[论文解读] The evolution of next-generation sequencing technologies

O.G. Akintunde, Trichina Tucker+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2023

Genetics, Bioinformatics, and Biomedical Research被引用 7

一句话总结

本文追溯了从早期桑格测序到现代高通量平台的下一代测序（NGS）技术的历史演变，详细阐述了荧光染料、PCR扩增和自动化系统等技术进步。这些创新使快速、低成本的DNA测序成为可能，推动了基因组学、生物技术和医疗保健领域的进展，且在准确性和可扩展性方面仍具有进一步提升的潜力。

ABSTRACT

The genetic information that dictates the structure and function of all life forms is encoded in the DNA. In 1953, Watson and Crick first presented the double helical structure of a DNA molecule. Their findings unearthed the desire to elucidate the exact composition and sequence of DNA molecules. Discoveries and the subsequent development and optimization of techniques that allowed for deciphering the DNA sequence has opened new doors in research, biotech, and healthcare. The application of high-throughput sequencing technologies in these industries has positively impacted and will continue to contribute to the betterment of humanity and the global economy. Improvements, such as the use of radioactive molecules for DNA sequencing to the use of florescent dyes and the implementation of polymerase chain reaction (PCR) for amplification, led to sequencing a few hundred base pairs in days, to automation, where sequencing of thousands of base pairs in hours became possible. Significant advances have been made, but there is still room for improvement. Here, we look at the history and the technology of the currently available next-generation sequencing platforms and the possible applications of such technologies to biomedical research and beyond.

研究动机与目标

• 系统记录从20世纪50年代至今DNA测序技术的时序发展历程。
• 分析推动测序从低通量向高通量转变的关键技术里程碑。
• 评估PCR、荧光标记和自动化等关键技术在提升测序速度和可扩展性方面的作用。
• 考察当前NGS平台的现状及其在生物医学研究和产业中的应用。
• 识别现有NGS技术的局限性及未来提升准确度、成本和可及性的方向。

提出的方法

• 系统回顾1950年至2023年DNA测序技术发展与技术演进的历史与技术文献。
• 分析关键技术转型：从放射性标记到荧光染料，以及从人工操作到自动化测序。
• 考察PCR在DNA扩增中的整合，以提升灵敏度和通量。
• 基于测序合成法、连接测序法及其他核心技术方法，评估现代NGS平台。
• 综合分析各代测序技术在测序速度、读长和成本降低趋势方面的数据。
• 利用已发表的文献和技术报告，绘制NGS平台及其应用的演进路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 从桑格测序到下一代测序平台的转变是如何发生的？其关键技术驱动力是什么？
• RQ2 PCR扩增和荧光标记在提升测序通量和降低成本方面发挥了什么作用？
• RQ3 主要NGS平台之间的核心技术差异是什么？它们如何影响测序性能？
• RQ4 NGS技术如何改变了生物医学研究、生物技术和临床应用？
• RQ5 当前NGS技术仍存在哪些局限性？未来需要哪些改进？

主要发现

• 从放射性标记转向荧光标记显著提升了检测灵敏度，并实现了测序的自动化。
• PCR的整合使得目标DNA得以扩增，增强了信号检测能力，使高通量测序成为可能。
• 测序合成法等NGS方法的进步使数千个碱基对的测序可在数小时内完成，而早期方法则需数天。
• 高通量NGS平台大幅降低了全基因组测序所需的时间和成本，加速了科研与临床应用的进展。
• 尽管已取得显著进展，但在准确性、读长和错误率方面仍存在挑战，尤其是在长读长和单分子测序中。
• NGS技术持续推动基因组学、生物技术和个性化医疗的创新，对全球健康和经济具有广泛影响。