DNAシーケンシング：定義、方法、例

ヌクレオチドは生命の化学的構成要素であり、生物のDNAに含まれています。 各ヌクレオチドはで構成されています 砂糖, リン酸塩 と 窒素含有塩基：アデニン（A）、チミン（T）、シトシン（C）およびグアニン（G）。 これらのヌクレオチド塩基の特定の順序によって、細胞が合成するタンパク質、酵素、分子が決まります。

ヌクレオチドの順序または配列を決定することは、 突然変異、進化、病気の進行、遺伝子検査、法医学調査および医学。

ゲノミクス DNA、遺伝子、遺伝子相互作用、および遺伝子に対する環境の影響の研究です。 遺伝子の複雑な内部の働きを解明する秘訣は、染色体上のそれらの構造と位置を特定できることです。

生物の青写真は、DNAの核酸塩基対の順序（または配列）によって決定されます。 DNAが複製されると、アデニンはチミンとペアになり、シトシンはグアニンとペアになります。 不一致のペアが考慮されます 突然変異.

二重らせん以来 デオキシリボ核酸 （DNA）分子は1953年に概念化され、ゲノミクスと大規模DNAシーケンシングの分野で劇的な改善が行われました。 科学者たちは、この新しい知識を病気の個別治療に適用するために熱心に取り組んでいます。

同時に、進行中の議論により、研究者はそのような急速に爆発するテクノロジーの倫理的影響に先んじることができます。

DNAシーケンシングは、DNAスニペット内のさまざまなヌクレオチド塩基の配列を発見するプロセスです。 全遺伝子配列決定により、同じ種と異なる種に存在する染色体とゲノムの比較が可能になります。

染色体のマッピングは、科学研究に役立ちます。 のメカニズムと構造の分析 遺伝子、対立遺伝子とDNA分子の染色体変異は、例えば、遺伝性疾患を治療し、癌性腫瘍の成長を止める新しい方法を示唆しています。

フレデリックサンガーのDNAシーケンシング方法 1970年代からゲノミクスの分野が大きく進歩しました。 サンガーは、インスリンを研究する際にRNAの配列決定に成功した後、DNA配列決定に取り組む準備ができていると感じました。 サンガーは、DNAシーケンシングに手を出した最初の科学者ではありませんでした。 しかし、同僚のバーグとギルバートと共同で開発された彼の巧妙なDNAシーケンス手法は、1980年にノーベル賞を受賞しました。

サンガーは自分の仕事の潜在的な価値を知っており、DNAへの関心を共有している他の科学者としばしば協力しました。 分子生物学 とライフサイエンス。

今日のシーケンシング技術と比較すると遅くて費用がかかりますが、サンガーのDNAシーケンシング方法は当時賞賛されていました。 試行錯誤の末、サンガーはDNAの鎖を分離し、より多くのDNAを作成し、ゲノム内のヌクレオチドの順序を特定するための秘密の生化学的「レシピ」を見つけました。

高品質の材料は、実験室での研究に使用するために簡単に購入できます。

• DNAポリメラーゼ DNAを作るのに必要な酵素です。
• DNAプライマー DNA鎖の作業を開始する場所を酵素に指示します。
• dNTP デオキシリボース糖とヌクレオシド三リン酸で構成される有機分子です– dATP、dGTP、dCTP そして dTTP –タンパク質を組み立てる
• チェーンターミネーター A、T、C、Gの各塩基のターミネーターヌクレオチドとも呼ばれる色素色のヌクレオチドです。

サンガーは、酵素DNAポリメラーゼを使用してDNAを小さなセグメントに切断する方法を考え出しました。

次に、テンプレートからさらにDNAを作成し、新しいDNAに放射性トレーサーを挿入して、分離された鎖のセクションを区別しました。 彼はまた、酵素がテンプレート鎖の特定のスポットに結合できるプライマーを必要としていることを認識しました。 1981年、サンガーはミトコンドリアDNAの16,000塩基対のゲノムを解明することで再び歴史を築きました。

シーケンスプロセス全体を通して、温度を注意深く調整する必要があります。 まず、化学物質をチューブに加え、加熱して二本鎖を解きほぐします（変性させます）。 DNA分子. 次に、温度が冷却され、プライマーが結合できるようになります。

次に、温度を上げて、最適なDNAポリメラーゼ（酵素）活性を促進します。

ポリメラーゼは通常、利用可能な通常のヌクレオチドを使用しますが、これらはより高濃度で添加されます。 ポリメラーゼが「鎖終結」色素結合ヌクレオチドに到達すると、ポリメラーゼは停止し、 鎖はそこで終わります。これは、染色されたヌクレオチドが「鎖終結」または 「ターミネーター。」

このプロセスは何度も何度も続きます。 最終的に、色素結合ヌクレオチドはDNA配列のすべての単一の位置に配置されました。 ゲル電気泳動とコンピュータープログラムは、各DNA鎖の色素の色を識別し、 色素、色素の位置、および色素の長さに基づいて、DNAの全配列を把握します。 ストランド。

ハイスループットシーケンシング –一般的に呼ばれる 次世代シーケンシング –新しい進歩と技術を使用して、ヌクレオチド塩基をこれまでになく迅速かつ安価に配列決定します。 DNAシーケンシングマシンは、大規模なDNAを簡単に処理できます。 実際、サンガーのシーケンシング技術では、ゲノム全体を数年ではなく、数時間で実行できます。

次世代シーケンシング法は、シーケンシングに十分なDNAを取得するための増幅やクローニングの追加ステップなしで、大量のDNA分析を処理できます。 DNAシーケンシングマシンは、一度に複数のシーケンシング反応を実行します。これは、より安価で高速です。

基本的に、新しいDNAシーケンス技術は、シーケンスを組み立てるコンピュータープログラムを介して実行される、小さくて読みやすいマイクロチップ上で数百のサンガー反応を実行します。

この手法は短いDNAフラグメントを読み取りますが、それでもサンガーのシーケンス手法よりも高速で効率的であるため、大規模なプロジェクトでも迅速に完了することができます。

ザ・ ヒトゲノムプロジェクト2003年に完了したは、これまでに行われた最も有名なシーケンス研究の1つです。 2018年の記事によると 科学ニュース、ヒトゲノムは約で構成されています 46,831遺伝子、これはシーケンスに対する手ごわい挑戦でした。 世界中のトップの科学者が、ほぼ10年にわたって共同作業とコンサルティングを行いました。 国立ヒトゲノム研究所が主導

研究所、プロジェクトは匿名の献血者から採取された複合サンプルを使用してヒトゲノムをうまくマッピングしました。

ヒトゲノムプロジェクトは、細菌人工染色体（BACベース）シーケンシング法に依存して塩基対をマッピングしました。 この技術では、バクテリアを使用してDNAフラグメントをクローン化し、シーケンス用に大量のDNAを作成しました。 次に、クローンのサイズを縮小し、シーケンシングマシンに配置し、ヒトDNAを表すストレッチにアセンブルしました。

ゲノミクスの新しい発見は、病気の予防、検出、治療へのアプローチを大きく変えています。 政府はDNA研究に数十億ドルを投じてきました。 法執行機関は、事件を解決するためにDNA分析に依存しています。 DNA検査キットは、祖先を研究し、健康上のリスクをもたらす可能性のある遺伝子変異を特定するために、家庭で使用するために購入できます。

• ゲノム解析 生命の領域と王国における多くの異なる種のゲノム配列を比較し、対比することを必要とします。 DNAシーケンシングは、特定の配列が進化的に導入されたときに新たな光を当てる遺伝子パターンを明らかにすることができます。 祖先と移動は、DNA分析を介して追跡し、過去の記録と比較することができます。

• 医学の進歩 事実上すべての人間の病気には遺伝的要素があるため、指数関数的に起こっています。 DNAシーケンシングは、科学者や医師が複数の遺伝子が互いにどのように相互作用し、環境と相互作用するかを理解するのに役立ちます。 病気の発生を引き起こしている新しい微生物のDNAを迅速に配列決定することは、問題が深刻な公衆衛生問題になる前に、効果的な薬やワクチンを特定するのに役立ちます。 癌細胞および腫瘍の遺伝子変異体を配列決定し、個別の遺伝子治療を開発するために使用することができます。

• 科学捜査 によると、1980年代後半以降、法執行機関が何千もの困難な事件を解決するのを支援するためにアプリケーションが使用されてきました。 国立司法省研究所. 犯罪現場の証拠には、容疑者のDNAプロファイルと比較して有罪または無罪を判断するのに役立つ、骨、髪、または体の組織からのDNAのサンプルが含まれている場合があります。 ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）は、シーケンスの前に痕跡証拠からDNAのコピーを作成するために一般的に使用される方法です。

• 新たに発見された種のシーケンス 他のどの種が最も密接に関連しているかを特定し、進化に関する情報を明らかにするのに役立ちます。 分類学者は、DNAの「バーコード」を使用して生物を分類します。 による ジョージア大学 2018年5月には、推定303種の哺乳類がまだ発見されていません。

• 病気の遺伝子検査 変異した遺伝子変異体を探します。 ほとんどは一塩基多型（SNP）です。これは、シーケンス内の1つのヌクレオチドのみが「通常の」バージョンから変更されることを意味します。 環境要因とライフスタイルは、特定の遺伝子が発現する方法と発現に影響を与えます。 グローバル企業は、多遺伝子相互作用と全ゲノムシーケンスに関心のある世界中の研究者が最先端の新世代シーケンス技術を利用できるようにしています。

• 系図DNAキット データベース内のDNA配列を使用して、個人の遺伝子の変異をチェックします。 キットには、分析のために商業ラボに郵送される唾液サンプルまたは頬スワブが必要です。 祖先情報に加えて、一部のキットは一塩基多型（SNP）またはその他を識別できます。 女性の乳房のリスク上昇に関連するBRCA1およびBRCA2遺伝子などのよく知られた遺伝的変異および 卵巣がん。

新しいテクノロジーには、社会的利益と害の可能性が伴うことがよくあります。 例としては、機能不全の原子力発電所や大量破壊兵器があります。 DNA技術にもリスクが伴います。

DNAシーケンシングおよびCRISPRのような遺伝子編集ツールに関する感情的な懸念には、 テクノロジーは、人間のクローン作成を容易にしたり、不正によって作成された変異トランスジェニック動物につながる可能性があります 科学者。

多くの場合、DNA配列決定に関連する倫理的問題は、インフォームドコンセントに関係しています。 消費者に直接販売するDNA検査に簡単にアクセスできるということは、消費者が自分の遺伝子情報がどのように使用、保存、共有されるかを完全に理解していない可能性があることを意味します。 素人の人々は、彼らの欠陥のある遺伝子変異と健康上のリスクについて学ぶ準備ができていないかもしれません。

雇用主や保険会社などの第三者は、深刻な医学的問題を引き起こす可能性のある欠陥遺伝子を持っている個人を差別する可能性があります。