人類基因組測序爲什麼花費30億美圓

人類基因組測序爲什麼花費30億美圓

引子

　　高中生物，人教版必修2第56頁「人類基因組計劃測定的是24條染色體（22條常染色體+X+Y）上DNA的鹼基序列。其中，每條染色體上有一個DNA分子。這24個DNA分子大約有31.6億個鹼基對。」

　　高中生物，人教版必修2第92頁「人類基因組計劃正式啓動於1990年，目的是測定人類基因組的所有DNA序列，解讀其中包含的遺傳信息。美國、英國、德國、日本、法國和中國參加了這項工做。截止2003年，人類基因組的測序任務已順利完成。測序結果代表，人類基因組由大約31.6億個鹼基對組成。」

　　問題

　　從以上資料咱們發現，人類基因組計劃只是測定24條DNA的鹼基序列，但卻由6個國家花了13年才完成，據瞭解共耗資30億美圓。這是爲何呢？不就是測個序嗎？

　　DNA測序簡介

　　一、DNA測序的4個評價指標

　　①費用，就是一次測序須要花費的錢。

　　②自動化水平，就是測序快慢。

　　③通量，指同時能夠測定的DNA分子數，我的理解爲批處理能力。這個名詞很高大上。批處理能力強的測序平臺，咱們就稱之爲高通量的測序技術。

　　④準確率，測序的準確程度。

　　二、DNA測序的兩項主要工做

　　①第一項工做：構建待測DNA的大量拷貝（專業術語叫作構建基因文庫），以供測序時使用。這項工做有兩種方法。

　　第一種方法，專業術語叫作DNA克隆。就是在讓目標DNA片斷在細胞內進行復制。具體作法就是將目標DNA與載體造成重組DNA，而後將重組DNA導入大腸桿菌受體細胞中進行克隆，一個大腸桿菌培養羣體中含有一種DNA，多個大腸桿菌的羣體就包含了多個DNA的拷貝。

　　第二種方法，專業術語叫作PCR（聚合酶鏈式反應）。就是人工模擬DNA的體內複製，在體外創造DNA的複製條件，進行DNA的體外複製。

　　②第二項工做：DNA測序，這項工做是DNA的測序的關鍵，方法有不少種。下面主要介紹兩種（其實還有其餘，可是已經被淘汰），具體原理在後面會作詳細說明。

　　第一種，酶法測序，主要是Sanger法，又稱爲雙脫氧核苷酸終止法。

　　第二種，邊合成邊測序：這是一種測序的方法，具體方法有3種，可是大同小異，後面再作介紹。

　　DNA測序技術

　　一、第一代技術：Sanger法

　　由Sanger（美國人，兩次得到諾貝爾獎）在1977年創立，核心思想是雙脫氧鏈終止法。即在反應體系中加入足量的四種脫氧核苷酸(dNTP)和必定比例的4種雙脫氧核苷酸(ddNTP)，因爲ddNTP的3＇端脫氧而不含羥基，所以在合成過程當中，若是子鏈中加入了ddNTP，在此處終止了鏈的合成。具體步驟以下圖：

　　①步驟

　　第1步：將待測序列一端鏈接引物，分紅等量的4份，分別加入四個反應容器中。

　　第2步：向四個容器中加入引物、DNA聚合酶、足量的4種dNTP等。而後在①號容器中加入ddATP，②號容器四種加入ddCTP，③號試管中加入ddTTP，④號試管中加入ddGTP。

　　第3步：四個反應容器中反應一段時間後，分別在不一樣的四個電泳槽中進行電泳。

　　第4步：將電泳的結果進行放射自顯影（4種dNTP都進行了放射性同位素標記）。而後根據放射自顯影的條帶進行待測序列的鹼基序列分析。

　　②說明

　　①從以上分析能夠看出，須要大量的待測序列DNA。Sanger法主要是經過DNA克隆的方式擴增的。此時尚未發明PCR技術。

　　②從以上分析能夠看出，Sanger對鹼基序列的檢測分析，須要經過電泳，所以沒有達到自動化，因此測序速度很慢，不能用於人類基因組計劃。所以，經過改進，將4種ddNTP用不一樣的熒光標記，而後在一個電泳槽中電泳，經過計算機分析不一樣的熒光信號，從而轉化成鹼基的排列順序。這也是當時人類基因組計劃測序時用的主要技術手段。

　　③改進後的Sanger法測序具備快速（自動化）、正確率高等特色，可是，測序成本很高，通量較低。這也是人類基因組計劃花費30億美圓的主要緣由。

　　二、第二代技術：邊合成邊測序

　　①大體過程以下：

　　第一步，樣品DNA文庫構建：將待測樣品DNA打斷爲一些短的序列，加上不一樣的接頭（與引物互補），有製備成單鏈DNA文庫。

　　第二步，將這些單鏈DNA片斷進行PCR擴增，以便後續測序須要。爲了測序中提升通量，這裏擴增的要求比較嚴格，須要把不一樣DNA片斷擴增的序列分開。即某一擴增反應只是以一個DNA片斷爲模板進行的，與其餘的擴增過程不在同一空間反應。如何實現這一擴增呢？不一樣的DNA測序，採用的具體方法不一樣。我這裏就舉一個例子來加以說明。這種方法叫作乳液PCR擴增。就是用油包水的方法，製備成一個個很小的乳液滴，一個乳液滴中含有一整套PCR反應的試劑（包括：引物、4種dNTP、DNA聚合酶等），可是一個乳液滴中只有一種引物，這樣一個乳液滴只能捕捉到一種DNA片斷。每一個乳液滴就是一個小的PCR反應室。

　　第三步，將每一個DNA片斷擴增來的序列置於測序儀器的芯片上。芯片上的每一個點對應一種DNA片斷的克隆。而後在芯片的每一個點處有進行一次PCR擴增，此時的PCR擴增中，每一次鹼基配對時，會產生相應的熒光信號，計算機將熒光信號轉化爲鹼基序列，從而實現邊合成邊測序的目的。

　　②說明

　　根據以上分析能夠看出，第二代測序自動化性能更強，一次處理的DNA量更多，是一種高通量的DNA測序技術，同時，第二代測序中沒有使用電泳，並且採用了PCR擴增（第一代測序採用DNA體內擴增技術），從而大大節約了成本。

　　目前DNA測序以第二代測序爲主。主要技術被美國三大公司壟斷。Roche公司的454技術、illumina公司的Solexa/Hiseq技術和ABI公司的SOLID技術。這些公司的技術區別只是在合成DNA時檢測熒光信號的方式上有所不一樣。

　　我國的測序技術也是以第二代測序技術爲主，最先的、規模最大的測序公司是位於深圳的華大基因。近些年在黑龍江、北京、上海和江蘇也成立了一些基因測序公司。

　　展望

　　科學家們已經開發出了第三代基因測序技術，有些測序技術不須要檢測光信號，而是檢測電信號，這樣就大大節約了成本，同時也是測序儀器的體積減小，聽說有些測序儀能夠像U盤大小。不過，第三代測序技術尚未正式投入市場。相信，不久的未來，基因測序能夠進入尋常百姓家，測序儀就像打印機同樣普及。