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一二三四代测序技术原理详解一、第一代测序技术原理第一代测序技术最早出现于1977年，是由Sanger等人发明的，并被称为“链终止法”。
其原理是通过DNA聚合酶将输入的DNA序列再生产出一条互补链，同时在每个位点上加入一种特殊的荧光标记的二进制核苷酸，然后将这些被标记的DNA片段分开进行电泳，根据电泳结果可以得到DNA的序列。
第一代测序技术的核心原理是首先将待测序列分成多个片段，然后利用DNA聚合酶在每个片段的3'末端加入一种荧光标记的二进制核苷酸。
这种核苷酸的特殊之处在于，它们只能和待测序列的碱基互补配对，并且在加入过程中会停止DNA链的生长。
随后，将加入了荧光标记的DNA片段进行分离和电泳。
由于不同长度的DNA片段在电场下移动的速度不同，所以通过观察不同片段的移动位置，可以推断出每个片段的碱基序列。
二、第二代测序技术原理第二代测序技术的原理是通过对待测DNA片段进行多轮的扩增和测序，最后将所有结果进行比对和组装，得到完整的DNA序列。
第二代测序技术的核心原理是将待测DNA样本分成许多小片段，然后将每个片段进行扩增，所得到的扩增产物再次进行扩增，并且在扩增过程中引入一种荧光标记的二进制核苷酸。
在每个扩增步骤之后，需要将扩增产物进行分离，例如利用固相法将扩增产物固定在芯片上。
然后，对每个扩增产物进行毛细管电泳或基于光信号的测量，以确定每个扩增产物对应的碱基序列。
最后，通过将所有碱基序列进行比对和组装，可以得到待测DNA的完整序列。
第二代测序技术相较于第一代测序技术具有更高的通量和更低的成本，可以同时进行大规模的测序，因此被广泛应用于基因组学和生物医学研究。
三、第三代测序技术原理第三代测序技术是在第二代测序技术的基础上发展而来的，其主要原理是通过直接测量DNA或RNA单分子的序列来进行测序，无需进行扩增和分离过程。
第三代测序技术的核心原理是通过探测DNA或RNA单分子在固定的平面上的位置变化，来确定每个单分子的碱基序列。
三代基因组测序技术原理简介摘要：从1977年第一代DNA测序技术（Sanger法）1，发展至今三十多年时间，测序技术已取得了相当大的发展，从第一代到第三代乃至第四代，测序读长从长到短，再从短到长。
虽然就当前形势看来第二代短读长测序技术在全球测序市场上仍然占有着绝对的优势位置，但第三和第四代测序技术也已在这一两年的时间中快速发展着。
测序技术的每一次变革，也都对基因组研究，疾病医疗研究，药物研发，育种等领域产生巨大的推动作用。
在这里我主要对当前的测序技术以及它们的测序原理做一个简单的小结。
图1：测序技术的发展历程生命体遗传信息的快速获得对于生命科学的研究有着十分重要的意义。
以上（图1）所描述的是自沃森和克里克在1953年建立DNA双螺旋结构以来，整个测序技术的发展历程。
第一代测序技术第一代DNA测序技术用的是1975年由桑格（Sanger）和考尔森（Coulson）开创的链终止法或者是1976-1977年由马克西姆（Maxam）和吉尔伯特（Gilbert）发明的化学法（链降解）. 并在1977年，桑格测定了第一个基因组序列，是噬菌体X174的，全长5375个碱基1。
自此，人类获得了窥探生命遗传差异本质的能力，并以此为开端步入基因组学时代。
研究人员在Sanger法的多年实践之中不断对其进行改进。
在2001年，完成的首个人类基因组图谱就是以改进了的Sanger法为其测序基础，Sanger法核心原理是：由于ddNTP的2’和3’都不含羟基，其在DNA的合成过程中不能形成磷酸二酯键，因此可以用来中断DNA合成反应，在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP（分为：ddATP,ddCTP,ddGTP和 ddTTP），通过凝胶电泳和放射自显影后可以根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列（图2）。
这个网址为sanger测序法制作了一个小短片，形象而生动。
值得注意的是，就在测序技术起步发展的这一时期中，除了Sanger法之外还出现了一些其他的测序技术，如焦磷酸测序法、链接酶法等。
一、基因测序技术的发展1. 基因测序技术的概念及意义2. 基因测序技术的发展历程3. 基因测序技术的分类及特点4. 基因测序技术的应用范围二、基因测序技术原理及方法1. 基因一代测序技术原理及方法2. 基因二代测序技术原理及方法3. 基因三代测序技术原理及方法三、基因测序技术在生物研究中的应用1. 基因一代测序技术在生物研究中的应用2. 基因二代测序技术在生物研究中的应用3. 基因三代测序技术在生物研究中的应用四、基因测序技术在医学诊断与治疗中的应用1. 基因一代测序技术在医学诊断与治疗中的应用2. 基因二代测序技术在医学诊断与治疗中的应用3. 基因三代测序技术在医学诊断与治疗中的应用五、基因测序技术的发展趋势和展望1. 基因测序技术的发展趋势2. 基因测序技术的未来展望六、结语在人类基因组项目完成后，基因测序技术得到了长足的发展。
基因测序技术已经成为现代生物医学研究的重要工具，其在生物学研究、医学诊断与治疗等领域发挥着重要作用。
基因测序技术主要分为一代、二代和三代测序技术。
本文将对这三种基因测序技术的原理、应用范围等进行详细阐述，旨在全面了解基因测序技术的发展和应用。
一、基因测序技术的发展1. 基因测序技术的概念及意义基因测序技术是指通过化学或物理方法对DNA序列进行测定，进而推导出蛋白质的氨基酸序列的技术。
基因测序技术的发展对于了解生命活动、疾病的发生机制、药物研发等方面具有重要意义。
2. 基因测序技术的发展历程基因测序技术的发展经历了多个阶段，自20世纪末以来，随着技术的不断进步和成本的降低，基因测序技术得到了迅速发展和广泛应用。
3. 基因测序技术的分类及特点基因测序技术可以分为一代、二代和三代测序技术。
一代测序技术具有测序长度长、费用高、速度慢等特点；二代测序技术具有高通量、快速、低成本等特点；三代测序技术具有单分子测序、实时测序等特点。
4. 基因测序技术的应用范围基因测序技术在领域广泛，如生物学研究、医学诊断与治疗、个性化医疗、药物研发等领域都有重要应用。
一代测序二代测序以及三代测序的优缺点及应用对比一代测序（Sanger测序）是最早的测序技术，使用DNA聚合酶扩增特定区域的DNA片段，并通过合成带有不同碱基的荧光标记引物进行测序。
一代测序的优点是高可靠性和准确性，能够得到较长的读长，适用于小规模的基因组测序和位点测序。
不过，一代测序存在的缺点是昂贵、耗时且无法进行高通量测序，适用于较小规模的实验。
二代测序（高通量测序）是目前最为常用的测序技术，如Illumina和Ion Torrent等商业平台。
二代测序基于串联的扩增反应，DNA模板被分成数百万小片段，每个片段通过扩增、聚合和测序步骤进行处理。
二代测序具有高通量、较低的成本和快速的测序速度等优点，能够同时测序多个样本。
缺点是读长比较短，通常为几百个碱基对。
二代测序主要应用于全基因组测序、转录组测序、表观基因组测序等大规模测序项目。
三代测序（单分子测序）是较新的测序技术，如PacBio和Oxford Nanopore等商业平台。
三代测序通过直接测量单个DNA分子的顺序来进行测序，不需要扩增反应。
三代测序的优点是具有极长的读长，可以达到几十万个碱基对，能够测序重复序列和大的结构变异。
缺点是较高的错误率和较低的测序准确性。
三代测序主要应用于长读长测序、基因组组装和变异检测等需要长reads的研究。
总结起来，一代测序适用于小规模的实验，提供高质量的数据，但成本昂贵和耗时。
二代测序适用于大规模的测序项目，具有快速、高通量和较低的成本等优点，但读长较短。
三代测序适用于长读长测序和大结构变异的分析，但错误率较高。
根据研究需求选择合适的测序技术，或者结合多种技术来获得更全面的基因组信息。
简述一、二、三代测序技术
一代测序技术
一代测序技术是一种拼接式测序技术，它可以将DNA片段进行拼接，从而得到DNA序列。
它是一种基于Sanger方法的技术，通过热板和冷板将DNA片段分别固定在支架上，再使用DNA聚合酶对支架上的DNA片段进行复制，最后通过测序仪来获取DNA序列信息。
一代测序技术已经被广泛应用于基因组学研究中，但是它仍然有很多缺点，比如时间短，费用较高，最大的问题是在测序过程中可能出现错误，这种错误很难被确认。
二代测序技术
二代测序技术是一种新的技术，它不需要DNA片段的拼接，而是使用DNA分子组装的方法来提取DNA序列信息。
该技术使用高通量测序技术，可以一次性同时测序大量的DNA片段，因此大大提高了测序效率，并减少了出错的几率，同时也降低了测序成本。
三代测序技术
三代测序技术是一种后续的测序技术，它能够更加精确地提取DNA序列信息，使用特殊的测序仪可以同时测定全基因组的DNA序列。
该技术采用短片段拼接的方法，可以实现更高精度的DNA序列测序，可以更好地发掘基因组中的变异位点，从而更好地研究遗传病和肿瘤的发生机制。
一、我们将如何应对海量的基因信息新一代测序技术带给人们大量遗传信息的同时，却成为限制其广泛应用的一个障碍。
1980年，英国生物化学家Frederick Sanger与美国生物化学家Walter Gilbert建立了DNA测序技术并获得诺贝尔化学奖，至今已有近三十年了。
在这三十年，DNA测序技术取得了令人瞩目的进展。
目前已进入市场的循环阵列测序平台采用的是与Sanger生物化学测序方法完全不同的原理。
在过去几年，应用极为广泛的毛细管电泳测序法采用的则是多线并行阵列格式，它运用尖端的荧光成像技术进行碱基识别。
上述各类新技术为生物学研究领域开辟了新的视角，也使实验研究达到一个新的水平。
学界对开发这类新技术的兴趣持续高涨，与此同时，人们却发现这些技术存在一定的不足——大量信息数据的产生限制了技术更加广泛的应用，并降低了其市场价值。
过去，研究人员使用Applied Biosystems（ABI）公司的3730XL毛细管电泳测序仪进行基因分析，每年至多能完成六千万碱基的测序量。
随着测序技术日新月异的发展，这种情况已经成为历史。
在2005年刚刚开始进行新一代测序技术开发时，Roche公司和454公司联合开发的焦磷酸测序仪的分析速度就已经达到了上述提及的ABI仪器速度的50倍之上。
也就是从那时起，因基因数据过多而产生的问题凸显了出来，而且这个问题随着其他制造商开发出更多更快的测序仪而愈加严重。
举个例子，ABI的新一代测序平台SOLiD（supported oligonucleotide ligation and detection）单次运行，便可以分析6Gb的碱基序列；而Roche/454测序仪单次运行可以将上述结果转换成12-15个千兆字节（gigabytes）的数据信息；Illumina Genome Analyzer（GAII）测序系统仅在两个小时的运行时间里，就得到10兆兆字节（terabytes）的信息。
四种测序对比（四代测序比较）原理应用一代测序DNA双脱氧核苷酸末端终止法，即在测序过程中掺入四种不同的ddNTP，由于ddNTP末端没有羟基，所以双链无法继续延伸，DNA合成终止。
这样合成的终产物包括了很多长短不一的片段，利用电泳分离该混合物，依据电泳条带即可读出片段序列。
第一次人类全基因组测序二代测序边合成边测序，即将待测序列变性后锚定与于固相表面，在每一个待测序簇进行延伸互补时，每加入一个被荧光标记的dNTP就会释放出对应的荧光，通过对荧光信号进行捕捉来转换成测序峰图，继而得到待测片段的序列信息，通过生物信息学工具将可以将片段信息进行组合，得到整个基因中国大熊猫种群测序，大规模基因组测序，宏观了解基因组和基因组学相关信息三代测序基于纳米孔相关技术的单分子测序技术，或可称为直接测序技术。
首先建立纳米级别的孔径，使DNA分子单独通过孔径，由于碱基化学组成不同，其电导率也不同，根据电导率可以直接读出相应的碱基序列。
某些罕见病的低突变率位点鉴定基因芯片基因芯片技术基于DNA杂交原理，通过将数以万记的寡核苷酸探针固定于面积很小的固相上制成阵列，将待测序列用荧光进行标记，待测序列与核酸探针互补，洗脱后确定荧光强度最强的位置，获得该组探针的序列，通过生物信息学工具重组靶核苷酸全部序列。
农作物筛选和代谢酶相关基因检测测序方法比较优势劣势技术原理简单，成本低基于PCR技术，对DNA合成质量要求很高。
每次只能读取一条序列。
测序长度有严格的限制。
快速，操作简便，成本较低基于PCR技术，对DNA合成质量要求很高。
测序长度有严格的限制。
后续结果处理需要大量生物信息学支持。
不涉及PCR，测序精确，快速，大批量样本易降低成本，可以连续检测较长的DNA序列。
后续结果处理需要大量生物信息学支持。
高通量检测，容易实现自动化。
寡核苷酸探针组成复杂，条件不易统一，进而造成假阳性和假阴性，对重复序列还没有很好的解决方法。
大规模测序1.RNA测序（RNA Sequencing）—高速序列比对2.转录组测序（Transcriptome sequencing）3.宏基因组测序1.转录组是指某个物种的特定组织或细胞在某一生理功能状态下所有转录的mRNA产物的集合，是基因组遗传信息传递和表达的重要步骤和过程。
高通量转录组测序可以获得大量转录本序列信息，定量基因转录表达水平，获得基因组转录区域及其位点信息等，在基因组序列拼接注释、样品间基因转录差异表达（差异表达分析为考点）及其功能研究等方面有重要作用。
1. 有参考基因组的转录组分析技术路线推荐平台：Illumina HiSeq 2000、Illumina MiSeq 2. 无参考基因组的转录组分析推荐平台： Roche 454 FLX+二、生物信息学分析1) 有参考基因组的转录组1. 原始数据整理、过滤及质量评估2. 转录组测序分析与参考基因组比对蛋白编码基因的表达量分析蛋白编码基因的表达量差异分析差异表达的蛋白编码基因的聚类分析（热图）差异表达基因富集分析（GO、KEGG）SNPs的分析（SNPs鉴定、同义/非同义突变、与已有SNPs数据库比对）可变剪切分析UTR区域鉴定新基因/新转录本分析3. 根据客户需求进行个性化分析2) 无参考基因组的转录组1. 原始数据整理、过滤及质量评估2. 转录组测序分析：序列拼装及拼装统计Unigene功能注释Unigene的功能聚类分析（KOG、GO）Unigene的代谢途径分析（KEGG pathway）Unigene的表达量分析Unigene的表达量差异分析差异表达的Unigene的聚类分析（热图）差异表达的Unigene的富集分析（KOG、GO、KEGG）SNPs的鉴定3. 根据客户需求进行个性化分析四、经典案例案例1：人前列腺癌融合基因鉴定背景：人前列腺癌发病率位于男性恶性肿瘤的首位，并且发病率近年呈上升趋势。
目的：对人前列腺癌及癌旁组织基因转录组进行检测分析。
了解人前列腺癌的种族特异性及其可能的分子生物学机制。
结果：人前列腺癌的融合基因具有种群特异性，在欧美人群中普遍高频表达（50-80%）的融合基因TMPRSS2-ERG在中国人群中的表达率仅有20%左右，而在欧美人群中尚未发现的融合基因CTAGE5-KHDRBS3和USP9Y-TTTY15在中国人群中却有很高的表达频率，分别为37%和35.2%。
案例2：玉米不同发育阶段转录组研究背景：在单子叶植物中，分生组织分化产生叶片和叶鞘。
玉米叶片发育的整个顺序都是沿着长度分布的，不同的部位也呈现出不同的发育阶段。
目的：对玉米叶片转录组进行分析，了解基因结构和表达差异。
结果：定位了超过120 Mb条序列，定量叶片各发育阶段中成熟维管束鞘和叶肉细胞中的转录本丰度，发现在发育各个阶段的维管束鞘和叶肉细胞中分别有64%和21%的基因差异表达。
同时发现一个动态转录组，其中叶基部初级细胞壁和基本细胞代谢的转录本向顶端次级细胞壁生物合成和C4光合作用的转录本转变。
案例3：西葫芦（基因组未知）转录组研究背景：西葫芦属于葫芦科，富含维生素等营养成分，是一种重要的蔬菜。
然而与其相关的研究报道较少，限制了分子育种的发展。
目的：采用Roche 454 FLX对西葫芦的根、叶、花等组织进行转录组测序，分析SSR和SNPs位点。
结果：通过从头组装获得平均长度为626 bp的unigene 49,610条。
发现超过60%的unigene被注释分类到一个或者多个GO分类信息中。
在检出的SSR中共有1,882种基序类型和9,043个SNPs位点。
大量的分子标记，为遗传性状和数量性状位点分析发挥了重要的作用。
五、常见问题解答1. Q：转录组测序与基因表达芯片相比有哪些优势？A：与基因表达芯片相比，转录组测序具有如下优势：首先，应用范围广。
转录组测序无需预先设计探针或了解物种的基因组信息，同样适用于基因组序列未知物种；第二，准确性高。
基因芯片原理是基于核酸单链间的互补杂交，当杂交条件不同时，或者丢失低拷贝转录本信息，或者假阳性率高。
而转录组测序是基于对转录本序列的测定，准确性很高，而且当测序深度足够时，能够检测到极低低丰度表达的转录本信息。
第三，信息丰富。
转录组测序除了可以用于基因组注释和基因转录表达分析，而且能发现新基因，检测可变剪切，SNPs，融合基因等。
因此，转录组测序在诸多方面优于基因表达芯片，已经成为基因注释、表达检测和发现新基因等方面的主流技术。
2. Q：如何进行原核生物转录组分析？A：针对原核生物的mRNA没有poly A尾巴的情况，需要提供去除rRNA 后经过纯化的原核生物mRNA或cDNA样品。
3. Q：转录组测序需要多少测序量？A：转录组测序所需的测序量随物种转录组大小的不同而有所差异。
而转录组的大小受基因数目和丰度双重影响，不同物种间变化很大。
因此在测序之前，需要对转录组的大小进行评估。
①针对有参考基因组的物种，可通过分析基因组信息，统计编码基因个数及其碱基数来评估转录组的大小，同时也可参考相近或相关物种转录组研究的文章；②针对无参考基因组的物种，只能参考相近物种的转录组大小。
4. Q：转录组测序和数字表达谱测序有什么区别？A：转录组测序和数字表达谱测序相比，主要有如下不同：第一，测序目标不同。
转录组测序可以测定特定组织中全部mRNA，而表达谱测序只是测定mRNA的酶切标签序列（21 bp）；第二，代表性不同。
数字表达谱测序只测定21bp序列，而转录组测序测定转录本全长，因而可以更准确地代表样品转录表达情况；第三，应用范围不同。
转录组测序应用范围广泛，不仅可以检测表达量差异，而且可以发现新的转录本和可变剪切等。
而表达谱测序只能粗略检测表达量差异，不能反映基因转录表达的特点和规律；第四，参考序列要求不同。
转录组测序不仅可以适用于基因组序列已知的物种，而且也适用于基因组序列未知的物种。
而表达谱测序只适用于基因组序列已知的物种。
因此，对于想要检测表达量差异的客户，我们推荐进行转录组测序，以获知更精确的转录组信息。
3.宏基因组测序（Metagenome sequencing）宏基因组学（Metagenomics）也称为元基因组学，是以样品中的微生物群落作为整体进行研究的学科。
自然界中约有99%的微生物是不能在实验室条件下进行纯化培养的。
宏基因组学研究不要求对每个微生物进行分离纯化培养，而是直接从样品中提取基因组DNA后进行测序分析。
通过宏基因组测序，能够解释微生物群落多样性、种群结构、进化关系、功能活性及环境之间的相互协作关系，极大地扩展了微生物学研究范围。
目前宏基因组测序可以分为环境微生物多样性检测和宏基因组de novo测序。
其中环境微生物多样性检测是指通过对环境中微生物16S rDNA高变区/ITS 的PCR扩增产物进行高通量测序，分析该环境下微生物群落的多样性和分布规律。
宏基因组de novo测序是指对环境样品中所有微生物基因组DNA片段化后进行高通量测序，然后进行序列组装和基因注释，获得部分不可纯培养微生物的基因组序列，分析该环境下所有微生物基因集信息。
环境微生物多样性检测（Environmental microbial diversity detection）一、技术路线推荐平台： Roche 454 FLX+、Illumina MiSeq二、生物信息分析1. 原始数据整理、过滤及质量评估2. OTU列表生成及注释3. 基于物种丰度分析：稀释曲线Alpha多样性分析物种丰度差异分析聚类分析（热图）多元统计分析（根据实验设计）4. 基于群落结构分析：单样品物种分布多样品物种分布含进化关系的物种分布Beta多样性分析（PCoA、NMDS）5. 根据客户需求进行个性化分析案例1：人类“肠型”研究背景：人体肠道微生物与人类健康息息相关，是否能以这些微生物的多样性来划分不同的肠型是一个值得探讨的问题。
目的：利用Illumina和Roche 454测序平台对不同年龄、体重、性别及国籍的人群肠道微生物多样性进行研究。
结果：研究发现人体胃肠道微生物区系并不是随机组合而成的，在所有受检人群中大致可以分为三种类型（enterotypes）：拟杆菌型（Bacteroides）、普氏菌型（Prevotella）、瘤胃球菌型（Ruminococcus）。
对更大规模的人群（154名美国人和85名丹麦人）进行调查也得到了同样的结论，这说明在人体的肠道内真正存活较好的微生物生态组，其数量可能并不太多。
不过这种分型方法和人体的年龄、体重、性别或国籍都没有任何关联。
案例2：北极多年海冰和表层海水微生物多样性研究背景：北极多年海冰（multiyear ice，MYI）的急剧减少表明这种环境可能在100年后就会消失，为了了解这种微生物多样性丧失的影响，对北极附近的两处多年海冰的微生物群落进行研究。
目的：利用Roche 454 FLX测序平台对2个多年海冰和3个海水样本中的微生物16S rDNA的V3区进行测序，揭示出北极多年海冰和表层海水的微生物群落结构。
结果：北极多年海冰与周围的海水中微生物存在很大的差异。
其中，多年海冰中的微生物群落多样性与海水相当，但是丰度较少。
此外，还首次在北极海冰中发现蓝藻以及一些过去未曾报道的低丰度微生物物种。
五、常见问题解答1. Q：哪些环境样品可以进行微生物多样性检测？A：针对宿主相关样品如皮肤、口腔、呼吸道、消化道、生殖道等进行研究；针对环境相关样品，如土壤、水体、空气、盐湖、沼泽等进行研究。
2. Q：基于高通量测序的环境微生物多样性检测技术有何优势？A：常规的宏基因组学研究方法包括基因克隆文库、变性梯度凝胶电泳DGGE/TGGE等，但这些方法的通病是信息量太小，不能充分反映复杂的环境微生物多样性和分布。
基因克隆文库构建和检测的工作量大，且自然界中99%的微生物在实验室都没有办法纯化培养，从培养基上挑取克隆菌株，摇菌转化测序，效率低下。
DGGE法曾经广泛应用于检测微生物群落结构的多态性，但是需要标准菌株，且受到凝胶电泳特性的局限，无法检测到稀有菌群的种类，因此其重复性和分辨率都不甚理想。
第二代高通量测序无需构建质粒克隆文库，这避免了文库构建过程中利用宿主菌对样品进行克隆而引起的系统偏差，可以直接对环境样品中的基因组片段进行测序，简化了基本操作，提高了测序效率，它能够对一个群落中微生物的多样性作更加深入和全面的描述，且具有通量高，重复性好，精确度高的优点，因而在微生物生态学研究中逐渐占据了优势。
3. Q：人体为什么又叫“超级生物体”？A：1958年的诺贝尔生理及医学奖得主Joshua Lederberg提出了“超级生物体”（Superorganism）”的概念，是指人体由真核细胞与体内共生的微生物共同组成。
