长读长测序如何突破专业实验室的限制

长读长测序如何突破专业实验室的限制Improving Accessibility of Long-Read Sequencing - BioTechniques

环球医讯 / 健康研究来源：www.biotechniques.com美国 - 英语2026-10-10 03:18:43 - 阅读时长5分钟 - 2172字

本文详细阐述了长读长测序技术在准确度、通量和成本方面的显著进步如何使其从专业实验室走向规模化应用，系统比较了短读长与长读长测序技术的优劣势，深入探讨了长读长测序在群体基因组学研究、罕见疾病研究和复杂肿瘤基因组解析三大领域的应用价值，指出随着技术不断发展，长读长测序正从专业工具转变为基因组学的基础技术，将为生物学研究和药物发现带来突破性进展，特别是在捕捉传统方法难以检测的结构变异和表观遗传信息方面具有不可替代的优势。

本文中，PacBio（美国加利福尼亚州）生物信息学首席科学家Aaron Wenger探讨了准确度、通量和成本方面的进步如何使长读长测序技术得以规模化应用。

基因组测序技术的进步极大地增进了我们对人类、植物、动物和微生物生物学的理解。每一次揭示基因组复杂性新层面的技术突破，都一再提醒我们还有更多有待理解的内容。

例如，20世纪50年代细胞遗传学的突破使科学家首次能够观察整个染色体，但研究人员很快意识到基因组分辨率较低，大多数变异仍然隐藏。

几十年来，后续的创新扩大了研究人员能够研究的生物学深度，但人类基因组的最后8%直到2022年才得以解析，这要归功于软件算法和HiFi长读长测序等全基因组测序（WGS）技术的进步。曾经专属于专业项目的这种基因组分辨率，如今随着长读长测序通量的提高和成本的下降，正变得可以规模化获取。

短读长与长读长测序：这些WGS技术如何比较？

虽然这两种技术都旨在为科学家提供全基因组视图，但短读长测序缺乏长读长的上下文和完整性。这是因为短读长测序将基因组分割成100-300个碱基对的片段，这些片段提供的信息有限，并且需要与参考基因组对齐才能解释。尽管短读长在识别单核苷酸变化和小的插入或删除方面有效，但由于片段太短而无法跨越这些区域，短读长在表征重复或高度可变的基因组区域方面存在困难。

相比之下，原生长读长测序可以在单个连续读取中捕获数千个碱基。这意味着长读长可以跨越短读长错过的复杂结构变异和与疾病相关的基因组区域。通过保留基因组上下文，长读长还能实现单倍型定相，使科学家能够将遗传变化与其源自的母本或父本染色体联系起来，以评估突变组合如何影响疾病。

除了基因组数据外，最先进的长读长测序现在还可以捕获额外的生物信息，如表观遗传DNA甲基化模式。这些洞察有助于研究人员理解与疾病风险和进展相关的调控变化。分析多个"组"以前需要多个检测，但现在原生长读长通常可以在单次实验中提供多组学洞察，节省时间和金钱，并减轻多次检测的负担。

长读长测序在研究中的规模化应用

多年来，长读长的完整性伴随着较低的通量和较高的成本。如今，测序化学和平台效率的改进正在改变这一状况，使每台仪器每年能够以每基因组几百美元的价格处理数千个基因组。这使得长读长测序在更大规模的研究和常规使用中变得可行。以下是这些优势有望推动发现突破的三个研究领域。

1. 群体基因组学研究

从数千人生成高分辨率数据使研究人员能够探索影响生物功能的遗传变异，通常揭示出与健康和疾病相关的新途径。长读长测序通过改进结构变异的检测、解析复杂和重复区域以及实现单倍型定相，加强了这些研究，而这些对短读长方法来说仍然是挑战。这些能力对于捕捉历史上被忽视的变异形式至关重要，特别是在代表性不足的人群中。

研究特定人群的遗传学已经在药物发现中展示了其价值。例如，对一小部分阿非利卡人群体中SOST基因罕见突变的研究揭示了调节骨密度的机制。虽然该疾病本身极为罕见，但理解这一生物学机制使得针对骨质疏松症的硬化蛋白靶向疗法得以开发。同样，对携带PCSK9功能丧失突变的冰岛个体的研究揭示了一种预防心血管疾病的保护机制，从而催生了一类新型降胆固醇药物。

2. 罕见疾病研究

许多罕见疾病由基因组中特定而复杂的改变驱动。然而，由于传统测序方法的局限性，这些变异中的大部分仍未被充分理解。例如，由重复扩增引起的疾病，如脆性X综合征，用短读长技术难以解析。因此，不仅60%的罕见疾病患者仍未得到诊断，而且罕见疾病生物学的大片区域也仍未被研发探索。

长读长测序使研究人员能够探究基因组变异的全谱，以及DNA甲基化等表观遗传修饰——这些化学变化调节基因是否开启或关闭，而不改变基础DNA序列。这些信号越来越被认为是罕见疾病生物学的重要贡献者，特别是在涉及印记或基因调控的疾病中。这种多组学视角使科学家能够识别新的变异类型，并更好地表征它们如何破坏基因功能。