DNA測序

DNA測序的排列方式。快速的DNA測序方法的出現極大地推動了生物學和醫學的研究和發現。在基礎生物學研究中，和在眾多的應用領域，如診斷，生物技術，法醫生物學，生物系統學中，DNA序列知識已成為不可缺少的知識。具有現代的DNA測序技術的快速測序速度已經有助於達到測序完整的DNA序列，或多種型別的基因組測序和生命物種，包括人類基因組和其他許多動物，植物和微生物物種的完整DNA序列。RNA測序則通常將RNA提取後，反轉錄為DNA後使用DNA測序的方法進行測序。目前應用最廣泛的是由弗雷德裡克·桑格發明的桑格測序。新的測序方法，例如454生物科學的方法和焦磷酸測序法。應用.DNA測序可用於確定任何生物的單個基因的序列，較大的遺傳區域的關鍵技術。分子生物學.在分子生物學中，DNA測序可被用於研究基因組及其編碼的蛋白質。利用測序獲得的資訊，科研人員能夠識別基因的變化，基因與疾病和表型的關聯，並確定潛在的藥物靶點。演化生物學.由於DNA是攜帶有遺傳資訊的大分子，在演化生物學中，DNA測序被用於研究不同生物體之間的相關性以及它們是如何演化的。宏基因組學.宏基因組學是一門直接取得環境中所有遺傳物質的研究。環境包括但不限於水體，汙水，汙垢，從空氣中過濾出的碎片或者從生物體採集的樣本。瞭解在特定環境中存在哪些生物體對於生態學，流行病學，微生物學和其他領域的研究至關重要。DNA測序使研究人員能夠確定微生物群中可能存在哪些型別的微生物。醫學.醫療人員可透過對患者基因的測序結果確定該患者是否有攜帶遺傳性疾病的風險。需要注意的是，該方法屬於基因檢測，有些基因檢測不會用到DNA測序技術。法醫學.DNA測序可以與DNA圖譜鑑定一起用於法醫鑑定和親子鑑定。 DNA測試在過去的幾十年中發展迅猛，目前已能夠做到將DNA鑑定結果與被調查物件聯絡起來。指紋，唾液，毛囊等中的DNA特徵可以將不同的生物體進行區分。測試DNA是一種可以檢測DNA鏈中特定基因組並生成唯一的個性化DNA模型的技術。每一種有機體都有其DNA特徵，並可以透過DNA測試來確定。兩個人具有完全相同的DNA特徵是非常罕見的，因此保證了DNA測試的成功。歷史.DNA結構與功能的發現.脫氧核糖核酸最早在1869年由Friedrich Miescher發現並分離出來，但由於當時普遍認為遺傳資訊保存於蛋白質而不是DNA中，因此在過去幾十年中DNA一直沒有得到充分研究。1944年，由於Oswald Avery，Colin MacLeod和Maclyn McCarty的一些實驗表明，純化的DNA可以將一種細菌變成另一種細菌，這種情況才發生了變化。這也是首次DNA顯示出改變細胞特性的能力。1953年，James Watson和Francis Crick根據Rosalind Franklin研究的結晶X射線結構提出了他們的雙螺旋DNA模型。根據該模型，DNA由彼此纏繞的兩條核苷酸鏈組成，透過氫鍵連線在一起並以相反方向執行。每條鏈由四個互補的核苷酸組成：腺嘌呤，其中A與T配對，C與G配對。他們提出的這種結構，使得每條單鏈都可被用於重建另一條鏈，並且讓遺傳資訊代代相傳。對蛋白質進行測序的基礎首先由弗雷德裡克·桑格中所有氨基酸序列的測序工作。這是首個確鑿的證據證明蛋白質是具有特定分子模式的化學實體，而不是懸浮在流體中的隨機混合物。桑格在胰島素測序方面的成功使得X射線晶體學家大為振奮，包括沃森和克里克，他們現在正試圖理解DNA如何指導細胞內蛋白質的形成。在1954年10月弗雷德裡克·桑格出席一系列講座後不久，克里克開始發展一種理論，認為DNA中核苷酸的排列決定了蛋白質中氨基酸的序列，從而幫助確定蛋白質的功能。他於1958年發表了這一理論。RNA測序.RNA測序是最早的核苷酸測序形式之一。 RNA測序的主要標誌是1972年和1976年Walter Fiers及其同事在根特大學分子。早期的DNA測序方法.確定 DNA 序列的第一種方法涉及由康奈爾大學的吳瑞於1970年建立的位置特異性引物延伸策略。 DNA聚合酶催化和特定核苷酸標記，這兩者在當前的測序方案中都很重要，用於對λ噬菌體DNA的粘性末端進行測序。在1970年至1973年間，吳瑞、R Padmanabhan及其同事證明，該方法可用於使用合成的位置特異性引物確定任何DNA序列。隨後弗雷德裡克·桑格(Frederick Sanger)採用這種引物延伸策略在英國劍橋的英國醫學研究委員會(MRC)中心開發了更快速的DNA測序方法，並於1977年發表了“使用鏈終止抑制劑進行DNA測序”的方法。全基因組測序.第一個完整的DNA基因組測序是在1977年的測序工作。醫學研究委員會的科學家在1984年破譯了Epstein-Barr病毒的完整DNA序列，發現它含有172,282個核苷酸。 該序列的完成標誌著DNA測序的一個重要轉折點，它在沒有病毒基因譜知識的情況下實現了DNA測序。20世紀80年代初，Pohl及其同事開發了一種在電泳時將測序反應混合物的DNA分子轉移到固定基質上的非放射性方法。隨後GATC Biotech公司的DNA測序儀“Direct-Blotting-Electrophoresis-System GATC 1500”商業化，該測序儀在EU基因組測序程式的框架以及酵母釀酒酵母染色體II的完整DNA序列中廣泛使用。加利福尼亞理工學院的Leroy E. Hood實驗室於1986年宣佈了第一臺半自動DNA測序機。隨後，Applied Biosystems在1987年推出了第一臺全自動測序儀ABI 370。以及Dupont公司的Genesis 2000，該儀器使用了一種新的熒游標記技術，可在單一泳道中識別所有四個雙脫氧核苷酸。到1990年，美國國立衛生研究院的基因組。該環形染色體中含有1,830,137個鹼基，其在《科學》雜誌中的發表標誌著全基因組鳥槍法測序的首次公開使用，擺脫了初始繪製工作的需要。高通量測序(HTS)方法.1990年代中後期開發了幾種新的DNA測序方法，並於 2000年在商業DNA測序儀中實施。這些方法統稱為“下一代”或“第二代”測序 (NGS) 方法，以便將它們與包括桑格測序在內的早期方法區分開來。 與第一代測序相比，NGS 技術的典型特徵是高度可擴充套件，允許一次對整個基因組進行測序。通常，這是透過將基因組片段化成小塊、隨機取樣片段並使用多種技術之一對其進行測序來實現的，例如下面描述的那些。 整個基因組測序是可能的，因為在一個自動化過程中同時對多個片段進行測序。1990年10月26日，錢永健、Pepi Ross、Margaret Fahnestock 和 Allan J Johnston 提交了一項專利，描述了在 DNA 陣列測序。 1996 年，斯德哥爾摩皇家理工學院的(Pål Nyrén) 和他的學生(Mostafa Ronaghi)發表了他們的焦磷酸測序方法。1997年4月1日，和Laurent Farinelli 向世界智慧財產權組織提交了描述DNA菌落測序的專利。 本專利中描述的DNA樣品製備和隨機表面聚合酶鏈式反應 (PCR) 陣列方法，與錢永健等人的“鹼基對鹼基”測序方法相結合，現已在Illumina公司的Hi-Seq基因組測序儀中實施。基本方法.Maxam-Gilbert測序法.馬克薩姆-吉爾伯特測序是一項由與沃爾特·吉爾伯特於1976～1977年間開發的DNA測序方法。此項方法基於：對核鹼基特異性地進行區域性化學改性，接下來在改性核苷酸毗鄰的位點處DNA骨架發生斷裂 。Sanger測序法.Sanger熒游標記不同，計算機可以自動根據顏色判斷該位置上鹼基究竟是A，T，G，C中的哪一個。高階方法和de novo測序法.霰彈槍定序法.霰彈槍定序法公司所主持的人類基因組計劃。新一代測序.隨著人們對低成本測序的需求與日俱增，推動了高通量測序的發展，此技術又稱為二代測序、新一代測序、次世代測序；這些技術對測序過程採多路複用，同時產生上千或上百萬條序列。高通量測序技術的目的是降低DNA測序的成本，這個成本比同樣可實現測序的染料終止法來得低得多。超高通量測序過程中可同時執行高達500,000次的邊合成邊測序。454生物科學和焦磷酸測序法.454測序法由454生物科學發明，是一個類似焦磷酸測序法的新方法。2003年向GenBank提交了一個腺病毒全序列，使得他們的技術成為Sanger測序法後第一個被用來測生物基因組全序列的新方法。454使用類似於焦磷酸測序的方法，有著相當高的讀取速度，大約為5小時可以測兩千萬鹼基對。正在開發的測序法.高通量測序.高通量測序能一次對幾十到幾百萬DNA分子進行序列測定。