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2015年下一代测序新亮点:小鲜肉与帅大叔

从2005年454公司首推新一代测序仪以来,转眼已是十年光阴。在这十年间,许多新平台问世,有的昙花一现,有的则从小鲜肉变成了帅大叔。当然,这是一个小鲜肉辈出的时代。新的平台仍在不断上市,带来进步,带来希望。


10X Genomics


在2月份举行的基因组生物学技术进展大会(AGBT)上,10X Genomics公司推出了GemCode™ 测序平台。这家公司于2012年创立,总部位于美国加利福尼亚州普莱森顿。它的几位创始人之前曾创办了数字PCR公司QuantaLife或担任高管,之后的故事也许大家听说过。Bio-Rad收购了这家公司,并推出了QX100微滴式数字PCR平台。


近年来,基因组测序的确变得更快速、更廉价,然而如今的基因组仍然有不少缺口。这部分原因在于技术层面。当今的技术将生物学样品打断成微小片段,通过测序仪读取,随后利用计算机将其组装成完整的基因组。这种拼图的方式难度颇大。短读取技术不擅长单体型分析(判断变异是来自父亲还是母亲),或检出结构变异(大片段的DNA改变)。10X Genomics的想法,正是改变测序的定义。


GemCode平台由仪器、试剂盒和信息学软件组成。用户将DNA样品加入GemCode芯片,同时加入凝胶珠和分液油。在仪器的微流体系统内,分液油将长的DNA分子(达100 kb)分到不同的宝石。每个宝石中的DNA随后被片段化成短读取的文库,用于Illumina测序,而每个片段上带有一个14个碱基的分子条形码,代表它来源的宝石。


之后,GemCode软件做了一些Illumina测序仪无法做到的事情:将之前分开的短读取连接起来,产生一种新的数据类型:连接读取(linked reads)。由于每个片段都带条形码,了解它们原先所在的分子就不是什么难事。这种分液模式也使得GemCode能处理微量的DNA样品,据称是1 ng。


通过这种方式,研究人员利用GemCode平台和原先的Illumina测序仪,就能获得长片段的信息,而不需要去购买一台全新的测序仪。据10X Genomics介绍,GemCode平台的售价约为75,000美元,而耗材成本大约是每个样品500美元。


目前还没有其他技术能够以这个价格来捕获大的结构变异,分析单体型,或开展大型基因组的de novo组装。10X Genomics及早期试用客户正在尝试这些。他们也在AGBT上展示了初步的成果。


以基因融合为例,通过GemCode条形码开展的全基因组和外显子组测序不仅重复了之前实验中发现的基因融合,还在肺癌细胞系NCI-H2228中发现了一个新的基因融合,介于ALK和EML4之间。


10X Genomics计划在2015年第二季度开始发售GemCode。目前所有的数据都来自公司本身或早期试用的用户。也许,我们要等到第一批客户拿到手之后,才能真正了解它的表现如何。顺便提一下,它目前只与Illumina测序仪兼容。


Oxford Nanopore Technologies


Oxford Nanopore Technologies这个小鲜肉也一直是人们关注的热点。2012年初,Oxford Nanopore在AGBT上首次发布了MinION测序仪的消息。这台仪器大小与U盘相仿,价格低于900美元,立即引发市场轰动。然而,雷声大,雨点小。之后一直鲜有MinION测序仪的消息。直至2013年底,MinION开放试用,才重新成为热门话题。


如今,数百台MinION已经发往近40个国家。从第一批幸运的用户拆开箱子到现在,已有大半年的时间。有的用户已发表论文,有的则在会议上介绍他们的成果。日本冲绳县工业技术中心的研究人员利用MinION对λ噬菌体的基因组以及蛇毒腺转录组的扩增子进行了重测序。不过,他们认为MinION的错误率高,只有四分之一的读取能定位到参考序列。Oxford Nanopore公司并未对此作出回应。不过,一些科学家认为这个结论不够成熟,研究可能使用了早期的试剂。


的确,Oxford Nanopore正在迅速更替平台的每一方面:文库制备、操作、流动槽及软件。据介绍,文库制备已经过数次的更新,使得数据准确性提高,操作流程缩短,且稳定性更好。流动槽也已经升级到第三版,每次升级都增加了纳米孔的数量,以及数据产量和质量。仪器控制软件MinKnow和碱基检出软件Metrichor也经过更新,可改进数据质量和分析速度。


之后,研究人员也展示了不错的研究成果。例如,一项研究使用MinION对三个药物基因组学相关位点的PCR扩增子进行测序。这三个位点分别是HLA­A、HLA­B和CYP2D6基因。利用长达4 kb至5 kb的读取,研究人员能够对三个靶向区域进行完全测序和单体型分析。作者认为,这一结果表明MinION有望应用在临床中,协助医生做决定,但它的高错误率仍是个问题。这项成果发表在《F1000Research》杂志上。


在另一项研究中,加州大学圣克鲁斯分校的研究人员介绍了一种计算工具,分析并提取MinION数据中的单核苷酸多态性。他们生成了长达42 kb的读取,并以此来填补了人类X染色体上一段50 kb的缺口。研究人员报告了MinION读取的“平均一致性(mean identity)”,即读取与参考序列的匹配程度。在大约29,000个读取中,这种一致性达85%。作者认为,MinION有着足够的准确性,能通过测序长的DNA链来解决重要的生物学问题。“这种准确性正在迅速改善,”他们写道。


当然,纳米孔测序仍是一项全新的技术,也许存在这样那样的问题。不过,MinION的价格低于1000美元,读长达到kb级别。若能进一步改善准确性问题,势必掀起科研和医疗的革命。毕竟,有能力购买高通量测序仪的实验室只是少数。


现在,Oxford Nanopore又重新开放了MinION测序仪的早期试用计划。如果你有兴趣,请尽快申请,可抢先一步试用这款迷你的测序仪。如果你对全基因组测序感兴趣,那么还需要耐心等待,它的另一款高通量测序仪PromethION会在晚些时候开放试用。


Pacific Biosystems


2014年,PacBio的SMRT技术发表在多个重要期刊上,而仪器销量也节节攀升,代表了它的价值为更多人所认可。Bio-IT World曾如此评价PacBio:2014年可以看作PacBio年,这家公司证明了高价仪器在市场上仍有空间。


在今年的AGBT大会上,PacBio作为金牌赞助商,举行了一个明星云集的研讨会,展示了SMRT(单分子实时)测序仪所能实现的成就。演讲者包括J. Craig Venter,他运行着世界上最大的基因组测序中心;Deanna Church,作为基因组参考联盟(Genome Reference Consortium)中的一员,她正协助改进人类参考基因组;以及Gene Myers,世界上顶尖的生物信息学家之一。他们都介绍了人类基因组de novo组装方面的工作。


Venter在会议上发表演说,表示他将结合两台SMRT测序仪以及20台超高通量的Illumina HiSeq X仪器,在Human Longevity公司中产生30个新的人类参考基因组。这些不同种族和地域背景的参考基因组,将有助于在今后解释大的结构变异。在不同群体之间,结构变异相差很大,很难与单个参考基因组一致。Venter还表示,他计划在2020年之前测序一百万个全基因组。


Gene Myers则对PacBio开辟了相对简单的de novo组装非常感兴趣。在去年的AGBT上,Myers通过与PacBio的CEO Mike Hunkapillar交谈,了解到SMRT测序仪通过基因组的随机采样带来长的读取,以及无偏向的随机错误。“作为一名数学家,当Mike在两个地方用了‘随机’这个词时,我感到无比兴奋。”Myers在今年的研讨会上表示。“因为我知道,单从理论上讲,这意味着完美组装再次成为众人的焦点。”


从那时起,Myers就一直努力让完美组装成为现实。他开发出目前常用的比对工具DALIGNER,以及一种新工具DAscrub。DAscrub的目的是清理PacBio的原始读取,而不牺牲有价值的数据。Myers展示了大肠杆菌基因组的组装成果。他们在运行DALIGNER后,开展完整组装前,只利用DAscrub来清除artifacts,而不需要任何校正步骤。


Deanna Church之前在NCBI任职,现在担任Personalis公司基因组学与内容的高级总监。在AGBT上,Church指出,在开展de novo组装时,参考基因组是必要的,既可作为检出变异的资源,又可作为描述变异的坐标系。这意味着参考基因组中的序列丢失可能导致解释出问题。


Church还提到了人类参考基因组的最近一次更新增加了许多替代位点。她敦促生物信息学家更新他们的工具,以便将这些位点考虑在内。这些替代位点贡献了3.6 Mb的新颖序列,包含153个独特基因。同时,Church也承认,这种替代位点的拼凑并不是表示整个基因组中大的结构变异的最有效方式。


之后,千年基因总部Macrogen创始人Jeong-Sun Seo教授也登上演讲台,介绍了亚洲人基因组计划的最新进展,并展示了基因组学的一个重要新资源,亚洲基因组的二倍体组装。“我们必须考虑个性化医疗的种族差异,”Seo 提醒观众。因此,绘制亚洲人参考基因组图谱也成为亚洲人基因组计划的首要目标。


千年基因采用三种不同的方法开展亚洲人基因组de novo测序,分别是三代测序平台PacBio RS II与二代测序平台HiSeq X Ten相结合、仅采用PacBio RS II平台、PacBio RS II平台完成测序组装并以BAC克隆的数据进行gap filling。研究结果表明,PacBio RS II平台与BAC克隆相结合的方法得到的结果最优。


此外,千年基因对组装结果进行了深入的变异分析,并鉴定到大量特有的序列及结构变异。以20号染色体为例,仅这条染色体就发现了196个新的插入及260个新的缺失变异,插入缺失变异的序列长度平均为634bp。同时,在NINL基因鉴定到一个8Kb的插入变异,该基因与色素沉着相关,并且在黄种人和白种人之间存在极显著的表达差异。


尽管与竞争对手相比,PacBio的通量较低,成本较高,但它具有短读取测序所无法比拟的优势,如单体型分析和捕获结构变异。当然,PacBio也在不断升级,也许会带来更加经济的长读取测序。


Illumina


Illumina照例在1月份的摩根大通保健大会上揭开了新产品的面纱。这一次,它带来了四款新的测序系统,分别是HiSeq X Five系统、HiSeq 3000和HiSeq 4000系统,以及NextSeq 550系统。


HiSeq X Five是去年推出的顶尖平台HiSeq X Ten的缩小版本,包括五台HiSeq X测序仪。HiSeq X Ten系统在年初上市后反响热烈,大大超乎Illumina的预期。起初,Illumina表示将供应给五名客户,但到了年底,HiSeq X测序仪共售出201台,客户数达到18名。不过对于有些测序中心而言,HiSeq X Ten的价格太高,通量太大。为此,Illumina今年推出了HiSeq X Five。


HiSeq X Five的售价约为600万美元,每年能测序9000个基因组,而每个基因组的费用约为1400美元,高于HiSeq X Ten的1000美元。不过,用户在升级到10台仪器之后,也能实现千元基因组测序。(价格仅供参考,不适用于中国)


双流动槽的HiSeq 4000和单流动槽的HiSeq 3000是基于成熟的HiSeq 2500系统,不过没有了2500的“快速运行模式”。HiSeq 4000的售价为90万美元,能够在3.5天内测序12个基因组、100个转录组或180个外显子组。HiSeq 3000的售价为74万美元,通量为HiSeq 4000的一半。


与之前的版本相比,HiSeq 3000/4000的重大改进是流动槽设计。早期的HiSeq仪器使用非图案化的流动槽,这样测序簇可在表面的任何地方形成。因此,测序簇的大小、性状和间隔不均匀,而数据分析的步骤之一就是确定它们在哪里。而新的仪器(包括HiSeq X系列)采用了图案化的流动槽,让测序簇限制在400nm的孔中。这种有序的结构使得簇间隔均匀和特征大小均一,便于准确分辨以极高密度成簇的流动槽,使得通量大幅提高。


不过,需要注意的是,HiSeq 3000/4000与HiSeq 2500的硬件系统不同,故无法从HiSeq2500直接升级到HiSeq 3000/4000,两者的试剂也不能混用。NextSeq 550系统则是整合了高通量测序和芯片扫描功能。在测序方面,NextSeq 550的测序模块与NextSeq 500完全相同;在芯片扫描方法,它目前支持Infinium CytoSNP­12、Infinium CytoSNP­850K和Infinium HumanKaryomap­12三款芯片,适用于细胞遗传学和生殖健康。NextSeq 550系统的价格为27.5万美元。


在测序越来越省力的今天,样品制备仍是一项艰巨的任务,占据了大多数的手工操作时间。为了减轻样品制备的负担,Illumina在AGBT大会前夕,推出了自动化的文库制备平台 – NeoPrep系统。


NeoPrep系统包括NeoPrep台式仪器、一次性的文库卡片(library card)和试剂。它单次运行即可制备、定量和均一化文库。数字微流体精确操控纳升大小的液滴,最终将剪切的DNA或RNA转变成测序即用的文库。这种革命性的技术实现了16个文库的平行制备,而手工操作只需30分钟。与NeoPrep同步上市的,还有TruSeq Nano DNA Kit和TruSeq Stranded mRNA Kit的NeoPrep版本。其他文库制备产品将在今年晚些时候上市。


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