测序文库构建中的四大关键元件Adapter、Barcode、Index与UMI
测序文库构建中的四大关键元件Adapter、Barcode、Index与UMI
216
2026-10-12
在高通量测序(NGS)全流程中,文库构建是连接生物样本与测序数据的关键桥梁。其中,接头(Adapter)、条形码(Barcode)、索引(Index)与唯一分子标识符(UMI)是最常被提及、也最易混淆的四个概念。跟着我们,为你系统梳理它们的定义、结构、功能及区别。
Adapter是文库构建过程中连接到未知的DNA片段两端的合成的已知的寡核苷酸序列。它不携带样本或分子信息,而是提供测序所需的结构性元件——使DNA片段能够锚定在测序芯片(flow cell)上,并为测序引物提供结合位点。
以Illumina平台为例,一个完整的adapter包含以下关键区域:
P5序列:与flow cell表面的寡核苷酸互补,介导第一条链的锚定
P7序列:与flow cell另一侧寡核苷酸互补,介导桥式扩增
Read 1 / Read 2 Primer结合位点:两段测序引物退火的位置
Index区域:嵌入在adapter内部的样本标签序列(i5、i7)
图1. Illumina双端测序文库中各元件的位置关系
核心功能:Adapter的本质是让样本DNA“穿上”测序平台能识别的外衣。没有adapter,DNA片段无法固定在芯片上,测序引物也无从结合。
Barcode是一个泛化概念,指任何用于标识目的的短核苷酸序列标签。其作用类似于超市商品上的条形码——通过读取一段特定序列,快速确定样本、细胞或分子的来源。
Barcode在不同测序场景中有不同层次的含义
样本条形码(Sample Barcode):标记不同样本,功能上等同于Index,用于多样本混合测序(multiplexing)
细胞条形码(Cell Barcode):在单细胞测序中标记每个独立细胞,使每个细胞拥有唯一身份
分子条形码(Molecular Barcode):标记单个分子,本质上即为UMI
Barcode的概念更偏向于应用逻辑而非具体技术规格。它强调“用一段序列来标记某个对象”的通用思想,而不限定于哪种平台、哪种读取方式。
Index是测序平台标准化的样本标识序列,特指嵌入在adapter中、通过专门的Index Read读取的短序列。以Illumina为例,每个样本的adapter中包含i5和i7两个index(各6~10 bp),通过两个独立的Index Read分别读取。
单索引(Single Indexing):仅使用i7或i5一端index,通量较低,混样规模有限
双索引(Dual Indexing):同时使用i5和i7,提高区分能力。双索引又分为组合双索引(CDI)和唯一双索引(UDI)。
组合双索引(CDI)是指同一index可在不同位置重复使用,提高组合数,但存在index hopping风险; 唯一双索引(UDI):每个样本的i5+i7组合唯一,不与其他样本共享任何index,有效防止index hopping导致的样本串扰。
注:Index Hopping问题:在NovaSeq等模式的流动槽上,不同样本间可能发生index跳跃(index hopping),导致读段被分配到错误样本。UDI策略通过保证每对index组合的唯一性,可有效缓解此问题
Index是Barcode的一种特定技术实现——当Barcode被设计为adapter的组成部分、通过Index Read专门读取时,它就被称为Index。换言之,所有的Index都是Barcode,但并非所有的Barcode都是Index。
UMI(Unique Molecular Identifier)是一段随机核苷酸序列(通常8~12个随机碱基,如NNNNNNNN),在建库早期(反转录或连接阶段)添加到每个原始分子上。由于每个分子获得的随机序列几乎唯一,UMI能够追溯每条测序读段对应的原始分子。在反转录或连接步骤中,每个分子被赋予一段随机UMI。当PCR 扩增时,扩增产生大量拷贝,但同一原始分子的所有拷贝共享相同UMI;测序后,将UMI+比对位置相同的读段判定为PCR重复,折叠为一条,基于同一UMI的多条读段进行一致性校正,消除PCR/测序错误。
图2. Illumina双端测序文库UMI接头各元件的位置关系
精准定量:消除PCR扩增偏好性,真实反映原始分子数量
超低频突变检测:在ctDNA检测中,区分真实突变与PCR/测序错误
典型应用:RNA-seq定量、ctDNA液体活检、单细胞测序等
UMI与Index/Barcode的本质区别:UMI标记的是分子,而非样本或细胞。同一样本中,每个原始分子拥有不同的UMI;而Index/Barcode对同一样本的所有分子相同。UMI是分子维度的标签,Index/Barcode是样本维度的标签。
实际流程中的协作关系
在一次典型的单细胞RNA-seq中,这四者协同工作,各司其职:
Adapter:为每个cDNA片段提供测序所需的P5/P7和引物位点——结构基础,让测序成为可能
Cell Barcode:标记每个细胞的身份——细胞级标识,识别不同细胞样本
UMI:标记每个转录本分子——分子级标识,避免扩增偏好性
Index:标记每个样本(每条lane/每个run中的样本池)——样本级标识,识别不同样本。
图3. Illumina双端测序文库中各元件的位置关系与功能层级
测序后,数据拆分流程为:先按Index拆分到样本 → 按 Cell Barcode拆分到细胞 → 按UMI折叠PCR重复 → 最终得到每个细胞中每个基因的真实分子计数。四个元件在样本→细胞→分子的层级上逐级递进,共同支撑了从原始数据到生物学解读的完整链路。
翌圣生物产品
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接头类型 |
货号 |
种类 |
接头形式 |
应用 |
对应测序平台 |
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UDI双端短接头 |
1536 |
预装板 |
RNA、DNA、甲基化等 |
Illumina/ Element/ 真迈/ 赛陆/ 赛纳等 |
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UDI双端长接头 |
576 |
预装板 |
RNA、DNA、甲基化等 |
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CDI双端短接头 |
384 |
管式 |
RNA、DNA、甲基化等 |
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UMI双端短接头 |
96 |
管式 |
RNA、DNA、甲基化等 |
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单端长接头 |
96 |
管式 |
RNA、DNA、甲基化等 |
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Tn5接头 |
384 |
管式 |
ATAC、CUT&Tag等Tn5酶相关应用 |
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UDB双端短接头 |
1536 |
预装板 |
RNA、DNA、甲基化等 |
MGI平台 |
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单端长接头 |
96 |
管式 |
RNA、DNA、甲基化等 |
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UMI双端短接头 |
96 |
管式 |
RNA、DNA、甲基化等 |
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ONT专用Barcode |
576 |
预装板 |
全长质粒、PCR产物、基因组、全长转录组等 |
ONT平台 |





