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回眸細菌基因組測序二十年
2017/2/13 14:57:41 瀏覽次數:243

回眸細菌基因組測序二十年

 

1995年,美國基因組研究所(TIGR)Craig Venter等科學家合作完成并公布了嗜血流感桿菌(Haemophilus influenzae)的全基因組序列,這是世界上第一個測序完成的細菌如今,20年過去了,測序技術已經發生了翻天覆地的變化,細菌基因組測序也從最初只能在大的測序中心由團隊合作耗時數年花費數十萬美元完成,發展到如今一個普通的大學實驗室派出一名實習生用幾天時間花費幾十美元就可能輕松完成。近日,Nature Reviews Microbiology雜志發表了英國學者NicholasJ. Loman和Mark J. Pallen撰寫的綜述文章《Twenty years of bacterial genome sequencing》(doi:10.1038/nrmicro3565),總結回顧這二十年來細菌基因組測序領域的發展歷程。

 

細菌基因組測序,二十年來經歷了三次大的革命。引領第一次革命的核心技術是全基因組鳥槍法測序。微生物基因組測序,基本上和人類基因組計劃同時起步,最初的目的是想確定一些模式菌株(如大腸桿菌、枯草芽孢桿菌等)的全基因組,作為一種非病源菌,嗜血流感桿菌第一個被測序完成有一定的偶然性;但是這項工作的完成,卻像打開了一道大門,在隨后的幾年中數個病源菌、模式菌、極端微生物相繼測序完成,如結核分枝桿菌、鼠疫耶氏菌等。這一階段完成的基因組,基本上都是沒有缺失堿基的真正全基因組完成圖。對于細菌基因組常見的基因變異、基因組結構變化、水平基因轉移等的研究,催生出了比較基因組學。出于設計芯片探針、研究基因表達的需要,又催生出了功能基因組學、結構基因組學和蛋白質組學等。同時,宏基因組研究也登上了歷史舞臺。出于對基因組拼接及注釋的需要,這一階段涌現出了如Phred, Phrap, Glimmer, Artemis等著名生物信息學工具。

 

進入21世紀第一個十年的下半段,以454、Illumina為代表的高通量測序技術的誕生,帶動了細菌基因組測序的第二次革命。這項技術大大降低了測序成本,使得普通大學和醫院實驗室也可以廣泛使用;而且可以有效地克服某些對宿主有害基因不能克隆所以不能用鳥槍法建庫測序的弊端,輔之以基于SNP的系統進化分析方法,因此迅速被應用于臨床轉化醫學研究及藥物開發等領域。高通量測序技術也使得宏基因組研究空前發展起來,對于解析腸道微生物等一些不能純培養的微生物生態群落發揮了重要作用。測序通量的大幅增加,在一定程度上犧牲了測序的讀長,因此一些長的重復序列不能被跨越,得到的細菌基因組很多情況下只能算是草圖。這一階段涌現出了Newbler, SOAPdenovo, Velvet等一些序列拼接和生物信息學工具。


為了解決短讀長帶來的一些問題,以單分子實時(SMRT)技術、納米孔技術為代表的長讀長測序技術掀起了第三次革命的新浪潮。這些技術使得細菌基因組完整圖再度成為可能,因此一經推出,就迅速被廣泛采納,也必將發揮出更大的作用。在不遠的將來,細菌基因組測序的成本可能降到只要1美元,測序可能會在一系列我們現在都想象不到的應用中成為人們的首選技術。對于微生物研究工作者(包括臨床和環境研究)來說,未來是十分光明的。


 

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