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第一代基因测序技术的原理

2021.5.21

  化学裂解法,其基本原理是特定化学试剂可对碱基进行特异性修饰,在修饰碱基处(5’或3’)打断磷酸二酯键将一个DNA片段的5’端磷酸基做放射性标记,再分别采用不同的化学方法修饰和裂解特定碱基,从而产生一系列长度不一而5’端被标记的DNA片段,这些以特定碱基结尾的片段通过凝胶电泳分离,再经放射自显影,确定各片段末端碱基,从而得出目的DNA序列。该方法能够检测双链DNA,但是其操作繁琐,程序复杂,被同时期的Sanger双脱氧链终止法取代[2]。

  双脱氧链末端终止法,其原理是将2’,3’-双脱氧核苷酸(ddNTP)参入到新合成的DNA链中,由于参入的ddNTP缺乏3’-羟基,因此不能与下一位核苷酸反应形成磷酸二酯键,DNA合成反应将终止。测序时分成四个反应,每个反应中加入DNA聚合酶、待测模板、引物、四种脱氧核糖三磷酸(dNTPs),除此之外还要加入一种双脱氧核苷三磷酸(ddNTPs),然后进行反应,ddNTPs随机取代相应的dNTPs,由于其3位的羟基变成了氢,不能继续延伸,使正在延伸的寡聚核苷酸选择性的在A、T、C或G处终止。终止的核苷酸由相应的ddNTPs决定,通过电泳可分离出长度不同的片段,再对这些片段的末端碱基进行检测从而获得所测片段的碱基序列。

  最初对凝胶片段末端碱基的检测是用同位素标记法,20世纪80年代,用荧光进行标记,可自动测序,到20世纪90年代,随着毛细管电泳技术以及微阵列毛细管电泳技术的发展,测序的通量得到大幅度提高。

  双脱氧链末端终止法的优点有:

  1)可用于未知或已知突变的检测,更容易实行;

  2)假条带的出现减少,结果更加清楚;

  3)读取的长度也较长;

  4)因为掺入了同位素标记的三磷酸,末端终止法可以测更小序列的核苷酸链;

  5)基本适用于所有的突变类型,准确率几乎100%,在单基因病的基因诊断和产前诊断中仍广泛使用。

  双脱氧末端终止法的缺点:

  1)离不开PCR扩增,且只能分析单个的DNA片段,通量小,不能进行基因组层面的分析;

  2)自动化程度低,检测速度慢,对于某些需要快速检测的疾病不适合;

  3)双脱氧链末端终止法成本高,不适用于大规模测序。

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