上海百蕊报道：DNA测序技术

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简介编辑

DNA测序技术，又叫基因测序技术。

人类基因组这部由A、T、G、C四个字母组成的卷帙浩繁的生命天书如同一座宝库，保藏着几千年来人们迫切想知道的秘密，DNA测序技术就好似“芝麻开门"这样的咒语，是我们打开宝库的金钥匙世界上*个测定DNA序列的方法是由英国生化学家弗雷德里克·桑格尔发明的。自此DNA测序的速度就一直呈加速态势。2001年人类基因组草图耗资4.37亿美元，耗时13年。到了2007年，*个完整人类基因组序列图谱的诞生只花费了150万美元，3个月就搞定。2009年1月2日，美国加州太平洋生物科学公司的科学家乔纳斯·考尔拉赫、斯蒂芬·特纳及其研究小组在《科学》杂志上发表论文称，他们将纳米技术与芯片技术相结合，发明了一种新型测序方法，速度是现有技术的3万倍。

DNA sequencing technology

Sanger 法测序的原理就是利用一种DNA聚合酶来延伸结合在待定序列模板上的引物。直到掺入一种链终止核苷酸为止。每一次序列测定由一套四个单独的反应构成，每个反应含有所有四种脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)，并混入*的一种不同的双脱氧核苷三磷酸(ddNTP)。由于ddNTP缺乏延伸所需要的3-OH基团，使延长的寡聚核苷酸选择性地在G、A、T或C处终止。终止点由反应中相应的双脱氧而定。每一种dNTPs和ddNTPs的相对浓度可以调整，使反应得到一组长几百至几千碱基的链终止产物。它们具有共同的起始点，但终止在不同的的核苷酸上，可通过高分辨率变性凝胶电泳分离大小不同的片段，凝胶处理后可用X- 光胶片放射自显影或非同位素标记进行检测。

非同位素银染测序系统操作技术

Promega公司的SILVER SEQUENCETM DNA测序系统是一种无放射性的序列分析系统，它通过灵敏的银染方法检测凝胶中的条带。银染提供了一种对于放射性或荧光法来说更加快速，廉价的替代方法。测序结果可以在同一天内得到；电泳完成后经90分钟就可读序，这是常规的放射性测序法做不到的。 此外, SILVER SEQUENCETM系统用未修饰的5'OH寡聚核苷酸作为引物，减少了特殊修饰寡聚核苷酸的花费。该系统不需要放射性方法中对同位素的谨慎操作，也不需要荧光法或化学发光技术的昂贵试剂。另外，也不需要象大多数荧光法那样用仪器来检测序列条带。

DNA测序策略

Taq DNA聚合酶在95℃时*的热稳定性。本系统利用的测序级Taq DNA聚合酶是一种Taq DNA聚合酶的修饰产品，对于双链DNA模板有非常好的效果，具有高度的准确性，能产生均一的条带，且背景低。

SILVER SEQUENCETM系统包含被修饰的核苷酸混合物，如7-去氮dGTP(7-deaza dGTP，或dITP)替代dGTP可清除由GC丰富区域所引起的条带压缩现象。

退火温度是热循环测序中zui重要的因素。高退火温度可减少模板二级结构。提高引物结合模板配对的严谨性。链重退火和模板二级结构则限制了小片断PCR产物(<500bp)得到清楚的序列数据的能力。引物延伸起始于每个循环的退火阶段。在较低温度时，聚合酶可能会遇到坚固的二级结构区域，它可导致聚合酶解离。则在四个电泳道中均有同一相对位置的条带。因为这些原因，应该使用尽可能高的退火温度。对于有牢固二级结构的模板建议使用95℃变性、70℃退火/延伸的循环模式。一般来说，较长的引物及GC含量高的引物能得到较强的信号。实验结果表明，>24mer的GC含量约为50%的引物可得到*结果。

由于本系统采用热循环装置, 与常规的测序方法相比具有如下几点好处：(1).本方法线性扩增模板DNA产生足够的产物使银染技术能够检测序列条带，测序反应需要0.03-- 2pmol模板DNA, 随模板种类而定。(2). 在每一个变性循环中的高温可以取代对双链DNA(dsDNA)模板的碱变性及乙醇沉淀过程，变性循环也有助于消除由于线性dsDNA模板(如PCR反应产物)快速重退火所引起的问题。(3). 高温聚合酶反应减弱了DNA模板的二级结构，允许聚合酶穿过高度二级结构化的区域。

2材料

待测已提纯的DNA，可为单链，也可为双链。

科学家在一个蚀刻有纳米结构的微阵列芯片上放置了数以千计的波导管。这是一种微型、中空的金属管，直径大约20纳米，体积大约是1毫微微微升，一个DNA分子外加一个DNA多聚酶分子便可将管内空间占满。这样一来，仅在一块小小的芯片上，就能同时进行数千个测序反应。尤其可贵的是，在这种微型波导管中进行测序反应时，干扰会显著减少，也就是说可以大幅提高度。

目前的产品中，每个芯片上的波导管大约有3000个，太平洋生物科学公司打算2010年推出这一级别的产品。据公司创始人特纳预计，到2013年，将实现每张芯片放置一百万个波导管，届时将能在半小时内测完人类基因组全序列，度达到99.999%，花费低于1000美元。

尽管美国得克萨斯州贝勒医学院的迈克尔·梅兹克博士表示特纳的展望过于乐观，但这样惊人的速度让我们仿佛看到了计算机CPU曾经的前进步伐——集成电路上容纳的晶体管数目，每18个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。有人评论道，DNA测序技术将跟随计算机技术和通讯技术成为第三个“摩尔定律化"的学科产业。

3设备

DNA测序仪，性能特点，自动化程度高，提供连续、无需监控的操作，自动灌胶、上样、电泳分离、检测及数据分析，可连续运行24小时无需人工干预。样品分析量大，一束毛细管可同时对16个样品进行全自动分析，一天可完成数百个样品的测序或片段分析工作。*的荧光检测系统，采用光栅分光，CCD摄像机成像技术，实现多色荧光同时检测，与传统的滤镜及光电倍增管的检测方式相比，光栅及CCD的优势在于更新荧光化学时无需更换任何硬件设备。从激光光源发出的光线被光学元件分成两股，16根毛细管被一束激光同时从两面照射，有效提高荧光检测灵敏度和均一性。DNA测序仪在2011年前多由美国生产。

2011年4月18日，由中科院北京基因组研究所与中科院半导体研究所承担的“模块化DNA分析系统"项目通过评审验收。这标志着我国在第二代DNA测序仪研发方面，形成了具有自主知识产权的高通量DNA测序技术及其系统样机。日前，验收组对该项目进行了测试和验收考核。验收组认为，此项目完成了仪器研制项目实施方案所要求的各项技术指标，有效测序片段数量、平均读长和有效序列数据总产量等关键技术性能指标远远优于立项指标，该成果实现了与主流设备性能相当的国产化DNA测序能力，在基因组学、生物信息学，乃至生命科学诸多方向的基础研究和应用研究方面具有重要实用价值。项目负责人、中科院北京基因组所副所长于军表示，计划下一步将继续开发适应于我国科研需求的下一代测序仪、配套试剂、芯片和测序分析软件等，使这一设备全面实现系统功能。

高压电泳仪，测序用电泳槽，制胶设备，PCR仪。

4试剂

（1）SILVER SEQUENCETM DNA测序试剂盒。

（2）丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺储备液（38%丙烯酰胺 W/V，2%甲叉双丙烯酰胺 W/V)：95g丙烯酰胺，5g甲叉双丙烯酰胺溶于140ml 双蒸水中，定容至250ml，0.45mm过滤器过滤后，贮于棕色瓶中，置于4℃冰箱可保存2周。

DNA测序技术

（3）10%过硫酸铵，0.5g过硫酸铵溶于4ml水中，定容至5ml，应新配新用。

（4）10×TBE缓冲液（1 mol/L Tris, 0.83mol/L 硼酸，10mmol/L EDTA)： 121.1g Tris，51.35g硼酸，3.72g Na2 EDTA ·2H2O，溶于双蒸水中定容至1升，置于4℃下可贮存2周，其pH约为8.3。

（5）TBE电极缓冲液：10×TBE 缓冲液稀释至1×TBE备用。

（6）TEMED

（7）固定/停止溶液：10%冰醋酸（V/V）配制2升备用。

（8）染色溶液：*2克，甲醛3ml，溶于2升超纯水中备用。

（9）显影溶液：60克碳酸钠（Na2CO3)溶于2升超纯水中，使用前加3ml 37% 甲醛和 40ml*溶液（10mg/ml)。

（10）95%乙醇。

（11）0.5%冰乙酸。

（12）Sigmacote (Sigma CAT. #SL-2)。

5操作

成功地使用银染测序系统需要对提供的操作方法进行仔细考虑。银染不如放射性检测法灵敏，而需要更多的模板量，此外，也不可能通过延长X-光胶片曝光时间的方法增加信号强度。因此，请使用*的DNA模板量, 每次均使用所提供的对照检查系统的可靠性，并且注意如下几点：

（1） DNA的浓度和纯度必须经过琼脂糖凝胶电泳或荧光法测定, 样品应与已知量DNA一起电泳。

（2） 分光光度法对于很多DNA提取物包括质粒小量制备来说，并不能给出一个可信的DNA浓度估计，混杂的染色体DNA、蛋白、RNA、有机物及无机化合物均可能有260 nm光吸收。因此，分光光度法常常错误地高估DNA浓度。

DNA测序仪

（3） DNA制备过程中用核糖核酸酶处理所产生核糖核苷酸，虽然它们在电泳后DNA样品的前面，并不能观察到，但它们仍会有260nm光吸收。

测序反应

1. 对于每组测序反应，标记四个0.5ml eppendorf管(G、A、T、C)。每管加入2ml适当的d/ddNTP混合物(d/ddNTP Mix)。各加入1滴(约20ml)矿物油，盖上盖子保存于冰上或4℃备用。

2. 对于每组四个测序反应,在一个eppendorf管中混合以下试剂：

（1） 样品反应：

质粒模板DNA 2.1pmol

5×测序缓冲液 5ml

引物 4.5pmol

无菌ddH2O 至终体积16ml

（2）对照反应

pGEM-3Zf(+)对照DNA(4mg)　 4.0ml

5×测序缓冲液 5ml

pUC/M13正向引物(4.5pmol) 3.6ml

无菌ddH2 O 至终体积 16 ml

3. 在引物/模板混合物(以上第2步)中加入1.0ml测序级Taq DNA聚合酶(5u/ml)。用吸液器吸动几次混匀。

4. 从第3步的酶/引物/模板混合物中吸取4ml加入每一个d/ddNTP混合物的管内。

5. 在微量离心机中离心一下，使所有的溶液位于eppendorf管底部。

6. 把反应管放入预热至95℃的热循环仪，以[注意]中循环模式为基准，开始循环程序。对于每个引物/模板组合都必须选择*退火温度。下列程序一般能读出从引物开始350碱基的长度。

7. 热循环程序完成后，在每个小管内加入3μl DNA测序终止溶液，在微量离心机中略一旋转，终止反应。

[注意] 1、测序所用模板DNA的量一般按下面要求加入：

模板种类/长度 模板量

200bp (PCR产物) 16ng(120fmol)

3000-5000bp（超螺旋质粒DNA) 4mg (2pmol)

48000bp(λ,粘粒DNA) 1mg(31fmol)

由于超螺旋质粒产生的信号比松弛的线性双链DNA弱，因此使用超螺旋质粒作为模板时其用量要比其它模板大一些。

2、计算与4.5pmol相当的引物纳克数可用以下一般公式：

4.5pmol=1.5ng×n,其中n为引物碱基数

计算与1pmol相当的引物微克数可用以下一般公式：

dsDNA:1pmol=(6.6×10-4 mg)×n,其中n为模板碱基对数

ssDNA:1pmol=(3.3×10-4 mg)×n,其中n为模板碱基数

3、为阻止Taq DNA聚合酶延伸非特异性退火引物， 热循环仪必须预热至95℃。温度变换应越快越好。下面的循环时间不包括变温时间。如果你无法确定使用何种模式，建议从模式1开始。

模式1：适用于引物<24碱基或GC含量<50%

95℃ 2分钟。然后： 95℃ 30秒(变性), 42℃ 30秒(退火), 70℃ 1分钟(延伸)。

模式2:适用于≥24碱基或略短的GC含量≥50%的引物。

95℃ 2分钟, 然后: 95℃ 30秒(变性), 70℃ 30秒(退火/延伸)。 4. 在加入终止溶液之后样品可在4℃保存过夜。

测序凝胶板的制备

玻璃板的处理

银染测序的玻璃板一定要非常清洁，一般先用温水和去污剂洗涤，再用去离子水冲洗玻璃板，除去残留的去污剂，zui后用乙醇清洗玻璃板。玻璃板上的去污剂微膜可能导致凝胶染色时背景偏高(棕色)。短玻璃板经粘合溶液处理可将凝胶化学交联于玻璃板上。这一步对于在银染操作过程中防止凝胶撕裂至关重要。

短玻璃板的处理

A. 在1ml 95%乙醇, 0.5%冰乙酸中加入5ml粘合硅烷(Bind Silane), 配成新鲜的粘合溶液。

B. 用经浸透新配的粘合溶液浸透的吸水棉纸擦拭仔细清洗过并已经自然干燥的玻璃板, 整个板面都必须擦拭。

C. 4-5分钟后, 用95%乙醇单向擦玻璃板, 然后略用力沿垂直方向擦拭。重复三次这一清洗过程, 每次均须换用干净的纸, 除去多余的粘合溶液。

[注意] 1. 在95%乙醇单向擦玻璃板时过度用力会带走过多的粘合硅烷, 使凝胶不能很好地粘附。

2. 准备长玻璃板之前要更换手套，防止粘染粘合硅烷。

3、防止粘合溶液沾染在长玻璃板上是很重要的, 否则将导致凝胶撕裂。

长玻璃板的处理

A. 用浸透Sigmacote溶液的棉纸擦拭清洗过的长玻璃板。

B. 5-10分钟后用吸水棉纸擦拭玻璃板以除去多余的Sigmacote溶液。

[注意] 1. 用过的凝胶可在水中浸泡后用剃须刀片或塑料刮去。玻璃板须用去污剂*清洗。或者凝胶用10% NaOH浸泡后除去。为防止交叉污染, 用于清洗短玻璃板的工具必须与清洗长玻璃板的工具分开, 如果出现交叉污染, 以后制备的凝胶可能撕裂或变得松弛。

凝胶的制备

（1）玻璃板经粘合硅胶和Sigmacote处理后，即可固定玻璃板。该方法是用0.2mm或0.4mm厚的边条置于玻璃板左右两侧，将另一块玻璃板压于其上。在长玻璃板的一侧插入鲨鱼齿梳平的一面边缘，用夹子固定住。

（2）根据所需要的凝胶浓度，按下表制备测序凝胶，一般6%-8%的胶浓度可获得较好的结果。配制过程中，先用适量双蒸水溶解尿素，再加入 Acr&Bis和10×TBE缓冲液，再用双蒸水调终体积至99.2ml，并用0.45mm的滤膜过滤，然后加过硫酸铵和TEMED。溶解尿素时不必加热。如果确需加热则应等溶液*冷却后，方可加入TEMED和过硫酸铵。一般在胶灌制后4-6分钟，即开始聚合，如果聚合不好，则应使用高浓度的 TEMED和过硫酸铵。

凝胶终浓度

3 4 5 6 8 12 16 18

尿素(g) 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0 42.0

Acr&Bis(ml) 7.5 10.0 12.0 14.5 20.0 30.0 40.0 50.0

10×TBE缓冲液(ml) 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0

双蒸水(ml) 47.5 45.0 43.0 40.5 35.0 25.0 15.0 5.0

10%过硫酸铵(ml) 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.7 0.7

TEMED(ml) 87 80 80 80 80 70 47 40

(3)胶配制好后，即可灌制胶板。一般是将凝胶沿着压条边缘缓慢地倒入玻璃板的槽中，倒完后，静止放置使之聚合*。

[注意] 1、使用夹子固定玻璃板时，夹子的力量稍大一些，防止因力量不足使灌胶的过程中出现漏胶液现象。

2、灌制凝胶的过程中要严防产生气泡，否则影响测序的结果。

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