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第三部分基因組和測序原理TheHumanGenome23chromosomes3,2x109basepairs(3,200,000,000)<5%mRNA(30,000genes)<3%translatedintoprotein>90%unknownfunctionExon1Exon2Exonn、、、protein-codingregion、、、、、、、、、、、、geneStrategies:randomshotgun(HUGO)wholegenomeshotgun(Celera)RandomShotgun:Genomiclibraryproductionwholegenome:3,200,000kbpartiallydigestedDNA:sizing:100-500kbBAClibrariesAdaptedfrom: BaylorCollegeofMedicine- HumanGenomeSequencingCenterMappingpieces:100-500kbMappingMARKERSMARKERS:sequencetaggedsites(STS)restrictionsitepatternknowngenes、、、MappingofBAC/YACClonesmappedBACclone:100-500kbshearedDNA:1、0-2、0kbsequencingtemplates:randomreads(0、6-1kb)Adaptedfrom: BaylorCollegeofMedicine- HumanGenomeSequencingCenterRandomShotgun:Sequencing(randomphase)Celera:WholeGenomeShotgunSequencingwholegenome:3,200,000kbshearedDNA:1、0-2、0kbsequencingtemplatesAdaptedfrom: BaylorCollegeofMedicine- HumanGenomeSequencingCenterrandomreads(0、6-1kb)9大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了,稍作休息大家有疑問的,可以詢問和交流ShotgunSequencing:Assembly(both)=Consensus(sequence)gaplowbasequalitysinglestrandedregionmis-assembly(inverted)Adaptedfrom: BaylorCollegeofMedicine- HumanGenomeSequencingCenter?draftquality“ShotgunSequencing:Finishing(both)ThefinalGoalHighAccuracySequence:<1error/10,000basesAdaptedfrom: BaylorCollegeofMedicine- HumanGenomeSequencingCenter?finishedquality“DNA測序原理MilestonesofDNASequencing1953Watson,Crick,Franklin molecularstructureofDNA1976 Maxam,Gilbert DNAsequencingviachemicaldegradation1977 Sanger DNAsequencingviachaintermination1986 Hood;Ansorge automatedDNAsequencingwith
‘dyeprimer’
1989 Murray ‘cyclesequencing’withTaqpolymerase1991 NEN-DuPONT ‘dyeterminator’sequencing1999 ABI/MD 96wellcapillarysequencerHowDNASequenceIsDetermined?PolyacrylamideGelElectrophoresisATC32PAT32PA32PTAGCTACGATCG32PATCGA32PATCGAT32PATCGATC32PATCGATCG32PATCGATCGA32PATCGATCGAT32PDNAfragmentshavingadifferenceofonenucleotidecanbeseparatedongelelectrophoresisButthesebandscan’ttellustheidentityoftheterminalnucleotidesIfthosebandwiththesameterminalnucleotidecanbegrouped,thenitispossibletoreadthewholesequence雜交測序法質(zhì)譜法單分子測序法原子探針顯微鏡測序法流式細(xì)胞儀測序法大規(guī)模平行實(shí)測法、DNA芯片法經(jīng)典方法新技術(shù)方法Maxam-GilbertDNA化學(xué)降解法(Maxam和Gilbert,1977)Sanger雙脫氧鏈終止法(Sanger和Coulson1977)DNA測序方法:生成互相獨(dú)立得若干組帶放射性標(biāo)記得寡核苷酸,每組寡核苷酸都有固定得起點(diǎn),但卻隨機(jī)終止于特定得一種或者多種殘基上。由于DNA上得每一個堿基出現(xiàn)在可變終止端得機(jī)會均等,因此上述每一組產(chǎn)物都就是一些寡核苷酸混合物,這些寡核苷酸得長度由某一種特定堿基在原DNA全片段上得位置所決定。在可以區(qū)分長度僅差一個核苷酸得不同DNA分子得條件下,對各組寡核苷酸進(jìn)行電泳分析,只要把幾組寡核苷酸加樣于測序凝膠中若干個相鄰得泳道上,即可從凝膠得放射自影片上直接讀出DNA上得核苷酸順序。
方法概述:核酸序列分析得經(jīng)典方法:化學(xué)法:化學(xué)裂解法(Maxam-Gillbert法)酶法:DNA鏈得末端合成終止法(sanger法)Sanger'sMethod:Maxam-Gilbert'sMethod:HowtoObtainDNAFragments32P32PATCGATCG32PATCGATATCGATATCGTAGCTAGCTATAGCTAGCTATAGCTAGCTAATCGA32PSpecificReactiontoG
ATCGSTOPATerminatedKeepongoingBiosyntheticmethodChemicalmethodTemplateorNon-radioactive(invisible)32PA,T,C,GAAnalogueDestroy→CleavageDestroy→CleavageATCGATCGATProducingvariousfragmentsJuangRH(2004)BCbasics化學(xué)裂解法(Maxam-Gillbert法)基本原理:基于某些化學(xué)試劑可以使DNA鏈在1種或2種堿基處發(fā)生專一性斷裂得特性,精確地控制反應(yīng)強(qiáng)度,使一個斷裂點(diǎn)僅存在于少數(shù)分子中,不同分子在不同位點(diǎn)斷裂,從而獲得一系列大小不同得DNA片段,將這些片段經(jīng)電泳分離。分析前,用同位素標(biāo)記DNA得5′末端,用4組不同得特異反應(yīng),就可以使末端標(biāo)記得DNA分子切成不同長度得片段,其末端都就是該特異得堿基。經(jīng)變性膠電泳和放射自顯影得到測序圖譜。反應(yīng)得關(guān)鍵:使DNA得4種核苷酸中,只有1-2種發(fā)生特異性得化學(xué)切割反應(yīng);堿基得特異性修飾;被修飾得堿基從核糖環(huán)上轉(zhuǎn)移;失去堿基得糖環(huán)部位發(fā)生DNA鏈斷裂。常用得專門用來對核苷酸作化學(xué)修飾,并打斷磷酸二酯鍵得化學(xué)試劑有硫酸二甲酯,甲酸和肼。
4組特異得反應(yīng)如下:(1)G反應(yīng)用硫酸二甲酯使鳥嘌呤上得N7原子甲基化,加熱引起甲基化鳥嘌呤脫落,多核苷酸鏈可在該處斷裂。(2)G+A反應(yīng)用甲酸使A和G嘌呤環(huán)上得N原子質(zhì)子化,從而使其糖苷鍵變得不穩(wěn)定,再用哌啶使鍵斷裂。(3)T+C反應(yīng)用肼使T和C得嘧啶環(huán)斷裂,再用哌啶除去堿基。(4)C反應(yīng)當(dāng)有鹽存在時,只有C與肼反應(yīng),并被哌啶除去。哌啶促使修飾堿基脫落,并使去掉堿基得磷酸二酯鍵斷裂。
DNA得化學(xué)測序示意圖Maxam-Gilbert化學(xué)降解測序法先用限制性內(nèi)切酶把DNA切成10—200bp得測序材料,用堿性磷酸化酶處理該片段,消除5′末端上得磷酸,在5′OH端標(biāo)記32P,用多核苷酸磷酸激酶催化,標(biāo)記片段變性為單鏈,化學(xué)試劑在特定堿基位置降解單鏈DNA,產(chǎn)生一組長度不等得DNA片段,
反應(yīng)試劑G反應(yīng):硫酸二甲酯G+A反應(yīng):甲酸T+C反應(yīng):肼C反應(yīng):NaCl+肼化學(xué)試劑在特定堿基位置降解單鏈DNA,產(chǎn)生一組長度不等得DNA片段,經(jīng)電泳和放射性自顯影后,從4個反應(yīng)系統(tǒng)統(tǒng)一閱讀,待測DNA得全部核苷酸序列就可直接讀出。Maxam-Gilbert化學(xué)降解測序法不需要進(jìn)行酶催化反應(yīng),因此不會產(chǎn)生由于酶催化反應(yīng)而帶來得誤差;對未經(jīng)克隆得DNA片段可以直接測序;化學(xué)降解測序法特別適用于測定含有如5-甲基腺嘌呤A或者G,C含量較高得DNA片段,以及短鏈得寡核苷酸片段得序列。測定得長度短(如裂解位點(diǎn)得統(tǒng)計學(xué)分布等等)Advantages:Disadvantages:Sanger得酶降解測序法(鏈終止法)這項技術(shù)得關(guān)鍵就是在DNA得聚合過程中依賴特殊反應(yīng)底物(2′3′—雙脫氧核苷三磷酸ddNTP)得特異性終止進(jìn)行DNA測序。
DNAreplication:biochemistryOCNpurineorpyrimidinePOOOHPOOOHPOOOHHOPOOOHOOCNpurineorpyrimidineOH5’3’2',3'ddNTP與普通dNTP不同之處在同她們在脫氧核糖得3'位置缺少一個羥基。她們可以在DNA聚合酶作用下通過其5'三磷酸基團(tuán)摻入到正在增長得DNA鏈中,但由于沒有3'羥基,她們不能同后續(xù)得dNTP形成磷酸二酯鏈,因此,正在增長得DNA鏈不可能繼續(xù)延伸。TheSangermethodrequiresMultiplecopiesofsinglestrandedtemplateDNAAsuitableprimer(asmallpieceofDNAthatcanpairwiththetemplateDNAtoactasastartingpointforreplication)DNApolymerase(anenzymethatcopiesDNA,addingnewnucleotidestothe3’endofthetemplateA‘pool’ofnormalnucleotidesAsmallproportionofdideoxynucleotideslabeledinsomeway(radioactivelyorwithfluorescentdyes)ThetemplateDNApiecesarereplicated,incorporatingnormalnucleotides,butoccasionallyandatrandomdideoxy(DD)nucleotidesaretakenup、ThisstopsreplicationonthatpieceofDNATheresultisamixofDNAlengths,eachendingwithaparticularlabeledDDnucleotide、Becausethedifferentlengths‘travel’atdifferentratesduringelectrophoresis,theirordercanbedetermined、酶法序列分析得原理
酶反應(yīng):DNA聚合酶(Klenow)電泳方向模板CCGGTAGCAACT3′5′GG5′3′標(biāo)記引物dATPdCTPdGTPdTTP+ddATPdATPdCTPdGTPdTTP+ddTTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddGTPdATPdCTPdGTPdTTP+ddCTPGGCCAGGCCATCGTTGAGGCGGCCGGCCATCGGCCATCGTTGGGCCATCGGGCCATGGCCATCGTGGCCATCGTTACGTAGTTGCTACC3′5′TCAACGATGG5′3′讀出模板互補(bǔ)序列讀出模板序列GGCCATCGTTGAGGCCATCGTGGCCATCGTTGGGCCATCGTTGGCCATCGGGCCATCGGCCAGGCCATGGCCGGCDNAtemplateisdenaturedtosinglestrands、DNAprimer(with3’endnearsequenceofinterest)isannealedtothetemplateDNAandextendedwithDNApolymerase、Fourreactionsaresetup,eachcontaining:DNAtemplatePrimerannealedtotemplateDNADNApolymerasedNTPS(dATP,dTTP,dCTP,anddGTP)Next,adifferentradio-labeleddideoxynucleotide(ddATP,ddTTP,ddCTP,orddGTP)isaddedtoeachofthefourreactiontubesat1/100ththeconcentrationofnormaldNTPs、ddNTPspossessa3’-Hinsteadof3’-OH,peteinthereactionwithnormaldNTPS,andproducenophosphodiesterbond、ManualDideoxyDNAsequencing-Howitworks:Whenevertheradio-labeledddNTPsareincorporatedinthechain,DNAsynthesisterminates、EachofthefourreactionmixturesproducesapopulationofDNAmoleculeswithDNAchainsterminatingatallpossiblepositions、Extensionproductsineachofthefourreactionmixutesalsoendwithadifferentradio-labeledddNTP(dependingonthebase)、Next,eachreactionmixtureiselectrophoresedinaseparatelane(4lanes)athighvoltageonapolyacrylamidegel、Electrophoresisat70°C(2h)、FixgelinHAc,drygel(1h)、Autoradiography(24-48h)、PatternofbandsineachofthefourlanesisvisualizedonX-rayfilm、Locationof“bands”ineachofthefourlanesindicatethesizeofthefragmentterminatingwitharespectiveradio-labeledddNTP、DNAsequenceisdeducedfromthepatternofbandsinthe4lanes、取代放射性同位素得方法地高辛,生物素:用地高辛,生物素代替發(fā)射性同位素示蹤測序反應(yīng)產(chǎn)物,最后用酶顯色反應(yīng)顯示出測序結(jié)果、銀染方法:把生成DNA分子核苷酸堿基順序得方法與一種超敏感得銀染方法相結(jié)合。這一新得技術(shù)組合使電泳分離得序列片段不依賴于儀器就直接可見。這種無放射性得系統(tǒng)包括通過用酶促雙氧鏈終止反應(yīng)形成一系列DNA序列片段,凝膠電泳分離這些片段,并把凝膠浸入超敏感得銀染溶液中,觀察引物延伸產(chǎn)物得銀染條帶,從而確定DNA分子得序列。熒光標(biāo)記物ddGTPddATPddTTPddCTP引物標(biāo)記法測序(DyePrimer)一個樣本,4個反應(yīng)。4個反應(yīng)中引物序列相同,但分別標(biāo)記有不同顏色得熒光。+AmpliTaqFSenzymedCTP,dATP,dGTP,dTTPddATP(terminator)+AmpliTaqFSenzymedCTP,dATP,dGTP,dTTPddCTP+AmpliTaqFSenzymedCTP,dATP,dGTP,dTTPddGTP+AmpliTaqFSenzymedCTP,dATP,dGTP,dTTPddTTP反應(yīng)結(jié)束后,將4管反應(yīng)液混合,經(jīng)乙醇沉淀后上樣Advantagesofprimer-labels:cleanerDisadvantages:expensivetomanufacturefourreactionslimitedtocertainregions,customoligosorlimitedtoclonedinsertsbehind‘universal’primingsites、Solution:fluorescentdyeterminators(upgrade,seconditeration)終止法測序(DyeTerminator)一個樣本,1個反應(yīng)。反應(yīng)中包含分別帶4色熒光標(biāo)記得ddNTP(終止子)unlabeledprimertemplateDNA+AmpliTaqFSdATP,dCTP,dGTP,dTTPddCTPddATPddGTPddTTP測序反應(yīng)結(jié)束后,采用乙醇沉淀法進(jìn)行純化,除去過量得ddNTP后上樣。DideoxyDNAsequencingwastimeconsuming,radioactive,andthroughputwaslow,typically~300bpperrun、AutomatedDNAsequencingemploysthesamegeneralprocedure,butusesddNTPslabeledwithfluorescentdyes、bine4dyesinonereactiontubeandelectrophoresinonelaneonapolyacrylamidegelorcapillarycontainingpolyacrylamide、UVlaserdetectsdyesandreadsthesequence、Sequencedataisdisplayedascoloredpeaks(chromatograms)thatcorrespondtothepositionofeachnucleotideinthesequence、Throughputishigh,upto1,200bpperreactionand96reactionsevery3hourswithcapillarysequencers、MostautomatedDNAsequencerscanloadroboticallyandoperatearoundtheclockforweekswithminimallabor、AutomatedDye-TerminatorDNASequencing:Advantagesofprimer-Terminator:--performedinasingletubeandtheresultingfragmentstobeloadedinasinglewell,resultingingreatersamplecapacityper“l(fā)ane”、Disadvantages:
--lesscleanerAmountoffluorescentDNAproducedislowandthusalargeamountoftemplateisrequiredtoproducegoodfluorescentsignals、Solution:CyclesequencingCyclesequencingSequenase(T7)polymerasehasbeenawidelyusedenzymeforDNAsequencingwithradioactivenucleotidesbecauseofitshighprocessivityandlowerrorrate、HoweverusingthistypeofenzymeforfluorescentDNAsequencingisnotoptimalbecausetheamountoffluorescentDNAproducedislowandthusalargeamountoftemplateisrequiredtoproducegoodfluorescentsignals、TheenzymecurrentlyingeneraluseforautomatedfluorescentDNAsequencingisavariantofTaqDNApolymerase、ThethermostabilityofTaqpolymeraseallowsthesequencingreactionstobecarriedoutlikePCRreactions,andthereactionsarecalled"cyclesequencing"reactions、TheadvantageofusingthethermostableTaqpolymeraseovertheuseofSequenaseisthatmultipleroundsofsequencingcanbeperformedwithouttheneedtoaddfreshenzyme、PolymeraseChainReaction95°C50-65°C72°C95°C50-65°C72°C95°C50-65°C72°CCyclesequencingreactionsareanalogoustoPCRsexceptonlyasingleprimerisusedandonlysinglestrandedproductsaregenerated、CycleSequencing95°C50-65°C72°C95°C50-65°C72°C95°C50-65°C72°CCyclesequencingThisallowstheuseofmuchlesstemplateDNA,Modifications(pointmutationsaffectingaminoacidresiduesinorneartheactivesite)totheTaqDNApolymerasehaveenabledittoincorporatethefluorescentdye-labeledterminatorsmoreevenlyandefficiently,resultinginveryevenpeakheightsoverasequenceread、AttemptshavebeenmadetodeveloppolymeraseswhichhavesomeoftheadvantageouspropertiesofSequenasebutarethermostablelikeTaq、Cyclesequencing測序技術(shù)進(jìn)展
同位素標(biāo)記到熒光標(biāo)記,平板電泳到毛細(xì)管電泳
多色熒光標(biāo)記毛細(xì)管電泳單色熒光標(biāo)記平板電泳同位素標(biāo)記平板電泳ACGTACGT測序圖譜TATTGCATTGTCTGCATTGTCTDNA自動測序采用熒光替代放射性核素標(biāo)記就是實(shí)現(xiàn)DNA序列分析自動化得基礎(chǔ)。用不同熒光分子標(biāo)記四種雙脫氧核苷酸,然后進(jìn)行Sanger測序反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)電泳(平板電泳或毛細(xì)管電泳)分離后,通過四種激光激發(fā)不同大小DNA片段上得熒光分子使之發(fā)射出四種不同波長熒光,檢測器采集熒光信號,并依此確定DNA堿基得排列順序。
DNA得測序儀示意圖puteranalysis凝膠中DNA移動方向樣品槽激光器輸入光學(xué)系統(tǒng)成象透鏡聚焦透鏡高靈敏度相機(jī)旋光鏡/棱鏡組件DNA序列分析自動化:用熒光劑標(biāo)記DNA引物或ddNTP,帶有這種熒光劑標(biāo)記得DNA片段能在激光誘導(dǎo)下發(fā)出熒光。按照標(biāo)準(zhǔn)得雙脫氧終止法或化學(xué)終止法進(jìn)行測序反應(yīng),跑DNA凝膠后用計算機(jī)檢測。CapillaryelectrophoresisAdvantagescapillaryLongerreadsMorere
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