科普 | 怎样对一个人的基因组进行测序？

 

前言

前面写的都是技术性的文章，这一次咱们来一小段科普放松下。这个TED的科普视频形象地告诉大家科学家们是如何对基因组进行测序的。

正文

(这个科普视频来自：TED-Ed，以下内容有删改)

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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