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基因测序

发布时间:2015-09-15 15:10 来源:转载网络 |  | 

基因测序,或称DNA测序,是指分析特定DNA片段的碱基序列,也就是腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤的(G)排列方式。基因测序技术能锁定个人病变基因,提前预防和治疗。只需一滴血或一点唾液,就能预测罹患多种疾病,如癌症或白血病。但有专家担心,一旦全基因检测普及,含有基因缺陷的人的信息,一旦落入保险公司或者被测者雇主的手中,将对他的生活产生不良影响。

编辑摘要 百科帮你涨姿势

安吉丽娜·朱莉凭此检测而选择切除乳腺 催生名人效应致价格不菲

乔布斯患癌时期将其癌肿瘤和正常DNA进行测序 花费约10万美元

可检测胎儿唐氏综合症亦可发现新型流感 “产前检测”曾被叫停

科学 + 2015-09-07

基因测序:多国实施全基因组分析计划来源:科学网

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2015-08-31

基因测序:抽个血 就能知晓前世今生?来源:人民网

如今在一些发达国家,基因测序已从实验室走入临床应用,特别是一些名人利用基因测序提前预防癌症等疾病。[详细]

2015-08-24

基因测序:为你的基因组测序 以后请登陆APP来源:生物360

等Helix上线时,它将会为消费者的基因组测序并储存相关信息,然后再将这些信息卖给平台里的APP。[详细]

2015-08-20

基因测序:再显神通 鉴定出多个骨髓瘤致病基因!来源:生物探索

最新研究证明基因检测通过预测病人罹患骨髓瘤的可能,检测导致癌变的关键基因,能用于骨髓瘤治疗。[详细]

2015-07-28

基因测序:老骨头里有新生!新一代测序技术连接人类古今来源:生物探索

这一代技术出现,使得科研工作者能够以较少的经费,测取数以百万计的短DNA序列数来进行各方面的研究应用![详细]

2015-07-13

基因测序:未来5年基因测序市场年增速将超20%来源:云之台

科技部召开国家首次精准医学战略专家会议,提出了中国精准医疗计划。未来5年基因测序市场年增速将超20%。[详细]

基因测序 - 概述

基因测序

基因测序是对目标DNA进行碱基的序列测定,并进行各种相关分析。是现代生物学的重要手段之一,同时也是生物学迅猛发展的重要动力。它推动了生物学的发展,它促使生物学从DNA水平上进行各种研究。

基因(Gene,Mendelian factor)是指携带有遗传信息的DNA或RNA序列,也称为遗传因子,是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质的合成来表达自己所携带的遗传信息,从而控制生物个体的性状表现。基因有控制遗传性状和活性调节的功能。基因通过复制把遗传信息传递给下一代,并通过控制酶的合成来控制代谢过程,从而控制生物的个体性状表现。基因还可以通过控制结构蛋白的成分,直接控制生物性状。因此对生物从分子生物学水平上进行研究,在医学上对某种遗传疾病的研究等都离不开对DNA或RNA的序列进行测定。基因测序也成为生物学研究的重要手段。

在基础生物学研究中,和在众多的应用领域,如诊断,生物技术,法医生物学,生物系统学中,DNA序列知识已成为不可缺少的知识。具有现代的DNA测序技术的快速测序速度已经有助于达到测序完整的DNA序列,或多种类型的基因组测序和生命物种,包括人类基因组和其他许多动物,植物和微生物物种的完整DNA序列。RNA测序则通常将RNA提取后,反转录为DNA后使用DNA测序的方法进行测序。应用最广泛的是由弗雷德里克·桑格发明的Sanger双脱氧链终止法(Chain Termination Method)。新的测序方法,例如454生物科学的方法和焦磷酸测序法。[1]

基因测序 - 原理

基因测序

基因就是DNA大分子的一个片断。核酸分为DNA(脱氧核糖核酸)和RNA(核糖核酸)两类,它们共同执掌着细胞的新陈代谢,核酸作为生命的根源是遗传因子的本体,能完全控制细胞的分裂、成长与能量的产生。

现代遗传学家认为,基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上,并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代,还可以使遗传信息得到表达。不同人种之间头发、肤色、眼睛、鼻子等不同,是基因差异所致。

由于DNA上的每一个碱基出现在可变终止端的机会均等,因此上述每一组产物都是一些寡核苷酸混合物,这些寡核苷酸的长度由某一种特定碱基在原DNA全片段上的位置所决定。

在可以区分长度仅差一个核苷酸的不同DNA分子的条件下,对各组寡核苷酸进行电泳分析,只要把几组寡核苷酸加样于测序凝胶中若干个相邻的泳道上,即可从凝胶的放射自影片上直接读出DNA上的核苷酸顺序。

基因测序 - 测序方法

Sanger测序法

基因测序

Sanger(桑格)双脱氧链终止法是Frederick Sanger于1975年发明的。测序过程需要先做一个聚合酶连锁反应(PCR)。PCR过程中,双脱氧核糖核苷酸可能随机的被加入到正在合成中的DNA片段里。由于双脱氧核糖核苷酸多脱了一个氧原子,一旦它被加入到DNA链上,这个DNA链就不能继续增加长度。最终的结果是获得所有可能获得的、不同长度的DNA片段。目前最普遍最先进的方法,是将双脱氧核糖核苷酸进行不同荧光标记。将PCR反应获得的总DNA通过毛细管电泳分离,跑到最末端的DNA就可以在激光的作用下发出荧光。由于ddATP, ddGTP, ddCTP, ddTTP(4种双脱氧核糖核苷酸)荧光标记不同,计算机可以自动根据颜色判断该位置上碱基究竟是A,T,G,C中的哪一个。[2]

Maxam-Gilbert DNA化学降解法

在这一方法(Maxam和Gilbert,1980)中,一个末端标记的DNA片段在5组互相独立的的化学反应分别得到部分降解,其中每一组反应特异地针对某一种或某一类碱基。因此生成5组放射性标记的分子,从共同起点(放射性标记末端)延续到发生化学降解的位点。每组混合物中均含有长短不一的DNA分子,其长度取决于该组反应所针对的碱基在原DNA全片段上的位置。此后,各组均通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分离,再通过放射自显影来检测末端标记的分子。这一方法的成败,完全取决于上述这些佞两步进行的降解反应的特异性。第一步先对特定碱基(或特定类型的碱基)进行化学修饰,而第二步修饰碱基从糖环上脱落,修饰碱基5'和3'的磷酸二酯链断裂在每种情况下,这些反应都要在精心控制的条件下进行,以确保每一个DNA分子平均只有一个靶碱基被修饰。随后用哌啶裂解修饰碱基的5'和3'位置,得到一组长度从一到数百个核苷酸不等的末端标记分子。比较G、A+G、C+T、C和A>C各个泳道, 右从测序凝胶的放射自显影片上读出DNA序列。Maxam-Gilber法所能测定的长充要比Sanger法短一些,它对放射性标记末端250个核苷酸以内的DNA序列效果最佳。化学降解较之链终止法具有一个明显的优点:所测序列来自原DNA分子而不是酶促合成所产生的拷贝。因此,利用Maxam-Gilbert法可对合成的寡核苷酸进行测序,可以分析诸如甲基化等DNA修饰的情况,不可以通过化学保护及修饰干扰实验来研究DNA二级结构及蛋白质与DNA的相互作用。[1]

霰弹枪定序法

霰弹枪定序法(Shotgun sequencing,又称鸟枪法)是一种广泛使用的为长DNA测序的方法,比传统的定序法快速,但精确度较差。曾经使用于塞雷拉基因组(Celera Genomics)公司所主持的人类基因组计划。

基因测序 - 下一代测序技术

基因测序

高通量测序技术(High-throughput sequencing)又称“下一代”测序技术("Next-generation" sequencing technology),以能一次并行对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定和一般读长较短等为标志。

MPSS

由Lynx Therapeutics公司在90年代发展的Massively Parallel Signature Sequencing, MPSS技术是“下一代”测序技术发展的先驱。MPSS 是一种基于磁珠(bead)和接头(adaptor)连接和解码的复杂技术,测定结果短,多用于转录组测序,测定基因表达量。MPSS测定结果有序列偏好性而易丢失DNA中某些特定序列,且操作复杂,已逐渐淡出,被新的方法替代。Lynx Therapeutics公司于2004年和Solexa合并,随后被Illumina收购。

Polony Sequencing

2005年哈佛George Church实验室发展起来的,基于乳化PCR(emulsion PCR)和自动显微镜等技术的测序方法。相关技术已整合进ABI公司的SOLiD测序技术平台。

454 焦磷酸测序

由454公司发展的并行焦磷酸测序方法。该方法在油溶液包裹的水滴中扩增DNA(即emulsion PCR),每一个水滴中开始时仅包含一个包被大量引物的磁珠和一个链接到微珠上的DNA模板分子(控制DNA浓度出现的大概率事件)。将emlusion PCR产物加载到特制的PTP板上,板上有上百万个孔,每个微孔只能容纳一个磁珠。DNA Polymerase在将一个dNTP聚合到模板上的时候,释放出一个PPi(焦磷酸分子);在ATP-Sulfurylase(ATP硫酸化酶)催化下,PPi与APS生成一个ATP分子;ATP分子在Luciferase(荧光素酶)的作用下,将luciferin(荧光素)氧化成oxy luciferin,同时产生的可见光被CCD光学系统捕获,获得一个特异的检测信号,信号强度与相应的碱基数目成正比。通过按顺序分别并循环添加四种dNTP,读取信号强度和发生时间,实现DNA序列测定。这一技术的读长和每一碱基耗费都介于Sanger法测序和Solexa和SOLiD方法之间。454公司现下属于Roche公司。

Illumina (Solexa) sequencing

Solexa公司开发了一种可反转的染料终止法。DNA模板首先连接到与固体介质(如玻璃板)交联的引物上,并扩增形成本地微克隆。四种ddNTPs依次添加到体系中,未结合的ddNTPs在添加下一种核苷酸前被冲洗走。与454的焦磷酸测序不同,这种方法一次只延伸一个碱基。

基因测序 - 应用

测序应用(genesequence)

基因测序服务

对目标DNA进行碱基的序列测定,并在此基础上,进行各种相关分析。

片段分析应用(genescan)

在测序仪上走一个荧光标记的高精度电泳,通过条带和分子量标准比较,判定分子量,并进行相关分析。医学测序(基因突变、缺失等与疾病的关系等),细菌、真菌鉴定(16SrRNA、D2rDNA测序),杂合子、突变检测(SNP检测、微生物基因变异等),基因进化分析(微生物溯源研究等)。[1]

疾病诊断

1996年,一对双胞胎出生了,男孩叫诺亚,女孩叫艾丽西斯。然而,他们的行为举止与别的孩子有所不同。从回到家的那天起,这对双胞胎就开始腹痛,并且一天要呕吐好几次。在孩子们两岁的时候,他们被确诊为脑瘫。在精心的治疗和护理之下,这对双胞胎的病情似乎得到了控制。然而,5岁半的时候,双胞胎的病情又开始恶化。女孩艾丽西斯的眼珠开始上翻,手也无法正常下垂;男孩诺亚则是一天24小时地不断呕吐。他们甚至无法像正常人一样走路、说话。此后,双胞胎的病情又几次反复,一直没有找到能治愈他们的方法。

2003年,机缘巧合,这对双胞胎和他们的哥哥以及父母进行了一次基因测序。经过对比分析,最终发现双胞胎致病的罪魁祸首是体内一种还原酶发生了基因突变。它破坏了产生多巴胺以及其他两种神经递质的细胞途径。找到病因后,医生立刻做出了精确的治疗方案。一个月后,这对双胞胎被治愈。让这对双胞胎重获健康的,便是来自于生命技术公司的基因测序技术。[3]

体检

基因测序,本是一种实验室研究技术手段,因“名人效应”应用于高端体检、产前诊断等领域,价格不菲。基因测序最广为人知的,是影星安吉丽娜·朱莉通过基因检测,选择手术切除乳腺以降低患乳腺癌风险。2011年去世的苹果公司创始人史蒂夫·乔布斯患癌时,曾经花费10万美元将他的癌肿瘤和正常的DNA进行测序[4]

基因测序 - 官方叫停

基因测序争议

2014年2月17日晚,国家食品药品监督管理总局相关负责人坦言,基因测序的临床应用多出现于医疗机构和体检中心的高端体检,但其使用的基因测序仪及相关诊断试剂和软件,很多没有经过医疗器械的注册审批。[5] 对于突然叫停的原因,这是通知里最接近答案的一句话:“基因测序相关产品和技术已由实验室研究演变到临床应用,其中涉及到伦理、隐私和人类遗传资源保护、生物安全以及医疗机构开展基因诊断服务技术管理、价格、质量监管等问题。”[6]