DNA 序列分析到底在算什么?
DNA 是由四个字母组成的链,却有两个令人头疼的性质:两条链方向相反,且信息只能按三个字母一组读出。本页几乎每个面板都是为了处理这两个事实之一而存在的 — 链的方向(反向互补、转录)或三联体密码(翻译、阅读框)。其余面板测量的是由字母本身决定的物理性质(GC 含量、解链温度、分子量)。
记住这个数:遗传密码有 64 个密码子(4×4×4),却只编码 20 种氨基酸加终止信号 — 密码是简并的,多个不同密码子(如 CTT、CTC、CTA、CTG 都读作亮氨酸)拼出同一种残基。正是这种冗余,让同义突变可以改变序列却不改变蛋白质。
反向互补:读取另一条链
DNA 的两条链反向平行,且 A 与 T 配对、C 与 G 配对。如果你的序列在上链,那么一切发生在下链的东西(基因、引物结合位点、限制位点)都以反向互补的形式出现:把字符串首尾翻转,再把每个碱基换成它的搭档。例如:5′→3′ 序列 ATGCGT 的反向互补是 ACGCAT — 而对该操作执行两次总会回到原序列。
转录与翻译
转录把基因拷贝成 RNA,把胸腺嘧啶换成尿嘧啶。翻译随后以三个碱基组成的密码子读取 RNA(或 DNA 编码链):ATG 启动蛋白质(甲硫氨酸),TAA/TAG/TGA 终止它。由于阅读框可以在任一条链的位置 1、2 或 3 开始,任何双链 DNA 都有六种可能的阅读框 — 通常只有一个编码真正长长的 ORF(开放阅读框)。翻译面板把六个全都显示出来,真正的基因会以一个从起始密码子到终止密码子干净延展的阅读框显现自己。由于聚合酶读取的是模板链,mRNA 最终与编码链一致,只是 U 代替了 T。
GC 含量、Tm 与分子量
GC 碱基对共享三条氢键,而 AT 只有两条,所以富含 GC 的 DNA 更稳定:解链温度更高(Tm 越大)、折叠更紧,而在整个基因组中,其占比是物种特征 — 细菌中大致介于 25% 到 75% 之间。分子量把每个核苷酸的质量求和(单链 DNA 平均约 330 Da,双链则加倍)。密码子使用面板统计一个基因偏好哪些同义密码子 — 强烈偏好的使用模式可以暴露高表达基因。
常见误解
- “反向互补就是互补。”只做互补得到的是 3′→5′ 链;只有随后再反转,才能恢复聚合酶和教科书使用的常规 5′→3′ 方向。
- “出现终止密码子就等于基因结束。”在随机阅读框中,终止密码子平均每约 21 个密码子就碰巧出现一次;判断真正的 ORF 要看长度和合适的起始,而不是任何单个终止子。
- “GC 含量只是一个百分比。”它还预测退火行为:PCR 引物设计、探针设计与杂交严谨性都依赖它(参见引物设计器)。
相关工具:引物设计器(Tm、二聚体、引物对检查)、限制性内切酶(同一条序列上的切点位置)、生化计算器(由这些分子量结果计算质量、摩尔浓度与拷贝数)。