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新一代超高通量基因組測(cè)序系統(tǒng) GS FLX開創(chuàng)科研無(wú)限新可能

瀏覽次數(shù):3005 發(fā)布日期:2009-11-12  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
新一代超高通量基因組測(cè)序系統(tǒng) GS FLX
開創(chuàng)科研無(wú)限新可能
 
GS FLX系統(tǒng)是由羅氏454生命科學(xué)公司推出的目前應(yīng)用最廣的超高通量基因組測(cè)序系統(tǒng),研究人員利用高準(zhǔn)確性、長(zhǎng)讀長(zhǎng)的GS FLX系統(tǒng)快速的獲得高質(zhì)量的生物數(shù)據(jù),取得科研突破性進(jìn)展。自GS系統(tǒng)問世以來(lái),于世界頂級(jí)雜志共發(fā)表250余篇高質(zhì)量的文獻(xiàn),使GS FLX系統(tǒng)成為發(fā)表論文速度最快的高通量測(cè)序儀器。
 
應(yīng)用原理
GS FLX測(cè)序系統(tǒng)依靠生物發(fā)光進(jìn)行DNA序列分析,在DNA聚合酶、ATP硫酸化酶、熒光素酶和雙磷酸酶的協(xié)同作用下,將每一個(gè)dNTP的聚合與一次化學(xué)發(fā)光信號(hào)的釋放偶聯(lián)起來(lái),通過檢測(cè)化學(xué)發(fā)光信號(hào)的有無(wú)和強(qiáng)度來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)定DNA序列的目的()。此技術(shù)不需要熒光標(biāo)記的引物或核酸探針,也不需要進(jìn)行電泳,具有分析結(jié)果快速、準(zhǔn)確、高靈敏度和高度自動(dòng)化等特點(diǎn)。每次測(cè)序反應(yīng)只需10小時(shí)即可完成5億個(gè)堿基數(shù)據(jù),平均測(cè)序讀長(zhǎng)可達(dá)400到500個(gè)堿基,讀長(zhǎng)超過400bp時(shí),測(cè)序準(zhǔn)確性大于99.99%。
 
利用GS FLX系統(tǒng)的高度靈活性可以在眾多領(lǐng)域進(jìn)行開創(chuàng)性科學(xué)研究,進(jìn)而為生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究開拓更多新的研究方向。
 
未知基因組測(cè)序
對(duì)于未知基因組如野生菌群,由于沒有reference可以比對(duì),其它測(cè)序儀(平均讀長(zhǎng)35bp)很難準(zhǔn)確測(cè)得其序列,而GS FLX系統(tǒng)由于具備了一個(gè)反應(yīng)500Mb的通量和長(zhǎng)達(dá)450bp的單一讀長(zhǎng)能力,使其可以輕易的在一個(gè)反應(yīng)里完成從細(xì)菌到病毒的未知基因組的全基因鳥槍法測(cè)序。標(biāo)準(zhǔn)的未知基因組拼接使用GS FLX de novo Assembler 軟件把讀長(zhǎng)序列拼接成contigs。通過應(yīng)用配對(duì)末端(Paired End)技術(shù),可以對(duì)測(cè)序產(chǎn)生的contigs進(jìn)行排序并決定它們的相對(duì)位置,從而獲得高質(zhì)量、完整的拼裝。GS FLX是目前得到Gap最少、后續(xù)Finishing費(fèi)用最低的測(cè)序系統(tǒng)。
細(xì)菌基因組中有很多重復(fù)序列,用Paired End 測(cè)序技術(shù)可跳過3Kb重復(fù)序列。明年初454公司將推出20Kb Paired End 測(cè)序技術(shù),這樣所有基因組中的最長(zhǎng)的重復(fù)序列都能跳過,細(xì)菌基因組拼接可一次完成。
 
基因組重測(cè)序
    微生物基因組:GS FLX最早應(yīng)用于細(xì)菌的全基因組測(cè)序,其特點(diǎn)是測(cè)序速度非?。Johnson & Johnson藥物研發(fā)中心曾利用454測(cè)序技術(shù)檢測(cè)樣本中被藥物抑制的基因。通過增加藥物劑量篩選抗藥菌株,能夠存活下來(lái)的菌株因突變而帶有抗藥性,突變位點(diǎn)即可能是藥物靶點(diǎn)。由于細(xì)菌突變位點(diǎn)通常比較多,所以選取兩個(gè)抗藥菌進(jìn)行測(cè)序,并跟原始的非抗藥菌做比對(duì)。測(cè)得的幾千萬(wàn)個(gè)堿基數(shù)據(jù)顯示,抗藥菌的四個(gè)位點(diǎn)有突變,沒有帶抗藥性的菌株無(wú)突變。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)酶是藥物靶點(diǎn)。此實(shí)驗(yàn)使用GS FLX僅一個(gè)星期即可測(cè)完一個(gè)細(xì)菌,得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 
    大型動(dòng)物、植物全基因組:454公司曾與澳大利亞、新西蘭實(shí)驗(yàn)室合作,用測(cè)序方法篩選羊基因組的genetic marker,測(cè)序覆蓋率0.5倍,共測(cè)得1.5G數(shù)據(jù)。然后用牛的基因組草圖進(jìn)行拼接比對(duì),即可獲得genetic polymorphism。應(yīng)用此方法可迅速的篩選幾千萬(wàn)個(gè)marker。此外,結(jié)合Sanger和454,已經(jīng)測(cè)出葡萄的序列。桔子、高梁、玉米等植物也在使用454進(jìn)行基因組測(cè)序。
 
    人體基因組結(jié)構(gòu)和突變:使用長(zhǎng)讀長(zhǎng)和Paired End技術(shù)來(lái)探測(cè)大規(guī)模的基因組變動(dòng),能獲得更大的基因組覆蓋率,鑒定更多的基因變異,如基因片斷的插入、缺失或拷貝數(shù)變異,相比短讀長(zhǎng)技術(shù)可多獲得25%以上的信息。454公司跟耶魯大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室合作,用人的基因組做Paired End 文庫(kù),將文庫(kù)大小調(diào)整至約3Kb,并對(duì)兩端進(jìn)行測(cè)序。發(fā)現(xiàn)所得數(shù)據(jù)與基因組數(shù)據(jù)相差6Kb,以此可推測(cè)樣品有3Kb的片斷缺失。
 
擴(kuò)增子測(cè)序
    GX FLX的擴(kuò)增子測(cè)序靈敏度高,可鑒定低頻率突變和單倍體,如外顯子或病毒準(zhǔn)種,可檢測(cè)到低于0.5%的變異。例如基于擴(kuò)增子超精細(xì)(ultra-deep)測(cè)序方法,可在混合的腫瘤樣品中識(shí)別稀少的體細(xì)胞突變,或者在微生物、人類、動(dòng)物或者植物群體中分析遺傳差異,揭示SNP位點(diǎn)。
 
    GS憑借能夠以前所未有的敏感性和速度從混合樣本中快速準(zhǔn)確的鑒定突變,被應(yīng)用在HIV抗藥性變化的研究中。由于HIV反轉(zhuǎn)錄酶的誤差量很高,HIV在人體內(nèi)突變速度非常快,而且會(huì)使藥物靶點(diǎn)也發(fā)生突變,從而使藥物失效。某制藥公司用GS FLX對(duì)病人血液中的HIV進(jìn)行測(cè)序,通過將測(cè)序結(jié)果與Stanford 大學(xué)建立的突變與藥物失效關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較,判別HIV是否出現(xiàn)抗藥性,如果出現(xiàn)則立即換藥。
 
環(huán)境基因組學(xué)
較之短讀長(zhǎng)技術(shù),GS FLX可更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)物種在不同環(huán)境下的差異性。如麻省理工某海洋生物研究所采集火山口附近的生物樣品,對(duì)海底生物進(jìn)行研究。通過對(duì)細(xì)菌樣本測(cè)序,發(fā)現(xiàn)海底生存的細(xì)菌與陸地細(xì)菌菌種不同,不同海域的細(xì)菌也有完全不同的細(xì)菌組成,而且?guī)啄旰蟮难莼灿胁煌?/DIV>
 
新傳染病源快速鑒定
    GS FLX為快速鑒定新的疾病病源提供了高效精準(zhǔn)的檢測(cè)工具。2008年三位澳大利亞病人接受了肝臟移植手術(shù),捐獻(xiàn)者為五十七歲男子,死于腦溢血。但是手術(shù)四至五周后,三名受捐者因患類似疾病而陸續(xù)死亡。哥倫比亞大學(xué)研究人員預(yù)計(jì)有未知病毒在肝臟移植時(shí)沒能通過常規(guī)方法檢測(cè)到,于是使用GS FLX對(duì)所有cDNA進(jìn)行測(cè)序。測(cè)得的十萬(wàn)余序列結(jié)果顯示,其中十四個(gè)序列確實(shí)與淋巴細(xì)胞性脈絡(luò)叢腦膜炎病毒相似,通過PCR方法也驗(yàn)證了此病毒亦出現(xiàn)在受捐者器官內(nèi)。
 
    受此研究啟發(fā),腫瘤研究人員利用454測(cè)序驗(yàn)證病毒與腫瘤的發(fā)作是否有直接作用關(guān)系。通過檢測(cè)皮膚瘤cDNA,發(fā)現(xiàn)多處腫瘤的T antigen與人體 receptor tyrosine phosphatase
形成融合蛋白。于是研究人員設(shè)想病毒可能通過此結(jié)合方式抑制相關(guān)蛋白,進(jìn)而可能導(dǎo)致腫瘤的發(fā)育。通過檢測(cè)更多不同的腫瘤細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)不同的腫瘤細(xì)胞均有同樣的融合蛋白,從而驗(yàn)證了病毒會(huì)導(dǎo)致腫瘤的發(fā)育,病毒產(chǎn)生抗藥性機(jī)制跟腫瘤相似,均是通過突變的方法。
 
基因甲基化
    啟動(dòng)子區(qū)域CpG島的低甲基化和高度甲基化是許多基因進(jìn)行活性調(diào)節(jié)的重要機(jī)制之一。通過亞硫酸鹽處理,GS FLX可以對(duì)指定的目的基因組序列內(nèi)每個(gè)CpG島甲基化狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)每一個(gè)甲基化進(jìn)行定量分析。如對(duì)結(jié)直腸癌的樣本和它們臨近的正常組織進(jìn)行分析,用亞硫酸鹽對(duì)樣本啟動(dòng)子進(jìn)行處理,如無(wú)C到T的轉(zhuǎn)化意味該位點(diǎn)沒有甲基化,反之則該位點(diǎn)發(fā)生了甲基化。每個(gè)腫瘤可繪一圖譜,通過圖譜間的比較,可發(fā)現(xiàn)有些基因在不同的腫瘤有不同的profile,進(jìn)而啟發(fā)新的科研預(yù)測(cè)。
 
基因表達(dá)
    較之短讀長(zhǎng)技術(shù),長(zhǎng)讀長(zhǎng)技術(shù)可發(fā)現(xiàn)更多的基因注釋,更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)假基因,并獲得可靠的等位特異表達(dá)譜,可以更靈敏的檢測(cè)基因表達(dá)的高低,更好的拼接基因模型。有些Sanger很難測(cè)到的表達(dá)量非常低的基因序列,454都可檢測(cè)到。
 
突破測(cè)序樣品準(zhǔn)備瓶頸
隨著高通量測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展,使用常規(guī)PCR方法進(jìn)行大量重測(cè)序樣品準(zhǔn)備費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)。針對(duì)此問題,羅氏NimbleGen(www.nimblegen.com)成功開發(fā)了目標(biāo)序列捕獲芯片(Sequence Capture Array)技術(shù),可在一張芯片上富集長(zhǎng)達(dá) 5Mb的任意目標(biāo)基因組區(qū)域,如外顯子、疾病相關(guān)區(qū)域、啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等。相對(duì)PCR方法,此技術(shù)可大大降低樣品準(zhǔn)備的時(shí)間及費(fèi)用。今年底,NimbleGen將推出2.1M芯片,可同時(shí)富集30Mb的目標(biāo)序列。NimbleGen序列捕獲技術(shù)與GS FLX高通量測(cè)序儀的完美結(jié)合致力于以最低的價(jià)格、最好的性能實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用領(lǐng)域的研究,帶給生物醫(yī)學(xué)研究飛躍性突破。
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