北京大學生物動態光學成像中心/北京未來基因診斷高精尖創新中心/生命科學聯合中心/工學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的熒光發生測序技術基礎上發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”為題在線發表于《自然 生物技術》（Nature Biotechnology）期刊上。
ECC測序法的化學反應采用了熒光發生測序技術，該技術由謝曉亮課題組于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目相等的熒光分子，利用這一反應可以實現低錯誤率的SBS。黃巖誼課題組在此基礎上，過去幾年對該方法進行了拓展(ChemBioChem (2015) 16, 1153.)，為本次技術突破奠定了基礎。該團隊首先從化學原理上對熒光發生測序技術中的熒光標記分子進行了結構優化，設計合成了具有不同波長、更優性能的測序底物分子，并對聚合酶參與的各階段反應動力學進行了細致的測量和建模；在深入理解熒光發生測序化學反應速度、完成度、副反應等關鍵技術細節的基礎上，完善了ECC測序原理樣機的搭建，不斷迭代優化測序反應條件和信號采集流程；從數據入手，構建了精確的測序信號失相模型并提出了次級延伸理論，并據此開發出算法軟件對測序反應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展的“對偶堿基熒光發生”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，后續不但能夠通過解碼推導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用在信息通訊和存儲等其它領域中，并被證實可以有效檢測和糾正數據傳輸或存儲時發生的錯誤。此次黃巖誼團隊在測序技術中首次引入冗余編碼概念，通過和低錯誤率的熒光發生測序技術巧妙結合，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果。
該論文作者包括北京大學博士后陳子天，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、國家自然科學基金、北大-清華生命科學聯合中心以及北京未來基因診斷高精尖創新中心的資助。
黃巖誼課題組主頁：http://gene.pku.edu.cn/
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