Αλληλουχία DNA: Ορισμός, Μέθοδοι, Παραδείγματα

Τα νουκλεοτίδια είναι τα χημικά δομικά στοιχεία της ζωής και βρίσκονται στο DNA των ζωντανών οργανισμών. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από μια ζάχαρη, φωσφορικό άλας και ένα βάση που περιέχει άζωτο: αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), κυτοσίνη (C) και γουανίνη (G). Η συγκεκριμένη σειρά αυτών των βάσεων νουκλεοτιδίων καθορίζει ποιες πρωτεΐνες, ένζυμα και μόρια θα συντεθούν από το κύτταρο.

Ο προσδιορισμός της σειράς, ή της ακολουθίας των νουκλεοτιδίων, είναι σημαντικός για τη μελέτη του μεταλλάξεις, εξέλιξη, εξέλιξη της νόσου, γενετικός έλεγχος, ιατροδικαστική έρευνα και ιατρική.

Γονιδιωματική είναι η μελέτη DNA, γονιδίων, αλληλεπιδράσεων γονιδίων και περιβαλλοντικών επιδράσεων στα γονίδια. Το μυστικό για την αποκάλυψη της σύνθετης εσωτερικής λειτουργίας των γονιδίων είναι η δυνατότητα αναγνώρισης της δομής και της θέσης τους στα χρωμοσώματα.

Το σχεδιάγραμμα των ζωντανών οργανισμών καθορίζεται από τη σειρά (ή την ακολουθία) ζευγών βάσεων νουκλεϊκών οξέων στο DNA. Όταν το DNA αναπαράγεται, αδενίνη ζεύγη με θυμίνη και κυτοσίνη με γουανίνη. λαμβάνονται υπόψη τα αναντιστοιχία ζευγάρια

Από τη διπλή έλικα δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) το μόριο εννοιολογήθηκε το 1953, έχουν γίνει δραματικές βελτιώσεις στον τομέα της γονιδιωματικής και της αλληλουχίας DNA μεγάλης κλίμακας. Οι επιστήμονες εργάζονται επιμελώς για να εφαρμόσουν αυτήν τη νέα γνώση στην εξατομικευμένη θεραπεία ασθενειών.

Ταυτόχρονα, οι συνεχιζόμενες συζητήσεις επιτρέπουν στους ερευνητές να μείνουν μπροστά από τις ηθικές επιπτώσεις τέτοιων ραγδαίων εξερχόμενων τεχνολογιών.

Η αλληλούχιση DNA είναι η διαδικασία ανακάλυψης της αλληλουχίας διαφόρων νουκλεοτιδικών βάσεων σε αποσπάσματα DNA. Ολόκληρη η αλληλουχία γονιδίων επιτρέπει συγκρίσεις χρωμοσωμάτων και γονιδιωμάτων που υπάρχουν στο ίδιο και διαφορετικό είδος.

Η χαρτογράφηση χρωμοσωμάτων είναι χρήσιμη για επιστημονική έρευνα. Ανάλυση των μηχανισμών και της δομής του γονίδια, τα αλληλόμορφα και οι χρωμοσωμικές μεταλλάξεις στα μόρια DNA προτείνουν νέους τρόπους αντιμετώπισης γενετικών διαταραχών και διακοπής της ανάπτυξης καρκινικών όγκων, για παράδειγμα.

Μέθοδοι προσδιορισμού αλληλουχίας DNA του Frederick Sanger προχώρησε πολύ στον τομέα της γονιδιωματικής από τη δεκαετία του 1970. Ο Sanger αισθάνθηκε έτοιμος να αντιμετωπίσει τον προσδιορισμό αλληλουχίας DNA μετά την επιτυχημένη αλληλουχία του RNA κατά τη μελέτη της ινσουλίνης. Ο Sanger δεν ήταν ο πρώτος επιστήμονας που ασχολήθηκε με την αλληλουχία DNA. Ωστόσο, οι έξυπνες μέθοδοι προσδιορισμού αλληλουχίας DNA - που αναπτύχθηκαν σε συνδυασμό με τους συναδέλφους Berg και Gilbert - κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ το 1980.

Ο Sanger γνώριζε τη δυνητική αξία του έργου του και συχνά συνεργάστηκε με άλλους επιστήμονες που μοιράστηκαν τα ενδιαφέροντά του για το DNA, ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ και επιστήμη της ζωής.

Αν και αργές και ακριβές σε σύγκριση με τις σημερινές τεχνολογίες προσδιορισμού αλληλουχιών, οι μέθοδοι προσδιορισμού αλληλουχίας DNA του Sanger επαινέθηκαν τότε. Μετά από δοκιμή και σφάλμα, ο Sanger βρήκε τη μυστική βιοχημική «συνταγή» για το διαχωρισμό των κλώνων του DNA, τη δημιουργία περισσότερου DNA και τον εντοπισμό της σειράς των νουκλεοτιδίων σε ένα γονιδίωμα.

Υλικά υψηλής ποιότητας μπορούν εύκολα να αγοραστούν για χρήση σε εργαστηριακές μελέτες:

• Πολυμεράση DNA είναι το ένζυμο που απαιτείται για την παραγωγή DNA.
• Εκκινητής DNA λέει στο ένζυμο από πού να αρχίσει να εργάζεται στον κλώνο του DNA.
• dNTP είναι οργανικά μόρια αποτελούμενα από ζάχαρη δεοξυριβόζης και τριφωσφορικά νουκλεοζίτη - dATP, dGTP, dCTP και dTTP - που συγκεντρώνουν πρωτεΐνες
• Αλυσίδες-τερματιστές είναι νουκλεοτίδια χρώματος βαφής, που ονομάζονται επίσης νουκλεοτίδια τερματισμού για κάθε βάση - A, T, C και G.

Ο Sanger βρήκε πώς να κόψει το DNA σε μικρά τμήματα χρησιμοποιώντας το ένζυμο DNA πολυμεράση.

Έπειτα έφτιαξε περισσότερο DNA από ένα πρότυπο και εισήγαγε ραδιενεργούς ιχνηθέτες στο νέο DNA για να οριοθετήσει τμήματα των διαχωρισμένων κλώνων. Αναγνώρισε επίσης ότι το ένζυμο χρειαζόταν ένα αστάρι που θα μπορούσε να συνδεθεί με ένα συγκεκριμένο σημείο στον κλώνο του προτύπου. Το 1981, ο Σάνγκερ έγραψε και πάλι ιστορία υπολογίζοντας το γονιδίωμα των 16.000 ζευγών βάσεων του μιτοχονδριακού DNA.

Η θερμοκρασία πρέπει να προσαρμόζεται προσεκτικά καθ 'όλη τη διαδικασία αλληλούχησης. Πρώτον, προστίθενται χημικές ουσίες σε ένα σωλήνα και θερμαίνονται για να ξεδιπλωθεί (μετουσίωση) του δίκλωνου Μόριο DNA. Στη συνέχεια, η θερμοκρασία ψύχεται, αφήνοντας το αστάρι να κολλήσει.

Στη συνέχεια, η θερμοκρασία αυξάνεται για να ενθαρρύνει τη βέλτιστη δραστικότητα πολυμεράσης DNA (ένζυμο).

Η πολυμεράση χρησιμοποιεί συνήθως τα διαθέσιμα φυσιολογικά νουκλεοτίδια, τα οποία προστίθενται σε υψηλότερη συγκέντρωση. Όταν η πολυμεράση φτάνει σε ένα νουκλεοτίδιο συνδεδεμένο με βαφή «αλυσίδας τερματισμού», η πολυμεράση σταματά και το η αλυσίδα τελειώνει εκεί, πράγμα που εξηγεί γιατί τα βαμμένα νουκλεοτίδια ονομάζονται «αλυσίδα τερματισμού» ή "Τερματιστές."

Η διαδικασία συνεχίζεται πολλές, πολλές φορές. Τελικά, το νουκλεοτίδιο συνδεδεμένο με βαφή τοποθετήθηκε σε κάθε θέση της αλληλουχίας DNA. Η ηλεκτροφόρηση γέλης και τα προγράμματα υπολογιστών μπορούν στη συνέχεια να αναγνωρίσουν τα χρώματα βαφής σε καθένα από τους κλώνους DNA και υπολογίστε ολόκληρη την ακολουθία του DNA με βάση τη βαφή, τη θέση της βαφής και το μήκος του σκέλη

Ακολουθία υψηλής απόδοσης - γενικά αναφέρεται ως αλληλουχία επόμενης γενιάς - χρησιμοποιεί νέες εξελίξεις και τεχνολογίες για την αλληλουχία νουκλεοτιδικών βάσεων πιο γρήγορα και φθηνότερα από ποτέ. Μια μηχανή προσδιορισμού αλληλουχιών DNA μπορεί εύκολα να χειριστεί εκτεταμένα τμήματα DNA. Στην πραγματικότητα, ολόκληρα τα γονιδιώματα μπορούν να γίνουν μέσα σε λίγες ώρες, αντί για χρόνια με τις τεχνικές αλληλουχίας του Sanger.

Οι μέθοδοι προσδιορισμού αλληλουχίας επόμενης γενιάς μπορούν να χειριστούν ανάλυση DNA μεγάλου όγκου χωρίς το προστιθέμενο βήμα ενίσχυσης ή κλωνοποίησης ώστε να ληφθεί αρκετό DNA για αλληλούχιση. Οι μηχανές προσδιορισμού αλληλουχίας DNA εκτελούν πολλαπλές αντιδράσεις αλληλουχίας ταυτόχρονα, κάτι που είναι φθηνότερο και γρηγορότερο.

Ουσιαστικά, η νέα τεχνολογία προσδιορισμού αλληλουχίας DNA εκτελεί εκατοντάδες αντιδράσεις Sanger σε ένα μικρό, εύκολα αναγνώσιμο μικροτσίπ, το οποίο στη συνέχεια εκτελείται μέσω ενός προγράμματος υπολογιστή που συγκεντρώνει την ακολουθία.

Η τεχνική διαβάζει μικρότερα θραύσματα DNA, αλλά είναι ακόμα πιο γρήγορη και πιο αποτελεσματική από τις μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας του Sanger, οπότε ακόμη και έργα μεγάλης κλίμακας μπορούν να ολοκληρωθούν γρήγορα.

ο Πρόγραμμα ανθρώπινου γονιδιώματος, ολοκληρώθηκε το 2003, είναι μια από τις πιο διάσημες μελέτες αλληλουχίας που έχουν γίνει μέχρι σήμερα. Σύμφωνα με ένα άρθρο του 2018 στο Επιστημονικά νέα, το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από περίπου 46.831 γονίδια, η οποία ήταν μια τρομερή πρόκληση στην ακολουθία. Κορυφαίοι επιστήμονες από όλο τον κόσμο πέρασαν σχεδόν 10 χρόνια για να συνεργαστούν και να συμβουλευτούν. Με επικεφαλής την Εθνική Έρευνα Ανθρώπινου Γονιδιώματος

Ινστιτούτο, το έργο χαρτογράφησε με επιτυχία το ανθρώπινο γονιδίωμα χρησιμοποιώντας ένα σύνθετο δείγμα που ελήφθη από ανώνυμους αιμοδότες.

Το Human Genome Project βασίστηκε σε μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας βακτηριακού τεχνητού χρωμοσώματος (με βάση BAC) για την χαρτογράφηση ζευγών βάσεων. Η τεχνική χρησιμοποίησε βακτήρια για κλωνοποίηση θραυσμάτων DNA, με αποτέλεσμα μεγάλες ποσότητες DNA για προσδιορισμό αλληλουχίας. Οι κλώνοι κατόπιν μειώθηκαν σε μέγεθος, τοποθετήθηκαν σε μια μηχανή προσδιορισμού αλληλουχιών και συναρμολογήθηκαν σε τμήματα που αντιπροσωπεύουν ανθρώπινο DNA.

Νέες ανακαλύψεις στη γονιδιωματική αλλάζουν βαθιά τις προσεγγίσεις για την πρόληψη, την ανίχνευση και τη θεραπεία ασθενειών. Η κυβέρνηση έχει δεσμεύσει δισεκατομμύρια δολάρια για έρευνα DNA. Η επιβολή του νόμου βασίζεται στην ανάλυση DNA για την επίλυση περιπτώσεων. Μπορούν να αγοραστούν κιτ δοκιμών DNA για οικιακή χρήση για την έρευνα της καταγωγής και τον εντοπισμό παραλλαγών γονιδίων που μπορεί να θέσουν κινδύνους για την υγεία:

• Γονιδιωματική ανάλυση συνεπάγεται σύγκριση και αντίθεση των ακολουθιών γονιδιώματος πολλών διαφορετικών ειδών στους τομείς και στα βασίλεια της ζωής. Η αλληλουχία DNA μπορεί να αποκαλύψει γενετικά πρότυπα που ρίχνουν νέο φως όταν ορισμένες αλληλουχίες εισήχθησαν εξελικτικά. Ο πρόγονος και η μετανάστευση μπορούν να εντοπιστούν μέσω ανάλυσης DNA και να συγκριθούν με ιστορικά αρχεία.

• Προόδους στην ιατρική συμβαίνουν με εκθετικό ρυθμό επειδή σχεδόν κάθε ανθρώπινη ασθένεια έχει γενετικό συστατικό. Η αλληλουχία DNA βοηθά τους επιστήμονες και τους γιατρούς να καταλάβουν πώς αλληλεπιδρούν πολλαπλά γονίδια μεταξύ τους και το περιβάλλον. Η ταχεία ανάλυση του DNA ενός νέου μικροβίου που προκαλεί ένα ξέσπασμα νόσου μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό αποτελεσματικών φαρμάκων και εμβολίων προτού το πρόβλημα γίνει σοβαρό ζήτημα δημόσιας υγείας. Παραλλαγές γονιδίων σε καρκινικά κύτταρα και όγκους θα μπορούσαν να προσδιοριστούν με αλληλουχία και να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη εξατομικευμένων γονιδιακών θεραπειών.

• Επιστήμη της δικονομίας εφαρμογές έχουν χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσουν την επιβολή του νόμου να σπάσει χιλιάδες δύσκολες υποθέσεις από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Δικαιοσύνης. Τα αποδεικτικά στοιχεία της εγκληματικής σκηνής ενδέχεται να περιέχουν δείγματα DNA από οστά, μαλλιά ή ιστούς του σώματος που μπορούν να συγκριθούν με το προφίλ DNA ενός υπόπτου για να προσδιοριστεί η ενοχή ή η αθωότητα. Η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) είναι μια κοινώς χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την παραγωγή αντιγράφων DNA από ιχνοστοιχεία πριν από την αλληλούχιση.

• Αλληλουχία ειδών που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα μπορεί να σας βοηθήσει να εντοπίσετε ποια άλλα είδη σχετίζονται περισσότερο και να αποκαλύψετε πληροφορίες σχετικά με την εξέλιξη. Οι ταξινομικοί χρησιμοποιούν «γραμμωτούς κώδικες» DNA για να ταξινομήσουν τους οργανισμούς. Σύμφωνα με την Πανεπιστήμιο της Γεωργίας Τον Μάιο του 2018, υπάρχουν περίπου 303 είδη θηλαστικών που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.

• Γενετικός έλεγχος για ασθένειες αναζητήστε μεταλλαγμένες γονιδιακές παραλλαγές. Οι περισσότεροι είναι απλοί πολυμορφισμοί νουκλεοτιδίων (SNPs), που σημαίνει ότι μόνο ένα νουκλεοτίδιο στην αλληλουχία αλλάζει από την «κανονική» έκδοση. Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες και ο τρόπος ζωής επηρεάζουν τον τρόπο και εάν εκφράζονται ορισμένα γονίδια. Οι παγκόσμιες εταιρείες διαθέτουν πρωτοποριακές τεχνολογίες αλληλουχίας νέας γενιάς διαθέσιμες σε ερευνητές σε όλο τον κόσμο που ενδιαφέρονται για αλληλεπιδράσεις πολλαπλών γενεών και αλληλουχία ολόκληρου του γονιδιώματος.

• Σετ DNA γενεαλογίας Χρησιμοποιήστε αλληλουχίες DNA στη βάση δεδομένων τους για να ελέγξετε παραλλαγές στα γονίδια ενός ατόμου. Το κιτ απαιτεί δείγμα σάλιου ή μπατονέτα που αποστέλλεται σε εμπορικό εργαστήριο για ανάλυση. Εκτός από τις πληροφορίες σχετικά με την καταγωγή, ορισμένα κιτ μπορούν να αναγνωρίσουν πολυμορφισμούς ενός νουκλεοτιδίου (SNPs) ή άλλα γνωστές γενετικές παραλλαγές όπως τα γονίδια BRCA1 και BRCA2 που σχετίζονται με αυξημένο κίνδυνο για γυναικείο στήθος και καρκίνος ωοθηκών.

Οι νέες τεχνολογίες έρχονται συχνά με τη δυνατότητα κοινωνικού οφέλους, καθώς και βλάβης. Παραδείγματα περιλαμβάνουν πυρηνικές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας και πυρηνικά όπλα μαζικής καταστροφής. Οι τεχνολογίες DNA έρχονται επίσης με κινδύνους.

Συναισθηματικές ανησυχίες σχετικά με την αλληλουχία DNA και τα εργαλεία επεξεργασίας γονιδίων όπως το CRISPR περιλαμβάνουν φόβους ότι το Η τεχνολογία θα μπορούσε να διευκολύνει την κλωνοποίηση του ανθρώπου ή να οδηγήσει σε μεταλλαγμένα διαγονιδιακά ζώα που δημιουργήθηκαν από έναν απατεώνα επιστήμονας.

Πιο συχνά, τα ηθικά ζητήματα που σχετίζονται με την αλληλούχιση του DNA σχετίζονται με τη συγκατάθεση μετά από ενημέρωση. Η εύκολη πρόσβαση σε δοκιμές DNA απευθείας στον καταναλωτή σημαίνει ότι οι καταναλωτές ενδέχεται να μην κατανοούν πλήρως τον τρόπο με τον οποίο θα χρησιμοποιηθούν, θα αποθηκευτούν και θα κοινοποιηθούν οι γενετικές τους πληροφορίες. Οι απλοί άνθρωποι μπορεί να μην είναι συναισθηματικά έτοιμοι να μάθουν για τις ελαττωματικές παραλλαγές γονιδίων και τους κινδύνους για την υγεία τους.

Τρίτοι όπως εργοδότες και ασφαλιστικές εταιρείες θα μπορούσαν ενδεχομένως να κάνουν διακρίσεις εις βάρος ατόμων που φέρουν ελαττωματικά γονίδια που μπορεί να προκαλέσουν σοβαρά ιατρικά προβλήματα.