【给AI从业者看的生物知识】DNA测序（一）——第一代测 ...

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基础知识

• DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子，脱氧核苷酸的化学组成包括了磷酸、碱基和脱氧核糖。
  

4种脱氧核糖核苷酸，每种核苷酸都是由磷酸、脱氧核糖、碱基组成的

• DNA是由4种脱氧核苷酸组成的，每一种有一个特定的碱基，分别为ACTG。
  
• 4种脱氧核苷酸一般使用dNTP来代指，它包括了dATP，dGTP，dTTP和dCTP，对应着我们在上面讲的4种脱氧核苷酸。N代表的是含氮碱基，代表变量，指代了ACTG中的某一种。
  
• ddNTP(双脱氧核苷三磷酸)是一种特殊核苷酸，因为它与普通dNTP不同，在脱氧核糖的3'位置缺少一个羟基，故不能同后续的dNTP形成磷酸二酯键。
  

dNTP与ddNTP，ddNTP无法与后续dNTP结合形成DNA骨架

Sanger法【1】

Sanger法是第一代DNA测序方法，这种方法又叫做双脱氧链终止法。
第一步，我们知道，DNA复制需要dNTP作为原料。而dNTP由于其化学性质，可以与其他的dNTP形成共价键，从而形成DNA的骨架，而ddNTP根据其化学性质，可以与DNA模板链进行碱基互补配对，但是并不能与dNTP形成共价键。dNTP与ddNTP的示意图如下图所示。



dNTP与ddNTP示意图

在示意图中，dNTP左右都具有能进行延伸的触手，但是ddNTP的一边是无法与触手相连的平直的直线。这对应着前面所说的，ddNTP由于其化学结构，无法与dNTP形成磷酸二酯键。

第二步，我们将dNTP投入到4只管子中，让4只管子中都充满了dNTP作为原料。然后，我们给4只管子分别加入ddATP，ddCTP，ddTTP和ddGTP。如下图所示。



试管中的加料

在4只试管中，加料内容如下表所示。

试管编号	加料内容
tube 1	dATP dCTP dTTP dGTP ddATP
tube 2	dATP dCTP dTTP dGTP ddCTP
tube 3	dATP dCTP dTTP dGTP ddTTP
tube 4	dATP dCTP dTTP dGTP ddGTP

第三步，我们按照上面讲的分出4种试管，每一种都加足dNTP和足量的模板，但是只加一种ddNTP。ddNTP会随机在序列向前延申时终止pcr反应，因此在每个试管中会得到不同大小的DNA序列，如图所示。



以试管1为例展示一下试管内发生的情况

从图中，我们可以看出，在试管1中，会聚集非常多的string1、string2和string3的序列。虽然在试管1中还可能会出现非常多其他长度的序列，但是从量上来讲，这三种序列会非常多，以至于可以在泳道图中显示出来。
最后，由于三种长度的序列的质量不同，我们可以使用电泳等方法，来读出被测序的DNA模板链的序列。



利用电泳等方法制作出泳道图读出最后的测序结果（这里只是一个示意图，与上面的其他示意图无关）

如图所示，我们最后得到的序列为31231231432414，再将对应管子中相应的核苷酸替换掉数字就能得到最后的测序结果。
这就是sanger法进行DNA测序的基本原理。
化学降解法【2】

化学降解法是由Allan Maxam以及Walter Gilbert在1977年发明的，与Sanger法同属于第一代DNA测序技术。但是当前这种方法已经不再广泛使用了。这种方法能够分别在A+G、G、C、C+T的地方进行键的断裂，从而根据断裂键的长度来读出相应的序列。



化学降解法[3]

参考文献

[1] DNA sequencing with chain-terminating inhibitors
[2] A new method for sequencing DNA.
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Maxam%E2%80%93Gilbert_sequencing