核酸惊心动魄的百年史 | 核酸提取专题

先前小师妹收到了大师兄送的《核酸提取手册》，引得众人连连艳羡，近期，小师妹又开始了第二轮学习，并对其中内容作出了梳理。

既然是《核酸提取手册》，那究竟什么是“核酸”

核苷酸单体聚合而成的生物大分子，是生物细胞最基本和最重要的成分。生物进化即始于核酸，因为在所有生命物质中只有核酸能够实现自我复制。因此核酸是生物遗传信息的贮藏所和传递者。

与物理学、化学、数学等已经发展几百年的成熟学科相比，生物化学、基础医学、分子生物学等学科只能算是刚刚起步。如今分子生物学研究已经迈入了高通量单细胞水平，但是这其中的基础依然离不开对核酸的研究。作为一个最基础的化学遗传物质，核酸在不到200年的时间里，成为所有生化分子研究中都绕不开的重要角色。其求真去伪的过程也是充满着争议与惊心动魄的旅程。无数科学家前赴后继探寻真理，为科学献身，奉献了一段段可歌可泣的故事。

1869年一位名叫米歇尔（F. Miescher）)的瑞士外科医生从许多病人身上丢弃的纱布上发现了大量的脓液，这些脓液因为病人并发的炎症反应产生了大量的白细胞。当研究工作接近尾声时，米歇尔突然萌发了一个新的想法——观察细胞核中的情况。当时人们已经知道了蛋白质，米歇尔大概也认为细胞核是由蛋白质组成的，他选择了用胃蛋白酶处理细胞核。可是，当他完成一系列以蛋白质为对象的操作后，发现细胞核内的物质虽然有所减少，但大部分却完整地保存下来了。这一结果令米歇尔非常惊奇。显然，剩下的核物质不是蛋白质，他将其称为“核质”。后来，米歇尔及其他研究者又陆续在马、蛇、酵母菌等生物的细胞核中发现了相同的物质，并最终确定这是不同于糖类、脂质、蛋白质的又一类生物分子。1900年，米歇尔的发现被公众接受，这种化合物被定名为核酸（Nucleic Acids）。当然核酸的定义来自于阿尔特曼(R. Altmann)1889年的研究，他发现核素pH值呈酸性后将其正式命名为为核酸。

1944年美国洛克菲勒医学研究所Avery、MacLeod、McCarty发表了划时代研究。在这篇论文中首次证明了核酸是携带遗传信息的物质。值得注意的是，在这项研究中北京协和医院刘思职、吴宪和谢和平在1938年发表的论文贡献巨大，这说明中国早期科学家们对于世界生物化学研究的推动贡献巨大。

1950年，美国的生物化学家查尔加夫（Chargaff）用纸层析法分析了脱氧核糖核酸的组成成分，发现了DNA分子中碱基组成的规则，即A=T、G=C、A+G=T+C。这个发现被称为查尔加夫规则（Chargaff's rule）。这一发现推翻了以往莱文曾提出的四种核苷酸是完全一样的重复多聚体的观点，对以后确定DNA的双螺旋结构和碱基配对原则提供了十分重要的论据。1951年,英国女科学家弗兰克林从自己拍摄的X射线衍射照片上发现了DNA的螺旋结构后担心自己的发现是否真实存在，又公开否认了自己的发现。于是1953年美国生化学家沃森（Watson）与英国生化学家克里克（Crick）合作，根据弗兰克林先前研究基础上，提出了脱氧核糖核酸的双螺旋结构模型并因此获得了1962诺贝尔奖。

被人调侃学术生涯一旦出现失败就要回家继承亿万家产的英国生化学家桑格（Sanger）因测定胰岛素结构荣获1958年诺贝尔化学奖。但是随后他并没有停下脚步，继续优化并发展出一种称之为链终止法（chain termination method）的技术来测定DNA序列，这种方法也称做“双去氧终止法”（Dideoxy termination method）或是“桑格法”，并在1980年获得诺贝尔化学奖。

时间迈入了20世纪80年代后，核酸研究又进入了另一个瓶颈——如何快速扩增DNA。1983年，一个正在嗑药飙车的Cetus公司无节操职员穆利斯（Mullis）突然迸发出了要做出一个扩增DNA技术的疯狂想法。这项工作基础是在华人科学家钱嘉韵博士分离热稳定性酶即Taq聚合酶的基础上进行的。于是想法在1984年初见雏形，一段49bp的DNA片段经过10次循环后成功被扩增出大量的DNA，聚合酶链式反应（PCR）技术横空出世。1985年Science杂志上发表了第一篇PCR的学术论文。1986年穆利斯在冷泉港实验室做专题报告，全世界从此开始学习PCR的方法，而穆利斯也因此获得了1993年诺贝尔化学奖。伴随着PCR技术发明而诞生的人类基因组计划HGP也在随后呼之欲出。2001年，由诺奖得主沃森领衔的多国团队与另一支由文特尔（Venter）领衔的独立团队分别在Nature和Science发布了人类基因组信息。

后来测序仪由低通量迈入了高通量时代，位于美国圣迭戈的传统基因芯片厂商illumina因为收购英国的Solexa公司后一跃成为全球最成功的高通量测序仪制造商之一。其他公司如罗氏、Life Technology也分别推出过诸如454平台、Ion Torrent等测序平台。目前，作为国货之光的华大智造，在收购美国Complete Genomics后，通过对其技术进行深度消化后，创新性地推出基于滚环复制技术DNB-seq的MGI-2000和T7测序仪，获得了市场上的热烈好评。再后来Pacbio以及Nanopore平台开始在三代测序领域崭露头角。10X Genomics、BD等公司更是将核酸研究推进到了单细胞水平。

关于核酸的研究以一种不可思议的脚步随着测序技术的进步再被不断刷新不断被重新定义。所以核酸本身至关重要不仅仅是因为是由于四个碱基组成的遗传密码，同样这些遗传密码是分析基因结构、功能及其相互关系的基础，也是临床疾病分子诊断最精确的判定依据。基因测序技术正是解读这些生命密码的基本手段。这些遗传信息是以密码的形式储存，并通过减速分裂和复制遗传给后代；经过转录和翻译后形成各种不同的蛋白质

无论是DNA还是RNA，研究这些遗传物质需要用到各种技术，如常规的PCR、高通量测序以及当下最火的单细胞转录组测序。而DNA的完整性、RNA降解程度、核酸的纯度和浓度等都对基因测序中数据产出与质量产生很多影响。因此分子生物学实验面临的首要问题就是如何快速和高效地从各种类型的样本中提取高质量的核酸。

写在结尾

联川生物历经十四载，根据大量的项目经验中已经沉淀的样本处理经验，凝练而成了《核酸提取手册》，从样本准备到质控，涵盖全方面内容，还有独家典型案例分享。

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小师妹看过后都直呼精彩叫绝的干货，敬请期待！

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