ATGC的发现

脱氧核糖核酸(DNA)是每个生物体的遗传物质，由瑞士研究员弗里德里希·米歇尔于1869年发现，他最初试图研究白细胞。相反，他从细胞核中分离出一种新的分子，他称之为核素。1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA分子的结构，罗莎琳德·富兰克林也做出了一些重要贡献。1］．DNA的结构就像一个扭曲的梯子(图1)．梯的每一步的侧轨是由一个磷酸基(PO${}_4^{3.-}$)和一个戊糖(五碳)分子，而梯级则由四种叫做含氮碱基即腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。这些碱基的配对可以用Chargaff规则来解释，即A总是与T配对，G总是与C配对核苷酸．DNA中碱基的排列非常重要，因为序列代表了遗传密码，就像字母表中字母的正确排列可以创造出有意义的单词一样。这些“词”或信息块是基因基因提供指令来创造各种特征，从眼睛的颜色到血型。体内所有基因的总称是基因基因组．一个物种的所有成员都有相似(但不完全相同)的基因组。人类基因组具有人类特有的特性，但基因的微小变异使每个个体都略有不同。

首次尝试破解密码:桑格测序

在沃森和克里克的发现取得成功后，科学家们对DNA分子的结构及其碱基有了清晰的了解。现在的问题是确定碱基沿DNA长度出现的顺序或序列。这个过程叫做DNA测序．

1975年，弗雷德里克·桑格在DNA测序方面取得了巨大突破，他发明了一种称为链终止的方法[2］．在我们的细胞中，DNA以核苷酸(A、T、G、C)为积木，复制自己的相同副本。桑格的测序方法是通过添加化学改变的核苷酸来劫持DNA复制的自然过程，除了正常的核苷酸之外，每个核苷酸都有一个放射性标签(后来放射性标签被危险较小的荧光标签所取代)。这些修改过的核苷酸在任意点上停止DNA复制，无论何时它们被合并到复制的DNA链中。复制以随机的方式结束，产生几个不同长度的DNA片段，每个片段都以经过修饰的放射性标记(或颜色编码)的核苷酸结束。

通过观察所有这些片段，桑格可以按照正确的顺序排列原始DNA链的序列，将从小到大的片段拼接在一起，从而可视化完整的DNA序列。例如，最小的片段，只有1个核苷酸长，将是A, T, G或c的修改版本。这告诉他原始DNA的第一个碱基被测序(图2)．桑格的测序方法为大规模DNA测序项目铺平了道路人类基因组计划．

人类基因组计划

人类基因组计划(HGP)是一项由来自世界各地的科学家参与的大规模国际项目，他们从1990年开始研究，并在长达13年的时间里疯狂地工作，以了解人类基因组。他们在2003年完成了大规模人类基因组(包含32亿碱基对)的测序，这仍然比计划提前!人类健康计划是一个里程碑式的事件。科学家们第一次能够阅读人类的整个基因蓝图，为令人兴奋的新发现打开了大门。对人类全基因组进行测序是改善医疗保健的一大步[3.］．

然而，重要的是要知道，用于实现这些结果的DNA测序技术既耗时又低效。尽管人类健康计划取得了突破性的成果，但更先进技术的诞生，例如新一代测序(NGS)通过最大限度地减少误差，大大提高了DNA测序的准确性。NGS通过降低测序成本和诊断所需时间，为医疗保健行业带来了革命性的变化。今天，整个人类基因组可以在6小时内测序!

什么是下一代测序?

2006年，一家名为Illumina的公司宣布了DNA测序方面的重大进展，可以同时对大量DNA链进行测序。这种高速度使得整个人类基因组可以在不到一天的时间内测序完成。这种方法不同于先前的排序方法，因为它不依赖于链终止。相反，在这种新方法中，每当一个新的碱基被添加到复制的DNA链上，相应的荧光信号就会发出，并被实时检测到(图3)．

DNA测序在今天如何使用?

癌症治疗

癌症一直是医学界的挑战，因为每种癌症都是不同的，即使是同一种癌症在不同的患者身上也可能有不同的作用。癌症可能是由DNA中独特的错误引起的，这些错误可以通过DNA测序来识别。科学家们现在正在使用NGS来分析单个患者的基因组，并确定每个患者特有的DNA错误。这有助于医生为每个人量身定制治疗方案。例如，两个患有同一类型癌症的患者对同一种药物的反应可能不同——治疗可以治愈其中一个，但对另一个却无效。使用NGS可以检测到两个人基因组的轻微变化，这可以帮助医生了解如何根据他们的基因差异为个人进行个性化治疗[4］．这种定制治疗被称为个性化医疗。

进化

地球上的生命最初是单细胞生物，后来变得越来越复杂。动物是地球上最复杂的生命形式。NGS已被用于将人类基因组与其他动物的基因组进行比较，这可以告诉我们关于我们与它们的关系有多近或多远的令人着迷的细节。此外,小突变(DNA的变化)存在于同一物种的生物体中是进化的重要组成部分，因为每个突变都有可能永久改变该物种基因组的一部分。NGS使科学家能够研究突变是如何在进化过程中积累的。

疫苗

从调查SARS-CoV2病毒的起源到疫苗的快速开发，测序在COVID-19大流行期间提供了巨大帮助。疫苗教会免疫系统识别威胁并根除它们。NGS帮助科学家对SARS-CoV2进行测序，这有助于他们更多地了解威胁免疫系统的病毒的遗传特征，如刺突蛋白。NGS在追踪新的病毒变种方面也很有用——病毒也在进化!

过敏

你可能听说过麸质过敏或乳糖不耐症。NGS通过分析一个人的基因组，帮助科学家确定一个人是否可能对麸质过敏或乳糖不耐受。某些DNA序列可能会使人更容易过敏。

有益微生物

并不是所有生活在体内的微生物都是有害的。有益微生物帮助我们对抗感染。肠道菌群是生活在人类消化道中的微生物群落，可以被认为是我们的“第二基因组”，因为它们影响我们的免疫系统和整体健康[5］．在实验室里研究肠道菌群并不容易，但NGS可以用来分析这些生物体的基因组，以了解它们的功能。美国肠道计划¹是世界上最大的公民科学倡议，分析了生活在大约1.1万人肠道内的微生物。这要感谢NGS。

结论

总之，DNA测序彻底改变了生命科学研究，为更精确、更高效的医疗保健铺平了道路。NGS使这项技术更快、更经济。近年来，牛津纳米孔等更先进的DNA测序技术被开发出来。这些方法甚至更快更准确!然而，尽管我们可以对DNA进行测序，但仍然没有开发出对蛋白质进行测序的方法。这是生物学中最令人期待的发展之一。希望你们这些年轻的读者中有一个能够实现这个伟大的壮举!

术语表

含氮碱基：↑含氮分子是DNA的重要组成部分。

核苷酸：↑含磷酸分子、糖分子和含氮碱基的DNA成分。

基因：↑DNA序列的一部分，包含制造蛋白质的密码。

基因组：↑基因:生物体内的一整套基因

DNA测序：↑测定DNA片段中含氮碱基序列的过程

人类基因组计划：↑一项旨在确定人体内所有基因序列的国际研究。

新一代测序：↑一种现代和快速的DNA测序方法，可以同时读取大量的DNA序列。

突变：↑DNA序列的任何改变或改变，可能改变也可能不改变基因的功能。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

脚注

1.↑看到的:https://www.facebook.com/AmericanGut．

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参考文献

[1]↑沃森，J.和克里克，1953。核酸的分子结构:脱氧核糖核酸的一种结构。自然171:737-38。doi: 10.1038 / 171737 a0

[２]↑希瑟，J. M.钱恩，B. 2016。测序仪的序列:DNA测序的历史。基因组学107:1-8。doi: 10.1016 / j.ygeno.2015.11.003

[3]↑格林，E. D.沃森，J. D.和柯林斯，F. S. 2015。人类基因组计划:大生物学的25年。自然526:29-31。doi: 10.1038 / 526029 a

[4]↑古普塔，A. K.和古普塔，D. 2014。下一代测序及其应用，见动物生物技术(爱思唯尔)。p . 345 - 67。doi: 10.1016 / b978 - 0 - 12 - 416002 - 6.00019 - 5所示

［5］↑曹，Y.，范宁，S.，普洛斯，S.，乔丹，K.和斯里库马尔，S. 2017。下一代测序技术在食品相关微生物组研究中的应用综述。前面。Microbiol．8:1829。doi: 10.3389 / fmicb.2017.01829