DNA测序技术的发展史之——第一代测序技术
DNA测序技术的发展史之——第一代测序技术
2016-11-19 15:55:42 | 分类：默认分类
1953年，沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，随后，分子生物学研究发展迅速。20世纪70年代，DNA测序技术发明。2001年，首个人类基因组图谱绘制完成。
图1： 沃森和克里克创建的DNA双螺旋结构
在30多年时间，测序技术已取得了相当大的发展，从第一代到第二代乃至第四代，测序读长从长到短，再从短到长。测序技术的一次次变革，使人们越来越多的认识到测序技术在基因组研究，疾病研究，药物研发，育种等领域中的重要作用，对基因和基因组结构的研究和探究也就没有停止过……
图2：测序技术的发展历程
图2所描述的是自沃森和克里克在1953年建立DNA双螺旋结构以来，整个测序技术的发展历程。
第一代DNA测序技术：
☆ 1975年由桑格（Sanger）和考尔森（Coulson）开创的链终止法；
☆1976-1977年由马克西姆（Maxam）和吉尔伯特（Gilbert）发明的化学降解法；
☆ 20世纪90年代初出现的荧光自动测序技术，使DNA测序技术步入了自动化时代。
Sanger法：
在1977年，Sanger（图3）测定了第一个基因组序列——噬菌体X174，全长5375个碱基。自此，人类获得了窥探生命遗传差异本质的能力，并以此为开端步入基因组学时代。研究人员在Sanger法的多年实践之中不断对其进行改进。在2001年，完成的首个人类基因组图谱就是以改进了的Sanger法为其测序基础。
图3：Sanger法测序原理
Sanger法核心原理是：由于ddNTP的2’和3’都不含羟基，其在DNA的合成过程中不能形成磷酸二酯键，因此可以用来中断DNA合成反应，在4个DNA合成反应体系中分别加入一定比例带有放射性同位素标记的ddNTP（分为：ddATP、ddCTP、ddGTP和ddTTP），通过凝胶电泳和放射自显影后可以根据电泳带的位置确定待测分子的DNA序列（图4）。
图4：放射显影照片和测序结果
化学降解法：
1977年，A.M.Maxam和W.Gilbert建立了DNA片段序列的测定方法，化学降解法。
图5：化学降解法操作流程
原理：将一个DNA片段的5'端磷酸基作放射性标记，在5组互相独立的化学反应中分别被部分降解，其中，每一组反应特异地针对某种碱基。生成5组放射性标记的分子，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片段上的位置。最后，各组混合物通过聚丙烯酰胺凝胶电源分离，再通过放射自显性来检测末端标记的分子，从而得出目的DNA的碱基序列（图6）。
图6：聚丙烯酰胺凝胶和放射自显影检测实验结果
总的说来，第一代测序技术的主要特点是测序读长可达1000bp，准确性高达99.999%，但测序成本高，通量低等方面的缺点，严重影响了真正大规模的应用。因而第一代测序技术并不是最理想的测序方法。