רצף DNA: הגדרה, שיטות, דוגמאות

נוקלאוטידים הם אבני הבניין הכימיות של החיים ונמצאים ב- DNA של אורגניזמים חיים. כל נוקלאוטיד מורכב מ סוכר, פוֹספָט ו בסיס המכיל חנקן: אדנין (A), תימין (T), ציטוזין (C) וגואנין (G). הסדר הספציפי של בסיסי נוקלאוטיד אלה קובע אילו חלבונים, אנזימים ומולקולות יסונתזו על ידי התא.

קביעת הסדר, או רצף הנוקלאוטידים, חשובה למחקר מוטציות, אבולוציה, התקדמות המחלה, בדיקות גנטיות, חקירה משפטית ורפואה.

גנומיקה הוא חקר DNA, גנים, אינטראקציות בין גנים והשפעות סביבתיות על גנים. הסוד להתיר את פעולתם הפנימית המורכבת של הגנים הוא היכולת לזהות את המבנה והמיקום שלהם בכרומוזומים.

תכנית המתאר של אורגניזמים חיים נקבעת על פי הסדר (או הרצף) של זוגות בסיס חומצות גרעין ב- DNA. כאשר DNA משכפל, זוגות אדנין עם תימין וציטוזין עם גואנין; זוגות לא תואמים נחשבים מוטציות.

מאז הסליל הכפול חומצה דאוקסיריבונוקלאית המולקולה (DNA) הומצאה בשנת 1953, נעשו שיפורים דרמטיים בתחום הגנומיקה ורצף ה- DNA בקנה מידה גדול. מדענים שוקדים על יישום ידע חדש זה לטיפול פרטני במחלות.

במקביל, דיונים מתמשכים מאפשרים לחוקרים להקדים את ההשלכות האתיות של טכנולוגיות כה מתפוצצות.

רצף דנ"א הוא תהליך גילוי רצף של בסיסי נוקליאוטידים שונים בקטעי דנ"א. רצף גנים שלם מאפשר השוואה בין כרומוזומים וגנומים הקיימים באותו מינים ושונים.

מיפוי כרומוזומים שימושי למחקר מדעי. ניתוח המנגנונים והמבנה של גנים, אללים ומוטציות כרומוזומליות במולקולות DNA מצביעות על דרכים חדשות לטיפול בהפרעות גנטיות ועצירת גידול סרטני, למשל.

שיטות רצף ה- DNA של פרדריק סנגר קידם מאוד את תחום הגנומיקה החל משנות השבעים. סנגר הרגיש מוכן להתמודד עם רצף DNA לאחר רצף של RNA בהצלחה כאשר למד אינסולין. סנגר לא היה המדען הראשון שהתעסק ברצף ה- DNA. עם זאת, שיטות רצף ה- DNA החכמות שלו - שפותחו במקביל לעמיתים ברג וגילברט - זכו בפרס נובל בשנת 1980.

סאנגר ידע את הערך הפוטנציאלי של עבודתו ולעתים קרובות שיתף פעולה עם מדענים אחרים ששותפו לאינטרסים שלו ב- DNA, ביולוגיה מולקולרית ומדעי החיים.

אף על פי שהוא איטי ויקר בהשוואה לטכנולוגיות הרצף של ימינו, שיטות רצף ה- DNA של סנגר זכו לשבחים באותה תקופה. לאחר ניסוי וטעייה, סנגר מצא את "המתכון" הסודי הביוכימי להפרדת גדילי DNA, יצירת DNA נוסף וזיהוי סדר הנוקליאוטידים בגנום.

ניתן לרכוש חומרים איכותיים לשימוש במחקרי מעבדה:

• פולימראז DNA הוא האנזים הדרוש ליצירת DNA.
• פריימר DNA אומר לאנזים היכן להתחיל לעבוד על גדיל ה- DNA.
• dNTP הן מולקולות אורגניות המורכבות מסוכר דאוקסיריבוז וטריפוספטים נוקלאוזידים - dATP, dGTP, dCTP ו dTTP - שמרכיבים חלבונים
• מסופי שרשרת הם נוקליאוטידים צבעוניים, הנקראים גם נוקלאוטידים טרמינאטורים לכל בסיס - A, T, C ו- G.

סאנגר הבין כיצד ניתן לחתוך DNA למקטעים קטנים באמצעות האנזים DNA פולימראז.

לאחר מכן הוא יצר יותר דנ"א מתבנית והכניס נותבים רדיואקטיביים לדנ"א החדש כדי לתחום חלקים בגדילים המופרדים. הוא גם זיהה שהאנזים זקוק לפריימר שיכול להיקשר לנקודה ספציפית בגדיל התבנית. בשנת 1981, סאנגר עשה שוב היסטוריה על ידי בירור הגנום של 16,000 זוגות בסיס של ה- DNA המיטוכונדריאלי.

יש לכוונן את הטמפרטורה בקפידה לאורך כל תהליך הרצף. ראשית, כימיקלים מתווספים לצינור ומחוממים לפירוק (דנטורציה) הדו-גדילי מולקולת DNA. ואז מקוררת הטמפרטורה, ומאפשרת להתחייב של פריימר.

לאחר מכן, הטמפרטורה מוגברת כדי לעודד פעילות פולימראז (אנזים) DNA מיטבית.

פולימראז בדרך כלל משתמש בנוקליאוטידים הרגילים הקיימים, המתווספים בריכוז גבוה יותר. כאשר פולימראז מגיע לנוקלאוטיד צמוד "שרשרת המסתיים", הפולימראז נעצר, וה- שרשרת מסתיימת שם, מה שמסביר מדוע הנוקלאוטידים הצבועים נקראים "שרשרת מסתיימת" או "מסופים".

התהליך נמשך הרבה מאוד פעמים. בסופו של דבר, הנוקלאוטיד המקושר לצבע הונח בכל עמדה אחת ברצף ה- DNA. אלקטרופורזה ג'ל ותוכנות מחשב יכולים לזהות את צבעי הצבע בכל אחת מגדילי ה- DNA להבין את כל רצף ה- DNA בהתבסס על הצבע, מיקום הצבע ואורך הצבע קווצות.

רצף תפוקה גבוהה - המכונה בדרך כלל דור הרצף הבא - משתמש בהתקדמות ובטכנולוגיות חדשות כדי לרצף בסיסי נוקליאוטידים במהירות ובזול יותר מאי פעם. מכונת רצף DNA יכולה להתמודד בקלות עם קטעי DNA בקנה מידה גדול. למעשה, את כל הגנום ניתן לעשות תוך מספר שעות, במקום שנים עם טכניקות הרצף של סנגר.

שיטות רצף מהדור הבא יכולות להתמודד עם ניתוח DNA בנפח גבוה ללא השלב הנוסף של הגברה או שיבוט כדי להשיג מספיק דנ"א לרצף. מכונות לרצף דנ"א מפעילות מספר תגובות רצף בבת אחת, וזה זול ומהיר יותר.

בעיקרו של דבר, טכנולוגיית רצף ה- DNA החדשה מריצה מאות תגובות סנגר על גבי שבב קטן וקל לקריאה, המופעל באמצעות תוכנת מחשב המרכיבה את הרצף.

הטכניקה קוראת קטעי DNA קצרים יותר, אך היא עדיין מהירה ויעילה יותר משיטות הרצף של סנגר, כך שאפילו פרויקטים רחבי היקף יכולים להסתיים במהירות.

ה פרויקט הגנום האנושי, שהושלם בשנת 2003, הוא אחד ממחקרי הרצף המפורסמים ביותר שנעשו עד כה. על פי מאמר משנת 2018 ב חדשות מדעהגנום האנושי מורכב מכ- 46,831 גנים, שהיה אתגר אדיר לרצף. מדענים מובילים מרחבי העולם בילו כמעט 10 שנים בשיתוף פעולה וייעוץ. בהובלת המחקר הלאומי לגנום אנושי

המכון, הפרויקט מיפה בהצלחה את הגנום האנושי באמצעות מדגם מורכב שנלקח מתורמי דם אנונימיים.

פרויקט הגנום האנושי הסתמך על שיטות רצף של כרומוזום מלאכותי חיידקי (מבוסס BAC) כדי למפות זוגות בסיס. הטכניקה השתמשה בחיידקים לשיבוט שברי DNA, וכתוצאה מכך כמויות גדולות של DNA לצורך רצף. לאחר מכן צומצמו השיבוטים בגודלם, הונחו במכונת רצף והורכבו למתיחות המייצגות DNA אנושי.

תגליות חדשות בגנומיקה משנות עמוקות את הגישות למניעת, איתור וטיפול במחלות. הממשלה הקדישה מיליארדי דולרים למחקר DNA. אכיפת החוק מסתמכת על ניתוח DNA כדי לפתור מקרים. ניתן לרכוש ערכות בדיקת DNA לשימוש ביתי כדי לחקור מוצא ולזהות גרסאות גנטיות העלולות להוות סיכונים בריאותיים:

• ניתוח גנומי כרוך בהשוואה ובניגוד בין רצפי הגנום של מינים רבים ושונים בתחומי וממלכות החיים. רצף DNA יכול לחשוף דפוסים גנטיים ששופכים אור חדש על מתי הוצגו רצפים מסוימים מבחינה אבולוציונית. ניתן לאתר את המוצא וההגירה באמצעות ניתוח דנ"א ולהשוות אותם עם רשומות היסטוריות.

• התקדמות ברפואה מתרחשים בקצב אקספוננציאלי מכיוון שלמעשה לכל מחלה אנושית יש מרכיב גנטי. רצף DNA מסייע למדענים ורופאים להבין כיצד גנים מרובים מתקשרים זה עם זה והסביבה. רצף מהיר של ה- DNA של חיידק חדש הגורם להתפרצות מחלה יכול לסייע בזיהוי תרופות וחיסונים יעילים לפני שהבעיה הופכת לבעיה חמורה בבריאות הציבור. ניתן לרצף וריאציות גנים בתאים סרטניים ובגידולים ולהשתמש בפיתוח טיפולים גנטיים פרטניים.

• מדע משפטי היישומים שימשו כדי לסייע לאכיפת החוק לפצח אלפי מקרים קשים מאז סוף שנות השמונים המכון הלאומי לצדק. עדויות לזירת פשע עשויות להכיל דגימות של DNA מעצם, שיער או רקמת גוף שניתן להשוות לפרופיל ה- DNA של חשוד כדי לסייע בקביעת אשמה או חפות. תגובת שרשרת הפולימראז (PCR) היא שיטה נפוצה לייצור עותקים של DNA מראיות עקבות לפני הרצף.

• רצף מינים שהתגלו לאחרונה יכול לעזור בזיהוי אילו מינים אחרים קשורים הכי קרוב ולחשוף מידע על האבולוציה. טקסונומים משתמשים ב- DNA "ברקודים" כדי לסווג אורגניזמים. על פי אוניברסיטת ג'ורג'יה בחודש מאי 2018, ישנם כ- 303 מינים של יונקים שעדיין לא התגלו.

• בדיקה גנטית למחלות חפש גרסאות גנים מוטציות. רובם הם פולימורפיזמים בודדים של נוקליאוטידים (SNP), מה שאומר שרק נוקלאוטיד אחד ברצף משתנה מהגרסה "הרגילה". גורמים סביבתיים ואורח חיים משפיעים על האופן שבו וביטויים של גנים מסוימים. חברות גלובליות מעמידות לרשות החוקרים ברחבי העולם טכנולוגיות רצף מדור חדשני מהדור החדש המעוניינות באינטראקציות מולטי-גנים וברצף גנום שלם.

• ערכות DNA של גנאלוגיה השתמש ברצפי DNA במאגר שלהם כדי לבדוק וריאציות בגנים של הפרט. הערכה דורשת דגימת רוק או ספוגית לחיים הנשלחת למעבדה מסחרית לצורך ניתוח. בנוסף למידע על המוצא, חלק מהערכות יכולות לזהות פולימורפיזמים בודדים של נוקליאוטידים (SNP) או אחרים גרסאות גנטיות ידועות כמו גנים BRCA1 ו- BRCA2 הקשורים לסיכון גבוה לשד נקבה סרטן שחלות.

טכנולוגיות חדשות מגיעות לרוב עם אפשרות לתועלת חברתית, כמו גם לפגיעה; דוגמאות כוללות תחנות כוח גרעיניות תקינות ונשק גרעיני להשמדה המונית. טכנולוגיות DNA כוללות גם סיכונים.

החששות הרגשיים לגבי רצף דנ"א וכלים לעריכת גנים כמו CRISPR כוללים פחדים שה- הטכנולוגיה עשויה להקל על שיבוט אנושי, או להוביל לחיות טרנסגניות מוטציות שנוצרו על ידי נוכלים מַדְעָן.

לעתים קרובות יותר, סוגיות אתיות הקשורות לרצף DNA קשורות להסכמה מדעת. גישה נוחה לבדיקות DNA ישירות לצרכן פירושה שצרכנים עשויים שלא להבין היטב כיצד ישתמש, יישמר ויהיה שיתוף במידע הגנטי שלהם. ייתכן שההדיוטות לא מוכנות מבחינה רגשית ללמוד על גרסאות הגן הלקויות שלהם ועל הסיכונים הבריאותיים שלהן.

צדדים שלישיים כגון מעסיקים וחברות ביטוח עלולים להפלות אנשים הנושאים גנים פגומים העלולים לגרום לבעיות רפואיות חמורות.