桑格测序

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这和我的课程有什么关系?

了解DNA测序和桑格测序法。

DNA测序是一种计算顺序的方法吗核苷酸沿着一股DNA.四种基本的核苷酸是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。这些核苷酸是DNA的化学组成部分。这些块的顺序,或序列,告诉您的细胞如何行为。

在20世纪80年代早期,科学家们发现了两个核苷酸的化学结构发生了轻微的变化。今天,我们知道四种经过修饰的核苷酸。这些是甲基胞嘧啶(mC)、甲基腺嘌呤(mA)和胞嘧啶的其他两种变体(5-甲酰基胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶)。这些修饰过的核苷酸的功能仍在研究中。到目前为止,科学家们已经发现它们在基因开关中起着重要的作用。一个例子是X染色体失活

你知道吗?

2019年,由星冢修一(Shuichi Hoshika)领导的一个科学家团队在4个天然核苷酸上添加了4个合成核苷酸。这产生了一个八个字母的遗传密码,可以用来产生hachimoji DNA

所有人类都有99.9%相同的DNA。但剩下的0.1%会导致很多事情,让我们每个人都是独一无二的。比如发色或血型。即使你不喜欢西兰花的味道!

DNA测序在医学、生物技术、法医学和许多其他领域已经变得非常重要。这项技术可以帮助科学家找到与疾病相关的基因,并致力于治疗。DNA测序还可以帮助科学家调查犯罪。这是通过毛发或皮肤细胞等DNA证据来完成的。

染色体到DNA碱基对的图形分解
染色体到DNA碱基对的图形分解(来源:Let 's Talk Science,改编自KES47 via的插图狗万实力大网维基共享).

DNA测序的历史

在20世纪70年代末,科学家发明了前两种DNA测序方法。艾伦·马克桑和沃尔特·吉尔伯特Maxam-Gilbert测序. 这也称为化学测序。他们的方法是用化学物质将DNA分成小块来确定其序列。这种方法在当时是革命性的,但与较新的方法相比效率不高。

在1977年,弗雷德里克·桑格和他的同事开发了另一种DNA测序方法。他们的方法是近40年来最广泛使用的方法。即使现在有更快更便宜的方法,桑格法仍然被大量使用。

你知道吗?

弗雷德里克·桑格赢了诺贝尔化学奖两次!一个奖是他对胰岛素结构的研究,另一个奖是他的DNA测序方法。

桑格测序是基于流程的吗DNA复制.科学家复制DNA链。然后他们观察添加了哪些核苷酸。这样就可以看到核苷酸的序列。

桑格测序是如何工作的?

首先,你提取你想排序的DNA片段。然后你加热它。这会导致DNA放松。双螺旋的两股分开成一股。

接下来,你降低温度,加入DNA引物.DNA引物是单链DNA的短序列。它与DNA链结合。就像起跑线一样,它标记了排序将从哪里开始。

现在稍微提高温度。然后加入游离的核苷酸和一种叫做DNA聚合酶。游离核苷酸包含四种碱基之一:胞嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤或鸟嘌呤。DNA聚合酶从引物序列开始,构建互补的或相反的DNA链。它通过一次添加一个核苷酸来做到这一点。

需要发生四种不同的测序反应。四种不同的核苷酸各有一个。为了得到这些化学反应,链终止每个核苷酸的不同版本被加入到游离核苷酸的混合物中。每一个特殊的核苷酸都用不同颜色的染料标记。这使得科学家可以在它们暴露在紫外线下时看到它们。

当DNA聚合酶到达一个链终止核苷酸时,它停止了正在构建的DNA序列。DNA聚合酶随机添加修饰过的核苷酸。因此,产生了许多不同长度的DNA序列。

接下来,DNA片段经历凝胶电泳.凝胶电泳是一种分离不同长度DNA片段的方法。你把DNA片段加到凝胶基上,然后把它暴露在电流下。这就使得这些节段根据其大小通过凝胶。最小的棋子可以移动得最远,而最大的棋子根本不能移动得很远。一旦这些碎片完成移动,凝胶被放置在x光或紫外线下。这样科学家们就可以看到每一部分。

要了解凝胶,你要看每一列的深色条纹。每一种类型的核苷酸(G, C, A, T)都有一个列。通过读取带的序列,你可以确定核苷酸的序列。

左图:x射线显示了四种核苷酸的柱状和条带。右图:条带以及它们如何被用来识别核苷酸的顺序
左图:x射线显示了四种核苷酸的柱状和条带。右图:条带以及它们如何被用来识别核苷酸的顺序(Let 's Talk Science using a image by狗万实力大网瓦希夫科娃通过iStockphoto).

科学家已经对桑格的原始方法进行了修改。他们使用荧光团.这些是能发出有色光的小化合物。不同颜色的荧光团被添加到每个核苷酸上。这样,测序就可以在毛细管中的单一反应混合物中进行。

为了确定试管中的序列,科学家们用激光照射试管。当光通过每一个颜色波段时,探测器会在图上产生一个峰值。这些峰对应于核苷酸碱基。通过使用荧光团,科学家可以自动化DNA测序的过程。这意味着它可以更快地完成。

毛细管凝胶电泳DNA测序
DNA测序使用毛细管凝胶电泳(Let’s Talk Science using a image by E狗万实力大网stevezj [CC by - sa] via .维基共享).


桑格方法使科学家能够对从细菌到人类的许多生物体的DNA进行排序。利用荧光团和计算机,一个人的DNA(全部30亿个碱基)可以在几天内测序。和以前的几年相比还不错!

你知道吗?

科学家需要创造和使用特别的流程检测四种新的修饰核苷酸。这项研究很重要,因为修饰在发育和癌症等疾病中起作用。

My2Sense的Sanger法DNA测序(2015)(3:00分钟)。

了解更多

DNA测序- 3D(2016)

这个来自你的基因组的3D动画(4:54分钟)显示了使用荧光团进行DNA测序的改良桑格方法的基本步骤。

如何对人类基因组进行排序(2013)

Mark J. Keil的TED-Ed视频(5:04分钟)用图形演示了人类基因组测序的过程。

人类基因组测序的竞赛(2015)

这个由Tien Nguyen制作的TED-Ed视频(4:59分钟)讲述了世界各地的科学家如何绘制人类基因组的故事。

人类基因组介绍| HMX遗传学(2017)

哈佛大学的视频(5:35分钟)讨论了人类99.9%的基因是如何相同的——然而我们却如此不同。这怎么可能呢?

工具书类

比特西比奥(2016年7月9日)。桑格测序:基因组是如何获得的

Heather, J.M, & Chain, B.(2016)。测序者的序列:DNA测序的历史。地理经济学107(1), 1 - 8。DOI: 10.1016 / j.ygeno.2015.11.003

Hoshika, S, Leal, N. A., Kim, M. J.等(2019)。Hachimoji DNA和RNA:一个有八个组成部分的遗传系统。科学,22(363), 884 - 887。DOI: 10.1126 / science.aat0971

可汗学院。(无日期)。DNA测序

Murnaghan,即(2018)。DNA测序.ExploreDNA。

YourGenome.org。(无日期)。DNA测序的曙光

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