TED:什么是基因测序?

人类基因组计划(英语:Human Genome Project, HGP)是一项规模宏大,跨国跨学科的科学探索工程。其宗旨在于测定组成人类染色体(指单倍体)中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列,从而绘制人类基因组图谱,并且辨识其载有的基因及其序列,达到破译人类遗传信息的最终目的…

视频来自TED 碱基矿工(公众号)整理并发布

(该科普视频来自:TED-Ed,以下内容有删改)

“人类基因组计划”在研究人类过程中建立起来的策略、思想与技术,构成了生命科学领域新的学科——基因组学,可以用于研究微生物、植物及其他动物。人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划,是人类科学史上的又一个伟大工程,被誉为生命科学的“登月计划”。

类基因组计划由美国科学家于1985年率先提出,于1990年正式启动的。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。按照这个计划的设想,在2005年,要把人体内约2.5万个基因的密码全部解开,同时绘制出人类基因的图谱。换句话说,就是要揭开组成人体2.5万个基因的30亿个碱基对的秘密。截止到2003年4月14日,人类基因组计划的测序工作已经完成。其中,2001年人类基因组工作草图的发表(由公共基金资助的国际人类基因组计划和私人企业塞雷拉基因组公司各自独立完成,并分别公开发表)被认为是人类基因组计划成功的里程碑。(以上内容来源于百度百科)

你大概已经听说过什么是人类基因组——它是巨量的基因总和,并且在你身体中每一个细胞里都有一份。你很可能也知道我们已经对人类基因组进行了测序,但这到底是什么意思?怎样对一个人的基因组进行测序?

我们先讲点背景知识。

首先,什么是基因组?

简单来说,基因组,就是全部的基因再加上点别的物质共同组成的一个有机体。基因由DNA组成,而DNA是成对的长链,由A(腺嘌呤),T(胸腺嘧啶),C(胞嘧啶)和G(鸟嘌呤)组成。

你的基因组就像是一组代码,你的细胞需要通过它来知道自己在什么时候该做些什么。细胞交织在一起成为了组织,不同的组织相互协调构成了器官,而器官协同工作形成了生命体,也就是你!因此你之所以是你,很大程度上源自于你的基因组。

第一个人类基因组测序结果的真正完成时间是2003年。当时非常艰难,它花了15年才完成(视频中是20年,这其实是有争议的),期间有来自全世界几十个国家和地区几百位科学家的辛苦付出,而且费用超过30亿美元。但现在却只需要数天时间,费用不过6000人民币。我们已经可以展望在不久的将来,只要几分钟时间,就能搞清组成你这个人的基因组的字母排列,费用甚至还不及一份较好的生日礼物贵。

但这要怎么做呢?让我来解释一下,弄清你基因组中这几十亿个字母的排列顺序,是基因测序的基本目标。基因组既很大很大,又很小很小。DNA中的每个字母,就是A、T、C、G,宽度只有8-10个原子。

而它们在细胞中全部缠绕在一起成为一团,就像一团毛线。

所以要从这么小的地方获取所有的这些DNA信息,科学家首先要把DNA的长链打断为许多短链。然后把每一段分离出来单独测序。

那么,到底怎么测?你这样想一下或许会更容易理解:当DNA上彼此之间的序列刚好互补的话,这一条DNA就会和其它DNA交合:A配T,T配A,G配C,C配G

那么,如果两片DNA的序列刚好能够互补,它们就会结合在一起。但由于基因片段非常小,我们需要某些办法来放大这些信号,这样才能检测到每个字母是什么。科学家最常用的方法,是用酶来把原来的基因片段多合成出几千份(以此将原来的信号放大几千几万倍)。这样我们就能够采用一些技术手段进行检测了。

经过复制之后,接下来我们要做的就是把全部的这些序列信息都读取出来。为了做到这一点,我们需要再制作一批特别的字母,每种都有特殊的颜色。

把这些带颜色标记的字母和酶混合在一起后,再加入到我们试图阅读的这个基因组里。这样,在化学反应的作用下,基因组上的每个位点,都有这样一个特殊字母和对应的字母结合,从而形成一段双链DNA,而且在新合成的DNA上每个字母上都带有颜色标记。

然后,科学家们对每一小段基因组进行照相,之后,我们就可以看到一些列颜色点的排列顺序,接着,我们就可以通过这些色点读出序列了。最后,这样几百万(甚至几亿)条的DNA片段会由计算机程序拼接在一起,我们就能得到这整个基因组的完整序列。

虽然这并非是获取DNA字母顺序的唯一方法,但却是目前最常用的方法。

当然,仅仅只是读取基因组中的字母还远远不够。这就好比你在翻一本书,你虽然能读出书里的每一个字母,但却不理解书里说了什么,这是因为书中所用的语言你并不懂。

所以,测序完成之后,下一步重要的工作就是解码出这些序列到底是什么意思。搞明白为什么你的基因组会和我的不一样。阐释这些基因组中各个基因元件的功能,是当下科学家们正在进行的工作,虽然并不是每一处不同之处都意义重大,但这些不同之处组合(叠加)在一起,就决定了人与人之间的不同

它决定了我们的外貌看起来怎么样,我们喜欢什么,我们如何反应,甚至包括我们患上某种疾病的可能性,以及对各类药物的不同反应。

所以,更好地认识我们各自基因组上的差别之处意义重大。同时,在认识到这些差别之后,也必将会改变我们的许多传统观念:不仅包括医生应当如何治疗病人,也包括我们彼此之间该如何更好相待。

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