تسلسل الحمض النووي: التعريف والطرق والأمثلة

النيوكليوتيدات هي اللبنات الكيميائية الأساسية للحياة وتوجد في الحمض النووي للكائنات الحية. يتكون كل نوكليوتيد من السكر, فوسفات و أ قاعدة تحتوي على النيتروجين: الأدينين (A) ، الثايمين (T) ، السيتوزين (C) والجوانين (G). يحدد الترتيب المحدد لقواعد النوكليوتيدات البروتينات والإنزيمات والجزيئات التي سيتم تصنيعها بواسطة الخلية.

يعد تحديد ترتيب أو تسلسل النيوكليوتيدات أمرًا مهمًا لدراسة الطفرات، التطور ، تطور المرض ، الاختبارات الجينية ، الطب الشرعي ، الطب.

علم الجينوم هي دراسة الحمض النووي والجينات والتفاعلات الجينية والتأثيرات البيئية على الجينات. يكمن السر في كشف الأعمال الداخلية المعقدة للجينات في القدرة على تحديد هيكلها وموقعها على الكروموسومات.

يتم تحديد مخطط الكائنات الحية بترتيب (أو تسلسل) أزواج قاعدة الحمض النووي في الحمض النووي. عندما يتكاثر الحمض النووي ، يتزاوج الأدينين مع الثايمين ، والسيتوزين مع الجوانين ؛ تعتبر الأزواج غير المتطابقة الطفرات.

منذ الحلزون المزدوج حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين تم تصور جزيء (DNA) في عام 1953 ، وتم إجراء تحسينات كبيرة في مجال علم الجينوم وتسلسل الحمض النووي على نطاق واسع. يعمل العلماء بجد لتطبيق هذه المعرفة الجديدة على العلاج الفردي للأمراض.

في الوقت نفسه ، تسمح المناقشات المستمرة للباحثين بالبقاء في طليعة الآثار الأخلاقية لمثل هذه التقنيات سريعة الانفجار.

تسلسل الحمض النووي هو عملية اكتشاف تسلسل قواعد النيوكليوتيدات المختلفة في قصاصات الحمض النووي. يسمح التسلسل الجيني الكامل بإجراء مقارنات بين الكروموسومات والجينومات الموجودة في الأنواع نفسها والمختلفة.

يعد تخطيط الكروموسومات مفيدًا للبحث العلمي. تحليل آليات وهيكل الجيناتتقترح الأليلات والطفرات الصبغية في جزيئات الحمض النووي طرقًا جديدة لعلاج الاضطرابات الوراثية ووقف نمو الورم السرطاني ، على سبيل المثال.

طرق تسلسل الحمض النووي لفريدريك سانجر تقدمت بشكل كبير في مجال علم الجينوم ابتداء من السبعينيات. شعر سانجر بالاستعداد لمعالجة تسلسل الحمض النووي بعد نجاح تسلسل الحمض النووي الريبي عند دراسة الأنسولين. لم يكن سانجر أول عالم يشتغل في تسلسل الحمض النووي. ومع ذلك ، فإن طريقته الذكية في تسلسل الحمض النووي - التي تم تطويرها جنبًا إلى جنب مع زملائه بيرج وجيلبرت - حصلت على جائزة نوبل في عام 1980.

عرف سانجر القيمة المحتملة لعمله وغالبًا ما تعاون مع علماء آخرين شاركوه اهتماماته في الحمض النووي ، البيولوجيا الجزيئية وعلوم الحياة.

على الرغم من كونها بطيئة ومكلفة مقارنة بتقنيات التسلسل الحالية ، إلا أن أساليب تسلسل الحمض النووي الخاصة بسانجر لاقت استحسانًا في ذلك الوقت. بعد التجربة والخطأ ، وجد سانجر "الوصفة" البيوكيميائية السرية لفصل خيوط الحمض النووي ، وخلق المزيد من الحمض النووي وتحديد ترتيب النيوكليوتيدات في الجينوم.

يمكن شراء المواد عالية الجودة بسهولة لاستخدامها في الدراسات المختبرية:

• بوليميريز الحمض النووي هو الإنزيم اللازم لصنع الحمض النووي.
• التمهيدي الحمض النووي يخبر الإنزيم من أين يبدأ العمل على حبلا الحمض النووي.
• dNTPs هي جزيئات عضوية مكونة من سكر ديوكسيريبوز ونيوكليوزيد ثلاثي الفوسفات - dATP ، dGTP ، dCTP و dTTP - التي تجمع البروتينات
• سلسلة إنهاء هي نيوكليوتيدات صبغية ، وتسمى أيضًا نيوكليوتيدات إنهاء لكل قاعدة - A و T و C و G.

اكتشف سانجر كيفية تقطيع الحمض النووي إلى أجزاء صغيرة باستخدام إنزيم بوليميراز الحمض النووي.

ثم صنع المزيد من الحمض النووي من قالب وأدخل مقتفيات مشعة في الحمض النووي الجديد لتحديد أقسام الخيوط المنفصلة. لقد أدرك أيضًا أن الإنزيم يحتاج إلى مادة أولية يمكن أن ترتبط بنقطة معينة على خيط القالب. في عام 1981 ، صنع سانجر التاريخ مرة أخرى من خلال اكتشاف جينوم الحمض النووي للميتوكوندريا البالغ 16000 زوجًا أساسيًا.

يجب ضبط درجة الحرارة بعناية طوال عملية التسلسل. أولاً ، يتم إضافة المواد الكيميائية إلى الأنبوب وتسخينها لتفكيك (تفسد) الطبقة المزدوجة التي تقطعت بها السبل جزيء الحمض النووي. ثم يتم تبريد درجة الحرارة ، مما يسمح للبرايمر بالترابط.

بعد ذلك ، يتم رفع درجة الحرارة لتشجيع النشاط الأمثل لبوليميراز الحمض النووي (إنزيم).

يستخدم البوليميراز عادةً النيوكليوتيدات العادية المتاحة ، والتي تتم إضافتها بتركيز أعلى. عندما يصل البوليميراز إلى نيوكليوتيد مرتبط بصبغة "إنهاء السلسلة" ، يتوقف البوليميراز ، و تنتهي السلسلة هناك ، وهو ما يفسر سبب تسمية النيوكليوتيدات المصبوغة بـ "إنهاء السلسلة" أو "إنهاء".

تستمر العملية عدة مرات. في النهاية ، تم وضع النيوكليوتيدات المرتبطة بالصبغة في كل موضع فردي من تسلسل الحمض النووي. يمكن لبرامج الكمبيوتر والرحلان الكهربائي الهلامي تحديد ألوان الصبغة على كل من خيوط الحمض النووي و اكتشف التسلسل الكامل للحمض النووي بناءً على الصبغة وموضع الصبغة وطول خيوط.

تسلسل عالي الإنتاجية - يشار إليها عمومًا باسم تسلسل الجيل القادم - يستخدم التطورات والتقنيات الجديدة لتسلسل قواعد النوكليوتيدات بشكل أسرع وأرخص من أي وقت مضى. يمكن لآلة تسلسل الحمض النووي أن تتعامل بسهولة مع امتدادات واسعة النطاق من الحمض النووي. في الواقع ، يمكن عمل الجينومات بأكملها في غضون ساعات ، بدلاً من سنوات باستخدام تقنيات التسلسل الخاصة بـ Sanger.

يمكن لطرق التسلسل من الجيل التالي التعامل مع تحليل الحمض النووي بكميات كبيرة دون الخطوة الإضافية للتضخيم أو الاستنساخ للحصول على ما يكفي من الحمض النووي للتسلسل. تقوم آلات تسلسل الحمض النووي بتشغيل تفاعلات تسلسلية متعددة في وقت واحد ، وهو أرخص وأسرع.

بشكل أساسي ، تعمل تقنية تسلسل الحمض النووي الجديدة على تشغيل مئات من تفاعلات Sanger على رقاقة صغيرة يسهل قراءتها والتي يتم تشغيلها بعد ذلك من خلال برنامج كمبيوتر يقوم بتجميع التسلسل.

تقرأ التقنية شظايا حمض نووي أقصر ، لكنها لا تزال أسرع وأكثر كفاءة من طرق التسلسل التي تتبعها سانجر ، لذلك حتى المشاريع الكبيرة يمكن إتمامها بسرعة.

ال مشروع الشفرة الوراثية البشرية، التي اكتملت في عام 2003 ، هي واحدة من أشهر دراسات التسلسل التي تم إجراؤها حتى الآن. وفقًا لمقال عام 2018 في أخبار العلوم، الجينوم البشري يتكون من تقريبا 46831 جينًا، والذي كان تحديًا هائلاً للتسلسل. قضى كبار العلماء من جميع أنحاء العالم ما يقرب من 10 سنوات في التعاون والاستشارات. بقيادة أبحاث الجينوم البشري الوطنية

المعهد ، نجح المشروع في رسم خريطة الجينوم البشري باستخدام عينة مركبة مأخوذة من متبرعين مجهولين بالدم.

اعتمد مشروع الجينوم البشري على طرق تسلسل الكروموسوم الاصطناعي البكتيري (المستندة إلى BAC) لرسم أزواج القاعدة. تستخدم هذه التقنية البكتيريا لاستنساخ شظايا الحمض النووي ، مما ينتج عنه كميات كبيرة من الحمض النووي للتسلسل. ثم تم تقليص حجم الحيوانات المستنسخة ، ووضعها في آلة تسلسل وتجميعها في امتدادات تمثل الحمض النووي البشري.

تعمل الاكتشافات الجديدة في علم الجينوم على تغيير نهج الوقاية من الأمراض واكتشافها وعلاجها بشكل عميق. خصصت الحكومة مليارات الدولارات لأبحاث الحمض النووي. يعتمد تطبيق القانون على تحليل الحمض النووي لحل القضايا. يمكن شراء مجموعات اختبار الحمض النووي للاستخدام المنزلي للبحث عن النسب وتحديد المتغيرات الجينية التي قد تشكل مخاطر صحية:

• التحليل الجينومي يستلزم مقارنة ومقارنة تسلسل الجينوم للعديد من الأنواع المختلفة في مجالات وممالك الحياة. يمكن أن يكشف تسلسل الحمض النووي عن الأنماط الجينية التي تلقي ضوءًا جديدًا على وقت إدخال تسلسلات معينة تطوريًا. يمكن تتبع النسب والهجرة من خلال تحليل الحمض النووي ومقارنتها بالسجلات التاريخية.

• التقدم في الطب تحدث بمعدل أسي لأن كل مرض بشري تقريبًا له مكون وراثي. يساعد تسلسل الحمض النووي العلماء والأطباء على فهم كيفية تفاعل جينات متعددة مع بعضها البعض ومع البيئة. يمكن أن يساعد التسلسل السريع للحمض النووي لميكروب جديد يسبب تفشي المرض في تحديد الأدوية واللقاحات الفعالة قبل أن تصبح المشكلة مشكلة صحية عامة خطيرة. يمكن تحديد تسلسل المتغيرات الجينية في الخلايا السرطانية والأورام واستخدامها لتطوير علاجات جينية فردية.

• علم الطب الشرعي تم استخدام التطبيقات للمساعدة في إنفاذ القانون في حل آلاف الحالات الصعبة منذ أواخر الثمانينيات ، وفقًا لـ المعهد الوطني للعدالة. قد تحتوي أدلة مسرح الجريمة على عينات من الحمض النووي من العظام أو الشعر أو أنسجة الجسم التي يمكن مقارنتها بملف الحمض النووي للمشتبه به للمساعدة في تحديد الذنب أو البراءة. تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) هو طريقة شائعة الاستخدام لعمل نسخ من الحمض النووي من أدلة التتبع قبل التسلسل.

• ترتيب الأنواع المكتشفة حديثًا يمكن أن تساعد في تحديد الأنواع الأخرى الأكثر ارتباطًا وكشف معلومات حول التطور. يستخدم علماء التصنيف "الرموز الشريطية" للحمض النووي لتصنيف الكائنات الحية. وفقا ل جامعة جورجيا في مايو 2018 ، كان هناك ما يقدر بنحو 303 نوعًا من الثدييات التي لم يتم اكتشافها بعد.

• الاختبارات الجينية للأمراض ابحث عن المتغيرات الجينية الطافرة. معظمها عبارة عن تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) ، مما يعني أنه تم تغيير نوكليوتيد واحد فقط في التسلسل من الإصدار "العادي". تؤثر العوامل البيئية ونمط الحياة على كيفية التعبير عن جينات معينة وما إذا كان يتم التعبير عنها. توفر الشركات العالمية أحدث تقنيات التسلسل من الجيل الجديد للباحثين في جميع أنحاء العالم المهتمين بالتفاعلات متعددة الجينات وتسلسل الجينوم الكامل.

• مجموعات الأنساب DNA استخدام تسلسلات الحمض النووي في قاعدة بياناتهم للتحقق من المتغيرات في جينات الفرد. تتطلب العدة عينة لعاب أو مسحة خد يتم إرسالها بالبريد إلى مختبر تجاري لتحليلها. بالإضافة إلى معلومات النسب ، يمكن لبعض المجموعات تحديد تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة (SNPs) أو غيرها المتغيرات الجينية المعروفة مثل جينات BRCA1 و BRCA2 المرتبطة بارتفاع خطر الإصابة بالثدي الأنثوي و سرطان المبيض.

غالبًا ما تأتي التقنيات الجديدة مصحوبة بإمكانية المنفعة الاجتماعية ، فضلاً عن الضرر ؛ وتشمل الأمثلة تعطل محطات الطاقة النووية وأسلحة الدمار الشامل النووية. تنطوي تقنيات الحمض النووي على مخاطر أيضًا.

تتضمن المخاوف العاطفية بشأن تسلسل الحمض النووي وأدوات تحرير الجينات مثل كريسبر مخاوف من أن قد تسهل التكنولوجيا استنساخ البشر ، أو تؤدي إلى حيوانات معدلة وراثيًا متحولة تم إنشاؤها بواسطة محتال عالم.

في كثير من الأحيان ، تتعلق القضايا الأخلاقية المتعلقة بتسلسل الحمض النووي بالموافقة المستنيرة. إن سهولة الوصول المباشر إلى اختبار الحمض النووي للمستهلك يعني أن المستهلكين قد لا يفهمون تمامًا كيفية استخدام معلوماتهم الجينية وتخزينها ومشاركتها. قد لا يكون الأشخاص العاديون مستعدين عاطفياً للتعرف على المتغيرات الجينية المعيبة والمخاطر الصحية.

يمكن لأطراف ثالثة مثل أرباب العمل وشركات التأمين التمييز ضد الأفراد الذين يحملون جينات معيبة قد تؤدي إلى مشاكل طبية خطيرة.