CDNA
互补DNA (Complementary DNA, cDNA) 是指在体外经过 逆转录酶 (Reverse Transcriptase) 的催化作用，以单链 RNA（通常为 mRNA）为模板合成的互补双链 DNA。与天然的 基因组DNA (gDNA) 不同，cDNA 不包含 内含子 (Introns) 和非编码调控序列（如启动子），仅由 外显子 (Exons) 拼接而成。这一特性使得真核生物的基因能够被导入原核生物（如大肠杆菌）中进行表达，因为原核生物缺乏剪接内含子的机制。cDNA 是 RT-qPCR、RNA-Seq 建库以及基因克隆技术的核心物质基础。
合成原理：中心法则的逆流
cDNA 的合成是模拟逆转录病毒（如 HIV）复制过程的体外反应，主要包括以下步骤：
- 第一链合成 (First-strand Synthesis)： 以 mRNA 为模板。利用引物（如结合 mRNA 3'端 Poly(A) 尾的 Oligo(dT) 或随机六聚体）与模板退火。逆转录酶（如 M-MLV）从 5' 到 3' 方向延伸，合成一条与 mRNA 互补的 DNA 链，形成 RNA-DNA杂交链。
- RNA 降解： 利用 RNase H 活性特异性水解杂交链中的 RNA 模板，或通过碱处理降解 RNA。
- 第二链合成 (Second-strand Synthesis)： 以第一链 cDNA 为模板，利用 DNA 聚合酶 I 和残留的 RNA 片段（作为引物）或外源引物，合成互补的第二条 DNA 链，最终形成双链 cDNA。
对比分析：cDNA vs. 基因组 DNA
| 比较维度 | 基因组 DNA (gDNA) | 互补 DNA (cDNA) |
|---|---|---|
| 组成成分 | 包含内含子、外显子、启动子、增强子及非编码间隔区。 | 仅包含外显子（编码区 CDS + UTR），无调控序列。 |
| 来源 | 直接提取自细胞核，代表生物体的遗传蓝图。 | 由 mRNA 逆转录而来，反映特定时空的基因表达状态。 |
| 表达应用 | 真核基因若含内含子，无法直接在原核系统（细菌）中表达。 | 可直接构建到表达载体中，利用细菌生产重组蛋白（如胰岛素）。 |
应用领域：连接 RNA 与 DNA 的桥梁
cDNA 的发明彻底改变了分子生物学，使 RNA 的分析变得稳定且可操作：
- 基因表达定量： RT-qPCR 是检测 mRNA 水平的金标准，用于验证基因敲除效率或筛选药物靶点。
- cDNA 文库构建： 将某组织的所有 mRNA 转化为 cDNA 并插入载体，形成代表该组织转录组信息的 cDNA文库，用于筛选目的基因。
- 转录组测序 (RNA-Seq)： 现代 NGS 测序仪无法直接测序 RNA，必须先构建 cDNA 文库，再进行高通量测序以分析差异表达基因。
- 表达序列标签 (EST)： 通过对 cDNA 文库进行单次测序获得的短序列，用于快速鉴定基因转录本。
关键相关概念
学术参考文献与权威点评 [Academic Review]
[1] Baltimore D. (1970). RNA-dependent DNA polymerase in virions of RNA tumour viruses. Nature. 226(5252):1209-1211.
[权威点评]：诺贝尔奖级发现，David Baltimore 独立发现了逆转录酶，打破了中心法则“DNA到RNA”的单向流动定论，为 cDNA 技术奠定了理论基础。
[2] Temin HM, Mizutani S. (1970). RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous sarcoma virus. Nature. 226(5252):1211-1213.
[学术点评]：与 Baltimore 同期发表的里程碑论文，证实了 RNA 肿瘤病毒中存在逆转录酶，开启了反转录病毒学及 cDNA 克隆时代。
[3] Okayama H, Berg P. (1982). High-efficiency cloning of full-length cDNA. Molecular and Cellular Biology. 2(2):161-170.
[学术点评]：开发了经典的 Okayama-Berg 载体系统，极大地提高了全长 cDNA 的克隆效率，使建立高质量 cDNA 文库成为可能。