反应混合物中包括DNA(反向)、脱氧核苷酸(dNTP)、双脱氧核苷酸(ddNTP,通常用不同的荧光染料标记)和热稳定性DNA聚合酶。首先,测序引物与 PCR 产物杂交,并在 PCR 过程中由 DNA 聚合酶延伸。 ddNTP 在延伸过程中被整合到 DNA 链中,从而终止序列上任何位置的链延伸。随后的毛细管电泳根据大小分离 DNA 链,并使用每种荧光染料识别终止的核苷酸。它被认为是突变分析的标准方法,可以确定整个序列并识别未知突变。肿瘤样本中低频率(< 10%)的突变无法使用桑格测序来确定。
图 12. Sanger 法。A) 双脱氧核苷酸 (ddNTP) 的结构与脱氧核苷酸 (dNTP) 相似,只是缺少 3'OH 基团。B) 当荧光标记的 ddNTP 被掺入 DNA 链时,合成会停止。在包含不同 ddNTP 的反应中,DNA 片段合成可以在不同点终止。然后根据大小分离合成产物,并使用荧光标记来确定序列中添加核苷酸的顺序。基因组很大 - 通常有数百万个碱基对 - 因此无法在一个步骤中端到端测序。要对基因组进行测序,必须首先将其 DNA 分解成较小的片段,并对每个片段进行单独测序。特定 DNA 片段的既定碱基顺序称为“序列读取”。然后利用计算工具组装各种片段并推断出起始基因组的序列。这个过程在历史上被称为“散弹枪测序”。人类基因组计划 (HGP) 是全基因组 DNA 测序的首次重大尝试,由美国国立卫生研究院牵头。HGP 于 2003 年完成,利用桑格测序法对来自多个个体的 DNA 的基因组克隆进行测序,以生成人类基因组的代表性序列。
Sanger 测序或链终止或双脱氧方法基于 DNA 聚合酶的两个特性:聚合酶合成单链 DNA 模板的精确正确的互补拷贝,并且它们可以使用 2',3'- 双脱氧核苷酸三磷酸 (ddNTP) 作为底物。双脱氧核苷酸的 3' 端缺少羟基并且只有氢,因此一旦该核苷酸在生长点被掺入链中,链的延长就会停止在 ddNTP 处并且不再充当链延长的底物。在实践中,使用 DNA 聚合酶 I 的 Klenow 片段,因为它不具有 5'- 3' 外切酶活性,这是完整酶的特性。所有 DNA 合成都需要引物,因此化学合成的寡核苷酸被用作引物,该引物退火到靠近需要测序的序列的位置。 (克列诺片段是大肠杆菌的DNA聚合酶I被蛋白酶枯草杆菌蛋白酶酶切时产生的一个大的蛋白质片段,它保留了5'→3'聚合酶活性和3'→5'外切酶活性,用于去除预编码核苷酸并进行校对,但失去了5'→3'外切酶活性,即引物去除活性)。