketchofhorncancertranscritomeinIndianzebucattle pgpyp
—30—
第6期 张春兰:高通量测序技术在分子生物学中的应用
[],():J.Gene2012,4931124-131.
[][]12FilichkinSA,PriestH D,GivanSA,etal.Genome-widemainofalternativeslicininArabidosisthalianaJ. ppgpgp
,():GenomeResearch2010,20145-58.
[]13PenZY,ChenYB,TanC M,etal.ComrehensiveanalsisofRNA-sedatarevealsextensiveRNAeditininahu -ggpyqg
[],():mantranscritomeJ.NatureBiotechnolo2012,303253-262. pgy
[]rostateoulation14RenS,PenZY,MaoJH,etal.RNA-seanalsisofcancerintheChineseidentifiesrecurrent pppgqy
,],enefusionscancer-associatedlonnoncodinRNAsandaberrantalternativeslicins[J.CellResearch2012,22 gggpg ():5806-821.
[]15MontomerSB,SammethM,Gutierrez-ArcelusM,etal.TranscritomeusinsecondSeuencineneticseneration gypgqggg
[],():inaCaucasianJ.Nature2010,4647289773-777.oulation pp
[]16CánovasA,RinconGIslas-TreoA,etal.SNPdiscoverinthebovinemilktranscritomeusinRNA-Setechnolo jypgqgy
[],(/):J.Mamm Genome2010,211112592-598.
[]ene17LeeRC,Feinbaum RL,AmbrosV.TheCeleansheterochroniclin-4encodessmallRNAswithantisensecom- gg[],():lementarittolin-14J.Cell1993,755843-854. py [],18DownT A,RakanV K,TurnerDJetal.ABaesiandeconvolutionstrateformmunoreciitation-basedDNA yygypp
[],):analsisJ.NatBiotechnol2008,26(7779-785.methlome yy
[],enome19CokusSJFenS,ZhanX,etal.ShotunbisulhateseuencinoftheArabidosisrevealsDNA methlation ggggpqgpy
[],):J.Nature2008,452(7184215-219.atterninpg
[]20YanH H,KikuchiS,NeumannP,etal.Genome-widemainofctosinemethlationrevealeddnamicDNA methla -ppgyyyy
[],():tionassociatedwithandcentromeresinriceJ.PlantJ2010,633353-365.atternsenes pg
[][]21LiN,YeM,LiY,etal.WholeenomeDNA methlationanalsisbasedonhihthrouhutseuencintechnoloJ. gyyggpqggy
,():Methods2010,523203-212.
[][],22JohnsonDS,MortazaviA,MersR M,etal.Genome-widemainofinvivorotein-DNAinteractionsJ.Science yppgp
():2007,31658301497-1502.
[]23MikkelsenTS,KuM,JaffeDB,etal.Genome-widemasofchromatinstateinandlineae-committedluriotent pppg
[],():cellsJ.Nature2007,4487153553-560.
[][],24BarskiA,CuddaahS,CuiK,etal.Hih-resolutionrofilinofhistonemethlationsinthehumanenomeJ.Cell pgpgyg
):2007,129(4823-837.
TheAlicationofHih-throuhut ppggp
SeuencinTechnoloinMolecularBiolo qggygy
ZHANGChun-lan
(,W)WeifanUniversiteifan261061,Chinagyg
:AbstractThedevelomentofmolecularbiolocannotbesearatedfromthedevelomentofseuencintechnolo.Hih pgyppqggyg -throuhutseuencintechnoloisknownasthesecond-generationseuencintechnolo.Comaredwiththesaner gpqggyqggypg ,,,seuencintechnoloitishih-throuhutfastandlowcosts.Thisarticledescribesthealicationofthehih- qggyggpppg ,,enomeseuencintechnolofromthreelevelsincludinlevelofreseuencindenovoseuencinandmetthrouhut -gqggygqgqggp ,,aenomicseuencinRNAleveloftranscritomeseuencinandsmallRNAseuencinandeieneticlevelofDNA meth -gqgpqgqgpg lationandtranscritionfactorbindinsites. ypg
:m,,,,enomeKewordsolecularbiolohih-throuhutseuencintranscritomeeienetic ggyggpqgppgy
(责任编辑:刘乃生)
—31—
相关文章
- 高通量测序技术及其在植物研究中的应用
- 高通量测序技术在林木育种中的应用
- 第八讲二代测序技术(新)
- 基因组高通量测序数据结构变异识别算法
- 医药行业研究报告20**年0304
- 四种常用高通量测序拼接软件的应用比较_朱大强
- 全基因组外显子测序及其应用
- 一代.二代.三代测序技术
- 20**年版中国基因检测行业调查报告目录
2012年第4期 辽宁林业科技 Journal of Liaoning Forestry Science &Technology 2012№4 高通量测序技术及其在植物研究中的应用 冯 (1. 辽宁省林业科学研究院,辽宁沈阳 健1, ...
摘要林木不仅是重要的可再生资源,为人类提供了衣食住行等最基本的原材料,也是陆地生态系统最重要的组成部分.传统育种方法已在很大程度上促进了林木育种学的发展,但难以满足人类对林木资源需求.新一代的高通量测序技术为这个传统学科带来了技术和方法的革 ...
二代测序技术 φX174:全长5,368bp Watson and Crick:DNA双螺旋 Fred Sanger:"DNA双脱氧链末端终止法" PCR技术,4色荧光标记代替同位素 1990-毛细管凝胶电泳 AB:自动 ...
基因组高通量测序数据结构变异识别算法 作者:王春宇等 来源:<智能计算机与应用>2015年第01期 摘 要:遗传变异是生命的基本特征,遗传变异与表型差异之间的关系,是现代生物学的一个基本问题.由基因决定生物体的遗传特征和主要个体 ...
增持 --维持 证券研究报告 /行业研究月度策略 /行业研究//行业深度报告日期:2015年3月4日 行业:医药行业 关注新技术.新业态下的投资主题 --2015年3月医药行业投资策略 赵冰 021-53519888-1902 Zhaobi ...
第9卷第2期2011年6月生物信息学 China Journal of Bioinformatics Vol.9No.2Jun.,2011 doi :10. 3969/j.issn.1672-5565.2011.02.004 四种常用高通量 ...
遗姑HEREDITAS(Beijing)2011年8月,33(8):847-856 ISSN0253-9772 www.chinagene.ca 综述 DoI:10.3724/SP.J.1005.2011.00847 全基因组外显子测序及其 ...
一代.二代.三代测序技术 第一代测序技术-Sanger链终止法 一代测序技术是20世纪70年代中期由Fred Sanger及其同事首先发明.其基本原理是,聚丙烯酰胺凝胶电泳能够把长度只差一个核苷酸的单链DNA分子区分开来.一代测序实验的起始 ...
中国市场调研在线 行业市场研究属于企业战略研究范畴,作为当前应用最为广泛的咨询服务,其研究成果以报告形式呈现,通常包含以下内容: 一份专业的行业研究报告,注重指导企业或投资者了解该行业整体发展态势及经济运行状况,旨在为企业或投资者提供方向性 ...