高通量測序技術(shù)新名詞的理解和辨析

王海

摘 要：高通量測序是指能一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA分子進(jìn)行序列測定的技術(shù)。高通量測序迅猛發(fā)展，已成為全球生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)。由此衍生的新科技術(shù)語也不斷出現(xiàn)。而規(guī)范統(tǒng)一的定名有助于科技成果的快速推廣。文章從測序技術(shù)的發(fā)展歷史進(jìn)行闡述，著重對高通量測序技術(shù)一詞進(jìn)行分析，并對其領(lǐng)域內(nèi)主要的專業(yè)術(shù)語進(jìn)行了歸納和解釋。

關(guān)鍵詞：高通量測序技術(shù)，新名詞

中圖分類號：N04；Q34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2017.04.010

Abstract： Highthroughput sequencing is a technique that has capable of sequencing multiple DNA molecules in parallel， enabling hundreds of millions of DNA molecules to be sequenced at a time. With the rapid development of highthroughput sequencing， it has become a hot field in life sciences， and appeared some novel terms. This article expounds the development history of sequencing technology， analyzes the term “highthroughput sequencing technology”， and explains related main technical terms in this field.

Keywords： highthroughput sequencing， novel terms

引 言

科技術(shù)語是科學(xué)技術(shù)研究中的專用名詞，它所代表的意義必須力求準(zhǔn)確統(tǒng)一，只有這樣才符合科學(xué)研究中要求的嚴(yán)格性與嚴(yán)密性?？萍夹g(shù)語的混亂，會(huì)影響科技工作者之間的交流，因此科技術(shù)語的統(tǒng)一和規(guī)范化，對學(xué)科知識的傳播與交流、新理論的建立、新學(xué)科的開拓、最新信息的交流、科技成果推廣等方面都至關(guān)重要[1]。

高通量測序（highthroughput sequencing）是指能一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA分子進(jìn)行序列測定的技術(shù)。在21世紀(jì)初被國外生物公司首次開發(fā)，繼而迅速在全球范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，它能夠幫助科研人員解決許多生物學(xué)問題，深入研究各物種的基因組結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)、調(diào)控等，更透徹地解密“生命密碼”。比如在基因組水平上對還沒有參考序列的物種進(jìn)行從頭測序（de novo sequencing），獲得該物種的參考序列；在轉(zhuǎn)錄組水平上進(jìn)行mRNA測序（mRNA sequencing），從而開展差異基因表達(dá)分析、可變剪切分析等研究；從表觀遺傳學(xué)的角度，研究DNA、RNA、蛋白質(zhì)間相互作用或染色質(zhì)構(gòu)象的測序技術(shù)， 進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等方面的研究。

“高通量測序”一詞已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的研究，通過測序技術(shù)得到的基因組數(shù)據(jù)庫、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫等眾多數(shù)據(jù)庫，對生命現(xiàn)象的研究起著至關(guān)重要的作用。因此以高通量測序?yàn)榛A(chǔ)發(fā)展出許多新名詞，對這些新名詞的規(guī)范命名和正確的理解，能夠有效地促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的傳播，進(jìn)而推動(dòng)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

一 測序技術(shù)的發(fā)展歷史

眾所周知，生物的遺傳信息是由DNA序列決定的，4種堿基A、T、C、G的排列方式?jīng)Q定了生物的形態(tài)、生長發(fā)育、疾病等種種特征。DNA序列的異常也將引起各種各樣的疾病。那么某一個(gè)物種的DNA序列究竟是什么，如何得到該物種完整的DNA序列，如何破解“生命密碼”，就成為20世紀(jì)70年代生命科學(xué)研究領(lǐng)域的熱門課題。

1977年，英國生物化學(xué)家桑格（F. Sanger）和庫森（A.R.Coulson）創(chuàng)建了第一代測序技術(shù)，通過DNA雙脫氧鏈終止法，成功得到噬菌體X174的全部基因組序列，全長5374個(gè)堿基。該方法使用能在DNA模板鏈上互補(bǔ)參入?yún)s不能延伸的四種雙脫氧核苷三磷酸（ddNTP）與正常的四種脫氧核苷三磷酸（dNTP）競爭，合成的互補(bǔ)鏈可以在任何位置終止，獲得長短不一的反應(yīng)產(chǎn)物，通過電泳分離，從四條泳道上的條帶順序就能讀出DNA的序列。這一技術(shù)可以對樣品直接進(jìn)行測序，不需提前了解其遺傳背景，有較高的準(zhǔn)確性，因此快速成為當(dāng)時(shí)最常用的基因測序技術(shù)，并命名為“桑格-庫森法”（SangerCoulson method），也成為第一代測序技術(shù)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著生命科學(xué)的研究進(jìn)入了基因組時(shí)代。人類基因組計(jì)劃（human genome project，HGP）就是用該技術(shù)完成的。

全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定公布的《遺傳學(xué)名詞》（2007年）、《生物化學(xué)與分子生物學(xué)名詞》（2008年）、《細(xì)胞生物學(xué)名詞》（2009年）中，均將第一代測序技術(shù)命名為“桑格-庫森法”（SangerCoulson method），定義是“以2，3-雙脫氧核苷三磷酸為底物，快速測定DNA中核苷酸序列的方法”。而某些網(wǎng)站或期刊，仍使用“桑格法”“Sanger 法”“Sanger 法測序”等不規(guī)范、不統(tǒng)一的名稱。

隨著科技的發(fā)展，到21世紀(jì)初，“桑格-庫森法”（SangerCoulson method）的第一代測序技術(shù)已不能滿足科研人員的要求，科研人員需要一種通量更大、速度更快、成本更低、靈敏度更高、準(zhǔn)確度更高的新的測序技術(shù)，來滿足日益增長的科研需求，第二代測序技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，它不同于第一代的測序原理，采用的是邊合成邊測序（或邊連接邊測序）（sequencing by synthesis， SBL）的原理，即以四種標(biāo)記不同熒光染料的堿基（dNTP）為底物，待檢測樣品的單鏈DNA為模板，模擬DNA復(fù)制的過程。復(fù)制中，檢測與模板DNA鏈結(jié)合的堿基上包含的熒光染料信號，從而獲得DNA模板的序列[2]。該方法帶來了革命性的改變，具有高通量、高效率、低成本等特點(diǎn)，其中尤以高通量特點(diǎn)最為顯著，因此產(chǎn)生一個(gè)新的科技名詞“高通量測序”，該技術(shù)的誕生對基因組學(xué)的研究具有劃時(shí)代的意義。

近年來，為了更精確、更有效地挖掘DNA的序列信息，研究人員研發(fā)出一個(gè)新的測序技術(shù)，即單分子測序（single molecule sequencing）?；趩畏肿铀降倪吅铣蛇厹y序，具有超長讀長、不需要模板擴(kuò)增、運(yùn)行時(shí)間短、直接檢測表觀修飾位點(diǎn)等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了第二代測序讀長短、易受GC（鳥嘌呤和胞嘧啶）含量影響等局限性。所以該技術(shù)剛出現(xiàn)，就受到廣大科研人員的熱烈歡迎，并視此技術(shù)為第三代測序[3]。因此該技術(shù)正處于發(fā)展階段，商業(yè)化的測序儀還比較少，相信隨著科技的不斷發(fā)展，該技術(shù)會(huì)逐漸走向成熟和多元化。

雖然測序技術(shù)已發(fā)展到第三代，但并不意味著第一代和第二代測序技術(shù)已被淘汰，相反，每一代的測序技術(shù)都有其特點(diǎn)，現(xiàn)在依然在其各自領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，比如用于親子鑒定的3130儀器，就是基于第一代測序技術(shù)原理；第二代測序技術(shù)以其高通量、低成本的特點(diǎn)，仍然活躍在各類DNA、RNA測序以及各種表觀修飾的研究中；第三代測序技術(shù)則憑借其當(dāng)仁不讓的讀長優(yōu)勢，在基因組測序、全長轉(zhuǎn)錄本測序中獨(dú)占鰲頭。

二 “高通量測序”名詞的理解和辨析

由于高通量測序（highthroughput sequencing）技術(shù)的發(fā)展太快，以至于還沒有對其給出準(zhǔn)確統(tǒng)一的中文定名，這就導(dǎo)致對“高通量測序”名詞的使用出現(xiàn)了混亂。

在高通量測序技術(shù)應(yīng)用階段之初，由于其給生命科學(xué)的研究帶來了革命性的改變，大量文獻(xiàn)進(jìn)行了宣傳報(bào)道，其中許多將高通量測序，又稱為“第二代測序”或“新一代測序”“下一代測序”（nextgeneration sequencing，NGS）等，甚至有些文章將“第二代測序”“新一代測序”或“下一代測序”作為正稱使用，這也比較符合當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展要求?？v觀測序技術(shù)的發(fā)展歷史，繼第一代測序技術(shù)之后，美國應(yīng)用生物系統(tǒng)公司（ABI）、羅氏（Roche）公司和Illumina公司相繼研發(fā)出與第一代截然不同的測序技術(shù)，并利用各自獨(dú)特的測序技術(shù)推出了Solid、454和Solexa三種測序平臺，也是第二代測序中最主流的三種測序平臺。這些不同的測序平臺都具有高通量、高效率、低成本等特點(diǎn)，故被通稱為“高通量測序”，開創(chuàng)了第二代測序技術(shù)。當(dāng)時(shí)，由于這個(gè)新的測序技術(shù)過于高端和前沿，只有這三個(gè)公司才具有能力提供這種“高通量測序”技術(shù)，處于壟斷階段。所以在很長一段時(shí)間，高通量測序都代表著第二代測序，或者是下一代的測序。

但是隨著測序技術(shù)的迅猛發(fā)展，很快就出現(xiàn)了第三代測序技術(shù)，“高通量測序”的名稱就容易產(chǎn)生誤解，因?yàn)榈谌鷾y序技術(shù)的通量也很大，此時(shí)，“高通量測序”并不能特指第二代測序?！靶乱淮鷾y序”“下一代測序”的命名更不符合“科技名詞不宜使用時(shí)效性詞匯”的原則。某些不規(guī)范的名詞隨著科技的發(fā)展，會(huì)越來越阻礙科技信息的傳播。

全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)在2015年生物物理學(xué)名詞預(yù)公布中，對“highthroughput sequencing”給出規(guī)范的中文定名“高通量測序”，定義是“能一次并行對幾十萬到幾百萬條DNA分子進(jìn)行序列測定的技術(shù)”。那么，只要檢測的DNA分子量超過幾十萬，都可以是高通量測序，因此高通量測序包含第二代測序和第三代測序。在使用上，應(yīng)正確理解其所指代的范圍，把第二代測序和高通量測序加以區(qū)分。而“新一代測序”“下一代測序”等曾經(jīng)特指第二代測序的名詞，如出現(xiàn)在當(dāng)下則會(huì)引起歧義，屬于不規(guī)范名詞，不推薦使用。

三 高通量測序技術(shù)其他新名詞的理解

為滿足科研人員對生命科學(xué)領(lǐng)域不同角度的研究，高通量測序技術(shù)也發(fā)展出許多不同目的的測序技術(shù)，有的應(yīng)用于基因組的研究，有的應(yīng)用于轉(zhuǎn)錄組的研究等。這些技術(shù)發(fā)展之快，讓人應(yīng)接不暇，許多新的科技名詞如雨后春筍般涌現(xiàn)，對這些新名詞的正確認(rèn)識有助于科技知識的傳播。比如：

全基因組測序（whole genome sequencing， WGS）：利用高通量測序技術(shù)，檢測并獲得細(xì)胞或組織中全部染色體中DNA的序列。用于研究未知基因組的序列、不同個(gè)體基因組的差異等。

外顯子測序（whole exon sequencing）：利用序列捕獲技術(shù)捕獲并富集細(xì)胞或組織基因組中所有外顯子區(qū)域DNA，經(jīng)高通量測序技術(shù)得到其所有的序列。用于研究已知基因的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)、插入缺失位點(diǎn)等，不適合用于研究基因組結(jié)構(gòu)的變異。

mRNA測序（mRNA sequencing， mRNAseq）：從細(xì)胞或組織中提取其所有的信使RNA（mRNA），通過高通量測序技術(shù)得到其所有的序列。用于研究某特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織中的轉(zhuǎn)錄組變化，比如差異基因表達(dá)分析、可變剪切分析等。

微RNA測序（microRNA sequencing， miRNAseq）：從細(xì)胞或組織中提取其所有的微RNA（microRNA），通過高通量測序技術(shù)得到其所有的序列。用于研究某特定狀態(tài)下的細(xì)胞或組織中的微RNA的差異表達(dá)、尋找其作用的靶點(diǎn)mRNA，以及發(fā)現(xiàn)新的微RNA等。

從頭測序（de novo sequencing）：不需要任何已有的序列資料對某個(gè)物種進(jìn)行的測序。利用生物信息學(xué)分析方法對序列進(jìn)行拼接、組裝，從而獲得該物種的基因組圖譜。應(yīng)用于從頭分析未知物種的基因組序列、基因組成、進(jìn)化特點(diǎn)等。

基因組重測序（genome resequencing）：對基因組序列已知的物種進(jìn)行不同個(gè)體的基因組測序。用于分析不同個(gè)體間基因組的差異，如發(fā)現(xiàn)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)、插入缺失位點(diǎn)、結(jié)構(gòu)變異位點(diǎn)和拷貝數(shù)變異位點(diǎn)等。

單細(xì)胞測序（single cell sequencing）：利用單細(xì)胞基因組擴(kuò)增技術(shù)，通過高通量測序技術(shù)，得到單個(gè)細(xì)胞中所有的基因組、轉(zhuǎn)錄組等序列的技術(shù)。能夠揭示該細(xì)胞內(nèi)整體水平的基因表達(dá)狀態(tài)和基因結(jié)構(gòu)信息，準(zhǔn)確反映細(xì)胞間的異質(zhì)性，深入理解其基因型和表型之間的相互關(guān)系。

染色質(zhì)免疫沉淀測序（chromatin immunoprecipitation sequencing， ChIPseq）：一類將染色質(zhì)免疫沉淀（chromatin immunoprecipitation， ChIP）與高通量測序相結(jié)合，用以高效地在全基因組范圍內(nèi)研究細(xì)胞或組織中蛋白質(zhì)和DNA相互作用的技術(shù)?？捎糜跈z測轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)、組蛋白特異性修飾位點(diǎn)等。

RNA免疫沉淀測序（RNA immunoprecipitation sequencing， RIPseq）：一類將免疫沉淀與高通量測序相結(jié)合，用以高效地在全基因組范圍內(nèi)研究細(xì)胞或組織中蛋白質(zhì)和RNA相互作用的技術(shù)。可用于發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、miRNA調(diào)節(jié)靶點(diǎn)等。

環(huán)狀染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（circular chromosome conformation capture， 4C）：又稱“芯片染色質(zhì)構(gòu)象捕獲”（chromosome conformation captureonchip）?；谌旧w構(gòu)象捕獲（chromosome conformation capture， 3C）發(fā)展而來。染色體構(gòu)象捕獲（3C）是一種檢測DNA間是否存在相互作用的技術(shù)，用以分析染色質(zhì)的空間構(gòu)象。4C是將3C和芯片技術(shù)相結(jié)合，在全基因組范圍內(nèi)研究DNA間相互作用的技術(shù)。

3C碳拷貝（3Ccarbon copy， 5C）：基于染色體構(gòu)象捕獲（3C）工作原理，結(jié)合連接介導(dǎo)的擴(kuò)增（ligationmediated amplification， LMA），實(shí)現(xiàn)大通量檢測DNA間相互作用的技術(shù)。

高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（HiC）：染色體構(gòu)象捕獲（3C）和高通量測序技術(shù)相結(jié)合的用以高通量檢測DNA間相互作用的技術(shù)。是目前對測序量要求最高的一種技術(shù)。由于該技術(shù)是近幾年高速發(fā)展起來的，且廣泛應(yīng)用，在研究人員中只廣泛采用其英文縮寫名“HiC”，尚未有成熟的中文定名，此處是筆者根據(jù)全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)《科技名詞審定原則與方法》給出的中文名，僅供參考。

RNA純化染色質(zhì)分離高通量測序 （ chromatin isolation by RNA purification， CHIRPSeq）：一種在全基因組水平上檢測與RNA綁定的DNA和蛋白的高通量測序方法。

紫外交聯(lián)免疫沉淀結(jié)合高通量測序（crosslinkingimmunprecipitation and highthroughput sequencing， CLIPseq）：利用高通量測序技術(shù)，在全基因組水平上檢測細(xì)胞或組織中RNA分子與RNA結(jié)合蛋白相互作用的技術(shù)。

亞硫酸氫鹽測序（bisulfite sequencing， BSSeq）：利用高通量測序技術(shù)，檢測細(xì)胞或組織中全部染色體DNA上甲基化修飾情況的技術(shù)。通過分析不同樣品之間的甲基化差異，可研究DNA甲基化水平對基因表達(dá)的調(diào)控。

文庫標(biāo)簽（index）：測序樣品為混合樣本時(shí)，為區(qū)分不同樣品而添加不同的標(biāo)簽。用于鑒別測序樣品。

堿基質(zhì)量值（quality score， Qscore）：堿基識別（base calling）出錯(cuò)的概率的整數(shù)映射。公式是：Q-score=-10×log10P，式中P為堿基識別出錯(cuò)的概率。堿基質(zhì)量值越高表明堿基識別越可靠，堿基測錯(cuò)的可能性越小。

上述新名詞已在生物學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究人員中廣泛應(yīng)用，但是仍有許多新的名詞還沒有給出準(zhǔn)確的中文定名，只能應(yīng)用英文名詞或英文簡稱，如HiC、RPKM，這需要科技工作者與術(shù)語研究者密切聯(lián)系，共同關(guān)注新科技名詞的命名。

四 結(jié) 語

幾千年來，人們對“生命奧秘”的探索從未停息，測序技術(shù)的發(fā)展也不會(huì)止步于此，可能在不久的將來，第四代、第五代等測序技術(shù)也將應(yīng)運(yùn)而生。在此過程中，每出現(xiàn)新的科技術(shù)語，伴隨而來的科學(xué)命名都非常重要。規(guī)范統(tǒng)一的定名，準(zhǔn)確簡單的名稱能夠快速地推動(dòng)新技術(shù)的傳播，方便最新信息的交流，也將為日后先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與推廣奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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