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以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。——《管子》

DNA测序与基因芯片

一、背景介绍

20世纪70年代，弗雷德·桑格尔（FrederickSanger）发明基因测序技术，并

因此获得诺贝尔奖。1990年10月，在全球范围内引起巨大反响的“人类基因组

计划”（Humangenomeproject,HGP）正式启动，至2003年，中、美、日、德、

法、英等6国科学家联合宣布人类基因组序列图绘制成功，历时13年，耗资额

近30亿美元。基因组计划是人类为了探索自身奥秘所迈出的重要一步，是继曼

哈顿计划和阿波罗登月计划之后，人类科学史上的又一伟大工程。就像了解人类

身体构造对于目前医学发展的贡献，对人类基因组的了解对医学和其他健康科学

提供必不可少的支持，可以达到从根本上认识生命的起源、种间、个体间的差异

的原因，疾病产生的机制，以及长寿、衰老等困扰着人类的最基本的生命现象。

此后，基因测序技术突飞猛进，测序时间明显缩短，且成本也有大幅下降。

但是，随着越来越多的基因组序列得以测定，基因序列数据也正以前所未有的速

度迅速增长。建立一种方法去研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能，就

大量的遗传信息进行高效、快速的检测、分析就显得格外重要，而基因芯片的出

现为解决此类问题提供了光辉的前景。

基因测序和基因芯片是两种重要的基因组学研究方法，是解开包括癌症在内

的很多疾病与基因之间紧密联系必不可少的工具，在生命科学研究领域有着极其

广泛的应用前景

二、主要技术路线

1.基因测序

测序技术最早可以追溯到20世纪50年代，早在1954年就已经出现了关于

早期测序技术的报导，即Whitfeld等用化学降解的方法测定多聚核糖核苷酸序列。

直至1977年Sanger等发明的双脱氧核苷酸末端终止法和Gilbert等发明的化学

降解法，标志着第一代测序技术的诞生。此后三十几年的发展中陆续产生了第二

代测序技术，这些技术都采用了合成测序法，只是在DNA阵列的排布、DNA簇

扩增，以及基于酶的测序生化反应方面存在差异。最近，Helicos公司的单分子

测序技术和OxfordNanopareTechnologies公司正在研究的纳米孔单分子测序技

术被认为是第三代测序技术。测序技术正向着高通量、低成本、长读取长度的方

向发展。

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（1）第一代测序技术

Sanger测序法，又称末端终止法测序技术，其基本原理是利用一种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独立的反应构成，每个反应含有所有四种脱氧核苷酸三

磷酸（dNTP），并混入限量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的在四种脱氧

核苷酸三磷酸（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至几千碱基

的链终止物。它们有共同的起点，但是终止在不同的核苷酸上，因此长度各有不

同，通过凝胶电泳将这些DNA片段进行分离，同时借助自显影、非同位素标记

或其它方法等进行检测。

Sanger测序法经历了从最初的手工测序到半自动化、全自动化的发展。目前，