从一代测序到三代测序，我们如何读懂“生命的说明书”？——揭开DNA测序的奥秘

 

来源公众号：SyntheticBiology　作者：CSU-CHINA 

我们每个人的生命都有一本体量庞大的“说明书”，它用A、C、T、G四个碱基写下了关于你的一切：你眼睛的颜色、你的血型、甚至是得某种病的概率。这本说明书，就是你的DNA。接下来，我们一起看看这将近五十年的历程中，人类是如何一步步读懂这本生命说明书的：

01　“逐字抄写”的一代测序

1977年，一位叫弗雷德·桑格的科学家，在花费了几年时间后，终于读完了第一个完整的基因组——它含有5373个碱基，来自一种叫phiX174的病毒。自此，人类打开了基因测序的大门。

桑格发明的双脱氧链终止法（后文称Sanger测序），是基因测序的开山鼻祖。我们可以把它想象成手工抄书：我们要想抄写一段DNA序列，首先需要准备好这本书的“复印底稿”（DNA序列），四种正常的“文字笔”（A/T/C/G四种碱基），再加入四种特殊的“终止笔”——每一种对应一个碱基，一旦用它写字，这句话就没法再往下写了。

把这些材料混合后，会生成一堆长短不一、结尾各有不同碱基的DNA片段：比如结尾是A的片段、结尾是T的片段……通过凝胶电泳把这些片段按长短分开，最后用仪器读取每个片段末端的标记，就能拼出完整的DNA序列了。

（图1：Sanger测序原理图）

Sanger测序这一方法操作简单，准确率极高，因此，它至今仍是验证小片段基因的黄金标准。

02　“批量印刷”的二代测序

正如“手抄书”一般，一代测序具有高成本、低效率的缺点，这严重影响了其真正大规模的应用。在一代测序的基础上，经过不断的技术开发和改进，以Roche公司的454技术、illumina公司的Hiseq技术和ABI公司的Solid技术为标记的第二代测序技术诞生了。

我们可以把二代测序比作“活字印刷术”：先把整本“生命说明书”撕成数以万计的小碎片，再为每个碎片编号，然后同时给所有碎片测序，也就是同时印刷这些碎片，最后用计算机把这些碎片按编号拼凑出完整的书。

（图2：illumina测序技术原理图）

第二代测序技术大大降低了测序成本的同时，还大幅提高了测序速度，并且保持了高准确性，以前完成一个人类基因组的测序需要3年时间，而使用二代测序技术则仅仅需要1周。

03　“高清扫描”的三代测序

二代测序为了测序效率把DNA打成了很小的碎片，这也就意味着它的读长特别低，也就是一次印刷的文字特别少。而三代测序（也叫长读长测序）就有效地解决了这一痛点：它就像一台高清扫描仪直接扫描完整本书，直接读取长达几万甚至几十万个碱基的完整DNA片段。

三代测序主要分为两个主流阵营：

一是单分子荧光测序，我们把DNA聚合酶固定在一个小孔底部，让它一边复制DNA，一边用激光实时拍摄—-每加入一个碱基，就会发出不同颜色的光。最后通过荧光颜色，就能拼凑出DNA的碱基顺序了。

另一个阵营是纳米孔测序，我们在一个薄膜上打一个极其微小的“纳米孔”，让DNA链像穿针一样穿过这个孔。不同的碱基通过时，会引起不同的电流变化，电脑根据电流波形，就能实时判断出通过的碱基是A、T、C还是G。值得一提的是，中国农业科学院深圳农业基因组研究所2025年发布的EasyAmplicon 2.0工具已经能够实现双核处理器环境下2小时完成2万条读长，这是一项十分惊人的技术突破。

（图3：三代测序技术原理图）

04　1977-2026，四十九年的测序之旅

（图4：三代测序技术比较分析）

从桑格用几年时间读完5000多个碱基，到今天一个人花几百美元、两天就能拿到自己的全基因组数据——基因测序的发展速度，比电子设备的更新换代还要夸张。

而每一次测序技术的更迭，都可能代表着我们能更快、更好地帮助患者找到病因；更及时地锁定新型病毒；更精准地设计个性化诊疗方案……

DNA测序，不仅仅是简单读懂A、T、C、G的排列顺序，更是让我们寻找到生命的答案。

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