北京大學(xué)生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心/北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心/生命科學(xué)聯(lián)合中心/工學(xué)院黃巖誼教授課題組日前在DNA測(cè)序方法的研究上取得重要突破。該團(tuán)隊(duì)在此前謝曉亮教授首創(chuàng)的熒光發(fā)生測(cè)序技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了一種全新概念的測(cè)序方法——糾錯(cuò)編碼（簡(jiǎn)稱ECC）測(cè)序法。ECC測(cè)序法采取一種獨(dú)特的邊合成邊測(cè)序（SBS）策略，利用多輪測(cè)序過(guò)程中產(chǎn)生的簡(jiǎn)并序列間的信息冗余，大幅度增加了測(cè)序精度。該進(jìn)展于2017年11月6日以“Highly accurate fluorogenic DNA sequencing with information theory-based error correction”為題在線發(fā)表于《自然 生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）期刊上。
ECC測(cè)序法的化學(xué)反應(yīng)采用了熒光發(fā)生測(cè)序技術(shù)，該技術(shù)由謝曉亮課題組于2011年首次報(bào)道（Nature Methods (2011) 8, 575.），原理巧妙之處在于在DNA互補(bǔ)鏈合成時(shí)可以釋放同所延伸核苷酸數(shù)目相等的熒光分子，利用這一反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)低錯(cuò)誤率的SBS。黃巖誼課題組在此基礎(chǔ)上，過(guò)去幾年對(duì)該方法進(jìn)行了拓展(ChemBioChem (2015) 16, 1153.)，為本次技術(shù)突破奠定了基礎(chǔ)。該團(tuán)隊(duì)首先從化學(xué)原理上對(duì)熒光發(fā)生測(cè)序技術(shù)中的熒光標(biāo)記分子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)合成了具有不同波長(zhǎng)、更優(yōu)性能的測(cè)序底物分子，并對(duì)聚合酶參與的各階段反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了細(xì)致的測(cè)量和建模；在深入理解熒光發(fā)生測(cè)序化學(xué)反應(yīng)速度、完成度、副反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，完善了ECC測(cè)序原理樣機(jī)的搭建，不斷迭代優(yōu)化測(cè)序反應(yīng)條件和信號(hào)采集流程；從數(shù)據(jù)入手，構(gòu)建了精確的測(cè)序信號(hào)失相模型并提出了次級(jí)延伸理論，并據(jù)此開發(fā)出算法軟件對(duì)測(cè)序反應(yīng)失相過(guò)程做出了合理簡(jiǎn)化使其具備了實(shí)用性。
在ECC測(cè)序法中，序列信息的冗余來(lái)自黃巖誼課題組新發(fā)展的“對(duì)偶?jí)A基熒光發(fā)生”SBS測(cè)序流程，該流程通過(guò)對(duì)測(cè)序試劑按對(duì)偶?jí)A基分為兩兩匹配的三組，并對(duì)待測(cè)DNA序列進(jìn)行三輪獨(dú)立測(cè)序，繼而產(chǎn)生三條互相正交的簡(jiǎn)并序列編碼。這三條編碼可互為校驗(yàn)，后續(xù)不但能夠通過(guò)解碼推導(dǎo)出真實(shí)堿基序列信息，而且具備對(duì)單輪測(cè)序錯(cuò)誤位點(diǎn)的校正能力。ECC編碼和解碼策略已被廣泛應(yīng)用在信息通訊和存儲(chǔ)等其它領(lǐng)域中，并被證實(shí)可以有效檢測(cè)和糾正數(shù)據(jù)傳輸或存儲(chǔ)時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。此次黃巖誼團(tuán)隊(duì)在測(cè)序技術(shù)中首次引入冗余編碼概念，通過(guò)和低錯(cuò)誤率的熒光發(fā)生測(cè)序技術(shù)巧妙結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)室搭建的原理樣機(jī)上獲得了單端測(cè)序超過(guò)200堿基讀長(zhǎng)無(wú)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
該論文作者包括北京大學(xué)博士后陳子天，博士研究生周文雄、喬朔、康力，段海峰副研究員，謝曉亮教授和黃巖誼教授；黃巖誼是這篇文章的通訊作者。該工作先后得到了北京市科委、國(guó)家科技部863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心以及北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的資助。
黃巖誼課題組主頁(yè)：http://gene.pku.edu.cn/
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