新技术能使DNA测序的成本降低多少?

1977年,Sanger及其同事发明出最早的DNA测序技术,1990年开始的人类基因组计划催生了DNA测序技术的自动化.近10多年来,新一代测序技术得到了飞速的发展,测序速度及测序通量的巨大提升使得个人基因组的测序成本急剧下降,达到了1000美元一个全基因组的水平,从而使得DNA测序技术在生命科学研究领域以及临床医学上有着更广阔的应用前景.近来出现的第三代测序技术具有测序过程中无需PCR扩增而且产生非常长的测序片段的优势.尽管其测序的准确性只达到85%左右且成本高,但仍然显示出了较好的前景."精准医学"时代的来临将进一步促进DNA测序技术的革新,并使个人基因组测序成本进一步下降,有望使个人基因组测序成本进入百美元的时代.随着海量的测序数据的积累,如何有效地分析和解读这些测序数据面临着巨大的挑战,生物信息学在此过程中扮演着关键的角色.     

科学家研发出一种肝癌无创早期诊断新技术

<正>外周血循环游离DNA最早由Mandel和Metais于1948年发现.但直到1994年报道从肿瘤患者外周血中检测到RAS基因突变,人们才意识到其重要性.现香港中文大学卢煜明教授于1997年发现胎儿也会释放游离DNA至母亲外周血中,是又一重要突破.随着新一代高通量测序技术的快速发展,基于胎儿游离DNA测序的无创性产前筛查方法近年来取得了巨大成功.同时,针对肿瘤游离DNA的"液相活检"方法也正在临床上被迅速推广.这两种方法均     

观察:DNA是如何工作的

很少有哪种生物分子可以宣称你DNA那样得到了很好的研究。自从詹姆斯·沃森（JamesWaston）和弗兰西斯·克里克（FrancisCrick）于1953年在剑桥大学发现了DNA的双螺旋结构以来，研究者们已经花费了数以10亿计的金钱和无数不眠之夜试图理解和操作这种生命的分子。他们已经完成了对20种生物体的全基因组的测序，而人类基因组的测序也将在今后几年内得以完成。但是实际上在所有这些研究中，研究者们研究的只是数千个拷贝的特定的DNA片断的集会的、成群的行为。现在，在世界上的数个生物物理实验室中，一场静悄悄的革命正在进行之中：研究…     

寄生在中国草鱼、鲤鱼和马口鱼的头槽绦虫的分类和亲缘关系

利用RAPD技术分析寄生在广东、福建和甘肃的草鱼、鲤鱼和马口鱼的头槽绦虫的DNA多态性 ,寄性在不同地区的草、鲤鱼的头槽绦虫虽有明显的地理分布差异和严格的宿主特异性 ,但RAPD分析结果显示这两种宿主寄生的头槽绦虫的DNA之间却具有高度的相似性 (72 3%～ 96 3% ) ;而马口头槽绦虫与寄生在草、鲤鱼的头槽绦虫之间则显示低的相似性 (2 4 0 %～ 2 8 2 % ) .它们应分别为独立种.     

寄生在中国草鱼、鲤鱼和马口鱼的头槽绦虫的分类和亲缘关系

利用RAPD技术分析寄生在广东、福建和甘肃的草鱼、鲤鱼和马口鱼的头槽绦虫的DNA多态性 ,寄性在不同地区的草、鲤鱼的头槽绦虫虽有明显的地理分布差异和严格的宿主特异性 ,但RAPD分析结果显示这两种宿主寄生的头槽绦虫的DNA之间却具有高度的相似性 (72 3%～ 96 3% ) ;而马口头槽绦虫与寄生在草、鲤鱼的头槽绦虫之间则显示低的相似性 (2 4 0 %～ 2 8 2 % ) .它们应分别为独立种 .     

迄今最全面人类基因组测序完成

正近日,美国科学家对全部人类基因组的30.55亿个碱基对进行了测序,包括20年前第一个人类基因组测序时缺失或错误的8%的基因组。与此前的结果相比,新结果增加了2亿个碱基对以及2000多个基因。人类拥有数万个基因,它们被储存于细胞中心的脱氧核糖核酸(DNA)分子中。基因信息以四种碱基(C、G、T和A)的形式存在,每两个碱基形成碱基对。     

基于二次打断IPed DNA片段ChIP-Seq的模拟分析

ChIP-Seq是在全基因组水平上研究活体细胞中蛋白质和DNA相互作用谱的有效手段.近年来,随着高通量短序列DNA测序技术的快速发展,研究基于新一代DNA测序方法的ChIP-Seq分析算法已经成为热点之一.然而,目前报道的分析方法主要是基于对免疫共沉淀获得的DNA片段进行片段大小选择后的ChIP-Seq数据,也就是主要针对Solexa系统获得的数据进行分析的算法.SOLiD系统是目前测序通量最高的新一代DNA测序系统.在SOLiD系统的DNA测序文库制备过程中,采用对免疫共沉淀获得的DNA片段进行二次超声打断可以满足ePCR对序列长度的要求,因此SOLiD测序文库中的DNA测序片段较短.到目前为止,基于SOLiD系统测序特点的ChIP-Seq研究很少报道.本文旨在研究测序文库中DNA片段的长度对ChIP-Seq分析的影响.通过真实的ChIP-seq数据和模拟产生的ChIP-Seq数据,对目前3种主要的ChIP-Seq分析方法(CisGenome,SISSRs以及MACS)的特点进行研究.有报道表明来自Solexa系统的ChIP-Seq数据局部有明显的正负链双峰特征,而通过对真实的来自SOLiD系统的ChIP-Seq数据特征的挖掘,我们发现单个峰局部无明显的正负链双峰特征,并且峰的局部的序列分布大部分符合正态分布.基于这些特征,我们模拟了两个不同测序平台的ChIP-Seq实验.在控制了模拟实验的可比性后,我们发现当前基于Solexa文库制备方案的ChIP-Seq数据发展的算法,并不能有效地捕获来自SOLiD系统的ChIP-Seq数据特征.我们的研究还表明,误用ChIP-seq软件可能是导致部分SOLiD的ChIP-seq实验失败的原因.因此,需要开发一种新的基于二次打断IPedDNA片段的ChIP-Seq分析策略.     

2013年值得关注的几个领域

1.单细胞DNA测序 随着微流控技术和罕见细胞分离技术的进步,以及对这类棘手单基因组破译能力的提高,单细胞DNA测序研究在2012年悄然崛起,并有望在2013年获得重大突破.更令人兴奋的是,通过对单个完整细胞的研究,有望进一步提升对脑细胞是如何工作的了解.在新的一年中,单细胞测序的应用前景广阔,或可更多地揭示肿瘤内癌细胞及细胞内基因副本的差异,包括产前检查等应用技术也有望取得持续进展.     

首个泛基因组图谱捕捉人类遗传多样性全貌

<正>把人类基因组的初稿想象成一本书。这本书在世纪之交才刚刚发表，却为变革性治疗铺平了道路。基因编辑和基因疗法现在可以用来对抗以前无法治愈的疾病。比较我们与进化过程中最亲近表亲中的A、T、C、G基因字母，可以揭开我们进化和智力的根源。但是“我们”指的是什么，或者是谁?由于技术限制，目前的参考基因组是由少数人（主要是欧洲人和非洲人后裔）的测序DNA片段组装而成的。尽管这本“人类之书”在寻找遗传疾病方面是无价的，但它很难概括全球人类的遗传多样性。     

基因组测序转向罕见遗传疾病

在医学诊断中．基因组测序技术或许最终不负众望，能够精确地确定基因突变位点，这是治疗个人病例的关键所在。在过去的十年里．这一领域曾是基因组学的热点．但这些突破却并不在对那些具有复杂基因起源疾病的DNA分析上。尽管许多从事基因组研究的科学家将注意力转到单个基因缺陷引起的罕见遗传病上，然而它们的病因仍是一个谜：     

开启尘封的DNA

<正>在过去短短的几十年内,古DNA研究从科学好奇心转变成了重塑过去生物现象的强有力的工具。继提炼、除杂和测序等一系列方法革新后,科学家们不断挑战自我,对一些更古老的DNA测序技术进行研究,开启了地球生命史的前所未有的探索。透过实验室窗户朝里望去,两位穿着严实的研究人员正有条不紊地做着实验。其中一位叫李虹洁(音译)的研究助理,负责把内含几十年DNA的溶液用移液管放入离心管内,另一位叫姚露(音译)的     

固态纳米孔中DNA分子再捕捉的探测和分析

<正>基于纳米孔的单分子测控技术有望为实现廉价而快速的个体基因测序提供关键的物理基础.固态纳米孔因其与现代微加工技术兼容及可实现器件高度集成而尤其受到关注.然而,利用固体纳米孔实现单个DNA分子的测序目前仍有几个关键的困难需要克服.其一即为单个DNA分子在纳米孔中运动的控制.通过对单个DNA分子的再捕捉可以揭示其在纳米孔中的动力学特征,并且通过进一步发展该技术将有望在碱基分辨中显著提高信     

与烟草曲叶病毒伴随的新型DNA分子鉴定

根据已报道的两种粉虱传双生病毒DNAβ分子的保守序列设计引物，利用PCR技术从烟草曲叶病毒Y5和Y8分离物扩增到一类环状DNAβ分子，其全长分别为1333和1338nt，序列分析表明，Y5DNAβ可能编码8个可读框（ORFs），病毒链和互补链各含有4个ORFs；Y8DNAβ可编码7个ORFs，病毒链含有4个ORFs，互补链含有3个ORFs，除茎环结构TAATATTAC外，DNAβ与烟草曲叶病毒Y5和Y8基因组DNA－A序列几乎无同源性，Y5和Y8的DNAβ全长核苷酸序列同源性较高，为85％，而与已报道的胜红蓟黄脉病毒（AYVV）DNAβ及棉花曲叶病毒（CLCuV）的两个DNAβ的同源性为51％－65％，免疫捕获PCR及粉虱传毒实验表明，DNAβ分子包裹在双生病毒粒子中，并伴随病毒由烟粉虱传播。     

垃圾DNA:“生命之剧”的“导演者”

"垃圾DNA"这个名字出自上世纪70年代。在这之前已经发现真核细胞(有细胞核结构的细胞)染色体上的基因(编码蛋白质信息的染色体或DNA片断)之间是不连续的,也就是基因之间存在很大的间隔,就像上海到北京的铁路(比作染色体,也可看作DNA)有许多火车站(比作基因,也就是编码蛋白质信息载体),但两个城市之间的火车站只占据铁路总长的1.5%(也就是基因只占DNA总长的1.5%)。故而,1972年美国加州理工学院大野乾对不编码蛋白的染色体片断(也就是火车站之间的铁路,占上海到北京总长的98.5%)称为"垃圾基因"(不编码蛋白质)。     

“垃圾”DNA的奥秘

依据DNA双螺旋和遗传信息的中心法则,只有编码蛋白的DNA才被认为是有功能的.然而人类基因组大小与蛋白质数量矛盾以及生物体进化与基因组大小的不相关性(即C值悖论),导致科学家对非编码DNA概念的提出,戏称这些DNA为"垃圾"DNA.随着第二代测序技术发展以及数据分析能力的提升,大量研究表明,这些"垃圾"DNA很多都可以在生理与疾病状态下特异性转录.同时,疾病全基因组相关联研究显示,大量与疾病相关单核苷酸多态性位点位于非编码区,这共同证明了它们是有功能的.进一步研究表明,人类基因组中至少75%的序列是转录的,并将这些转录且不编码蛋白质的产物称为非编码RNA.本研究组系统总结了3大类非编码RNA包括微小RNA、长链非编码RNA和环状RNA的定义和分类以及在疾病中的功能,对这些的非编码RNA的研究将会为疾病的治疗以及诊断方法开启新纪元.     

1998～2003年:美国人类基因组计划的新目标

在1993～1998的5年计划中，人类基因组计划成功地完成了既定的所有重要目标。我们提出了一项新的1998～2003年的计划，人类DNA测序是其重中之重。一项旨在2003年底前完成整个人类基因组的测序的雄心勃勃的计划已经投入实施、在此过程中，一幅人类基因组序列的“工作草图”将在2001年底产生。此项计划的目标还包括：测序技术的开发；人类基因组序列变异的研究；功能基因组学技术的开发；完成美丽隐杆线虫和黑腹果蝇的测序并启动小鼠基因组的测序；研究基因组研究带来的伦理学、法律和社会学影响；生物信息学和计算生物学研究；以及基因组科学家的培养。     

酶的研究与生命科学(三):分子生物学酶的发现和应用

20世纪下半叶,分子生物学取得迅猛发展,分子生物学酶的发现和应用在其中发挥了巨大的推动作用。DNA聚合酶、RNA聚合酶、逆转录酶、限制性内切酶和端粒酶等的鉴定和功能阐明拓展了对许多生命现象的理解和认识。这些酶的应用还衍生出重组DNA、桑格酶法测序和聚合酶链式反应等技术,在基因操作、DNA测序和扩增等方面具有广泛应用。通过介绍分子生物学酶的研究历程展现了酶的发现和应用对当代生命科学研究仍有重要意义。     

生物学家欲启动所有生命体DNA测序

<正>一说到基因组测序,有远见的人总是能推出雄心勃勃的计划:比如英国的生物银行(Biobank)计划对50万人进行基因组测序或者冰岛致力于研究其全国所有人口的基因组数据。2017年2月,史密森尼学会生物多样性基因组学基金会和位于中国深圳的基因测序巨头华大基因公司共同组织了一场会议,部分与会研究者推出了史无前例的宏伟计划:宣布他们有意对地球上所有生命最终完成DNA测序。     

三螺旋DNA的现场Fourier表面增强Raman光谱研究

在双螺旋DNA的大沟中,第三条嘧啶链能与双螺旋同型嘌呤-同型嘧啶束道的互补嘌呤链结合而形成局部的分子间三螺旋DNA.研究表明通过形成三螺旋结构,寡脱氧核糖核酸能在体外和体内专一性地阻止基因转录和复制,而且可用于染色体分析和基因图谱.大量的Raman光谱研究已提供了双螺旋DNA在多种状态下的构象和其Raman光谱信号谱带间的对应关系,而且这种对应关系也同样适合三螺旋DNA的构象研究.本文首次研究了三螺旋DNAd(CT)_8·d(AG)_8·d(C~+T)_8在银电极表面上的现场Fourier表面增强Raman散射in situ FT-SERS)行为,同时也研究了其在固态(处于纤维和晶态之间)下的构象.     

玉米C4 型pepc基因的分子克隆及其在小麦的转基因研究

通过LA-PCR方法，从当地玉米材料中获得了完整的玉米C₄ 型pepc基因。测序结果与GenBank中登录的玉米C₄ 型pepc基因序列进行比对分析表明，DNA序列的同源性达98.96%，mRNA同源性达99.38%，蛋白质的氨基酸序列同源性达99.38%，在DNA水平，两者之间有49处碱基差异， 18处发生在内含子区，18处发生在外显子处。在mRNA水平，两者之间有15处差异，但是这些差异在蛋白质水平上仅导致了4个非连续排列的氨基酸差异。构建了该基因的农杆菌二元表达载体pBAC214。通过PDS/1000He基因枪转化法，获得了该基因的转基因小麦。对转基因小麦进行的Southern杂交，结果表明来自玉米的鉴定pepc基因完全整合到了小麦基因组中。通过对转基因小麦叶片的可溶性蛋白质SDS-PAGE电泳分析，表明该基因在小麦中获得了正确的转录、剪接和翻译。通过对转基因小麦叶片中PEPC酶活性的初步测定，发现部分转基因植株叶片中PEPC酶活性提高了3-5倍，与玉米叶片中的PEPC活性相当。对转基因小麦旗叶光和生理指标的测定，发现部分转基因植株光合速率有所提高，并且气孔的开放程度与叶片中的PEPC活性紧密相关。说明完整的玉米C₄ 型pepc基因在小麦中可以正确表达和起到一定的生理作用。