最近的新聞文章標(biāo)志著人類(lèi)基因組第一序列草案公布十周年，也預(yù)測(cè)了DNA測(cè)序技術(shù)的興起，這種技術(shù)在未來(lái)三到五年內(nèi)將人類(lèi)基因組測(cè)序?yàn)?,000美元或更少，這一發(fā)展將改變面對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐。

2004年，國(guó)家人類(lèi)基因組研究所(NHGRI)高級(jí)DNA測(cè)序技術(shù)計(jì)劃獲得了第一筆撥款，從而努力將高質(zhì)量人類(lèi)基因組測(cè)序的成本降至1,000美元或更低。當(dāng)時(shí)，在人類(lèi)基因組計(jì)劃期間使用Sanger測(cè)序，在三到四個(gè)月內(nèi)使用100臺(tái)機(jī)器，以約1000萬(wàn)美元的價(jià)格生產(chǎn)出人類(lèi)或哺乳動(dòng)物大小的基因組的高質(zhì)量草案。

該計(jì)劃的最初五年目標(biāo)是開(kāi)發(fā)第二代或下一代(NextGen)測(cè)序技術(shù)，該技術(shù)可將人類(lèi)基因組測(cè)序成本降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)至100,000美元。由于NHGRI計(jì)劃以及其他學(xué)術(shù)和私人努力，該計(jì)劃目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并超越。這些努力使得使用第一代測(cè)序儀中所需的昂貴化學(xué)試劑的指數(shù)少的技術(shù)小型化，并且可能更重要的是，能夠同時(shí)讀取數(shù)百萬(wàn)個(gè)測(cè)序反應(yīng)而不是數(shù)百個(gè)。

隨著今天在實(shí)驗(yàn)室中使用NextGen DNA測(cè)序技術(shù)，人類(lèi)基因組測(cè)序的成本現(xiàn)在大約為20,000美元，并且可以在大約一周內(nèi)用一臺(tái)機(jī)器完成測(cè)序，因?yàn)檫@些機(jī)器每次處理超過(guò)1億個(gè)樣品。盡管如此，從10,000美元的基因組序列到1000美元的基因組序列并不是一件容易的事。

因此，NHGRI繼續(xù)為革命性測(cè)序技術(shù)的發(fā)展提供資金。2009年，NHGRI向10個(gè)測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目撥款約1,900萬(wàn)美元。此外，NHGRI將其恢復(fù)法案簽名項(xiàng)目命名為第三代測(cè)序技術(shù)(3Gen)的開(kāi)發(fā)，能夠以1000美元的價(jià)格對(duì)單個(gè)人類(lèi)基因組進(jìn)行測(cè)序。另外七個(gè)項(xiàng)目獲得了超過(guò)1300萬(wàn)美元的“恢復(fù)法案”資金，以進(jìn)一步加快這些努力。

本文是一系列定期更新中的第一篇，它將總結(jié)NHGRI資助的研究人員最近在科學(xué)文獻(xiàn)中發(fā)表的突破，這些研究人員致力于克服或克服開(kāi)發(fā)革命性3Gen測(cè)序技術(shù)的障礙。

這些努力將工程與生物化學(xué)，化學(xué)，納米技術(shù)和物理相結(jié)合，以增強(qiáng)突破性的DNA測(cè)序和分析技術(shù)。預(yù)期的結(jié)果將是研究人員在實(shí)現(xiàn)1000美元基因組目標(biāo)時(shí)面臨的分析挑戰(zhàn)的解決方案。

“例如，我們的受讓人正在開(kāi)發(fā)的一種創(chuàng)新將消除目前對(duì)昂貴的光學(xué)系統(tǒng)和其他定制試劑的需求，”NHGRI基因組技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目主任Jeffery Schloss博士說(shuō)，“探索一個(gè)廣泛的創(chuàng)新方法。我們資助的一些團(tuán)體正在設(shè)計(jì)一種可能包含數(shù)千至數(shù)百萬(wàn)納米孔的芯片，而不是使用熒光來(lái)識(shí)別DNA堿基對(duì)。

納米孔是直徑約2納米的孔。一納米是十億分之一米。

“當(dāng)DNA分子穿過(guò)納米孔時(shí)，堿基對(duì)會(huì)根據(jù)大小和化學(xué)成分進(jìn)行電子檢測(cè)，”Schloss博士補(bǔ)充說(shuō)。“雖然我們還沒(méi)有，但我們正在看到幾種將我們帶入1000美元人類(lèi)基因組的技術(shù)。”

許多目前的NextGen測(cè)序平臺(tái)是多功能的，不僅能夠測(cè)序DNA，還能對(duì)細(xì)胞和DNA分子進(jìn)行其他分析。還需要在3Gen測(cè)序平臺(tái)中開(kāi)發(fā)具有顯著改進(jìn)的相同功能。

例如，使用3Gen對(duì)少數(shù)癌細(xì)胞進(jìn)行基因表達(dá)譜的能力是生物醫(yī)學(xué)和臨床研究人員高度關(guān)注的領(lǐng)域，他們尋求早期診斷和預(yù)防該疾病。

包括馬薩諸塞州劍橋市Helicos BioSciences公司研究人員在內(nèi)的一個(gè)研究小組展示了一種使用該公司的單分子測(cè)序技術(shù)從少量細(xì)胞產(chǎn)生數(shù)字基因表達(dá)譜的方法，該技術(shù)是在NHGRI的高級(jí)DNA測(cè)序技術(shù)的先前資助下開(kāi)發(fā)的。程序。Helicos還獲得了恢復(fù)法案的資助，以改進(jìn)其測(cè)序技術(shù)，以生產(chǎn)1000美元的基因組。

這些作者于2010年7月18日在線(xiàn)發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，在Nature Methods中，能夠在處理少至250個(gè)細(xì)胞時(shí)捕獲和區(qū)分基因表達(dá)譜。并且他們沒(méi)有NextGen方法所需的多個(gè)放大和操作步驟。盡管如此，作者還提醒說(shuō)，他們采用的現(xiàn)有方法需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高效率，達(dá)到可靠的單細(xì)胞分析水平。

未來(lái)DNA測(cè)序技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵功能是能夠檢測(cè)表觀基因組中的DNA甲基化模式 - DNA上的化學(xué)標(biāo)記物在正常發(fā)育以及癌癥等疾病中發(fā)揮核心作用。

2010年5月9日在網(wǎng)上發(fā)布自然方法，斯蒂芬·特納博士，首席技術(shù)官太平洋生物科學(xué)公司，門(mén)洛帕克，加利福尼亞州，從NHGRI復(fù)蘇法案資助的主要研究人員，和他的團(tuán)隊(duì)據(jù)報(bào)道，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種原理驗(yàn)證方法，使用其單分子實(shí)時(shí)測(cè)序技術(shù)檢測(cè)DNA甲基化模式。研究結(jié)果表明，太平洋生物科學(xué)測(cè)序平臺(tái)的潛力可以適應(yīng)除DNA測(cè)序之外的其他用途。

NextGen測(cè)序的一個(gè)限制因素是將DNA分子切成幾千個(gè)“字母”長(zhǎng)的微小碎片，其檢測(cè)大規(guī)模遺傳變異的能力有限，可以隨機(jī)插入數(shù)千至數(shù)十萬(wàn)個(gè)DNA字母，在基因組中重復(fù)或刪除，導(dǎo)致疾病。檢測(cè)這種大規(guī)模遺傳變異的能力是3Gen測(cè)序技術(shù)的挑戰(zhàn)。

在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校(UW)，David Schwartz博士和他的團(tuán)隊(duì)一直在開(kāi)發(fā)他們的光學(xué)測(cè)繪系統(tǒng)，以全面研究大規(guī)模變化及其在人類(lèi)健康和疾病中的作用?；蚪M圖譜系統(tǒng)能夠一次分析一個(gè)大的DNA分子，減少分析中需要重新組合在一起的DNA片段的數(shù)量。這使研究人員能夠在整個(gè)個(gè)體的基因組中觀察這些巨大的遺傳變化。

UW團(tuán)隊(duì)最近測(cè)試了光學(xué)測(cè)繪系統(tǒng)，以測(cè)量其分析四種人類(lèi)基因組中大量遺傳變異的能力。該系統(tǒng)能夠檢測(cè)到反轉(zhuǎn)，缺失和其他大的遺傳變異，范圍從大約三千到幾百萬(wàn)個(gè)DNA堿基對(duì)。他們還在四個(gè)基因組中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)4,000種獨(dú)特的大變異體。結(jié)果發(fā)表在2010年6月15日的“ 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上。

由NHGRI資助的幾個(gè)小組正在開(kāi)發(fā)Schloss博士所述的基于納米孔的測(cè)序技術(shù)。理論上，這些技術(shù)將能夠在不到一天的時(shí)間內(nèi)使用小型手持設(shè)備對(duì)人類(lèi)基因組進(jìn)行測(cè)序。

賓夕法尼亞大學(xué)的Marija Drndic博士及其同事開(kāi)發(fā)了一種納米孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用石墨烯膜制成，這是一種非常薄的1-5個(gè)納米級(jí)排列的碳原子，用于電子檢測(cè)單個(gè)DNA分子。他們的研究結(jié)果于7月23日在線(xiàn)發(fā)表在Nano Letters上，提供了早期實(shí)驗(yàn)，證明可以通過(guò)電子方法測(cè)量DNA通過(guò)石墨烯納米孔。這種材料特別有趣，因?yàn)樗梢杂米骷{米孔和電連接，從而更容易構(gòu)建測(cè)序裝置。

來(lái)自波士頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)由Amit Meller博士領(lǐng)導(dǎo)，他們展示了一種基于光學(xué)的DNA序列讀數(shù)方法，結(jié)合納米孔系統(tǒng)，可以使用單個(gè)快速數(shù)碼相機(jī)同時(shí)探測(cè)多個(gè)孔。結(jié)果于5月11日在線(xiàn)發(fā)表在Nano Letters上。

其他版本的納米孔測(cè)序技術(shù)似乎處于實(shí)現(xiàn)1000美元基因組所需的巨大飛躍的邊緣，因?yàn)樗鼈儾皇褂没瘜W(xué)品，而是依賴(lài)電信號(hào)，這也可能繞過(guò)對(duì)電子信號(hào)所需的主要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。與NextGen平臺(tái)相關(guān)的大型映像文件。

在開(kāi)發(fā)納米級(jí)DNA測(cè)序技術(shù)的過(guò)程中，研究人員還在努力了解將DNA分子移動(dòng)通過(guò)納米孔的最佳方法，以便他們能夠推進(jìn)這些技術(shù)。馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Murugappan Muthukumar博士正在承擔(dān)這項(xiàng)重要且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。他最近發(fā)表了一篇關(guān)于聚合物(DNA分子被歸類(lèi)為聚合物)在暴露于電場(chǎng)時(shí)穿過(guò)納米孔的平均傳播時(shí)間的理論。這很重要，因?yàn)镈NA分子需要被捕獲，然后以最佳速度通過(guò)納米孔以精確檢測(cè)DNA堿基對(duì)。他的理論于2010年5月17日在線(xiàn)發(fā)表在“化學(xué)物理學(xué)報(bào)”上。

無(wú)論在未來(lái)幾年內(nèi)打破1000美元成本障礙的測(cè)序技術(shù)如何，這些努力以及高級(jí)DNA測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃中其他NHGRI受助者的努力將以獨(dú)特的方式促進(jìn)常規(guī)人類(lèi)基因組測(cè)序更接近現(xiàn)實(shí)。