一文教你读懂NGS、mNGS和WGS的区别

2024.04.07 责任编辑:陈醒 阅读量:2556

NGS
1977年,Sanger团队里程碑式地解密了首个噬菌体X174基因组(DNA拼接长度仅5 000多个 碱基)。在过去的几十年里,Sanger测序(一代测序)无疑已经成为一种长期而有效的DNA测序方法。NGS(Next generation sequencing),又叫二代测序或者为高通量测序(High-throughput sequencing),是基于PCR和基因芯片发展而来的DNA测序技术。NGS开创性地引入了可逆终止末端,从而实现边合成边测序(Sequencing by Synthesis),它在DNA复制过程中通过捕捉新添加的碱基所携带的特殊标记(一般为荧光分子标记)来确定DNA的序列。在NGS中,单个DNA分子必须扩增成由相同DNA组成的基因簇,然后进行同步复制,来增强荧光信号强度以读出DNA序列。
与Sanger测序技术相比,NGS技术具有以下 几方面的优势:(1)通量高。以HiSeq X Ten为例,每年完成人类全基因组测序的量可达到 18000个左右;(2)速度快。特别是半导体测序仪,每次运行所需时间仅数小时;(3)测序成本低。应用Ion Torrent检测平台对数十个基因的测序成本与应用Sanger技术对单个基因的测序成本大致相当;(4)敏感性高。特别是对于取样不均一的样本,NGS能稳定检测 1%的突变信息,对于检测异质性相对较高的肿瘤样本特别重要;(5)所需样本量少。对DNA样本的要求仅为ng数量级。总之,NGS技术能够一次性对多个靶基因进行准确检测,具有所需样本量小、敏感性高、检测成本低、耗时短等优点[1]。
应用
在NGS技术快速发展的同时也加速了该技术在临床分子诊断中的广泛应用。根据检测目的不同,NGS技术在临床中的应用主要分为以下2种策略:(1)针对已知病因的疾病设计合适的芯片,直接对多个已知的致病基因进行靶向基因组测序;(2)针对未知病因的疾病对外显子组或全基因组进行测序。
mNGS
宏基因二代测序(metagenomic next–generation sequencing,mNGS),指对标本中的全部生物基因组进行 NGS 分析,通过与微生物参考基因组比对获取标本中的微生物物种组成、物种丰度等信息。其中,m 指宏(元)基因组,是标本中全部生物(人、微生物)基因组的总称。mNGS 是临床上一种新兴的病原检测方式,其采用的是半导体芯片测序技术,将碱基对合成核酸链的过程转化为数字信息,将待测的DNA链固定在半导体芯片微孔中的微球上,随后依次掺入ACGT 碱基,符合配对的碱基与待测 DNA 链形成化学键,释放出氢离子,通过检测 H+信号的变化获得序列碱基信息,将生成序列碱基信息连接到精确的参考基因组数据库,以识别检出病原体[2]。
应用
随着临床病原微生物检测的需求越来越大,mNGS 技术逐渐从实验室步入临床实践应用中。近年来 mNGS 技术已成功应用于临床诊断新发病原体感染,如2013年Wilson 等[3] 应用 mNGS 技术在1例不明原因发热、头痛的联合免疫缺陷男孩的脑脊液中首次检测出了神经型钩端螺旋体感染;2014年 Knittler 等[4]研究者应用 mNGS技术诊断了1例由鹦鹉螺杆菌(传统常规微生物检测难以识别)引起的严重肺炎和多器官衰竭病例;2021 年四川省人民医院黄晓波团队[5]用 mNGS 诊断了1例在感染早期迅速发展为严重急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)的患者,接受了体外膜氧合(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)治疗后,并发军团菌感染继发曲霉菌感染的病原体,目前为止,mNGS 技术在临床上病原微生物的检测中应用越来越广泛,并且,mNGS纳入最新成人呼吸道感染病原诊断临床应用专家共识[6]。

WGS

人类全基因组测序(Whole Genome Sequencing,WGS)是利用高通量测序平台对人类不同个体或群体进行全基因组测序,并在个体或群体水平上进行生物信息分析。WGS技术对受检者基因组中的全部DNA序列进行检测,不仅覆盖了全部基因的外显子序列,也覆盖了内含子序列和基因间序列,同时WGS技术可有效避免在对相关基因组区域进行靶向富集时产生的技术性扩增偏差,不仅可以检出单个核苷酸变异(SNV)、碱基插入缺失(InDel)、拷贝数变异(CNV),还可以对SV进行分析,并可以常规性地对线粒体基因组(mtDNA)变异进行分析,极大地扩展了检测范围,同时其操作步骤相对简化,能更加快速地获得更完整的基因组信息。
应用
WGS在癌症基因组学、遗传病研究、药物基因组学、群体进化等研究领域的应用主要集中于以下三点:
(1)在癌症基因组学研究中,由于某些变异未曾被检出过,也不一定存在于基因编码区域中,这时候采取WGS能够检出癌症基因组中的所有变异。
(2)在遗传病研究中,当遇到有较少分子研究基础的疾病类型,或研究大的结构变异的情况时,全基因组测序可在全基因组范围内搜寻疾病相关候选位点或区域。
(3)在人类进化的研究中,WGS能够全部的遗传信息,并进行种群进化、种群特异性基因及区域等的筛选。

结语:

针对不同的需求,可以选择不同的检测方式。如果想要寻求个性化定制的靶向药方案,可以选择基于NGS的靶向基因检测;如果想找寻不病因不明的疾病,并怀疑是病原微生物感染,可以考虑mNGS;如果是想寻求癌症基因组学和遗传病研究领域的重大突破或创新,那么WGS较之前两者能够提供能多更全的遗传信息。


[1]姜晓峰.高通量测序在临床分子诊断中的应用与展望[J].检验医学,2017,32(04):250-254.
[2] 周茂旗,李兴明,王宪刚等.mNGS应用于肺部感染患者病原学检测中的研究进展[J].中国现代医生,2022,60(23):115-117+121.
[3] Wilson MR, Naccache SN, Samayoa E, et al. Actionable diagnosis of neuroleptospirosis by next–generation sequencing[J]. N Engl J Med, 2014, 370(25): 2408–2417. 
[4] Knittler MR, Berndt A, Böcker S, et al.Chlamydia psittaci: new insights into genomic diversity, clinical pathology, host–pathogen interaction and anti–bacterial immunity[J]. Int J Med Microbiol, 2014, 304(7): 877–893. 
[5] Yue R, Wu X, Li T, et al. Early detection of legionella pneumophila and aspergillus by mNGS in a critically Ill patient with legionella pneumonia after extracorporeal membrane oxygenation treatment: case report and literature review[J]. Front Med (Lausanne), 2021, 8: 686512. 
[6] 中华检验医学培训工程专家委员会,中华医学会呼吸病学分会.成人呼吸道感染病原诊断核酸检测技术临床应用专家共识(2023)[J].协和医学杂志,2023,14(05):959-971.

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DNA鉴定

根据孟德尔遗传定律(亲子鉴定的理论基础),孩子身上的遗传物质一半来自于生物学父亲(简称“生父”),一半来自于生物学母亲(简称“生母”),每个基因座上的两个等位基因也分别来自生父和生母。DNA亲子鉴定就是根据科学技术将子女的DNA信息与父亲、母亲的DNA信息相比对,如果符合即是亲生关系,不符则非亲生。

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