【技术】基因测序那些事

　　最早的时候，基因测序只能应用于科研之上，是遗传学及分子生物学一个重要的科研工具。随着测序技术的发展，测序价格大大降低及测序仪的能力越来越高，测序技术应该不仅仅局限于科研市场，越来越多的人想要将测序这种分子生物学技术应用到面向大众的普通消费市场，特别是医疗市场和临床市场，一旦测序技术在这些市场进行推广应用，将会带来更大的发展。

　　狭义上讲，测序就是指利用技术手段确定一段核糖核酸或脱氧核糖核酸里面的碱基顺序，例如DNA中的ATCG如何排列。广义上的测序不仅需要确定DNA中的ATCG碱基顺序，还包括这些碱基与整个基因组的关系，碱基变化给个体带来的有利或有害的影响。

　　一般现在市场上的测序分为两种，研究性测序：对某个物种的基因组图谱进行测序或者针对某个疾病的群体进行整体序列研究；应用性测序：测定个人基因组对疾病等进行预测。

　　为什么现在还需要不断的测序：

　　首先是遗传信息是所有物种的遗传基础，所有表型都是遗传和环境的共同作用，但遗传是根本，环境是起影响作用；遗传信息里，作为大多数物种遗传物质的DNA当然应该首要关注，所以需要对物种的基因组进行测定。地球上如此多的物种，目前尚有大量物种未被测序，所以还一直进行测序。

　　同一物种的个体，是有异质性，也就是有个体差异的，正因为这种差异，才会有进化，对有经济价值的物种也才有育种的可能。所以，这就要对同一物种不同个体（即群体）进行测序，测序规模越大，所能发现的有趣基因越多。

　　健康诊断，目前已经有分子诊断、基因诊断，而基因组诊断则是更全面，更本质的诊断，所以将来会出现人人基因组的局面，那时会测定每个人的基因组，依据个人特点的基因组进行健康管理、疾病治疗或指导用药。

　　一代测序：

　　即Sanger测序法，核酸模板在DNA聚合酶、引物、4 种单脱氧核苷三磷酸（dNTP，其中的一种用放射性P32标记）存在条件下复制时，在四管反应系统中分别按比例引入4种双脱氧核苷三磷酸（ddNTP），因为双脱氧核苷没有3’-OH，所以只要双脱氧核苷掺入链的末端，该链就停止延长，若链端掺入单脱氧核苷，链就可以继续延长。如此每管反应体系中便合成以各自的双脱氧碱基为3’端的一系列长度不等的核酸片段。反应终止后，分4个泳道进行凝胶电泳，分离长短不一的核酸片段，长度相邻的片段相差一个碱基。经过放射自显影后，根据片段3’端的双脱氧核苷，便可依次阅读合成片段的碱基排列顺序。

　　将基因组DNA打碎成约100-200个碱基的小片段，在片段的两个末端加上接头 ( adapter )。将DNA片段变成单链后通过接头与芯片表面的引物碱基互补而使一端被固定在芯片上。另外一端随机和附近的另外一个引物互补，也被固定住，形成桥状结构。通过30轮扩增反应，每个单分子被扩增大约1000 倍，成为单克隆的DNA簇，随后将DNA 簇线性化。在下一步合成反应中，加入改造过的DNA聚合酶和带有4种荧光标记的dNTP。在DNA合成时，每一个核苷酸加到引物末端时都会释放出焦磷酸盐，激发生物发光蛋白发出荧光。用激光扫描反应板表面，在读取每条模板序列第一轮反应所聚合上去的核苷酸种类后，将这些荧光基团化学切割，恢复3’端黏性，随后添加第二个核苷酸。如此重复直到每条模板序列都完全被聚合为双链。这样，统计每轮收集到的荧光信号结果， 就可以得知每个模板DNA片段的序列。

　　DNA聚合酶和模板结合，4色荧光标记4种碱基（dNTP），在碱基配对阶段，不同碱基的加入，会发出不同光，根据光的波长与峰值可判断进入的碱基类型。同时这个 DNA 聚合酶是实现超长读长的关键之一，读长主要与酶的活性保持有关，它主要受激光对其造成的损伤所影响。PacBio SMRT技术的一个关键是将反应信号与周围游离碱基的强大荧光背景区别出来。他们利用的是ZMW（零模波导孔）原理：在一个反应管（SMRTCell：单分子实时反应孔）中有许多这样的圆形纳米小孔，即 ZMW（零模波导孔）外径 100多纳米，比检测激光波长小（数百纳米），激光从底部打上去后不能穿透小孔进入上方溶液区，能量被限制在一个小范围里，正好足够覆盖需要检测的部分，使得信号仅来自这个小反应区域，孔外过多游离核苷酸单体依然留在黑暗中，从而实现将背景降到最低。