十大创新产品之SOLiD系统

SOLiD系统以最多的票数成为2008年度最受瞩目的创新产品。它已不仅仅是一台单纯的测序仪，而是覆盖全基因组表达图谱、SNP、甲基化等多种分析的功能更全面的基因分析仪。现在，就让生物通来为你揭开SOLiD的神秘面纱。

　　

作为上世纪生命科学领域最重要的技术发明之一，测序技术深刻地改变了我们对生命本质的理解和掌控能力。假如没有测序技术，基因序列就无法确定，酶切、克隆、反转录、cDNA、PCR、SNP、RNAi等等研究技术也就根本无从谈起，生命科学领域也不会有今日的蓬勃发展。无人不晓的GenBank；历时13年、耗资3亿美元、全球合作的人类基因组计划，无不建立在测序的基础上，极大地推动了全球生命科学领域研究的发展。

但是，人类永远不会停下创新的脚步。不断创新，把原本不可能的变为可能，把既慢又费力的工作变为简单快捷，本来就是科技最奇妙、最吸引人的地方。生命科学领域更不例外。

科学家一直在努力寻求测序技术的创新。新一代测序技术的诞生和发展，令1000人基因组计划，以及各物种的基因组图谱如雨后春笋般地涌现。历时13年耗资3亿美元的HGP从此成为历史------完成人类基因组测序，如今只要区区1万美元，1轮反应，1个实验室，数周时间----新一代测序技术将生命科学带入了测序的新时代。其中2007年10月美国应用生物系统公司（ABI）全球首推、2008年已经升级到第3代的SOLiD系统更是其中的表表者。

回顾过去----切身体会测序法变迁

上世纪70年代自Sanger发明双脱氧链末端终止测序法，生命科学研究进入了手工测序时代。新基因不断被测序的喜悦，暂时掩盖了手工测序的繁琐和辛劳，毕竟，能前所之不能啊。长达66公分的测序玻板清洁硅化组装、配胶倒胶、同位素标记、分段上样、数小时的垂直板电泳、X光片压片过夜、显影定影、人工读片、“鬼带”分析….所有工作手工完成，高度技术依赖，必需放射性同位素。那时一个测序高手，条带清晰分明的的压片结果，绝对是整个大楼里人人艳羡的目标。

10年后ABI公司推出了世界上第一台自动测序仪，让部分“先富起来”的实验室骄傲地告别了手工劳动、读片和同位素。电泳速度相近的4色荧光染料替代了同位素，4个测序反应在一个条带中就能完成，通过自动计算校正不同荧光染料的偏差，也提高了反应通量。毛细管电泳技术逐渐取代了平板胶电泳侧吸，而且测序的全部操作都实现了自动化，包括自动灌胶、自动进样，自动数据收集分析。测序的通量自然也在不断增加，3700测序仪一天能读取40万个碱基，在13年内完成的第一个人类基因组计划中立下了汗马功劳。

13年太长，只争朝夕

罗氏旗下454和illumina先后突破Sanger测序法，推出新一代测序技术的基因分析平台，令测序技术再次成为关注的焦点。ABI随后在2007年10月推出基于新一代测序法的平台——SOLiD。从SOLiD到如今的SOLiD 3，短短一年时间，它上演了一出精彩的“一级方程式赛车”。

SOLiD全称为Sequencing by Oligonucleotide Ligation and Detection，它的独特之处在于以四色荧光标记寡核苷酸进行连续连接合成为基础，取代了传统的聚合酶连接反应，可对单拷贝DNA片段进行大规模扩增和高通量并行测序。这种替代能够明显减少因碱基错配而出现的错误，消除相位不同步的问题，获得更高的保真度。而SOLiD系统的另一秘密武器是采用末端配对分析和双碱基编码技术，在测序过程中对每个碱基判读两遍，从而减少原始数据错误，提供内在的校对功能。这样，双保险确保了SOLiD系统原始碱基数据的准确度大于99.94%，而在15X覆盖率时的准确度可以达到99.999%，是目前新一代基因分析技术中准确度最高的。

高度可扩展性又为SOLiD系统平添了更多魅力。SOLiD系统采用开放玻片式的结构，使用包被DNA样品的微珠来输入基因组信息。这些微珠添加到检测玻片上，并由系统进行分析。微珠密度并不是一成不变的，系统支持更高密度的微珠富集。开放式玻片形式、微珠富集、以及软件算法的结合，能使平台轻松升级到更高的通量，而无需对基础技术和配置做重大改变。如今的SOLiD 3系统每次运行能产生高达20GB可定位的测序数据。20GB，相当于人类全基因组的约7倍覆盖度！这意味着过去13年的多国联合工作现在一次运行就搞定了。而通量的升高也有望进一步降低基因组测序的费用，成本只需1万美元的人类基因组测序指日可待。

SOLiD系统的可扩展性除了指测序规模，还包括了其功能应用。它不再是一台单纯的测序仪，而是成为功能更全面的基因分析仪。除了测序和重测序，还能进行全基因表达图谱分析、SNP、microRNA、ChIP、甲基化等多种分析。

全基因表达图谱分析

芯片大概是目前应用最广泛的从全局角度分析基因表达整体模式的方法。然而，基于杂交技术的微阵列技术只限用于已知序列，无法检测新的mRNA；而且杂交技术灵敏度有限，难以检测低丰度的目标（需要更多的样品量），难以检测重复序列；也无法捕捉到目的基因表达水平的微小变化------而这恰恰是研究在刺激下或环境变化时的生物反应所必需的。

与芯片技术相比，基于测序的高灵敏SOLiD技术可对单个细胞和癌症样品中存在的痕量RNA进行整体的全基因组表达图谱分析，每次运行能定位高达2亿4千万个标签（mRNA的相对表达水平可通过系统产生的序列标签数目来计算），可检测低至每个细胞中10-40pg的总RNA，即使mRNA表达水平很低，SOLiD系统也能够无偏向性地分析样品中存在的已知和未知mRNA，从而定量特定mRNA的差异表达模式。起始样品比微阵列技术要少得多，尤其适用于来源极为有限的生物样品分析，如癌症干细胞----分析其基因和非编码RNA的表达图谱有助于有助于加速发掘潜在的生物标志物，从而更准确区分不同的疾病类型以及识别疾病易感性，帮助于研究人员更好地了解病变细胞的特性。

更多RNA研究

除了单细胞基因表达图谱分析，SOLiD系统在RNA方面的其他应用还包括利用SOLiD Small RNA Expression Kit来发现和筛选小分子RNA，实现在无需预先知道序列信息的情况下高通量发现新的RNA分子。这个方案有望显著地提高研究人员鉴别小分子RNA的能力，将过去不可能完成的实验变为可能。目前已发现的microRNAs还非常有限，SOLiD可在不知道目标分子DNA序列的情况下进行检测和定量小的RNA分子，可将样品制备工作从常规方法的四天缩短为仅需一天，是分析在生物样品中表达的已知和未知miRNA及其它小分子RNAs的有效工具。利用SOLiD Whole Transcriptome Kit还可以探索和鉴定全转录本。SOLiD无可比拟的高通量和测序数据的高精确性使得可以用短序列读长即可测序整个转录组。了解转录组对有助于解开导致复杂疾病的分子通路的秘密。这一系列应用补充使研究人员能在单个超高通量平台上开展综合的RNA研究。

SNP分析

尽管绝大多数的人类遗传信息在所有人中都相同，但是研究人员通常更感兴趣的是研究个体之间微小的遗传差异。这种差异包括单碱基变异，以及被称为结构变异的各种较大片段DNA序列变异。结构变异包括DNA片段的插入、缺失、倒位和易位，结构变异的DNA片段范围可从几个碱基对到数百万个碱基对，可能对基因产生重要影响，并导致人类疾病的发生。SOLiD流程获得的严密的片段范围，使研究人员可以鉴别出很宽范围内的插入和缺失片段，结构重排也能很容易鉴别出来。这个平台的超高通量使研究人员可轻而易举地获得高度基因组覆盖率的数据，精确鉴定个体基因组中存在的数百万个单碱基多态性SNP，揭示大量此前未知、具有潜在医学价值的遗传变异，从而促进我们对正常/疾病状态下DNA结构变异的了解，以及在更高的分辨率下对结构变异进行深入分析，解释个体之间的易感性差异和对疾病治疗应答的差异，最终实现个性化医疗。

甲基化分析

甲基化是自然发生的DNA化学修饰的一种。已知抑癌基因的失活与DNA序列特定区域的甲基化有关。而去甲基化则可能导致基因组不稳定和表达模式变化。DNA甲基化区域可能作为基因在癌症过程中的标记。研究人员一直致力研究从正常到癌变过程中甲基化模式如何变化的，原癌基因异常甲基化模式在癌变过程中扮演怎样的角色。SOLiD系统运行通量非常惊人，很快就可以做多个样本全基因组甲基化模式检测，使得研究人员可以鉴别基因组中对应元件的甲基化状态，从而帮助研究人员检测甲基化模式是否可以作为癌症的生物标识，以及更好了解甲基化在癌变过程中扮演的角色。

著名的Sanger研究院和Broad研究院正利用SOLiD系统来探索人类基因组样品中的遗传变异。包括美国华盛顿大学医学院、加利福尼亚大学Santa Barbara分校、哥伦比亚大学、澳洲昆士兰大学、日本东京大学、荷兰Hubrecht研究院、北京基因组研究院等等研究单位都先后配置了SOLiD系统。

SOLiD系统这个创新的平台将过去种种梦想都变成了现实。未来，它将不仅改变生命科学，甚至可能改变我们的生活。也许，几年后的出生体检报告就是一份个人基因组图谱，告诉你与生俱来了哪些遗传变异，何时以及如何进行及时干预。

（生物通 余亮 吴青）