基因組高通量測序技術進展及其在預防醫學中的應用研究

朱學鑫

【摘要】基因學在近幾年得到全面發展，通過對生物基因進行測序分析，進而了解生物生存的秘密，探究生物體出現異變、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，為疾病預防等提供相應的數據參考。高通量測序技術（英文全稱：next-generation sequencing，英文簡稱：NGS）是進行DNA測序的一種新型手段，此種手段屬于“二代測序技術”之中的一種，運用此種技術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進展，以及此項技術在預防醫學中應用進展，希望可以為醫學技術發展提供數據支持。

【關鍵詞】高通量測序技術;基因組;預防醫學;NGS;DNA片段

【中圖分類號】R346 【文獻標識碼】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

人體健康十分復雜，在打造健康體質上需要對多種影響健康的因素進行分析，以便于從多個影響因素中充分運動積極因素、規避消極因素促進健康體質打造，降低生活中出現疾病的概率、延長人的壽命[1]。預防醫學主要研究領域為人體健康打造等，而在人體健康影響因素中遺傳因素所占的比例很高，臨床上有多數疾病的傳播是通過遺傳實現的，且遺傳本身所蘊含的信息十分龐大，通過對這些遺傳信息的分析，對于制定疾病預防等策略具有十分重要的意義[2-3]。NGS技術作為一種基因測序的二代技術，其在基因測序上優勢明顯，通過對其的使用，對于進一步提高疾病預防的質量具有十分重大的意義。

1 ?基因測序技術的發展

1.1第一代基因測序技術

第一代基因測序主要出現在上世界70年代左右，囊括化學裂解法、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雜的特點。（1）化學裂解法。此種基因測序的方法是由GILBERT、MAXAM發明，基因測序的原理為：在DNA組成中，不同片段的堿基是不同，且可以被某些化學試劑所修飾，修飾后的堿基會導致原本相連接脫氧核糖核苷酸的磷酸二酯鍵斷裂出現斷裂，而且使用的化學試劑不同，出現斷裂的堿基也有很大差異，如此便可以在出現斷裂的堿基團上進行標記，之后運用凝膠電泳技術，對DNA不同的片段進行比對，從而獲得相應的基因序列。（2）雙脫氧鏈終止法。此種基因測序方法是上世紀70年代提出，此方法為使用dNTP、ddNTP共同參與到DNA復制，然后由于雙脫氧核糖核苷酸（ddNTP）無法參與到DNA的復制過程中，使用后出現多個復制鏈，對這些出現的復制鏈使用電泳分離后統計相應的DNA序列，獲得基因序列。

1.2第二代基因測序技術

隨著第一代基因測序技術的不斷發展，第二代基因測序技術逐漸得到發展，彌補第一代測序技術應用中操作不便的不足，相應基因測序成本也大大下降，基因測序技術應用逐漸廣泛。（1）Solexa測序技術。在原有基因測序技術基礎上，各種基因測序技術取得全面發展，IIIumina公司推出新一代Solexa測序技術，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行橋式擴增，待擴增結束后對脫氧核糖核苷酸采用熒光標記，并以被擴增的片段為模板進行繼續擴增，以再次通過標記等獲得相應的基因序列。此種基因測序技術可以提高測序精準度，但此種方式對基因進行測序，無法對超出規定長度的基因片段進行測序，制約著此種技術在市面上的廣泛應用[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，完成相應基因測序的目的。SOLID測序應用相對較為簡單，可操作性更強一些[6-8]。（3）454測序。此種測序技術主要借助454測序儀器實現，該類儀器由Roche公司改進而成，是在Sanger法的開發的一種基因測序手段，可以通過將PDNA復制（dNT參與）連接相應的化學信號相連接，進而利用熒光素酶、雙磷酸酶等參與，通過熒光反應情況準確對DNA進行測序，此種技術易于操作、讀長很長，但此種技術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的推廣應用。（4）通量測序技術。傳統通量測序技術借助雙脫氧核苷酸末端終止法，實現對基因序列進行檢測，由Sanger等人發明，應用中測量準確度高、測量快捷，但測序通量低、測序本身反應時間比較長。2005 年Meyer等人在研究中，對原有NGS技術進行創新發展，推出高通量基因組測序系統，進一步助推NGS技術的全面發展，高通量的NGS技術彌補傳統NGS技術的不足，進一步促進NGS技術的普及[9-10]。

1.3 NGS技術應用優勢分析

盡管NGS技術僅為基因測序技術的第二代技術，但此技術應用較為廣泛，有大量的實踐數據，為此技術在醫學、生物等領域得到進一步的發展提供了必要支持。且NGS技術在實際應用中優勢十分明顯。首先，高通量基因組基因測序技術是在傳統的通量基因組基因測序技術基礎上發展起來的技術，其可以通過高通量等方式，彌補傳統通量基因組基因測序技術的不足，在確保測量快捷的同時，有效縮短測量本身反應的時間，進一步提高基因測序的效率，為基因測序相關工程發展提供助力[11]。其次，NGS技術價格低廉。NGS技術作為第二代基因測序技術，與第一代基因測序技術相比已經明顯進步與發展，DNA測序質量更能得到保障，同時此種測試方式經過多年發展，測量所需要的成本大大降低，低廉的測序價格與豐富的實踐應用經驗，為通量測序技術在各領域的全面發展提供助力。再次，NGS技術測序敏感性高。利用此種技術進行基因測序，對于準確鑒別待測生物具體情況具有積極作用，近年來此種技術在醫學領域的應用越來越全面，為提高相關疾病鑒別具有十分重要的意義[12-13]。例如，此種技術可以應用在腦脊液檢測、腫瘤標志物檢測、遺傳疾病篩查等多個方面，為醫學技術的發展提供支持[3]。

2 ?預防醫學概述及重要性

2.1預防醫學概述

預防醫學屬于醫學的主要分支之一，其主要以消滅病害、病害預防研究等為主，預防醫學存在很有必要，通過相應預防醫學知識與技術的應用，增強大眾的體質，培養大眾講衛生的好習慣，并創造與改善利于健康生產、生活的條件等。預防醫學與臨床醫學有很大的差異，前者研究對象主要為人群，是對某一人群健康情況、健康環境等進行研究，重在幫助某一人群養成健康的生活與工作習慣。另外，預防醫學具有自身的特性[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防為主，以塑造健康的人群為主要目標;第三，預防的主要工作重點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系進行探討，以便于制定相應的病害預防策略。

2.2預防醫學重要性

預防醫學作為醫學重要內容，在實際生活中具有十分重要的意義。首先，預防醫學的根本目的為幫助人群打造健康體魄，這與個人生存發展目標高度契合，為預防醫學的全面發展提供助力。預防醫學以塑造健康人群、延長個體壽命為目標，并在這一目標指導下制定相應的措施，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[16-18]。其次，預防醫學屬于醫學重要組成部分，預防醫學的全面發展對于助推醫學的全面發展具有積極意義。無論是預防醫學相關技術發展還是其內容的豐富，均可以豐富醫學內容與形式，助推醫學的發展。

2.3預防醫學中基因組NGS技術應用進展

近些年NGS技術在預防醫學領域中應用越來越廣泛，通過NGS技術對相關患者患病危險因素進行分析，為制定相應疾病的預防策略提供了科學的數據支持。近年來NGS技術在新生兒疾病篩查、感染性疾病分析等方面應用越來越廣泛。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前篩查應用NGS技術檢測NIPT，每一條染色體的呈現都與其GC含量存在線性關系，NIPT陽性孕婦中發現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]研究中應用二代測序技術診斷肺結核病及肺非結核分枝桿菌病各一例，研究結果顯示通過NGS分別檢測到結核分枝桿菌1例及非結核分枝桿菌1例，NGS有望實現精準醫療的目的。近年來關于NGS技術在疾病預防中應用的研究越來越多，通過對相關疾病基因序列特征等進行分析，便于患者早鑒別、早治療為患者預后改善提供必要支持。

3 ?結束語

綜上所述，NGS技術近年來取得了新的進展，作為第二代基因測序技術其在醫學領域中的應用越來越廣泛，尤其是預防醫學領域，在傳染疾病預防、遺傳疾病預防等方面NGS技術的應用前景廣闊，值得深入研究。

參考文獻：

[1]Ren Tao， Wang Xiaowen， Hu Yonghua，等. 2016年中國公共衛生與預防醫學專業研究生培養現狀研究[J]. 中華預防醫學雜志， 2019， 053（006）：625-627.

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

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

[4]楊旭，楊志玲，譚美，等.厚樸轉錄組特征分析及EST-SSR標記的開發[J].核農學報， 2019， 33（07）：60-71.

[5]紀會，王會，柴志欣，等.牦牛不同年齡肌肉組織microRNA表達譜及生物信息學分析[J].畜牧獸醫學報， 2019， 50（05）：62-76.

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

[7]李麗莉，孫楠，張文新，等.應用二代測序技術進行胚胎植入前遺傳學篩查及診斷的基本原理[J].中國醫學裝備， 2019， v.16（07）：14-21.

[8]張瑞，李金明，王清濤.重視高通量測序技術臨床應用的規范化[J].中華醫學雜志， 2019， 99（43）：3361-3363.

[9]張莉，柳愛華，游園園，等.高通量測序技術與染色體核型分析技術在產前診斷中的聯合應用價值[J].國際醫藥衛生導報， 2020， 26（09）：1210-1213.

[10]張瑞，李金明，王清濤.重視高通量測序技術臨床應用的規范化[J].中華醫學雜志， 2019， 99（43）：3361-3363.

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

[12]楊繼勇.高通量測序技術在感染病原檢測中的應用與展望[J].中華檢驗醫學雜志， 2020， 43（05）：533-539.

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

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

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

[16]金敏.高通量測序技術在產前診斷中的臨床應用[J].中國社區醫師， 2019， 035（027）：36-37.

[17]尤俊嶺，趙勁松，王丹，等.高通量測序技術在孕婦流產組織中的應用價值[J]. 中國優生與遺傳雜志， 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在流產胚胎檢測中的應用[J].中華醫學遺傳學雜志， 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前篩查中的應用[J].中國優生與遺傳雜志， 2019， v.27（11）：50-52.

[20]黃暢宇，胡瑞成，張有志，等.應用二代測序技術診斷肺結核病及肺非結核分枝桿菌病各一例并文獻復習[J].中國呼吸與危重監護雜志， 2019， 18（01）：27-31.

基金項目：

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