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1、第四章第四章核酸分析核酸分析 1 1 核核酸酸(Nucleic(Nucleic Acid)Acid)包包括括DNADNA和和RNARNA两两种种，是是由由碱碱基基、戊糖戊糖和和磷酸磷酸三者组成。三者组成。在在自自然然界界中中DNADNA分分子子存存在在形形式式有有：双双链链线线状状，双双链链闭闭环环，双双链链开开环环和和超超螺螺旋旋四四种种基基本本结结构构。不不同同结结构构的的DNADNA具具有有不不同同的的生生物物功功能能，但但绝绝大大多多数数DNADNA分分子子是是以以双双链超螺旋结构形式存在链超螺旋结构形式存在。DNADNA是是遗遗传传信信息息的的携携带带者者，是是基基因因表表达达的的物
2、物质质基基础础，其其遗遗传传信信息息是是通通过过不不同同核核苷苷酸酸的的排排列列顺顺序序而而被被贮存的。贮存的。2 2 与与DNADNA相相比比，RNARNA的的结结构构较较为为简简单单，它它主主要要是是以以单单链链形形式式存存在在，有有时时也也能能形形成成局局部部的的双双链链发发夹夹式式结结构构。它它的的一一般般功功能能是是翻翻译译，转转录录DNADNA分分子子所所含含的的信息，指导蛋白质的合成信息，指导蛋白质的合成。核核酸酸在在生生物物的的生生长长、发发育育和和繁繁殖殖等等正正常常生生命命活活动动中中起起着着非非常常重重要要的的作作用用。此此外外，核核酸酸与与生生命命的的异异常常现现象象(
3、如如：肿肿瘤瘤)的的发发生生和和遗遗传传性性疾疾病病等等紧紧密密关关联联。因因此此，核核酸酸是是现现代代生生物物学学、化化学学和和医医学学重重要的研究领域之一。要的研究领域之一。3 34.1.脱氧核糖核酸及核糖核酸的结构脱氧核糖核酸及核糖核酸的结构 核核酸酸是是由由大大量量的的核核苷苷酸酸单单体体以以聚聚合合方方式式组组成成的的极极长长的的线线状状聚聚合合物物。不不同同核核酸酸的的核核苷苷酸酸数数目目可可以以从从80(80(转移核糖核酸，转移核糖核酸，tRNAtRNA)个碱基对大到个碱基对大到10108 8个碱基对。个碱基对。表表示示双双链链和和单单链链核核酸酸大大小小的的单单位位分分别别为为
4、碱碱基基对对(bpbp，baseparebasepare)和和碱碱基基(b(b，base)base)，kbpkbp和和MbpMbp分分别别代代表表1 1 000000和和10000001000000个个碱碱基基对对，而而1kb1kb则则代代表表l l 000000个个碱碱基基。例例如如，噬噬菌菌体体染染色色体体的的大大小小为为4MbP4MbP，分分子子量量大大约约为为3lo3lo9 9，长长度度为为1.5mm1.5mm。DNADNA比比RNARNA大大得得多多，如如人人细细胞胞核核最最小小的的DNADNA分分子子中中碱碱基基对对数数目目为为4.5Mbp4.5Mbp，最最大的大的RNARNA分子
5、仅含分子仅含50 kb50 kb，二者相差约，二者相差约10001000倍。倍。4 44.1.1 碱基、核苷及核苷酸碱基、核苷及核苷酸 核苷酸是核苷的磷酸酯，它们是脱氧核糖核酸(DNA)及核糖核酸(RNA)的组成单元。RNA的组成单元是核糖核苷酸，而DNA的组成单元是2脱氧核糖核苷酸。核酸中的五种主要碱基的结构核酸中的五种主要碱基的结构5 5由碱基和核糖结合所形成的-糖苷类化合物称为核苷。6 64.1.2 DNA的结构的结构DNA的一级结构 DNA由两条互补的单链DNA组成，每条单链都是脱氧核苷酸间以磷酸二酯键连接起来的，为了书写的方便，因常在描述DNA一级结构时可用一些简单的方式来表示。7
6、7如如左左图图DNA片片段段，可可表表示示为为 5-dpApGpCpTpG-3，或或d(pAGCTG)，式式中中的的d代代表表脱脱氧氧核核糖糖，p代代表表磷磷酸酸，当当p写写在在碱碱基基英英文文字字母母缩缩写写右右边边时时为为C3位位OH基基被被酯酯化化，写写在在左左边边时时为为C5位位OH基基被被酯酯化化。一一般般为为了了更更为为方方便便起起见见，就就简简单单地地写写为为AGCTG，其其方方向向规规定定为为53方向。方向。8 8DNA的二级结构 DNA的二级结构指DNA分子的空间结构，即三维空间的结构。1953年，Watson和Crick首先提出了DNA分子的双螺旋结构模型9 9DNADNA
7、双螺旋结构模型及碱基配对的示意图双螺旋结构模型及碱基配对的示意图1010 DNA的三级结构 DNA的三级结构是指双螺旋链的扭曲，包括多重螺旋、分子内单链形成的环等等。其中超螺旋是最常见的结构。一些病毒DNA是单股螺旋而绝大多数天然DNA是双股螺旋。不论是单股还是双股螺旋都可能形成闭环而失去自由的3和5末端。闭环分子大多数都会扭转成为三维螺旋结构，也就是DNA分子的三维结构，一般称作超螺旋(Supercoil or Superhelix)1111电镜下观察到的噬菌体电镜下观察到的噬菌体PM2PM2的超螺旋结构的超螺旋结构(a)(a)图为松弛环图为松弛环DNADNA，(b)(b)图为超螺旋图为超螺
8、旋DNADNA12124.2 核酸的定量及结构分析核酸的定量及结构分析 核酸是最重要的一类生物大分子，它与自然界中的各种生命活动都有着非常密切的关系。其含量的变化或结构的微小变化都可能导致意想不到的后果，如各种与基因相关的疾病的发生。可以说，该酸化学是现代分子生物学的主要研究内容。而所有这些研究工作都离不开核酸的分析问题，有时需要简单的定量，有时需要研究核酸结构的各种变化，等等。因此，核酸分析化学实际上是打开与核酸相关的各种难题的一把金钥匙，各种方法的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。13134.2.1免疫化学法免疫化学法原理原理 有些构型的DNA(如左手螺旋DNA，Z-DNA)经化学修饰
9、可以诱导产生高特异性的抗体，所产生的抗体可以用作分析这些核酸的免疫化学试剂。免疫化学方法尤其适合于DNA结构及DNA化学修饰的分析，如DNA与致癌物所形成的加成物的分析。抗DNA抗体对于高特异性确定各种碱基及构型，检测不同构型DNA间的转化，及在复杂的细胞环境下DNA的化学修饰都是非常有用的。1414抗体制备 在实验中可采用两种免疫原来诱导单克隆或多克隆抗体。第一种免疫原是DNA与带正电荷的载体蛋白间所形成的非共价络合物，甲基化的牛血清白蛋白是常用的载体之一；另一种类型的免疫原是通过不同的方式将核酸组分(核苷酸、核苷或碱基)与载体蛋白共价连接而获得。除了实验免疫之外，动物或人的自身免疫疾病所产
10、生的血清也可作为核酸抗体的一种来源。1515分析方法 用于检测抗体与DNA复合物的方法包括凝胶免疫扩散法，沉淀法，絮凝法，络合物的电镜分析法，酶联免疫吸附分析法(ELISA)放射免疫分析法(RIA)和凝胶位移分析法等。16164.2.2 光谱法光谱法光谱方法可以分为下述三大类：(1)电子光谱：包括紫外(uv)及可见吸收光谱，荧光光谱，圆二色光谱(CD)及线圆二色(LD)光谱；(2)振动光谱：包括红外(IR)光谱，拉曼光谱及振动圆二色(VCD)光谱；(3)核磁共振(NMR)光谱。1717 产生上述三类光谱的来源不同，因而各类方法的灵敏度也就有很大的差别。一般来说，电子光谱的灵敏度比振动光谱或NM
11、R光谱高12个数量级。也就是说在使用振动光谱或NMR光谱时所需要的样品的浓度要比电子光谱时高12个数量级。另一方面，电子光谱不像振动光谱那样具有很强的特征性，当使用电子光谱时一般只利用了一种类型的生色基，如核酸碱基或其它类型的吸收配基面振动光谱可以提供核酸碱基及糖磷酸酯骨架的各种类型化学键的吸收。NMR光谱的分辨率也很高，特别是1H NMR和13C NMR，31P NMR光谱可以提供有关糖磷酸酯骨架的特殊信息。振动光谱及NMR技术可以提供更多的有关核酸分子状态及核酸分子不同部位变化的信息。1818紫外吸收光谱1.定量分析 20世纪60年代就发现了核苷酸、多聚核苷酸及核酸的紫外吸收。所有聚合态的
12、核酸都在260 nm处有一个宽的最大吸收带，230 nm处的吸收最小，在200nM以下的短波长区有另一最大吸收。吸光度比A260/A280和A260/A230是核酸质量的重要标准。纯核酸样品的A260/A280比值应该大于1.8；如果此值比较小则表示有蛋白质杂质的存在，因为蛋白质通常对280 nm处的吸收有很大的贡献。而比值A260/A230应该为2或更高此值低表示有蛋白质(肽键在此范围内有吸收)或其它杂质。另外，样品的悬浊性或乳光也会使这些比值产生比较大的偏差。1919 2吸收熔点曲线 当含有双螺旋DNA或RNA的水溶液的温度缓慢升高到某一温度时，由于解旋作用的发生，溶液的吸光度(一般在26
13、0 nm)会迅速增大。这一转化过程突跃的中点所对应的温度称之为熔化温度Tm，与晶体的熔点对应。对链长较短的寡聚核苷酸，Tm或这种转化曲线的陡度随链的加长而增加，但Tm值在给定的条件下是固定值。DNA的Tm值与其所含的碱基(GC)或(AT)的相对含量之间的关系可用下述经验公式来表示：2020一些DNA的变性温度曲线曲线a、b和c所代表的DNA中（GC）分别为38、52和662121圆二色(CD)光谱 圆二色光谱是检测DNA构型变化的非常灵敏的技术。核酸的CD可用随波长的变化来表示，LR，L和R分别为用左手和右手圆极化光时的摩尔吸光系数。与核苷酸单体的CD相比，双螺旋核酸(DNA或双链RNA)具有
14、强得多的CD吸收带。近紫外区CD谱常被看成是不同类型双螺旋DNA的特征，持别适合于检测核酸双螺旋由右手B到左手Z型的转化。2222(a)Poly(dG-dC).poly(dG-dC)在在22 C下以下以B(-)，A()和和Z型型()存在存在时时的的CD谱谱(b)Poly(rG-rC).poly(rG-rC)在以在以A型型(-)(22 C)和和Z型型()(46 C)存在时的存在时的CD谱谱2323 有许多化合物(如药物及染料)在可见或近UV区具有吸收，但由于不含手性中心而不具有CD信号，而当它们与DNA和RNA的螺旋结构结合时便会产生强的CD吸收带。这些吸收带有时在DNA的吸收带之外(通常大于3
15、00nm)，在这种情况下，值的大小可以用来指示药物与DNA和RNA的相互作用。比较有意义的例子是药物纺锤菌素(Netropsin)、远霉素(Distamycin)和DAPI4，6二脒基2苯基吲哚)与DNA小沟区的相互作用。2424拉曼光谱 现代激光拉曼光谱是研究核酸构型的强有力的工具。核酸拉曼光谱的范围大约为6001800 cm-1。从原理上讲，拉曼光谱可以显示类似于IR光谱的化学键的振动态。自20世纪80年代初期以来，振动拉曼光谱也被用于DNA构型变化的研究。通常采用对应于核酸碱基电子吸收(250280 nm)带的激发光激发。因此，只能观测到有关碱基构型变化的信息。振动拉曼光谱与常规拉曼光谱
16、相比其优点是样品浓度可以低20100倍，有时DNA构型发生变化时所引起的谱带强度的变化更大，检测比较容易。2525核磁共振光谱 NMR是目前用于DNA结构(构型)研究的特殊技术。31P NMR光谱已经被成功地用于推测磷酸二酯键的构型。研究表明，核苷酸之间磷酸酯的化学位移对O3P和PO5寡聚核苷酸骨架的扭转角非常敏感。2626 在核酸研究中光谱方法是应用最为广泛的物理方法，UV光谱以其简单(测定260 nm处的吸光度)而成为核酸研究实验室中用于测定DNA和RNA浓度的常规分析方法。其它光谱方法都需要特殊的仪器，这些仪器只有在专业性比较强的实验室里才有。要获得隐藏在DNA、RNA及寡聚核苷酸等样品
17、光谱数据后面的所有信息则需要特殊的训练和经验。CD，IR，拉曼，甚至NMR谱也可以用作定量及不同DNA构型比较的分析工具。可以跟踪构型的转化或配体的结合。有时根据转化和结合对温度的依赖性可以获得有关过程的热、动力学数据。2727NMR可用于合成的寡聚核苷酸或它们与蛋白质或配体所形成的络合物的研究，由此可以提供大量而重要的结构信息，特别是与计算机模拟计算结合使用时更是如此，所得结果可以与x射线晶体衍射所得的结果比较。28284.3 小分子与核酸相互作用的研究小分子与核酸相互作用的研究 在核酸化学研究中，小分子一般是指分子量不大于1000的一类有机化合物、络合物等，药物是这类化合物中典型的一类。这
18、类小分子化合物一般属于癌化学治疗试剂、核酸的裂解试剂、核酸染色及结构探针。因此，对它们的研究一直非常活跃。2929小分子与核酸相互作用研究受到重视的主要原因是：(1)研究结果表明，绝大多数抗癌药物在生物体内的靶目标都是DNA，它们通过与肿瘤细胞DNA结合，干扰DNA的复制和RNA的合成，使肿瘤细胞遭受致命损伤，因而药物与DNA作用的研究是药物作用机理研究的关键所在。这一领域的研究对于有效地设计和指导新药物的合成具有重要的意义。(2)广泛应用于分子生物学各个领域中的人工核酸内切酶是由小分子DNA裂解试剂和DNA识别结合系统组成的。由于这种内切酶能够在人们预先设计好的任何位点断裂DNA这就使其成为
19、遗传工程技术中非常有用的工具。(3)用作核酸探针的小分子可与某种特异的靶核酸分子发生明显的相互作用，从而可对核酸进行定量检测、序列和结构识别。3030 所以，小分子与核酸相互作用的研究，对于了解核酸的结构和功能，对于控制和改善基因表达，对于阐明药物的作用机理以及对于一些疾病的诊断、治疗均有着很重要的价值。31314.3.1 4.3.1 小分子与核酸的相互作用模式小分子与核酸的相互作用模式 小分子与核酸的相互作用可分为三种基本形式，即共价相互作用共价相互作用、可逆相互作用可逆相互作用及嵌入作嵌入作用用。3232共价作用共价作用 小分子与核酸的共价相互作用主要是同核酸各种碱基的反应，如亲核反应、亲
20、电反应、加成反应等。目前临床上使用的烷化剂类抗癌药物，它们可以使DNA的碱基烷基化，从而干扰DNA的复制和RNA的合成，因而表现为具有抗癌活性。目前最畅销的顺铂类抗癌药物具有极强的抗癌活性，这主要是由于发生鸟嘌呤N一7位亲电反应，形成了链内和链间交联物，结果大大干扰了DNA的双螺旋结构。3333 有许多致癌物在代谢过程中会转化为烷基化试剂而使DNA的碱基产生烷基化。在芳香族含氮化合物中最危险的一类是芳环羟氨类衍生物，它们在氨的生物氧化或含氮化合物的代谢还原过程中产生。偶氮类化合物的活化通过第一步还原和第二步氧化实现。在这些致癌物的活化过程中细胞色素C-P450(Cyt C-P450)常常起着非
21、常重要的作用。实验结果表明，低于1gg的黄曲霉素可以引发小鼠的肝和肺产生肿瘤。3434黄曲霉素的代谢环氧化物与黄曲霉素的代谢环氧化物与DNADNA中乌嘌呤的结合中乌嘌呤的结合3535可逆作用 核酸与小分子间的非共价可逆相互作用有三种基本形式，它们是静电作用、与核酸沟区间的作用及嵌入作用。小分子与核酸的可逆相互作用的三种基本形式小分子与核酸的可逆相互作用的三种基本形式3636 1静电相互作用(Electrostatic Interaction)核酸是高度电荷化的聚合电解质，其带负电荷的磷酸骨架可以同阳离子发生静电作用，这种作用对于核酸构型的稳定化是非常重要的。2与核酸沟区的相互作用(Groove
22、-binding)在DNA双螺旋结构中，存在着大沟区和小沟区它们在电场方面、氢键性质、空间效应及水化作用方面都有很大的不同。许多蛋白质分子及寡聚核苷酸分子主要与大沟区发生作用、而小分子因其分子体积小，主要同小沟区作用。3.嵌入作用(Interaction)一些平面的、带正电荷的芳香族小分子，或者具有其他特殊结构的分子，可以嵌入到DNA双螺旋结构的碱基对之间，这种作用称为嵌入作用37374.3.2 4.3.2 小分子药物与核酸的相互作用小分子药物与核酸的相互作用 不少药物实际上都是金属络合物，因此，研究核酸与金属络合物的相互作用不仅可以揭示药物的作用机制，而且可以指导更有效地进行新药的设计和合成
23、。某些具有手性的金属络合物和有机分子能通过氢键、静电引力和范德华力挤压或插入到双链DNA分子的大、小沟中与之结合；而某些具有平面结构的分子能插入到碱基对之间，与DNA形成更复杂的络合物。这样形成的络合物在医学研究和基因表达方面具有重要的意义。3838 20世纪80年代以来，人们发现某些金属的络合物，如Fe-EDTA，Cu邻二氮菲(CuPhen)和Fe卟啉等能产生羟基自由基或金属氧化型衍生物，后者进攻核糖和脱氧核糖的C1或C4位，经分子重排导致核酸分子中磷酸二酯键的断裂而使核酸大分子降解。由于这种作用与核酸酶的作用相似，这些金属络合物被认为具有核酸酶活性。由于金属络合物的核酸酶活性的发现，为化学
24、研究及其与生物学的结合和应用开拓了新的领域。例如，序列专一性的人工核酸酶(SequenceSpecific Artificial Nuclease)的研究就是目前化学和生物学交叉研究领域中的一个热点。3939 所谓序列专一性的人工核酸酶，也称为人工核酸内切酶(Artificial Endonuclease)，指的是末端与金属络合物共价键合的寡聚核苷酸片段。它能与单链的靶DNA按碱基配对的原则进行分子杂交而形成双链区。当有氧化还原剂存在时，与之连接的金属络合物通过化学反应产生自由基，后者进攻相邻的核糖和脱氧核糖使之发生磷酸二酯键的断裂，而从靶DNA剪切出与之互补的序列。由于金属络合物和寡聚核苷酸
25、都可以人为地设计合成，对于任何一个靶DNA，都能设计合成出相应的寡聚核苷酸的金属络合物，从而使其在预期的位点发生断裂。因此。这方而的研究在基因表达的人工调控中应用具有很大潜力。4040寡聚脱氧核苷酸EDTAFe(II)定位断裂DNA的原理41414.3.3 核酸小分子探针的研究核酸小分子探针的研究 在生物化学相关的研究领域，小分子探针指那些可以探测生物大分子各种信息的一类小分子化合物，这类化合物可以与生物分子发生特异性相互作用，并使小分子化合物的物理化学性质、光谱性质或电化学性质等发生变化，根据这些性质的变化可获得生物分子的各种信息。这类小分子化合物因此被称之为探针。4242 核酸探针的研究涉
26、及核酸的一级、二级及碱基的结构。利用适当的探针与核酸进行各种选择性反应以探测核酸本身所不能给出或不能灵敏给出的结构或量的信息。常用的核酸小分子探针，按其物理化学性质来分，可以分为有机染料探针、金属离子及其络合物探针。4343有机染料探针 这类探针基本上属于荧光探针。核酸及其碱基在常温下的荧光量子产率非常低，利用具有荧光的有机染料与DNA作用时荧光性质的变化可以获得有关DNA结构及定量的信息。4444 目目前前，在在生生物物学学和和分分子子生生物物学学研研究究中中，溴溴乙乙锭锭(Ethidium bromide，EB)一一直直作作为为电电泳泳分分析析的的荧荧光光检检测测试试剂剂而而被被广广泛泛使
27、使用用。它它与与DNA和和RNA及及双双链链寡寡聚聚核核苷苷酸酸络络合合，并并使使EB的的荧荧光光增增强强，通通常常激激发发和和发发射射分分别别在在530,620 nm。这这种种方方法法对对DNA的的最最低低检检出出限限为为10ng/ml。EB与与核核酸酸中中双双链链区区的的结结合合是是特特异异的的。利利用用它它与与各各种种构构型型核核酸酸的的结结合合比比率率的的不不同同及及所所产产生生的的荧光强度的变化，可以把各种构型的核酸区分开来。荧光强度的变化，可以把各种构型的核酸区分开来。4545例例如如，它它能能鉴鉴别别天天然然核核酸酸和和变变性性核核酸酸，区区分分线线状状DNA、环环状状DNA和和
28、超超螺螺旋旋DNA。另另外外，EB也也可可以以结结合合到到RNA上上，所所以以测测定定DNA时时，需需要要用用RNA酶酶破破坏坏掉掉RNA。除除此此之之外外，EB还还用用于于鉴鉴定定血血液液中中的的细细菌菌，检检测测DNA与与蛋蛋白白质质复复合合物物的的形形成成及及测测定定聚聚合合酶酶链链反反应产物的产量等。应产物的产量等。46464747 另一种有机染料类探针为双苯并咪唑染料(Hochest)。它是DNA小沟区结合的荧光探针，相对于EB而言它是非毒性的和水溶性的。它与DNA作用后使自身的荧光强度大大增强。该染料的荧光激发和发射波长分别为355和460 nm。富含A：T碱基的DNA对该染料的荧
29、光增强最为显著。它用于琼脂糖凝胶电泳中DNA的检测，RNA不产生干扰。4848金属离子及其络合物探针 一些过渡金属络合物可作为DNA构型的选择性探针。它基于络合物与DNA局部的构型、形状和对称性匹配作用所产生的选择性，即所谓构型选择性。这类金属络合物为手性分子，可识别不同构型的DNA。这些络合物可以作为DNA二级和三级结构的探针，以探测DNA构型的细微变化，而这些变化的部位往往是蛋白质结合之处。49494.4 DNA序列的测定序列的测定DNA序列分析是揭开遗传密码的关键，也是基因研究的基础。继1953年Watson&Crick提出DNA双螺旋结构以后，人们进行了一系列DNA一级结构分析方法的探
30、索。由于凝胶电泳技术的发展及第二类限制性核酸内切酶的出现，DNA序列分析技术在70年代后期有了突破性进展。Sanger的末端终止法和Maxam Gilbert的化学测序法相继间世，并以其简单、快速及准确的优点成为目前被采用的主要测序方法。为此Sanger和Maxam Gilbeert分享了1979年诺贝尔化学奖。DNA测序方法经过不断地改进，在测序的对象和范围方面都有了很大的扩充。但它距一些大的测序项目，如人的基因组项目的研究的要求来说还有很大的差距。50504.4.1 人类基因组项目人类基因组项目 人的基因组项目(Human Genome Project)是美国于1990年提出的该项目规定在
31、15年内投资30亿美元完成人的基因组的全部DNA测序、定位及遗传学研究。在这一系统工程中DNA序列分析是整个项目的重点和控制步骤，在该项目的第一个5年计划的第三年(1993)，美国重新制定了新的5年计划(1994-1998)强调经费每年必须达到2亿美元，并明确规定其中1亿美元用于发展DNA序列分析技术。5151 人是复杂的高等生物，人的基因组约含大约8万个基因，比所有典型生物的基因组都要复杂。如人的最小和最大染色体的碱基对数目分别为50和250 Mb，整个人的基因组的碱基总数约为3000 Mb；而整个酵母和水稻的基因组碱基对数目分别只有15和46Mb，比人的最小的染色体的碱基对数目还要小。52
32、52 DNA序列分析的方法可以按其发展及特点分为：(1)目前所广泛采用的方法，它包括经典的板凝胶电泳放射性自显影法和基于板凝胶电泳激光荧光的自动化序列分析法；(2)毛细管和阵列毛细管凝胶电泳激光荧光法及超薄层板凝胶电泳激光荧光法，这类方法也是基于聚丙烯酰胺凝胶的分析方法，但这些方法的主要目的是提高测序速度，以满足大型测序项目的要求；5353 (3)不使用凝胶电泳分离的直接测序技术，如质谱法、原子探针法(隧道扫描显微镜和原子力显微镜)、杂交法和流动单分子荧光检测法。这类方法目前还处于探索阶段，它的成功将成为DNA测序方面的一场巨大的变革，大大减轻测序的工作量，提高测序的速度。5454DNA测序的
33、基本步骤测序的基本步骤 1)1)通过适当的方法制备与待测序通过适当的方法制备与待测序DNADNA模板互补的所模板互补的所有可能的带标记的单链寡聚核苷酸片段；有可能的带标记的单链寡聚核苷酸片段；2)2)将得到的单链寡聚核苷酸片段混合物经变性聚丙将得到的单链寡聚核苷酸片段混合物经变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分离。对电泳分离的要求是能够烯酰胺凝胶电泳分离。对电泳分离的要求是能够分辨出一个脱氧核苷酸的差异，而可以测得的寡分辨出一个脱氧核苷酸的差异，而可以测得的寡聚核苷酸长度，往往受限于电泳分离技术的分离聚核苷酸长度，往往受限于电泳分离技术的分离度。度。3)3)从电泳图谱直接读出待测从电泳图谱直接读出待测DN
34、ADNA的序列并进行核实。的序列并进行核实。55554.4.2 4.4.2 特异性化学裂解法快速测定定特异性化学裂解法快速测定定DNADNA序列序列首首先先需需要要制制备备一一个个单单一一末末端端以以3232P P标标记记的的DNADNA片片断断，通通常常用用多多核核苷苷酸酸激激酶酶将将3232P P引引进进5 5-OH-OH末末端端，然然后后选选择择性性地地将将此此标标记记的的DNADNA片片段段在在四四个个核核苷苷酸酸之之一一处处断开。断开。例例如如，若若标标记记的的序序列列是是：5 5-3232P-GCTAGTAC-3P-GCTAGTAC-3，则则对对每每种种碱碱基基分分别别进进行行特特
35、异异性性切切割割所所得得到到的的放放射射性片段为：性片段为：在在A处切割：处切割：5-32P-GCT；5-32P-GCTAGT在在G处切割：处切割：5-32P-GCTA在在C处切割：处切割：5-32P-G；5-32P-GCTAGTA在在T处切割：处切割：5-32P-GC；5-32P-GCTAG56565PGCTAGTAC3片段在四种核苷酸碱基处分别特异性断裂后电泳分离，放射自显影的示意图5757 目前DNA测序中应用最为广泛的获得与待测序DNA模板互补的所有可能的单链寡聚核苷酸片段的技术是Sanger双脱氧法和Maxam-Gilbert化学裂解法。58584.2.1.2 DNA 4.2.1.2
36、 DNA 测序策略测序策略 人类基因组计划涉及DNA的大规模测序，它是一项庞大的工程。根据现有的技术水平，一套测序反应中可测到的可靠序列信息有限，因此人类还无法对基因组这样的复杂DNA大分子直接进行测序，而只能采取化整为零的测序基本策略，即将基因组DNA分割成一定大小的片段，然后分别对这些片段进行测序。目前DNA大片段测序的通用策略主要有鸟枪测序法和定向法。59594.2.1.3 DNA 4.2.1.3 DNA 测序的分离方法测序的分离方法凝胶电泳技术凝胶电泳技术毛细管电泳技术毛细管电泳技术 芯片毛细管电泳技术芯片毛细管电泳技术 60604.2.2 DNA传感技术传感技术 DNA传感技术或者基
37、因传感技术是一种建立在DNA特异性杂交基础之上的DNA检测技术，它是将核酸作为分子识别及检测层并与各种换能器相结合而产生的一种可以在分子水平上进行快速检测、监控的微量生物分析技术，在DNA测序、遗传性疾病诊断、环境监控分析、基因指纹图谱的建立及法医鉴定等方面都有着极大的应用价值和意义。6161 基因传感器的工作原理是：将 DNA探针（捕获探针）固定在载体表面，在适当的温度、pH值和离子强度下与互补的靶序列(Target-sequence)选择性地结合形成表面双链DNA，然后换能器将信号放大并进行检测。由于该传感器中探针与靶序列间以高度序列选择性通过氢键形成双螺旋结构，因此能在多种非互补序列的混
38、合物中识别出靶序列而具有极强的分子识别功能，此探针一般为人工合成的单链寡聚脱氧核苷酸片段，其长度从十几个到上千个核苷酸不等。DNA传感技术的发展主要有赖于DNA在载体表面上的固定化、换能器对杂交信号的检测等两个方面。6262双脱氧终止法双脱氧终止法 在在测测序序用用的的缓缓冲冲液液中中含含有有四四种种dNTP及及聚聚合合酶酶.测测序序时时分分成成四四个个反反应应,每每个个反反应应除除上上述述成成分分外外分分别别加加入入2,3-双双脱脱氧氧的的A,C,G,T核核苷苷三三磷磷酸酸(称称为为ddATP,ddCTP,ddGTP,ddTTP),然然后后进进行行聚聚合合反反应应.在在第第一一个个反反应应物
39、物中中,ddATP会会随随机机地地代代替替dATP参参加加反反应应一一旦旦ddATP加加入入了了新新合合成成的的DNA链链,由由于于其其3位位的的羟羟基基变变成成了了氢氢,所所以以不不能能继继续续延延伸伸.所所以以第第一一个个反反应应中中所所产产生生的的DNA链链都都是是到到A就就终终止止了了;同同理理第第二二个个反反应应产产生生的的都都是是以以C结结尾尾的的;第第三三个个反反应应的的都都以以G结结尾尾,第第四个反应的都以四个反应的都以T结尾结尾,电泳后就可以读出序列了电泳后就可以读出序列了.6363例例如如,假假如如有有一一个个DNA,互互补补序序列列是是GATCCGAT,我我们们试试着着做
40、做一一下下:在在第第一一个个反反应应中中由由于于含含有有dNTP+ddATP,所所以以遇遇到到G,T,C三三个个碱碱基基时时没没什什么么问问题题,但但遇遇到到A时时,掺掺入入的的可可能能是是dATP或或ddATP,比比如如已已合合成成到到G,下下一一个个如如果果参参与与反反应应的的是是ddATP则则终终止止,产产生生一一个个仅仅有有2个个核核苷苷酸酸的的序序列列:GA,否否则则继继续续延延伸伸,可可以以产产生生序序列列GATCCG,又又到到了了下下一一个个A了了.同同样样有有两两种种情情况况,如如果果是是ddATP掺掺入入,则则产产生生的的序序列列是是GATCCGA,延延伸伸终终止止,否否则则
41、可可以以继继续续延延伸伸,产产生生GATCCGAT.所所以以在在第第一一个个反反应应系系统统中中产产生生的的都都是是以以A结结尾尾的的片片段段:GA,GATCCGA,同同理理在在第第二二个个反反应应中中产产生生的的都都是是以以C结结尾尾的的片片段段:GATC,GATCC,在在第第三三个个反反应应中中产产生生的的都都是是以以G结结尾尾的的片片段段:G,GATCCG 在在第第四四个个反反应应中中产产生生的的都都是是以以T结结尾尾的的片片段段:GAT,GATCCGAT,电电泳泳时时按按分分子子量量大大小小排排列列,A反反应应的的片片段段长长度度为为2,7;C反反应应的的为为4,5;G反反应应的的为为1,6;T反反应应的的为为3,8,四四个个反反应应的的产产物物分分别别电电泳泳,结结果果为为 8 7 6 5 4 3 2 1 我我们们可可以以从从右右向向左左读读,为为GATCCGAT,至此至此,测序完成测序完成。6464 鸟鸟枪枪法法是是将将目目的的DNA随随机机地地处处理理成成大大小小不不同同的的片片段段，再再将将这这些些片片段段的的序序列列连连接起来的测序方法。接起来的测序方法。6565