什麼是基因？是怎麼檢測得到基因信息的？

來自專欄生物醫學站

我們都知道，人體身體里有血液，皮膚上有毛髮，胸腔內還有心肝脾等內臟。

你可能還知道，人體有很多很多細胞。

你甚至也經常聽說，我們體內有基因，基因和環境共同決定了我們的一切。

那麼問題來了：

「基因長什麼樣？具體在哪裡？」

「所謂的基因檢測，是如何準確得到你的基因信息的？」

「這些基因信息能告訴我們什麼？」

所以接下來，是「基因與檢測」系列內容，來具體講解這些問題。

【一】

什麼是基因？

是怎麼檢測得到基因信息的？

現在想像一下，你不是一個人，而是一滴水，能變得很小很小，可以鑽到自己身體的任何部位。

好了，現在你隨便挑了個細胞鑽進去，發現這個細胞像個蘋果，中間還有一個核。

▲顯微鏡下的細胞

進到這個核里一看，還有一段「麻花」。這個麻花自己出不去，但周邊有很多小物質忙忙碌碌進進出出。

這個麻花就是你身體的遺傳物質，我們叫它DNA。

▲DNA雙螺旋結構

這個DNA非常簡單，用四種核苷酸就撐起一片天：胞嘧啶（縮寫作C）、鳥嘌呤（G）、腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）。而雙鏈DNA中永遠是A-T結合，G-C結合，正是因為這樣，DNA長得簡直是集文藝女青年和理工男為一體，散發著藝術和秩序的氣息，被冠上一個響亮的名字「雙螺旋結構」。

▲核苷酸

而DNA中有些片段是特殊的，能操控身體的性狀，比如說單雙眼皮呀、高矮啊、黃皮黑皮啊等等，這些片段就被叫做「基因」。

▲基因、DNA、細胞的關係

這個基因既然能決定性狀，我們是不是得研究研究它，讓人類進一步了解自己呀。畢竟「我是誰」這種問題從刻在阿波羅神廟上到現在，一直都沒有一個完美的解答。

說干就干，人類在1990年正式啟動了「人類基因組計劃」，要把人體內約2.5萬個基因30億個鹼基對的密碼全部解開。截止到2005年，人類基因組計劃的測序工作已經完成。

▲DNA測序歷史圖

基因這麼小，人類是通過什麼方法得到基因的信息的呢？也就是基因是如何被準確測序的呢？

這就要從1952年說起了。

這一年，發現DNA是遺傳物質，第二年就確定了DNA的雙螺旋結構。而這時候，一個出生在英格蘭格洛斯特郡小村莊的男孩Frederick Sanger已過「三十而立」之年，正在研究胰島素的氨基酸序列，6年後他因此打卡諾貝爾化學獎。

▲Frederick Sanger

（1918年8月 - 2013年11月）

之後，他投入DNA測序的研究。1977年提出雙脫氧核苷酸鏈中止法，並再次獲得諾獎。他的研究也成了第一代基因測序的主流方法，為了紀念他，被稱為Sanger測序法。

▲Sanger測序法原理

我們要測的就是A、T、C、G四種鹼基在基因上的排列順序。把一個人的DNA拿過來，打開雙鏈，去掉其中一條，只保留一條鏈，讓很多很多的A、T、C、G在這一條鏈周圍遊動，在條件合適的情況下（溫度，酶等），根據A-T，G-C鹼基互補的原則，會形成一個新的DNA鏈。

要做的就是DNA新鏈每合上1個鹼基，把它記錄下來，這樣，就能得到DNA鏈上的鹼基是什麼順序，測序就完成了。

難就難在怎麼準確記錄這個鹼基合成的順序。

ABI公司（現為ThermoFisher）在Sanger法的基礎上開發出熒游標記的雙脫氧法測序試劑盒，也就是鼎鼎大名的BigDye試劑。其推出的ABI 3730、ABI 3500等測序儀和BigDye測序試劑，都是業內公認的一代測序的金標準。

▲ABI3730測序儀

它的核心技術就是，加入了一個神器——雙脫氧核苷酸（ddNTP）。

天然的DNA的組成元件是單脫氧核苷酸（dNTP），它有兩隻手，一手拉上一個，一手拉下一個，形成了DNA的一條骨架鏈。

雙脫氧核苷酸（ddNTP）是「獨臂大俠」，只保留了5位的羥基，沒有辦法和下一個dNTP結合。

第二個要說的技術呢，就是熒游標記——A、G、C、T四種鹼基分別帶一種顏色的發光基團。

過程是這樣的，混入ddNTP和dNTP。每聚合一個新的鹼基，都有2種可能。

第一種可能，是結合進了一個正常的、與模板互補的dNTP。這時候，聚合反應就可以續繼進行下去。

另外一種可能，是ddNTP，鏈的延伸就被終止。

最後，得到長長短短的DNA片段。

▲每種鹼基對應一種顏色

接下來就是上機器測序了，DNA通過長長的、中空的玻璃毛細管。短的DNA片段，跑得快；長的DNA片段，跑得慢。

用激光進行照射，能得到了有4種顏色的圖。這4種顏色，對應了4種鹼基，就知道了DNA的序列。溜不溜。

▲橫軸是時間，也是鹼基的順序

ABI3500測序儀用的是50厘米的毛細管，一般可以測到850個鹼基（長度）。

而ABI 3730測序儀用36厘米的毛細管，一般可以測到700個鹼基（長度）。