
AOCS 0306-C4 was prepared from maize genomic DNA extracted from clean non-modified maize leaves provided byBASF Agricultural Solutions Seed US LLC. AOCS 0306-C4 is available in sterile, 0.5 ml skirted, screw-cap, self-sealing tubes containing approximately 10 µg extracted DNA.
Additional Details: 0306C4 Certificate | 0306C4 Report | A2LA Scope
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2016年02月01日发布
关于公布注册检验用体外诊断试剂国家标准品和参考品目录的通知
为配合《体外诊断试剂注册管理办法》(国家食品药品监督管理总局令第5号)的实施执行,现将供注册检验用体外诊断试剂国家标准品和参考品形成目录,公布如下。
注册检验用体外诊断试剂国家标准品和参考品目录(第一期)
序号名称品种编号供应情况1促甲状腺素(TSH)免疫测定用国家标准品150530正常供应2促黄体生成素(LH)免疫测定用国家标准品1505313人绒毛膜促性腺激素β亚单位(hCG-β)免疫测定用国家标准品1505354人胎盘泌乳素(HPL)免疫测定用国家标准品1505365甲胎蛋白(AFP)免疫测定用国家标准物质1505426前列腺特异性抗原(PSA)免疫测定用国家标准物质1505437游离前列腺特异性抗原(f-PSA)免疫测定用国家标准品1505448三碘甲腺原氨酸(T3)免疫测定用国家标准品1505509甲状腺素(T4)免疫测定用国家标准品15055110反三碘甲腺原氨酸(rT3)免疫测定用国家标准品15055211胰高血糖素(Glucagon)免疫测定用国家标准品15055412人绒毛膜促性腺激素(HCG)免疫测定用国家标准品15055513淋病PCR试剂盒质控参考品21001514结核分支杆菌PCR检测试剂盒用国家参考品23003015结核分支杆菌利福平耐药基因检测试剂用国家参考品23003316结核分枝杆菌异烟肼耐药基因检测试剂用国家参考品23003417测序仪性能评价用脱氧核糖核酸国家参考品36000718人脲原体核酸检测国家参考品36000919第一代H7N9禽流感病毒核酸参考品37000120EB病毒衣壳抗原IgA抗体国家参考品37000221甲型流感病毒抗原检测试剂国家参考品37000322乙型流感病毒抗原检测试剂国家参考品37000423甲/乙型流感病毒核酸检测试剂国家参考品37000624扎伊尔型埃博拉病毒核酸检测试剂国家参考品37001025甲型流感病毒核酸检测试剂国家参考品37001126乙型流感病毒核酸检测试剂国家参考品37001227甲/乙型流感病毒抗原检测试剂国家参考品37001328甲型H1N1流感病毒核酸检测试剂国家参考品37001429抗HTLV抗体国家参考品220003限制供应,每企业只供应2套/年30HIV抗体国家参考品22000931SARS病毒抗体IgM国家参考品22001032SARS病毒抗体(总抗体或IgG)国家参考品22001133HIV-1RNA国家参考品22001734HIV-1耐药性分析试剂国家参考品22001835HIV抗体尿液快速检测试剂国家参考品22002036乙型肝炎病毒表面抗原(HBsAg)国家参考品30000337乙型肝炎病毒e抗原(HBeAg)国家参考品30000538乙型肝炎病毒e抗体(HBeAb)国家参考品30000639乙型肝炎病毒核心抗体(Anti-HBcAb)国家参考品30000740戊型肝炎病毒IgM抗体国家参考品30001141戊型肝炎病毒IgG抗体国家参考品30001442丙型肝炎病毒抗体国家参考品300010限制供应,每企业只供应1套/年
注:1.相关品种电子版说明书可到中国食品药品检定研究院网站http://www.nifdc.org.cn/bzwz/CL0481/,点击目录查询,进行在线浏览。
2.限制供应是指仅供给相关体外诊断试剂生产企业。
二〇一六年二月一日
摘要:从1977年第一代DNA测序技术(Sanger法)1,发展至今三十多年时间,测序技术已取得了相当大的发展,从第一代到第三代乃至第四代,测序读长从长到短,再从短到长。虽然就当前形势看来第二代短读长测序技术在全球测序市场上仍然占有着绝对的优势位置,但第三和第四代测序技术也已在这一两年的时间中快速发展着。测序技术的每一次变革,也都对基因组研究,疾病医疗研究,药物研发,育种等领域产生巨大的推动作用。在这里我主要对当前的测序技术以及它们的测序原理做一个简单的小结。
图1:测序技术的发展历程
生命体遗传信息的快速获得对于生命科学的研究有着十分重要的意义。以上(图1)所描述的是自沃森和克里克在1953年建立DNA双螺旋结构以来,整个测序技术的发展历程。
第一代测序技术
第一代DNA测序技术用的是1975年由桑格(Sanger)和考尔森(Coulson)开创的链终止法或者是1976-1977年由马克西姆(Maxam)和吉尔伯特(Gilbert)发明的化学法(链降解).并在1977年,桑格测定了第一个基因组序列,是噬菌体X174的,全长5375个碱基1。自此,人类获得了窥探生命遗传差异本质的能力,并以此为开端步入基因组学时代。研究人员在Sanger法的多年实践之中不断对其进行改进。在2001年,完成的首个人类基因组图谱就是以改进了的Sanger法为其测序基础,Sanger法核心原理是:由于ddNTP的2’和3’都不含羟基,其在DNA的合成过程中不能形成磷酸二酯键,因此可以用来中断DNA合成反应,在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP(分为:ddATP,ddCTP,ddGTP和ddTTP),通过凝胶电泳和放射自显影后可以根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列(图2)。这个网址为sanger测序法制作了一个小短片,形象而生动。
值得注意的是,就在测序技术起步发展的这一时期中,除了Sanger法之外还出现了一些其他的测序技术,如焦磷酸测序法、链接酶法等。其中,焦磷酸测序法是后来Roche公司454技术所使用的测序方法2–4,而连接酶测序法是后来ABI公司SOLID技术使用的测序方法2,4,但他们的共同核心手段都是利用了Sanger1中的可中断DNA合成反应的dNTP。
图2:Sanger法测序原理
第二代测序技术
总的说来,第一代测序技术的主要特点是测序读长可达1000bp,准确性高达99.999%,但其测序成本高,通量低等方面的缺点,严重影响了其真正大规模的应用。因而第一代测序技术并不是最理想的测序方法。经过不断的技术开发和改进,以Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa,Hiseq技术和ABI公司的Solid技术为标记的第二代测序技术诞生了。第二代测序技术大大降低了测序成本的同时,还大幅提高了测序速度,并且保持了高准确性,以前完成一个人类基因组的测序需要3年时间,而使用二代测序技术则仅仅需要1周,但在序列读长方面比起第一代测序技术则要短很多。表1和图3对第一代和第二代测序技术各自的特点以及测序成本作了一个简单的比较5,以下我将对这三种主要的第二代测序技术的主要原理和特点作一个简单的介绍。
图3.测序成本的变化
Illumine
Illumina公司的Solexa和Hiseq应该说是目前全球使用量最大的第二代测序机器,这两个系列的技术核心原理是相同的2,4。这两个系列的机器采用的都是边合成边测序的方法,它的测序过程主要分为以下4步,如图4.
(1)DNA待测文库构建
利用超声波把待测的DNA样本打断成小片段,目前除了组装之外和一些其他的特殊要求之外,主要是打断成200-500bp长的序列片段,并在这些小片段的两端添加上不同的接头,构建出单链DNA文库。
(2)Flowcell
Flowcell是用于吸附流动DNA片段的槽道,当文库建好后,这些文库中的DNA在通过flowcell的时候会随机附着在flowcell表面的channel上。每个Flowcell有8个channel,每个channel的表面都附有很多接头,这些接头能和建库过程中加在DNA片段两端的接头相互配对(这就是为什么flowcell能吸附建库后的DNA的原因),并能支持DNA在其表面进行桥式PCR的扩增。
(3)桥式PCR扩增与变性
桥式PCR以Flowcell表面所固定的接头为模板,进行桥形扩增,如图4.a所示。经过不断的扩增和变性循环,最终每个DNA片段都将在各自的位置上集中成束,每一个束都含有单个DNA模板的很多分拷贝,进行这一过程的目的在于实现将碱基的信号强度放大,以达到测序所需的信号要求。
(4)测序
测序方法采用边合成边测序的方法。向反应体系中同时添加DNA聚合酶、接头引物和带有碱基特异荧光标记的4中dNTP(如同Sanger测序法)。这些dNTP的3’-OH被化学方法所保护,因而每次只能添加一个dNTP。在dNTP被添加到合成链上后,所有未使用的游离dNTP和DNA聚合酶会被洗脱掉。接着,再加入激发荧光所需的缓冲液,用激光激发荧光信号,并有光学设备完成荧光信号的记录,最后利用计算机分析将光学信号转化为测序碱基。这样荧光信号记录完成后,再加入化学试剂淬灭荧光信号并去除dNTP3’-OH保护基团,以便能进行下一轮的测序反应。Illumina的这种测序技术每次只添加一个dNTP的特点能够很好的地解决同聚物长度的准确测量问题,它的主要测序错误来源是碱基的替换,目前它的测序错误率在1%-1.5%之间,测序周期以人类基因组重测序为例,30x测序深度大约为1周。
图4.Illumina测序流程
Roche454
Roche454测序系统是第一个商业化运营二代测序技术的平台。它的主要测序原理是(图5abc)2:
(1)DNA文库制备
454测序系统的文件构建方式和illumina的不同,它是利用喷雾法将待测DNA打断成300-800bp长的小片段,并在片段两端加上不同的接头,或将待测DNA变性后用杂交引物进行PCR扩增,连接载体,构建单链DNA文库(图5a)。
(2)EmulsionPCR(乳液PCR,其实是一个注水到油的独特过程)
454当然DNA扩增过程也和illumina的截然不同,它将这些单链DNA结合在水油包被的直径约28um的磁珠上,并在其上面孵育、退火。
乳液PCR最大的特点是可以形成数目庞大的独立反应空间以进行DNA扩增。其关键技术是“注水到油”(水包油),基本过程是在PCR反应前,将包含PCR所有反应成分的水溶液注入到高速旋转的矿物油表面,水溶液瞬间形成无数个被矿物油包裹的小水滴。这些小水滴就构成了独立的PCR反应空间。理想状态下,每个小水滴只含一个DNA模板和一个磁珠。
这些被小水滴包被的磁珠表面含有与接头互补的DNA序列,因此这些单链DNA序列能够特异地结合在磁珠上。同时孵育体系中含有PCR反应试剂,所以保证了每个与磁珠结合的小片段都能独立进行PCR扩增,并且扩增产物仍可以结合到磁珠上。当反应完成后,可以破坏孵育体系并将带有DNA的磁珠富集下来。进过扩增,每个小片段都将被扩增约100万倍,从而达到下一步测序所要求的DNA量。
(3)焦磷酸测序
测序前需要先用一种聚合酶和单链结合蛋白处理带有DNA的磁珠,接着将磁珠放在一种PTP平板上。这种平板上特制有许多直径约为44um的小孔,每个小孔仅能容纳一个磁珠,通过这种方法来固定每个磁珠的位置,以便检测接下来的测序反应过程。
测序方法采用焦磷酸测序法,将一种比PTP板上小孔直径更小的磁珠放入小孔中,启动测序反应。测序反应以磁珠上大量扩增出的单链DNA为模板,每次反应加入一种dNTP进行合成反应。如果dNTP能与待测序列配对,则会在合成后释放焦磷酸基团。释放的焦磷酸基团会与反应体系中的ATP硫酸化学酶反应生成ATP。生成的ATP和荧光素酶共同氧化使测序反应中的荧光素分子并发出荧光,同时由PTP板另一侧的CCD照相机记录,最后通过计算机进行光信号处理而获得最终的测序结果。由于每一种dNTP在反应中产生的荧光颜色不同,因此可以根据荧光的颜色来判断被测分子的序列。反应结束后,游离的dNTP会在双磷酸酶的作用下降解ATP,从而导致荧光淬灭,以便使测序反应进入下一个循环。由于454测序技术中,每个测序反应都在PTP板上独立的小孔中进行,因而能大大降低相互间的干扰和测序偏差。454技术最大的优势在于其能获得较长的测序读长,当前454技术的平均读长可达400bp,并且454技术和illumina的Solexa和Hiseq技术不同,它最主要的一个缺点是无法准确测量同聚物的长度,如当序列中存在类似于PolyA的情况时,测序反应会一次加入多个T,而所加入的T的个数只能通过荧光强度推测获得,这就有可能导致结果不准确。也正是由于这一原因,454技术会在测序过程中引入插入和缺失的测序错误。
图5.Roche454测序流程
Solid技术
Solid测序技术是ABI公司于2007年开始投入用于商业测序应用的仪器。它基于连接酶法,即利用DNA连接酶在连接过程之中测序(图6)2,4。它的原理是:
图6-a.Solid测序技术
(1)DNA文库构建
片段打断并在片段两端加上测序接头,连接载体,构建单链DNA文库。
(2)EmulsionPCR
Solid的PCR过程也和454的方法类似,同样采用小水滴emulsionPCR,但这些微珠比起454系统来说则要小得多,只有1um。在扩增的同时对扩增产物的3’端进行修饰,这是为下一步的测序过程作的准备。3’修饰的微珠会被沉积在一块玻片上。在微珠上样的过程中,沉积小室将每张玻片分成1个、4个或8个测序区域(图6-a)。Solid系统最大的优点就是每张玻片能容纳比454更高密度的微珠,在同一系统中轻松实现更高的通量。
(3)连接酶测序
这一步是Solid测序的独特之处。它并没有采用以前测序时所常用的DNA聚合酶,而是采用了连接酶。Solid连接反应的底物是8碱基单链荧光探针混合物,这里将其简单表示为:3’-XXnnnzzz-5’。连接反应中,这些探针按照碱基互补规则与单链DNA模板链配对。探针的5’末端分别标记了CY5、TexasRed、CY3、6-FAM这4种颜色的荧光染料(图6-a)。这个8碱基单链荧光探针中,第1和第2位碱基(XX)上的碱基是确定的,并根据种类的不同在6-8位(zzz)上加上了不同的荧光标记。这是Solid的独特测序法,两个碱基确定一个荧光信号,相当于一次能决定两个碱基。这种测序方法也称之为两碱基测序法。当荧光探针能够与DNA模板链配对而连接上时,就会发出代表第1,2位碱基的荧光信号,图6-a和图6-b中的比色版所表示的是第1,2位碱基的不同组合与荧光颜色的关系。在记录下荧光信号后,通过化学方法在第5和第6位碱基之间进行切割,这样就能移除荧光信号,以便进行下一个位置的测序。不过值得注意的是,通过这种测序方法,每次测序的位置都相差5位。即第一次是第1、2位,第二次是第6、7位……在测到末尾后,要将新合成的链变性,洗脱。接着用引物n-1进行第二轮测序。引物n-1与引物n的区别是,二者在与接头配对的位置上相差一个碱基(图6-a.8)。也即是,通过引物n-1在引物n的基础上将测序位置往3’端移动一个碱基位置,因而就能测定第0、1位和第5、6位……第二轮测序完成,依此类推,直至第五轮测序,最终可以完成所有位置的碱基测序,并且每个位置的碱基均被检测了两次。该技术的读长在2×50bp,后续序列拼接同样比较复杂。由于双次检测,这一技术的原始测序准确性高达99.94%,而15x覆盖率时的准确性更是达到了99.999%,应该说是目前第二代测序技术中准确性最高的了。但在荧光解码阶段,鉴于其是双碱基确定一个荧光信号,因而一旦发生错误就容易产生连锁的解码错误。
图6-b.Solid测序技术
第三代测序技术
测序技术在近两三年中又有新的里程碑。以PacBio公司的SMRT和OxfordNanoporeTechnologies纳米孔单分子测序技术,被称之为第三代测序技术。与前两代相比,他们最大的特点就是单分子测序,测序过程无需进行PCR扩增。
其中PacBioSMRT技术其实也应用了边合成边测序的思想5,并以SMRT芯片为测序载体。基本原理是:DNA聚合酶和模板结合,4色荧光标记4种碱基(即是dNTP),在碱基配对阶段,不同碱基的加入,会发出不同光,根据光的波长与峰值可判断进入的碱基类型。同时这个DNA聚合酶是实现超长读长的关键之一,读长主要跟酶的活性保持有关,它主要受激光对其造成的损伤所影响。PacBioSMRT技术的一个关键是怎样将反应信号与周围游离碱基的强大荧光背景区别出来。他们利用的是ZMW(零模波导孔)原理:如同微波炉壁上可看到的很多密集小孔。小孔直径有考究,如果直径大于微波波长,能量就会在衍射效应的作用下穿透面板而泄露出来,从而与周围小孔相互干扰。如果孔径小于波长,能量不会辐射到周围,而是保持直线状态(光衍射的原理),从而可起保护作用。同理,在一个反应管(SMRTCell:单分子实时反应孔)中有许多这样的圆形纳米小孔,即ZMW(零模波导孔),外径100多纳米,比检测激光波长小(数百纳米),激光从底部打上去后不能穿透小孔进入上方溶液区,能量被限制在一个小范围(体积20X10-21L)里,正好足够覆盖需要检测的部分,使得信号仅来自这个小反应区域,孔外过多游离核苷酸单体依然留在黑暗中,从而实现将背景降到最低。另外,可以通过检测相邻两个碱基之间的测序时间,来检测一些碱基修饰情况,既如果碱基存在修饰,则通过聚合酶时的速度会减慢,相邻两峰之间的距离增大,可以通过这个来之间检测甲基化等信息(图7)。SMRT技术的测序速度很快,每秒约10个dNTP。但是,同时其测序错误率比较高(这几乎是目前单分子测序技术的通病),达到15%,但好在它的出错是随机的,并不会像第二代测序技术那样存在测序错误的偏向,因而可以通过多次测序来进行有效的纠错。
图7.PacBioSMRT测序原理
OxfordNanoporeTechnologies公司所开发的纳米单分子测序技术与以往的测序技术皆不同,它是基于电信号而不是光信号的测序技术5。该技术的关键之一是,他们设计了一种特殊的纳米孔,孔内共价结合有分子接头。当DNA碱基通过纳米孔时,它们使电荷发生变化,从而短暂地影响流过纳米孔的电流强度(每种碱基所影响的电流变化幅度是不同的),灵敏的电子设备检测到这些变化从而鉴定所通过的碱基(图8)。
该公司在去年基因组生物学技术进展年会(AGBT)上推出第一款商业化的纳米孔测序仪,引起了科学界的极大关注。纳米孔测序(和其他第三代测序技术)有望解决目前测序平台的不足,纳米孔测序的主要特点是:读长很长,大约在几十kb,甚至100kb;错误率目前介于1%至4%,且是随机错误,而不是聚集在读取的两端;数据可实时读取;通量很高(30x人类基因组有望在一天内完成);起始DNA在测序过程中不被破坏;以及样品制备简单又便宜。理论上,它也能直接测序RNA。
纳米孔单分子测序计算还有另一大特点,它能够直接读取出甲基化的胞嘧啶,而不必像传统方法那样对基因组进行bisulfite处理。这对于在基因组水平直接研究表观遗传相关现象有极大的帮助。并且改方法的测序准确性可达99.8%,而且一旦发现测序错误也能较容易地进行纠正。但目前似乎还没有应用该技术的相关报道。
图8.纳米孔测序
其他测序技术
目前还有一种基于半导体芯片的新一代**性测序技术——IonTorrent6。该技术使用了一种布满小孔的高密度半导体芯片,一个小孔就是一个测序反应池。当DNA聚合酶把核苷酸聚合到延伸中的DNA链上时,会释放出一个氢离子,反应池中的PH发生改变,位于池下的离子感受器感受到H+离子信号,H+离子信号再直接转化为数字信号,从而读出DNA序列(图9)。这一技术的发明人同时也是454测序技术的发明人之一——JonathanRothberg,它的文库和样本制备跟454技术很像,甚至可以说就是454的翻版,只是测序过程中不是通过检测焦磷酸荧光显色,而是通过检测H+信号的变化来获得序列碱基信息。IonTorrent相比于其他测序技术来说,不需要昂贵的物理成像等设备,因此,成本相对来说会低,体积也会比较小,同时操作也要更为简单,速度也相当快速,除了2天文库制作时间,整个上机测序可在2-3.5小时内完成,不过整个芯片的通量并不高,目前是10G左右,但非常适合小基因组和外显子验证的测序。
图9.IonTorrent
小结
以上,对各代测序技术的原理做了简要的阐述,这三代测序技术的特点比较汇总在以下表1和表2中。其中测序成本,读长和通量是评估该测序技术先进与否的三个重要指标。第一代和第二代测序技术除了通量和成本上的差异之外,其测序核心原理(除Solid是边连接边测序之外)都是基于边合成边测序的思想。第二代测序技术的优点是成本较之一代大大下降,通量大大提升,但缺点是所引入PCR过程会在一定程度上增加测序的错误率,并且具有系统偏向性,同时读长也比较短。第三代测序技术是为了解决第二代所存在的缺点而开发的,它的根本特点是单分子测序,不需要任何PCR的过程,这是为了能有效避免因PCR偏向性而导致的系统错误,同时提高读长,并要保持二代技术的高通量,低成本的优点。
表1:测序技术的比较
表2:主流测序机器的成本测序比较
以下图10展示了当前全球测序仪的分布情况。图中的几个热点区主要分布在中国的深圳(主要是华大),南欧,西欧和美国。
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肽度时界
正向测不通,可能是因为:
1、你的模板比较困难,比如GC含量局部比较高,形成发夹结构,或出现连续的G、C,也可能是连续的C、T。而生工一板要做384或96个反应,用的PCR条件是统一的,不可能兼顾到你的序列的特殊情况,因此你的序列PCR不出来
2、PCR纯化试剂盒有问题,可以考虑换纯化试剂盒。
3、测序时进样太多或太少
解决方法:
1、你可以试试用载体上的通用引物进行测序
2、已经设计出来的序列上设计一段引物,进行walking
来源:高特佳投资/李新颜2015-09-2310:10
2015年将成为我国精准医疗的元年,基因测序作为精准医疗的前端,行业面临爆发性的增长机遇,同时在实际操作中也面临一定的挑战。
第一部分:基因测序被关注的原因
测序技术和大数据分析能力的发展使得精准医学成为可能。精准医学是以患者的个人基因组信息为基础为病人量身设计出最佳治疗方案,和传统的循证医学相比,精准医学有望成为治疗效果最大化和副作用最小化的一门定制医疗模式。
1.1基因测序的价格以超摩尔定律下降,使得基因测序经济性推广成为可能
现在人类全基因组测序成本已经降到1000美元以下,未来这一数字还将继续下降;
2008年,二代测序技术NGS的出现和推广,让测序成本开始加速下降,并明显超过摩尔定律的预测。
基因测序技术成本迅速下降(每兆碱基)
针对大量基因组数据,大数据处理能力提升也为分析和解读基因数据提供支持,测序技术及大数据分析能力的不断提升将会推动精准医学进入快速增长的轨道。
1.3传统医学需要突破,精准医疗的政策风口助推基因测序发展
政策风口:2015年2月,习近平总书记批示科技部和国家卫生计生委,要求国家成立中国精准医学战略专家组。
2015年3月11日,科技部召开国家首次精准医学战略专家会议,并决定在2030年前在精准医疗领域投入600亿元。2015年1月,国家公布了产前筛查与诊断高通量测序试点单位,4月公布了肿瘤诊断与治疗高通量基因测序试点单位,表明了政府推动精准医疗发展的决心。
5月14日,国务院颁布《关于取消非行政许可审批事项的决定》,再取消49项非行政许可审批事项,不再保留“非行政许可审批”这一审批类别。与医药相关的包括:第31项:第三类医疗技术临床应用准入审批;第52项:国家食品药品监督管理总局负责的药品行政保护证书的核发。取消非行政许可审批,松绑第三类医疗技术临床应用,变事前审批为事中事后监管。预计未来,由省级卫生计生行政部门负责的第二类医疗技术实施准入审批也将逐步取消。轻审批,重监管的趋势明确。
第二部分:基因测序的特点及发展趋势
目前基因测序技术已经发展到第三代(也有把纳米孔外切酶测序成为第四代)。
第一代DNA测序技术用的主要是1975年由桑格(Sanger)和考尔森(Coulson)开创的链终止法。
第二代DNA测序技术(NGS)目前使用最为广泛,以Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa,Hiseq技术和Life公司的Solid技术为标志。
第三代DNA技术(TGS)以PacBio公司的SMRT和OxfordNanoporeTechnologies的纳米孔单分子测序技术为代表,测序过程无需进行PCR扩增。
二代测序在5-10年内仍然是基因测序的主流方法
二代测序技术凭借其高通量、低成本和高准确度取代第一代测序技术成为测序市场的主流。由于第三代DNA测序技术目前面临测序成本高和测序结果准确度相对较低的市场化瓶颈,因此TGS仪器大规模商业化仍然需要较长的时间。
NGS各环节对测序结果有重要影响:NGS测序流程包括样本收集、基因提取、文库构建、基因测序和数据分析,各环节的准确性对测序结果有重要影响,比对数据库的规模直接影响数据分析结果的准确性。
二代测序技术兼具通量和准确度优势,有望引领分子诊断方法革新
常用的分子诊断技术包括聚合酶链式反应(PCR)、转录介导的扩增(TMA)、荧光原位杂交(FISH)、基因测序、以及基因芯片技术。
基因检测主要技术的细分市场增速概况(全球)
不同发展阶段的分子诊断技术都有其特定的应用场景,随着NGS成本的下降,商业模式的丰富,传统的分子诊断方法将受到挑战。二代测序技术兼具通量和准确度优势,更为快速、低廉,极大地拓宽了基因测序的应用范围,尤其促进了分子诊断方法的革新。
第三部分:基因测序产业格局投资机会及挑战分析
3.1基因测序产业格局概览
基因测序市场的细分领域,包括了仪器、耗材、测序服务、数据处理、终端应用等多个方面,如下图所示。
中游:测序服务(样品制备、检测和分析),信息分析(大数据存储、解读、共享)
下游:终端用户(应用场景)
3.2上游:仪器技术壁垒最高且形成寡头垄断格局,试剂耗材国内企业有一定机会
二代测序市场主流测序平台主要是四大家:Illumina、IonTorrent/LifeTechnologies(2014年被ThermoFisher收购)、454LifeSciences/Roche、PacificBiosciences。
Genomeweb2013度年全球测序仪器市场调查显示:Illumina占据了全球测序仪器市场71%的份额,Lifetechnologies则排名第二分得16%的市场份额,罗氏和PacBio则以10%和3%分列第三和第四位。前两家测序仪公司的全球市场占有率接近90%,基因测序仪行业已经形成寡头垄断的格局。
国内的三大家华大基因、达安基因、贝瑞和康和仪器供应商合作,已经在仪器和试剂层面均获得注册证。从盈利模式角度看,仪器未来不排除出现免费赠送,主要赢利点从试剂耗材及服务端获得,因此国内企业在试剂和服务端突破的可能性最大。
测序试剂、耗材、检测项目的开发,国内企业已经开始有所布局。
2014年7月,华大基因的新一代测序产品也获得了CFDA的批准,包括BGISEQ-100、BGISEQ-1000,以及胎儿染色体非整倍体(T21、T18和T13)检测试剂盒。
2014年11月5日,国家食品药品监督管理总局批准了达安基因的基因测序仪和胎儿染色体非整倍体21三体、18三体和13三体检测试剂盒(半导体测序法)医疗器械注册。
2015年4月,贝瑞和康的基因测序仪(NextSeqCN500),以及胎儿染色体非整倍体(T13/T18/T21)检测试剂盒已通过国家食品药品监督管理总局(CFDA)的批准。NextSeqCN500基因测序仪是贝瑞和康与Illumina公司合作,为满足中国临床需求而设计制造的一款新型高通量的基因测序仪。
3.3中游:第三方测序服务机构和生物信息分析(数据分析),数据分析是目前行业发展的瓶颈环节
Illumina推出HiSeq系列高通量测序仪后,终端的数据分析成为行业发展的瓶颈。由于数据库是决定检测比对结果准确度和精确度的重要因素之一,因此是数据分析软件提供商主要的竞争壁垒之一。
测序服务——中国成为全球“测序工厂”
测序服务技术壁垒较低,主要面向科研市场,国家缺乏准入标准和质量控制规范,众多碎片化的小企业呈现疯狂生长的状态,仅提供一代测序服务的企业就有上百家。
在二代测序方面,2010年高通量测序平台中国拥有量仅次于美国,如今二者的差距很可能已经非常小。
全世界规模最大的基因组研究中心有多个在中国,其中华大基因(BGI)拥有世界上最多的新一代测序仪,产能约占全球的10%-20%(按illumina,Life等销总量计算)。
国内主要第三方基因测序机构覆盖的基因检测相关服务
科技服务仅约10亿元的外包市场,企业未来转型的出口是健康管理、医院、独立体检中心。因此有越来越多的科技服务测序公司在转向做第三方医学检验所。
临床测序有三个主体,第三方医学检验所、医院和体检中心,前者更加市场化,未来发展空间较大。
生物信息分析——挑战与机遇并存
基因测序所生成的原始数据并不能反映任何有价值的信息,必须通过专业人员进行分析和解读。现今的生物信息分析涉及的数据存储、解读、及共享是整个基因测序行业目前面临的最大难题,主要原因一是来自于数据量的庞大,二是源于数据的复杂性。
目前这一市场份额基数较小,蕴含着巨大的市场潜力。关注国内企业在这方面的的机会。
数据解读已被全球公认为是比测序还要重要的环节,分析和解读可能会成为中国企业的优势。但短期只能烧钱看不到回报,门槛是数据库,这是限制企业数量和规模的主要原因。
生物信息的所有权和应用领域,目前仍以科研为主,商业化应用瓶颈在于伦理和政策,但随着市场培育的加快,政府和保险的参与,基因组信息未来将归个人所有,政府负责建立数据中心和安全中心,授权个人对数据的使用权。
数据解读服务的市场格局将分为两大阵营:(1)、自行解读,有仪器研发和实力较强的大企业或科研机构会自己解读;(2)外包解读,中小企业、科研人员、医生个人则会交由第三方公司进行数据分析,因此市场对差异化的个性化的服务需求会增加,此类公司会越来越多。外包解读将催化产业不断涌现出各种创新服务模式。
至于数据库的建设,更看好通过市场化的竞争,由企业投资整合资源来积累数据的途径。
解读服务发展的催化剂在需求,落脚点在市场教育。数据库如果不用那就只是个数据库而已,没有附加价值。而医生和患者认识的基因越多,到更大平台去解读和挖掘数据的需求就越大,想要发现已知或未知疾病机理的欲望就越强烈,未来买单的将是保险公司。
3.4下游:二代基因测序的应用领域及其挑战
3.4.1未来市场容量
其中,肿瘤学120亿美元、生命科学50亿美元(包括生命科学工具、复杂病症,农业基因以及影响因子和宏基因组)、生育和基因健康20亿美元(孕妇和新生儿童的检测,以及基因健康)、其他应用10亿美元。
目前,我国基因测序市场中,产前基因检测较为著名,如以国家规定的3500元/次的费用计,按照我国每年2000万左右的新生儿计算,产前基因检测市场能达到七百亿元人民币。
具体来看:
生育健康领域(应用相对成熟)
新生儿出生缺陷不仅给家庭带来了沉重的复单,而且已经成为严重影响我国经济发展和人口素质的重要问题。一些特定的遗传性疾病往往在出生一定时间后才会表现出明显症状,因此初生儿早期的基因筛查能够帮助尽快在医学上进行早期干预,达到及早发现、及早治疗的效果。目前新一代测序技术在生育健康领域主要应用在以下方面。
●无创产前检测(NIPT)
无创产前检测即胎儿染色体非整倍体无创基因检测,是一种基于大规模平行基因组测序技术的高科技检测手段。这种检测只需抽取孕妇少量静脉血,分离其中的胎儿游离DNA,通过高通量二代测序技术平台测序,并对测序结果进行生物信息学分析,即可判断胎儿是否换染色体非整倍体疾病。该技术是国际人类基因组学研究成果被成功孵化的应用技术之一,在欧美等发达国家普遍开展。该法操作简单,易行,安全,准确,孕妇早期就可进行,更具有无创的特点,不会导至流产、胎儿宫内感染等不良后果。
无创产前检查不仅可以筛查唐氏综合症(21三体),还可以筛查爱德华氏综合症(18三体)、帕特氏综合症(13三体)以及提示其他非整倍体型遗传病。
●胚胎植入前遗传学诊断(PGD)
也就是第三代“试管婴儿”,主要用于检查胚胎是否携带具有遗传缺陷的基因。它是在试管婴儿技术基础上出现的,精子卵子在体外结合形成受精卵并发育成胚胎后,在其植入子宫前进行基因检测,以便使试管婴儿避免一些遗传疾病。通过DNA检测技术对胚胎的染色体异常或者遗传性疾病进行诊断,选择无异常的胚胎植入母体,从根本上提高“试管婴儿”的妊娠成功率,降低自然流产率,提高妊娠质量,并且可大大提高出生后婴儿的质量。
●新生儿单基因遗传病检测
单基因病是指由一对等位基因控制的疾病或病理性状。常见的单基因病有短指症、地中海贫血症、白化病、苯丙酮尿症、色盲、血友病、C6PD(葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)缺乏症等。已知的单基因病的致病基因及遗传方式大部分已经明确,早起单基因遗传病大部分通过染色体核型分析进行检测,染色体和性分析不可避免的缺点是分辨率低,对技术人员的经验依赖度高,对于微小缺失或者基因突变导至的遗传病不能进行检测。现在通过先进的二代高通量测序技术可以对上千种由于基因变异(基因突变、平衡异位、微缺失等)导至的遗传病进行检测,并且可以在早期通过胎儿的脱落细胞或者绒毛膜进行检测,在产前确认胎儿是否患有遗传病,为遗传病携带者或者已经生育遗传儿的家庭提供明确的遗传咨询和产前检测,从而做到优生,提高人口素质。
肿瘤的个体化治疗
肿瘤的发生发展中,基因的改变在其中居于中心地位,致癌基因的异常表达和抑癌基因失活,是肿瘤细胞无限制生长的分子基础。肿瘤临床表现多种多样,且发病率逐年升高,迄今尚无简单的治疗方法或使用单一药物能治愈所有的肿瘤。询证医学、诊疗规范化和个体化已经成为肿瘤治疗的公认趋向。
基因测序技术对于肿瘤个体化治疗主要有两方面应用:一是检测患者携带的肿瘤基因,二是检测肿瘤靶向药的靶点。
药物研发领域应用(CRO及医药公司)
新一代测序技术早期主要应用在肿瘤和传染病治疗领域,现在越来越多的使用在新兴生物药的开发和疫苗生产。目前药物研发部门使用的各种高通量技术,例如基因芯片、代谢组学建模、酵母双杂、蛋白质组学、高通量化学筛选、电子杂交定位,有望被新一代测序技术替代或作为补充。
个人DNA信息咨询
近几年兴起的直接面向用户(directtoconsumer)的个人DNA信息咨询产业其实是基因检测市场化产物,基本模式是利用互联网和快递寄送,将检测试剂盒送至用户手中,再由其将采集的唾液及送回公司,并从中提取用户的DNA,检测结果也可直接从网上查询获取。
3.4.2在应用领域主要趋势及挑战
业界认为,基因测序技术应用市场的先后顺序:无创产前筛查(NIPT)、癌症的个体化用药、癌症早筛、人人基因组、检测与筛查。
其中,植入前胚胎遗传学诊断(PGS/PGD)30亿市场、产前筛查与诊断(NIPT)160亿市场、肿瘤诊断与治疗千亿市场。此外,目前已经试点的方向,并不能说明技术已经很成熟,相反有些还很不成熟,需要通过很长时间的试点来积累样本和数据。未来可能的试点方向包括,免疫系统疾病、移植类疾病配型检测、传染病检测、公共卫生领域等都有可能。
生育健康领域
NIPT作为公认的第一个产业化项目,市场格局基本形成华大和贝瑞占90%的市场份额,包括108家试点单位及其他中小医院。
NIPT进入壁垒目前只是渠道
1、测序成本和客户体验,如果成本降到目前的1/10,或客户体验有颠覆性改变,都能形成替代,但短期还看不到;
2、测序服务上,主要是产科医院的渠道壁垒。
肿瘤诊断领域
目前的第二大应用,未来有可能成为第一大应用领域,个性化用药、靶向治疗、早诊是必然的发展方向,空间很大,但短期内还达不到无创的市场高度。
(1)肿瘤是多基因病,没有标准的用药方案,需要个性化治疗,并且机理尚未厘清,医院更倾向于自己做,不容易商业化。
(2)从基于组织到基于血液的肿瘤诊断,对医生而言需要有至少五年的市场培育过程,病种的增加则受制于样本量的积累。
(3)肿瘤的早诊,技术上,血液循环肿瘤细胞DNA(ctDNA)和循环肿瘤细胞(CTC)目前通过测序的检出率还很低,需求取决于人们保健意识的发展程度,未来可能成为健康保险的一个重要产品。
其他
其他应用领域主要的挑战:耳聋基因的筛查(检出率低,假阴性高)、罕见病筛查(无有效干预手段)、地中海贫血、靶向药物伴随诊断(尚无标准)。
2C端的应用的挑战,需要有一个较长的市场教育和科普过程,并且受限于伦理和法律。(生物谷Bioon.com)
1,测序技术的改进:全基因组主要应用的是illumina的Hiseq X10的测序平台,该平台在图片信息处理和flowcell上都有很大的改进(原来是平板上长簇,现在上面有小孔),另外在扩增的技术上也有一点改进(RPA扩增技术)。以上几点使得数据的通量大大调高。所以相应的测序价格也会降低。
2,市场占有策略:这一点我个人理解比技术更新更重要,illumina的战略思路,占有测序市场。其实illumina的Hiseq X10的测序平台试剂要比其他平台的试剂便宜很多。不过这个平台签有协议,只能做人的全基因组重测序项目。
二代测序技术给生命科学领域带来了彻底的改变,而NGS领域本身也在经历着某种意义上的变革。本文对二代测序领域的最新进展做了小结,其涉及的公司包括454LifeSciences,Illumina,LifeTechnologies,PacificBiosciences,OxfordNanopore等。
自从哈佛大学遗传学家GeorgeChurch和454LifeSciences公司JonathanRothberg掀起二代测序NGS的**以来,已经过去了将近十年。毫不夸张地说,这段时间以来NGS技术已经发生了翻天覆地的变化,在测序通量突飞猛进的同时,测序成本直线下降。
想当年454LifeSciences公司测序580-kb的细菌基因组,需要四小时的工作循环。而今年一月份Illumina公司发布的HiSeqX?Ten测序系统,能够以千元成本测序完整的人类基因组,最多每天能测序600billionbp。
如今,二代测序技术给生命科学领域带来了彻底的改变。而NGS领域本身也在经历着某种意义上的变革。正因如此,基因组学ArchonX奖(ArchonGenomicsXPrize)不得不于去年八月宣布取消,因为测序成本的直线下降已经使竞赛变得毫无意义。
Church的团队是该竞赛仅有的两只报名队伍之一,他认为参赛者们是否能够完成竞赛任务还很难预料。但无论如何,既然竞赛已经启动,总得让人家比完吧。
言归正传,二代测序领域的2013年既忙碌又喧嚣,在开年之际让我们对这一领域发生的最新进展做个小结吧。
454LifeSciences
去年十月,454LifeSciences宣布将于2016年中旬逐步淘汰其焦磷酸测序仪器,GSJunior和GSFLX+。据该公司介绍,从扩展性和成本角度看,454平台作为首个商业化的NGS系统已经基本上走到尽头,很难再对其进行升级和改良。Roche的BethButton指出,公司正在寻求新的测序合作伙伴。2013年9月,该公司宣布与昔日的竞争对手PacificBiosciences合作,拟基于PacBio公司的SMRT技术进行诊断产品的开发。
Illumina
今年一月Illumina公司发布了两个以Solexa测序技术为基础的新测序平台,HiSeqXTen和NextSeq?500。
据该公司的新闻稿介绍,定价$250,000的台式NextSeq500兼具了样品制备和测序功能。“它按钮式的操作,可以在许多常见测序应用之间切换。该系统能够在一天内测序整个人类基因组和多达16个外显子组。”NextSeq500运行75个测序循环只需12小时。
HiSeqXTen系统以10台仪器为单位销售,据称可以实现千元成本的人类基因组测序。该系统现定价1000万美元,能够在三天时间内生成1.8terabases的数据,相当于每天约600Gb,比HiSeq2500强十倍。
华盛顿大学的ElaineMardis表示,HiSeqXTen系统针对的应该是提供人类基因组测序的服务产业,因为很少有研究机构能用到如此高的通量。“要想实现千元成本,就需要正确的样本量,”她说。当然,高通量还意味着更为复杂的数据分析。
Mardis的团队曾作过计算,为了跟上HiSeqXTen他们可能需要花费八百万美元在信息学设施上。此外,实现千元成本意味着每年需要测序18,000到20,000个基因组。“我要测序许多肿瘤基因组,”她说。“但数量还远远不够。”
LifeTechnologies
已被ThermoFisher收购的LifeTechnologies拥有两款NGS平台,SOLiD和IonTorrent。据Thermo的AndyFelton介绍,公司已经将工作的重心放在后者身上。“绝大多数研发工作已经转移到Ion上,”他说。
目前的IonPGM系统可使用最新的Ion318芯片,产出多达6million400bp的读取,也就是说四小时运行的产量能达到2Gb。而新IonProton?使用IonPI?芯片,能够产出80million200bp的读取,即每次运行产量达到10Gb至14Gb。
据介绍,今年公司将会推出用于转录组测序的新IonPII芯片,每张这样的芯片可产出300million100bp的读取,随着系统改良甚至可能达到200bp。
此外,LifeTechnologies公司正在研发一种新的聚合酶,Hi-Q。据Felton介绍,Hi-Q能“显著提高精确性”,减少90%的插入/缺失误差。这种酶将于今年的中旬实现全面商业化。
PacificBiosciences
PacificBiosciences公司以长读取的二代测序技术著称。据该公司的创始人SteveTurner介绍,在新测序化学P5-C3的帮助下,如今PacificBio的测序读长已经达到了8.5kb。P5-C3“提供了一个保护性的支架”,可以阻止酶和荧光团之间发生身体接触,避免酶受到潜在的光学损伤。
“我们已经很大程度上减少了系统中的光学损伤,我们相信现在测序读长受到的限制,只来自于样品本身,”Turner说。样品本身的限制是指,读长越长就越难生成不含损伤位点或缺口的测序模板,而这样的缺口会导致测序过早中止。
目前PacBio®RSII和SMRTCell系统,每次运行可产出50,000个读取(约400millionbp)。这一数字会在接下来的一年中继续增涨,Turner说。“我们预计在2014年内,令测序读长再增加50%,并于2015年达到20,000bp。”
最近研究人员发表文章向人们展示,在新装配方法HGAP的帮助下(hierarchicalgenome-assemblyprocess),可以实现只利用PacBio化学法对真核基因组进行从头装配。一月份,该公司公布了对黑腹果蝇(Drosophilamelanogaster)进行的完整二倍体基因组装配,生成了长达24.6Mb的重叠群(contigs),N50值为15.2Mb(N50值反映了重叠群的长度)。就在上周,PacBio公司又公布了一个54x覆盖度的单倍体人类基因组装配,生成了“3.25Gb的基因组装配,重叠群N50值为4.38Mb,其中最长的重叠群达到44Mb。”
OxfordNanopore
OxfordNanopore公司无疑是纳米孔测序的领导者,这一技术也被称为第三代测序。该公司去年十月份宣布,将在2014年年初推出USB大小的MinION?测序仪,为客户提供先期体验(early-access)。
与其他类似先期体验项目不同的是,OxfordNanopore公司不会局限于传统的测序中心,而是向广大的个人用户敞开大门。该公司准备在接下来的一周发出邀请。
OxfordNanopore公司强调,不是每个MinIONAccessProgram(MAP)申请者都会在第一轮受到邀请,而且公司提供的MinION数量也可能少于申请者的要求。这些仪器将在六周内进行发送。
2012年,OxfordNanopore公司在AGBT上描述了两个测序系统,MinION就是其中之一,另一个产品是GridION?。据公司发言人称,MinION的大小使其更容易受到人们的关注,它的灵活性和测序能力将推动NGS进一步迈向普罗大众。
OxfordNanopore公司希望通过MinIONAccessProgram评估测序系统的实用性、对不同应用的适应性、数据分析、以及公司的物流运输和试剂分配等。这些数据将有助于未来开展的GridION先期体验项目,不过该公司还未公布这一项目的具体启动时间。
广泛的应用前景
在二代测序技术不断进步的同时,它的应用也越来越广泛。据Mardis介绍,二代测序在临床领域的应用快速增涨。越来越多的研究者选择二代测序的多基因panel对肿瘤进行研究,或者通过外显子测序鉴定潜在的药物靶点。在诊断儿童遗传学疾病时,人们也逐渐抛开了传统的诊断方法,转而使用全外显子组测序。
Mardis补充到,NGS检测有两大优势,它既可以帮助人们确定治疗方案,也可以为患儿父母评估他们未来子女患同样疾病的风险。实际上Church认为,用二代测序进行(致病基因)携带者筛查,是NGS的“杀手锏”。
“任何考虑使用辅助生殖手段的人…都应当知道精子捐献者是否携带与严重疾病有关的隐性等位基因,”他说。“人们已经发现了数百个能够预测疾病的基因,现在也有不少服务可以对它们进行准确的检测。”
最近,Church作为共同作者发表了一项新研究。据他介绍,这是首次发表用NGS进行携带者筛查的文章,他们的方法“充分提高了质量并且降低了成本”。研究团队使用padlock探针,在194个细胞系中抽出并测序了15个有临床意义的基因,其中55个细胞系来自于携带上述基因突变的个体。
二代测序的另一个新兴的应用领域是单细胞RNA测序。“单细胞RNA测序能向我们展示,相同细胞中RNA表达的天然随机性,这一点非常吸引人。”Mardis说。
Church介绍到,他即将发表的一篇文章描述了一种新的测序方案,称为荧光原位测序(fluorescentinsitusequencing)。这一技术将荧光原位杂交和RNA-Seq结合起来,能够计数并确定不同转录本在组织切片中的空间定位。
Church的团队通过荧光原位测序证实,转录本会依据伤口的愈合情况在成纤维细胞中呈不对称分布。(Science禁止透露进一步的细节)
这样的数据在十年前简直难以想象。同样,我们也很难想象NGS在未来十年又会发生怎样的翻天覆地的变化。
来源:生物探索


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