揭开基因测序的神秘面纱

2020
09/21

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ZSY /  药学速览
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核酸是分析基因结构、功能及相关关系的基础,也是各种研究的最终根源,更是临床疾病分子诊断中的“金标准”。而基因测序技术则是解读这种生命密码的强有力手段。

核酸是生命体遗传信息的主要载体,是所有已知生命形式必不可少的组成物质。包括脱氧核糖核酸(DNA)核糖核酸(RNA)。1953年Watson和Crick关于DNA双螺旋结构的发现表明,几乎所有基因的三维结构基本一致,AT(U)CG碱基的数量和排列方式造就了生命体的多样性。因此,核酸是分析基因结构、功能及相关关系的基础,也是各种研究的最终根源,更是临床疾病分子诊断中的“金标准”。而基因测序技术则是解读这种生命密码的强有力手段。

在早期时,各位科研工作者将大部分精力都聚焦于技术开发和创新,使得基因测序技术逐渐成熟,迭代更新,相继出现第一代、第二代、第三代但甚至第四代测序技术。进入21世纪,该技术的逐渐商业化,测序的成本也在随之降低。根据自己的研究目的,可自由选择相匹配的测序手段,而使得研究获得事半功倍的效果。

基因测序技术从初期至今的发展史

第一代测序技术

最早出现的核酸测序技术是化学降解法,该方法利用磷酸单酯酶和高碘酸将核苷酸链逐一解离成碎片化的寡核苷酸,再利用色谱法测定其种类,但由于操作复杂,并未广泛应用。小编认为该方法的出现,确定了后续测序技术革新的基调。而后小片段重叠法、位置引物特异性延伸策略及加减测序法的出现也为测序技术的革新提供思路。1977年,Sanger创建双脱氧终止测序法,同年,Gilbert和Maxam在原有方法基础上合创化学降解测序法。两种方法在原理是大相径庭,都是利用添加特定放射性碱基对寡核苷酸进行电泳后,经放射自显影技术读出DNA序列

电泳经放射显影后读取DNA序列

第二代测序技术

1996年,Ronaghi和Uhlen建立了焦磷酸测序,而后454公司、Illmina公司等相继推出依托该技术的测序系统,该技术与第一代测序技术最大的差别是边合成边测序(sequencing by synthesis,SBS)或边连接边测序(sequencing by ligation,SBL),将模板DNA打断成小片段或根据研究目的特异性扩增某些目的片段制成文库后,通过桥式PCR或乳液PCR对为文库进行扩增,在该过程中的特异性标记读取DNA序列,其特点是高通量和自动化。第二代测序技术使某一物种基因组序列获得成为可能,更开发出转录组测序,这也是截至目前,在科研工作中应用最广泛的、最有价值且商业化程度最高的测序技术。

桥式PCR测序过程

第三代测序技术

理想的测序技术应该是第一二代测序技术的结合,既能满足高通量、自动化,又能直接对最原始的DNA进行直接测序,读长长、准确率高。因此,第三代测序技术应运而生。虽然,许多尝试都失败了,但单分子实时测序技术(single molecule real-time,SMRT)和纳米孔测序(nanopore)技术目前较为成熟。该技术读长可达数万碱基,但目前,准确率一般,也是目前还没有攻克的难关,距离临床应用还有很长的路。

SMRT测序示意图

小结

未来测序技术的发展前景会更为广阔,不仅仅是局限于科学研究,更能够准确地应用到医学、农业等领域,更精准、更高通量、更廉价地为人类服务,当然,这些都需要依赖更多相关技术的发展和时间的验证。在接下来的时间里,小编会逐渐叙述基因测序的相应原理及相关文献分享,敬请关注吧!

参考资料:

1. 李金明《高通量测序技术》

2. Maxam and Gilbert. A new method for sequencing DNA. DOI:10.1073/pnas.74.2.560

3. Ronaghi M, Uhlen M, Nyren P. A Sequencing Method Based on Real-Time Pyrophosphate.

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关键词:
核酸,基因测序,DNA,基因测序技术

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