如何快速而准确的获取生物体的遗传信息一直是生命科学 中的一个非常重要的研究点
如何快速而准确的获取生物体的遗传信息一直是生命科学 中的一个非常重要的研究点。
生物的基因组 包含了其完整的生物遗传信息, 基因组中核苷酸的排列顺序在记录生物遗传信息上起到了重要的作用,基因组中核苷酸的排列顺序在记录生物遗传信息上起到了重要作用。获得生物基因中核苷酸的完整排列顺序的技术, 也就是基因测序技术就显得尤为重要。
基因测序技术的出现最早可以追溯到20世纪70年代中期, sanger提出的双脱氧链末端终止测序法和Maxam等提出的化学降解法几乎同时出现。这两种方法都是先得到随机长度的DNA序列,再通过 电泳方法确定序列的碱基排列。前者使用特殊的化学试剂标记出碱基之后用化学方法切割待测序列 。后者使用带有放射性同位素标记的dNTP随机中断合成待测序列。这两种方法成为了现代测序技术的基础,在这两种技术基础上发展而来的各种DNA测序技术被统称为第一代DNA测序技术。在此之后,80年代中期,sanger法得到改进,使用荧光标记代替同位素标记,90年代又出现了毛细管电泳技术大大的提高了测序的通量 ,使人类基因组计划得以提前完成。
第一代测序技术虽然错误率低,read长度长,但是其成本高,且速度慢,光是为了完成人类基因组计划,就花费了30亿美元的巨资,耗费了三年的时间。因此,第一代测序技术还不能达到大规模应用的要求。21世纪后,一种新的测序技术开始出现,这种新的测序技术以Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa技术和ABI公司的SOLiD技术为代表。第二代测序技术显著地降低了测序成本,大大的提高了测序速度,使人类基因组测序任务只需要一周左右的时间就能完成。然而,第二代测序技术所得到的序列read长度较短,对比第一代 Sanger技术600-1000个碱基的read长度,第二代技术通常只有几十到数百个碱基的read长度,因此对已知序列的基因组重新测序比较适用,对全新的基因组测序需要结合第一代测序技术。
上述read长度不足的问题限制了测序的完整性和分析的准确性。因为成本上的降低,目前已经有大量的物种使用短read测序并拼接,但是大部分的拼接都不能得到完整的基因组,而是拼接成上千个contig片段。为了解决这个问题, PacBio的SMRT技术和Oxford的Nanopore纳米孔单分子技术作为第三代测序技术的代表, 显著地 增加了read的长度。它们的最大的特点是使用了单分子测序。虽然read的长度增加到了数千甚至有些能够达到数十万个碱基。但是这些read中包含了10-15%的错误。
为了在拼接中完全发挥长read的优势,在数据处理阶段引入纠错步骤是必须的。目前,已经有许多的针对第三代测序技术所得序列的纠错算法被提出,这些算法 可以归纳为三种类型,分别是使用准确度更高的二代序列给第三代序列纠错,使用二代序列拼接后的序列给第三代序列纠错和使用第三代序列自行纠错。通过使用这些纠错算法,第三代序列纠错后错误率能够下降到1%以下。然而,这些算法需要舍弃read中大量的无法纠错的碱基,因而导致了较低的通量。因为长read相对于短read更加昂贵,这样的碱基损失是不经济的。碱基损失也会降低后期拼接的完整性和分析的准确性。因此如何提高纠错算法的通量成为了一个值得关注的问题。
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