北京大學(xué)生物動態(tài)光學(xué)成像中心/北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心/生命科學(xué)聯(lián)合中心/工學(xué)院黃巖誼教授課題組日前在DNA測序方法的研究上取得重要突破。該團隊在此前謝曉亮教授首創(chuàng)的熒光發(fā)生測序技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了一種全新概念的測序方法——糾錯編碼（簡稱ECC）測序法。ECC測序法采取一種獨特的邊合成邊測序（SBS）策略，利用多輪測序過程中產(chǎn)生的簡并序列間的信息冗余，大幅度增加了測序精度。該進展于2017年11月6日以“Highly accurate fluorogenic DNA sequencing with information theory-based error correction”為題在線發(fā)表于《自然 生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）期刊上。
ECC測序法的化學(xué)反應(yīng)采用了熒光發(fā)生測序技術(shù)，該技術(shù)由謝曉亮課題組于2011年首次報道（Nature Methods (2011) 8, 575.），原理巧妙之處在于在DNA互補鏈合成時可以釋放同所延伸核苷酸數(shù)目相等的熒光分子，利用這一反應(yīng)可以實現(xiàn)低錯誤率的SBS。黃巖誼課題組在此基礎(chǔ)上，過去幾年對該方法進行了拓展(ChemBioChem (2015) 16, 1153.)，為本次技術(shù)突破奠定了基礎(chǔ)。該團隊首先從化學(xué)原理上對熒光發(fā)生測序技術(shù)中的熒光標記分子進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計合成了具有不同波長、更優(yōu)性能的測序底物分子，并對聚合酶參與的各階段反應(yīng)動力學(xué)進行了細致的測量和建模；在深入理解熒光發(fā)生測序化學(xué)反應(yīng)速度、完成度、副反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)的基礎(chǔ)上，完善了ECC測序原理樣機的搭建，不斷迭代優(yōu)化測序反應(yīng)條件和信號采集流程；從數(shù)據(jù)入手，構(gòu)建了精確的測序信號失相模型并提出了次級延伸理論，并據(jù)此開發(fā)出算法軟件對測序反應(yīng)失相過程做出了合理簡化使其具備了實用性。
在ECC測序法中，序列信息的冗余來自黃巖誼課題組新發(fā)展的“對偶堿基熒光發(fā)生”SBS測序流程，該流程通過對測序試劑按對偶堿基分為兩兩匹配的三組，并對待測DNA序列進行三輪獨立測序，繼而產(chǎn)生三條互相正交的簡并序列編碼。這三條編碼可互為校驗，后續(xù)不但能夠通過解碼推導(dǎo)出真實堿基序列信息，而且具備對單輪測序錯誤位點的校正能力。ECC編碼和解碼策略已被廣泛應(yīng)用在信息通訊和存儲等其它領(lǐng)域中，并被證實可以有效檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸或存儲時發(fā)生的錯誤。此次黃巖誼團隊在測序技術(shù)中首次引入冗余編碼概念，通過和低錯誤率的熒光發(fā)生測序技術(shù)巧妙結(jié)合，在實驗室搭建的原理樣機上獲得了單端測序超過200堿基讀長無錯誤的實驗結(jié)果。
該論文作者包括北京大學(xué)博士后陳子天，博士研究生周文雄、喬朔、康力，段海峰副研究員，謝曉亮教授和黃巖誼教授；黃巖誼是這篇文章的通訊作者。該工作先后得到了北京市科委、國家科技部863計劃、國家自然科學(xué)基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心以及北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心的資助。
黃巖誼課題組主頁：http://gene.pku.edu.cn/
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