朱學(xué)鑫

【摘要】基因?qū)W在近幾年得到全面發(fā)展，通過對生物基因進(jìn)行測序分析，進(jìn)而了解生物生存的秘密，探究生物體出現(xiàn)異變、疾病的原因，對于推動生物體健康成長具有十分重要的意義。尤其是人類，在DNA中攜帶大量的遺傳信息，通過基因測序可以破解這些遺傳信息中攜帶的信息，為疾病預(yù)防等提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考。高通量測序技術(shù)（英文全稱：next-generation sequencing，英文簡稱：NGS）是進(jìn)行DNA測序的一種新型手段，此種手段屬于“二代測序技術(shù)”之中的一種，運(yùn)用此種技術(shù)對于提高基因測序效率具有十分重要的意義。本文將綜述基因組高通量測序技術(shù)進(jìn)展，以及此項(xiàng)技術(shù)在預(yù)防醫(yī)學(xué)中應(yīng)用進(jìn)展，希望可以為醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

【關(guān)鍵詞】高通量測序技術(shù);基因組;預(yù)防醫(yī)學(xué);NGS;DNA片段

【中圖分類號】R346 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【DOI】10.12332/j.issn.2095-6525.2021.04.285

【Abstract】 Genetics has been fully developed in recent years. By sequencing and analyzing biological genes， understanding the secrets of biological survival and exploring the causes of biological mutations and diseases is of great significance for promoting the healthy growth of organisms. Humans， in particular， carry a large amount of genetic information in their DNA. Through gene sequencing， the information contained in this genetic information can be deciphered to provide corresponding data references for disease prevention and so on. High-throughput sequencing technology （English full name： next-generation sequencing， English abbreviation： NGS） is a new type of DNA sequencing method. This method is one of the “second-generation sequencing technologies”. Improving the efficiency of gene sequencing is of great significance. This article will review the progress of genome high-throughput sequencing technology and the application of this technology in preventive medicine， hoping to provide data support for the development of medical technology.

【Key words】high-throughput sequencing technology; genome; preventive medicine; NGS; DNA fragments

人體健康十分復(fù)雜，在打造健康體質(zhì)上需要對多種影響健康的因素進(jìn)行分析，以便于從多個影響因素中充分運(yùn)動積極因素、規(guī)避消極因素促進(jìn)健康體質(zhì)打造，降低生活中出現(xiàn)疾病的概率、延長人的壽命[1]。預(yù)防醫(yī)學(xué)主要研究領(lǐng)域?yàn)槿梭w健康打造等，而在人體健康影響因素中遺傳因素所占的比例很高，臨床上有多數(shù)疾病的傳播是通過遺傳實(shí)現(xiàn)的，且遺傳本身所蘊(yùn)含的信息十分龐大，通過對這些遺傳信息的分析，對于制定疾病預(yù)防等策略具有十分重要的意義[2-3]。NGS技術(shù)作為一種基因測序的二代技術(shù)，其在基因測序上優(yōu)勢明顯，通過對其的使用，對于進(jìn)一步提高疾病預(yù)防的質(zhì)量具有十分重大的意義。

1 ?基因測序技術(shù)的發(fā)展

1.1第一代基因測序技術(shù)

第一代基因測序主要出現(xiàn)在上世界70年代左右，囊括化學(xué)裂解法、雙脫氧鏈終止法等，這些基因測序的方法均具有操作較為復(fù)雜的特點(diǎn)。（1）化學(xué)裂解法。此種基因測序的方法是由GILBERT、MAXAM發(fā)明，基因測序的原理為：在DNA組成中，不同片段的堿基是不同，且可以被某些化學(xué)試劑所修飾，修飾后的堿基會導(dǎo)致原本相連接脫氧核糖核苷酸的磷酸二酯鍵斷裂出現(xiàn)斷裂，而且使用的化學(xué)試劑不同，出現(xiàn)斷裂的堿基也有很大差異，如此便可以在出現(xiàn)斷裂的堿基團(tuán)上進(jìn)行標(biāo)記，之后運(yùn)用凝膠電泳技術(shù)，對DNA不同的片段進(jìn)行比對，從而獲得相應(yīng)的基因序列。（2）雙脫氧鏈終止法。此種基因測序方法是上世紀(jì)70年代提出，此方法為使用dNTP、ddNTP共同參與到DNA復(fù)制，然后由于雙脫氧核糖核苷酸（ddNTP）無法參與到DNA的復(fù)制過程中，使用后出現(xiàn)多個復(fù)制鏈，對這些出現(xiàn)的復(fù)制鏈?zhǔn)褂秒娪痉蛛x后統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的DNA序列，獲得基因序列。

1.2第二代基因測序技術(shù)

隨著第一代基因測序技術(shù)的不斷發(fā)展，第二代基因測序技術(shù)逐漸得到發(fā)展，彌補(bǔ)第一代測序技術(shù)應(yīng)用中操作不便的不足，相應(yīng)基因測序成本也大大下降，基因測序技術(shù)應(yīng)用逐漸廣泛。（1）Solexa測序技術(shù)。在原有基因測序技術(shù)基礎(chǔ)上，各種基因測序技術(shù)取得全面發(fā)展，IIIumina公司推出新一代Solexa測序技術(shù)，其主要測序原理為將DNA片段吸附在專用的透明玻璃片表面，后對這些被吸附于玻璃片表面的片段進(jìn)行橋式擴(kuò)增，待擴(kuò)增結(jié)束后對脫氧核糖核苷酸采用熒光標(biāo)記，并以被擴(kuò)增的片段為模板進(jìn)行繼續(xù)擴(kuò)增，以再次通過標(biāo)記等獲得相應(yīng)的基因序列。此種基因測序技術(shù)可以提高測序精準(zhǔn)度，但此種方式對基因進(jìn)行測序，無法對超出規(guī)定長度的基因片段進(jìn)行測序，制約著此種技術(shù)在市面上的廣泛應(yīng)用[4-5]。（2）SOLID測序。此種測序方式比較新，是2007年推出的，使用該種基因測序儀器可以利用連接酶法對DNA片段進(jìn)行測序，此種手段利用將熒光探針連接到8堿基單鏈上的方式，完成相應(yīng)基因測序的目的。SOLID測序應(yīng)用相對較為簡單，可操作性更強(qiáng)一些[6-8]。（3）454測序。此種測序技術(shù)主要借助454測序儀器實(shí)現(xiàn)，該類儀器由Roche公司改進(jìn)而成，是在Sanger法的開發(fā)的一種基因測序手段，可以通過將PDNA復(fù)制（dNT參與）連接相應(yīng)的化學(xué)信號相連接，進(jìn)而利用熒光素酶、雙磷酸酶等參與，通過熒光反應(yīng)情況準(zhǔn)確對DNA進(jìn)行測序，此種技術(shù)易于操作、讀長很長，但此種技術(shù)在同聚物長度測量上存在一定不足，制約著此種基因測序技術(shù)的推廣應(yīng)用。（4）通量測序技術(shù)。傳統(tǒng)通量測序技術(shù)借助雙脫氧核苷酸末端終止法，實(shí)現(xiàn)對基因序列進(jìn)行檢測，由Sanger等人發(fā)明，應(yīng)用中測量準(zhǔn)確度高、測量快捷，但測序通量低、測序本身反應(yīng)時(shí)間比較長。2005 年Meyer等人在研究中，對原有NGS技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展，推出高通量基因組測序系統(tǒng)，進(jìn)一步助推NGS技術(shù)的全面發(fā)展，高通量的NGS技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)NGS技術(shù)的不足，進(jìn)一步促進(jìn)NGS技術(shù)的普及[9-10]。

1.3 NGS技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢分析

盡管NGS技術(shù)僅為基因測序技術(shù)的第二代技術(shù)，但此技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，有大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)，為此技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生物等領(lǐng)域得到進(jìn)一步的發(fā)展提供了必要支持。且NGS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)勢十分明顯。首先，高通量基因組基因測序技術(shù)是在傳統(tǒng)的通量基因組基因測序技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)，其可以通過高通量等方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)通量基因組基因測序技術(shù)的不足，在確保測量快捷的同時(shí)，有效縮短測量本身反應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)一步提高基因測序的效率，為基因測序相關(guān)工程發(fā)展提供助力[11]。其次，NGS技術(shù)價(jià)格低廉。NGS技術(shù)作為第二代基因測序技術(shù)，與第一代基因測序技術(shù)相比已經(jīng)明顯進(jìn)步與發(fā)展，DNA測序質(zhì)量更能得到保障，同時(shí)此種測試方式經(jīng)過多年發(fā)展，測量所需要的成本大大降低，低廉的測序價(jià)格與豐富的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為通量測序技術(shù)在各領(lǐng)域的全面發(fā)展提供助力。再次，NGS技術(shù)測序敏感性高。利用此種技術(shù)進(jìn)行基因測序，對于準(zhǔn)確鑒別待測生物具體情況具有積極作用，近年來此種技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越全面，為提高相關(guān)疾病鑒別具有十分重要的意義[12-13]。例如，此種技術(shù)可以應(yīng)用在腦脊液檢測、腫瘤標(biāo)志物檢測、遺傳疾病篩查等多個方面，為醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供支持[3]。

2 ?預(yù)防醫(yī)學(xué)概述及重要性

2.1預(yù)防醫(yī)學(xué)概述

預(yù)防醫(yī)學(xué)屬于醫(yī)學(xué)的主要分支之一，其主要以消滅病害、病害預(yù)防研究等為主，預(yù)防醫(yī)學(xué)存在很有必要，通過相應(yīng)預(yù)防醫(yī)學(xué)知識與技術(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)大眾的體質(zhì)，培養(yǎng)大眾講衛(wèi)生的好習(xí)慣，并創(chuàng)造與改善利于健康生產(chǎn)、生活的條件等。預(yù)防醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)有很大的差異，前者研究對象主要為人群，是對某一人群健康情況、健康環(huán)境等進(jìn)行研究，重在幫助某一人群養(yǎng)成健康的生活與工作習(xí)慣。另外，預(yù)防醫(yī)學(xué)具有自身的特性[14-15]：第一，其在研究對象上以群體為主，但也兼顧個體病害預(yù)防的研究;第二，無論是制定何種措施與對策以病害的積極預(yù)防為主，以塑造健康的人群為主要目標(biāo);第三，預(yù)防的主要工作重點(diǎn)在無癥狀病人研究與健康人的研究，以便于從宏觀與微觀等多個角度對病害與人群健康的關(guān)系進(jìn)行探討，以便于制定相應(yīng)的病害預(yù)防策略。

2.2預(yù)防醫(yī)學(xué)重要性

預(yù)防醫(yī)學(xué)作為醫(yī)學(xué)重要內(nèi)容，在實(shí)際生活中具有十分重要的意義。首先，預(yù)防醫(yī)學(xué)的根本目的為幫助人群打造健康體魄，這與個人生存發(fā)展目標(biāo)高度契合，為預(yù)防醫(yī)學(xué)的全面發(fā)展提供助力。預(yù)防醫(yī)學(xué)以塑造健康人群、延長個體壽命為目標(biāo)，并在這一目標(biāo)指導(dǎo)下制定相應(yīng)的措施，這些措施為個人在生存中打造健康的自我提供了具體辦法與理論指導(dǎo)[16-18]。其次，預(yù)防醫(yī)學(xué)屬于醫(yī)學(xué)重要組成部分，預(yù)防醫(yī)學(xué)的全面發(fā)展對于助推醫(yī)學(xué)的全面發(fā)展具有積極意義。無論是預(yù)防醫(yī)學(xué)相關(guān)技術(shù)發(fā)展還是其內(nèi)容的豐富，均可以豐富醫(yī)學(xué)內(nèi)容與形式，助推醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

2.3預(yù)防醫(yī)學(xué)中基因組NGS技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

近些年NGS技術(shù)在預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛，通過NGS技術(shù)對相關(guān)患者患病危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，為制定相應(yīng)疾病的預(yù)防策略提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。近年來NGS技術(shù)在新生兒疾病篩查、感染性疾病分析等方面應(yīng)用越來越廣泛。劉麗，趙勁松，王丹等人研究中[19]，分析胎兒染色體非整倍體產(chǎn)前篩查應(yīng)用NGS技術(shù)檢測NIPT，每一條染色體的呈現(xiàn)都與其GC含量存在線性關(guān)系，NIPT陽性孕婦中發(fā)現(xiàn)16例21-三體、8例18-三體、1例13-三體、1例20-三體、2例45，X和5例47，XXY、染色體非整倍體檢測的靈敏度為100%。黃暢宇，胡瑞成，張有志等人[20]研究中應(yīng)用二代測序技術(shù)診斷肺結(jié)核病及肺非結(jié)核分枝桿菌病各一例，研究結(jié)果顯示通過NGS分別檢測到結(jié)核分枝桿菌1例及非結(jié)核分枝桿菌1例，NGS有望實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療的目的。近年來關(guān)于NGS技術(shù)在疾病預(yù)防中應(yīng)用的研究越來越多，通過對相關(guān)疾病基因序列特征等進(jìn)行分析，便于患者早鑒別、早治療為患者預(yù)后改善提供必要支持。

3 ?結(jié)束語

綜上所述，NGS技術(shù)近年來取得了新的進(jìn)展，作為第二代基因測序技術(shù)其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在傳染疾病預(yù)防、遺傳疾病預(yù)防等方面NGS技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，值得深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ren Tao， Wang Xiaowen， Hu Yonghua，等. 2016年中國公共衛(wèi)生與預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)研究生培養(yǎng)現(xiàn)狀研究[J]. 中華預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志， 2019， 053（006）：625-627.

[2]田培超，王越，史丹丹，等.二代測序技術(shù)在杜氏肌營養(yǎng)不良癥家系中的分子診斷應(yīng)用[J].中國當(dāng)代兒科雜志， 2019， 21（03）：56-60.

[3]潘衍宇，楊茜，曹麗嬌，等. 2011—2019年33株人源非O157產(chǎn)志賀毒素大腸埃希菌耐藥表型及耐藥相關(guān)基因分析[J].中華預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志， 2021， 55（03）：365-370.

[4]楊旭，楊志玲，譚美，等.厚樸轉(zhuǎn)錄組特征分析及EST-SSR標(biāo)記的開發(fā)[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)， 2019， 33（07）：60-71.

[5]紀(jì)會，王會，柴志欣，等.牦牛不同年齡肌肉組織microRNA表達(dá)譜及生物信息學(xué)分析[J].畜牧獸醫(yī)學(xué)報(bào)， 2019， 50（05）：62-76.

[6]劉銘，劉輝，李娜，等.應(yīng)用高通量測序技術(shù)對我國東海帶魚腸道菌群的研究[J]. 生物技術(shù)進(jìn)展， 2020， v.10（02）：50-55.

[7]李麗莉，孫楠，張文新，等.應(yīng)用二代測序技術(shù)進(jìn)行胚胎植入前遺傳學(xué)篩查及診斷的基本原理[J].中國醫(yī)學(xué)裝備， 2019， v.16（07）：14-21.

[8]張瑞，李金明，王清濤.重視高通量測序技術(shù)臨床應(yīng)用的規(guī)范化[J].中華醫(yī)學(xué)雜志， 2019， 99（43）：3361-3363.

[9]張莉，柳愛華，游園園，等.高通量測序技術(shù)與染色體核型分析技術(shù)在產(chǎn)前診斷中的聯(lián)合應(yīng)用價(jià)值[J].國際醫(yī)藥衛(wèi)生導(dǎo)報(bào)， 2020， 26（09）：1210-1213.

[10]張瑞，李金明，王清濤.重視高通量測序技術(shù)臨床應(yīng)用的規(guī)范化[J].中華醫(yī)學(xué)雜志， 2019， 99（43）：3361-3363.

[11]李麗娟，師書玥，張村宇，等.單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)原理及其應(yīng)用[J].中國畜牧雜志， 2019， 55（02）：20-26.

[12]楊繼勇.高通量測序技術(shù)在感染病原檢測中的應(yīng)用與展望[J].中華檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志， 2020， 43（05）：533-539.

[13]梁晨，段鐘平，鄭素軍.基因測序技術(shù)的選用與檢測報(bào)告解讀[J].實(shí)用肝臟病雜志， 2020， v.23（03）：9-13.

[14]林少華，羅紅霞.下一代測序技術(shù)在乳業(yè)中的應(yīng)用[J].中國乳業(yè)， 2020， No.220（04）：83-87.

[15]尚雪嬌，王玉榮，楊江，等.應(yīng)用Illumina MiSeq高通量測序技術(shù)解析梅干菜中細(xì)菌多樣性[J].中國釀造， 2019， 38（01）：147-151.

[16]金敏.高通量測序技術(shù)在產(chǎn)前診斷中的臨床應(yīng)用[J].中國社區(qū)醫(yī)師， 2019， 035（027）：36-37.

[17]尤俊嶺，趙勁松，王丹，等.高通量測序技術(shù)在孕婦流產(chǎn)組織中的應(yīng)用價(jià)值[J]. 中國優(yōu)生與遺傳雜志， 2019， v.27（10）：51-52+96.

[18]趙煒，李朔，苗艷，等.染色體微陣列和高通量測序技術(shù)在流產(chǎn)胚胎檢測中的應(yīng)用[J].中華醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)雜志， 2019， 36（7）：676-681.

[19]劉麗，趙勁松，王丹，等. NIPT在胎兒染色體非整倍體產(chǎn)前篩查中的應(yīng)用[J].中國優(yōu)生與遺傳雜志， 2019， v.27（11）：50-52.

[20]黃暢宇，胡瑞成，張有志，等.應(yīng)用二代測序技術(shù)診斷肺結(jié)核病及肺非結(jié)核分枝桿菌病各一例并文獻(xiàn)復(fù)習(xí)[J].中國呼吸與危重監(jiān)護(hù)雜志， 2019， 18（01）：27-31.

基金項(xiàng)目：

基于高通量測序的腸道菌群多樣性與高尿酸血癥的相關(guān)性研究（ 寧波市自然科學(xué)編號：2019A610384）