დნმ-ის თანმიმდევრობა: განმარტება, მეთოდები, მაგალითები

ნუკლეოტიდები სიცოცხლის ქიმიური შემადგენელი ნაწილებია და გვხვდება ცოცხალი ორგანიზმების დნმ-ში. თითოეული ნუკლეოტიდი შედგება შაქარი, ფოსფატი და აზოტის შემცველი ფუძე: ადენინი (A), თიმინი (T), ციტოზინი (C) და გუანინი (G). ამ ნუკლეოტიდების ბაზების სპეციფიკური რიგი განსაზღვრავს რომელი ცილების, ფერმენტების და მოლეკულების სინთეზირებას ახდენს უჯრედი.

ნუკლეოტიდების რიგის ან თანმიმდევრობის განსაზღვრა მნიშვნელოვანია შესწავლისთვის მუტაციები, ევოლუცია, დაავადების პროგრესირება, გენეტიკური ტესტირება, სასამართლო ექსპერტიზა და მედიცინა.

გენომიკა არის დნმ-ის, გენების, გენთა ურთიერთქმედების და გენებზე გარემოზე ზემოქმედების შესწავლა. გენების რთული შინაგანი მუშაობის ამოხსნის საიდუმლო არის მათი სტრუქტურისა და ადგილმდებარეობის იდენტიფიცირება ქრომოსომებზე.

ცოცხალი ორგანიზმების გეგმა განისაზღვრება დნმ – ში ნუკლეინის მჟავას ფუძის წყვილების თანმიმდევრობით (ან თანმიმდევრობით). დნმ-ის გამრავლებისას ადენინი წყვილდება თიმინთან და ციტოზინი - გუანინთან; განიხილება შეუსაბამო წყვილი მუტაციები.

მას შემდეგ, რაც ორმაგი სპირალი

ამავდროულად, მიმდინარე დისკუსიები მკვლევარებს საშუალებას აძლევს, წინ უსწრონ ასეთი სწრაფად აფეთქებული ტექნოლოგიების ეთიკურ შედეგებს.

დნმ თანმიმდევრობა არის სხვადასხვა ნუკლეოტიდის ფუძის თანმიმდევრობის აღმოჩენის პროცესი დნმ – ის ფრაგმენტებში. მთელი გენის თანმიმდევრობა საშუალებას იძლევა შედარდეს ქრომოსომები და გენომები იმავე და სხვადასხვა სახეობებში.

ქრომოსომების განლაგება სასარგებლოა სამეცნიერო კვლევებისთვის. მექანიზმების და სტრუქტურის ანალიზი გენები, ალელები და დნმ-ის მოლეკულების ქრომოსომული მუტაციები გვთავაზობს გენეტიკური დარღვევების სამკურნალო და სიმსივნური სიმსივნის ზრდის შეჩერების ახალ გზებს.

ფრედერიკ სანგერის დნმ-ის თანმიმდევრობის მეთოდები მნიშვნელოვნად დაწინაურდა გენომიკის დარგი 1970-იანი წლებიდან. ინსულინის შესწავლისას სენგერი მზად იყო დნმ-ს თანმიმდევრობის მოსაგვარებლად. სენგერი არ იყო პირველი მეცნიერი, ვინც დნმ-ის თანმიმდევრობით დაიწყო საუბარი. ამასთან, დნმ-ის თანმიმდევრობის ჭკვიანურმა მეთოდებმა - კოლეგებთან ბერგთან და გილბერტთან ერთად შემუშავებულმა ნობელის პრემია მიიღო 1980 წელს.

სენჯერმა იცოდა მისი მუშაობის პოტენციური ღირებულება და ხშირად თანამშრომლობდა სხვა მეცნიერებთან, რომლებიც იზიარებდნენ მის ინტერესებს დნმ-ში. მოლეკულური ბიოლოგია და სიცოცხლის მეცნიერება.

მიუხედავად იმისა, რომ ნელი და ძვირია დღევანდელი თანმიმდევრობის ტექნოლოგიებთან შედარებით, თავის დროზე სანგერის დნმ-ის თანმიმდევრობის მეთოდებს აფასებდნენ. ცდისა და შეცდომის შემდეგ, სანგერმა იპოვნა საიდუმლო ბიოქიმიური "რეცეპტი" დნმ – ის ძაფების გამოყოფის, მეტი დნმ – ის შექმნისა და გენომის ნუკლეოტიდების რიგის განსაზღვრისთვის.

მაღალი ხარისხის მასალის შეძენა შესაძლებელია ლაბორატორიულ კვლევებში:

• დნმ პოლიმერაზა არის დნმ-ის მისაღებად საჭირო ფერმენტი.
• დნმ-ის პრაიმერი ეუბნება ფერმენტს სად უნდა დაიწყოს მუშაობა დნმ-ის ძაფზე.
• dNTPs ორგანული მოლეკულებია დეოქსირიბოზის შაქრისა და ნუკლეოზიდ ტრიფოსფატებისგან - dATP, dGTP, dCTP და dTTP - ცილების აწყობა
• ჯაჭვის ტერმინატორები არის საღებავის ფერის ნუკლეოტიდები, რომელსაც ასევე უწოდებენ ტერმინატორის ნუკლეოტიდებს თითოეული ფუძისთვის - A, T, C და G.

სანგერმა გაარკვია, თუ როგორ უნდა მოჭრილიყო დნმ მცირე სეგმენტებად, ფერმენტ დნმ პოლიმერაზას გამოყენებით.

შემდეგ მან უფრო მეტი დნმ გააკეთა შაბლონისგან და ჩასვა რადიოაქტიური მიკვლევები ახალ დნმ-ში, გამოყოფილი ძაფების მონაკვეთების დემარკაციისთვის. მან ასევე აღიარა, რომ ფერმენტს სჭირდებოდა პრაიმერი, რომელსაც შეეძლო დაერთებოდა შაბლონის ძაფის კონკრეტულ ადგილზე. 1981 წელს სანგერმა კვლავ შეიტანა ისტორია მიტოქონდრიული დნმ-ის 16000 ფუძის წყვილის გაარკვიებით.

თანმიმდევრობის პროცესში ტემპერატურა ფრთხილად უნდა იყოს მორგებული. პირველ რიგში, ქიმიური ნივთიერებები ემატება მილს და თბება ორმაგი ჯაჭვის გასახსნელად (დენატურაციისთვის) დნმ-ის მოლეკულა. შემდეგ ტემპერატურა გაცივდება, რაც საშუალებას იძლევა პრაიმერი შეერთდეს.

შემდეგ, ტემპერატურა იზრდება, რათა ხელი შეუწყოს დნმ პოლიმერაზას (ფერმენტის) ოპტიმალური აქტივობას.

პოლიმერაზა ჩვეულებრივ იყენებს არსებულ ნორმალურ ნუკლეოტიდებს, რომლებსაც უფრო მაღალი კონცენტრაციით ემატება. როდესაც პოლიმერაზა მიიღებს საღებავთან დაკავშირებულ ნუკლეოტიდს "ჯაჭვის დამთავრების" დროს, პოლიმერაზა აჩერებს და ჯაჭვი იქ მთავრდება, რაც განმარტავს, თუ რატომ ეწოდება შეღებილ ნუკლეოტიდებს "ჯაჭვის დამთავრება" ან "ტერმინატორები".

პროცესი მრავალჯერ და ბევრჯერ გრძელდება. საბოლოოდ, საღებავთან დაკავშირებული ნუკლეოტიდი განთავსდა დნმ თანმიმდევრობის თითოეულ პოზიციაზე. ამის შემდეგ გელის ელექტროფორეზსა და კომპიუტერულ პროგრამებს შეუძლიათ განსაზღვრონ საღებავის ფერები დნმ-ის თითოეულ ძაფზე და გაარკვიეთ დნმ-ის მთელი თანმიმდევრობა საღებავის, საღებავის პოზიციისა და სიგრძის საფუძველზე ძაფები.

მაღალი გამტარუნარიანობის თანმიმდევრობა - ზოგადად მოიხსენიება, როგორც შემდეგი თაობის თანმიმდევრობა - იყენებს ახალ მიღწევებსა და ტექნოლოგიებს ნუკლეოტიდების ბაზების თანმიმდევრობისთვის უფრო სწრაფად და იაფად, ვიდრე ოდესმე. დნმ-ის მაკონტროლებელი მანქანა ადვილად უმკლავდება დნმ-ის მასშტაბურ მონაკვეთებს. სინამდვილეში, მთელი გენომი შეიძლება გაკეთდეს რამდენიმე საათში, წლების ნაცვლად, სანგერის თანმიმდევრობის ტექნიკით.

შემდეგი თაობის თანმიმდევრობის მეთოდებს შეუძლიათ გაუმკლავდნენ მაღალი მოცულობის დნმ-ს ანალიზს გამრავლების ან კლონირების დამატებითი ეტაპის გარეშე, რათა მიიღონ საკმარისი დნმ თანმიმდევრობისთვის. დნმ-ის თანმიმდევრობის აპარატები ერთდროულად აწარმოებენ თანმიმდევრობის მრავალჯერად რეაქციას, რაც უფრო იაფი და სწრაფია.

არსებითად, დნმ-ის თანმიმდევრობის ახალი ტექნოლოგია ასობით სანგერის რეაქციას ახორციელებს პატარა, ადვილად ამოსაკითხ მიკროჩიპზე, რომელიც შემდეგ იმუშავებს კომპიუტერული პროგრამის საშუალებით, რომელიც აყალიბებს თანმიმდევრობას.

ტექნიკაში იკითხება დნმ-ის უფრო მოკლე ფრაგმენტები, მაგრამ ის მაინც უფრო სწრაფი და ეფექტურია, ვიდრე სანგერის თანმიმდევრობის მეთოდები, ამიტომ მასშტაბური პროექტებიც კი სწრაფად შეიძლება დასრულდეს.

ადამიანის გენომის პროექტი, დასრულდა 2003 წელს, არის ერთ – ერთი ყველაზე ცნობილი თანმიმდევრობის კვლევა, რომელიც გაკეთებულია დღემდე. 2018 წლის სტატიის თანახმად მეცნიერების ახალი ამბები, ადამიანის გენომი დაახლოებით შედგება 46 831 გენი, რაც თანმიმდევრობის შესანიშნავი გამოწვევა იყო. მსოფლიოს წამყვანმა მეცნიერებმა თითქმის 10 წელი გაატარეს თანამშრომლობასა და კონსულტაციებში. ადამიანის გენომის ეროვნული კვლევის ხელმძღვანელობით

ინსტიტუტმა, პროექტმა წარმატებით მოახდინა ადამიანის გენომის ასახვა ანონიმური სისხლის დონორებისგან აღებული კომპოზიტური ნიმუშის გამოყენებით.

ადამიანის გენომის პროექტი დაეყრდნო ბაქტერიულ ხელოვნურ ქრომოსომის (BAC- ზე დაფუძნებულ) თანმიმდევრობის მეთოდებს ბაზის წყვილების დასახატავად. ტექნიკაში იყენებდნენ ბაქტერიებს დნმ – ის ფრაგმენტების კლონირებისთვის, რის შედეგადაც დიდი რაოდენობით დნმ იწარმოებოდა თანმიმდევრობით. შემდეგ კლონები შემცირდა ზომით, მოათავსეს მომდევნო აპარატში და ააწყვეს მონაკვეთებად, რომლებიც წარმოადგენს ადამიანის დნმ-ს.

გენომიკაში ახალი აღმოჩენები მნიშვნელოვნად ცვლის დაავადების პრევენციის, გამოვლენისა და მკურნალობის მიდგომებს. მთავრობამ მილიარდობით დოლარი დახარჯა დნმ-ის კვლევაში. სამართალდამცავი ორგანოები ეყრდნობიან დნმ-ს ანალიზს საქმის გადასაჭრელად. დნმ-ს ტესტირების ნაკრებების შეძენა შესაძლებელია სახლის გამოყენებისთვის წინაპრების შესასწავლად და გენური ვარიანტების დასადგენად, რომლებიც შეიძლება ჯანმრთელობისთვის საფრთხეს წარმოადგენს:

• გენომური ანალიზი გულისხმობს მრავალი დონის სხვადასხვა სახეობის გენომის მიმდევრობის შედარებას და კონტრასტს ცხოვრების დომენებისა და სამეფოებში. დნმ-ის თანმიმდევრობით შეიძლება გამოვლინდეს გენეტიკური ნიმუშები, რომლებიც ახალ შუქს აყენებს გარკვეული თანმიმდევრობების ევოლუციურად შემოღების დროს. წინაპრებისა და მიგრაციის ძებნა შესაძლებელია დნმ-ის ანალიზის საშუალებით და შედარება ისტორიულ ჩანაწერებთან.

• მიღწევები მედიცინაში ხდება ექსპონენციალური ტემპით, რადგან პრაქტიკულად ადამიანის ყველა დაავადებას აქვს გენეტიკური კომპონენტი. დნმ-ის თანმიმდევრობა ეხმარება მეცნიერებსა და ექიმებს იმის გაგებაში, თუ როგორ ურთიერთქმედებს მრავალი გენი ერთმანეთთან და გარემოსთან. დაავადების აფეთქების გამომწვევი ახალი მიკრობიის დნმ-ის სწრაფი თანმიმდევრობა დაგეხმარებათ ეფექტური მედიკამენტების და ვაქცინების დადგენაში, სანამ პრობლემა გახდება სერიოზული საზოგადოებრივი ჯანმრთელობის პრობლემა. კიბოს უჯრედებსა და სიმსივნეებში გენური ვარიანტები შეიძლება განისაზღვროს და გამოყენებულ იქნას ინდივიდუალური გენური თერაპიის შესაქმნელად.

• სასამართლო ექსპერტიზა აპლიკაციები გამოყენებული იქნა სამართალდამცავების დასახმარებლად, რათა გასწორებულიყო ათასობით რთული საქმე 1980-იანი წლების ბოლოდან იუსტიციის ეროვნული ინსტიტუტი. დანაშაულის ადგილზე მტკიცებულებები შეიძლება შეიცავდეს ძვლის, თმის ან სხეულის ქსოვილის დნმ-ის ნიმუშებს, რომლებიც შეიძლება შედარდეს ეჭვმიტანილის დნმ-ის პროფილთან, რათა დადგინდეს დანაშაული ან უდანაშაულობა. პოლიმერაზული ჯაჭვური რეაქცია (PCR) არის ხშირად გამოყენებული მეთოდი, რათა დადგინდეს თანმიმდევრობა დნმ-ის ასლები კვალი მტკიცებულებებიდან.

• ახლად აღმოჩენილი სახეობების თანმიმდევრობა შეუძლია დაეხმაროს განსაზღვროს რომელი სხვა სახეობაა ერთმანეთთან მჭიდროდ დაკავშირებული და გამოავლინოს ინფორმაცია ევოლუციის შესახებ. ტაქსონომისტები იყენებენ დნმ-ს "შტრიხკოდებს" ორგანიზმების კლასიფიკაციისთვის. თანახმად საქართველოს უნივერსიტეტი 2018 წლის მაისში დაახლოებით 303 სახეობის ძუძუმწოვარია ჯერ აღმოჩენილი.

• გენეტიკური ტესტირება დაავადებებზე ეძებეთ მუტირებული გენის ვარიანტები. უმეტესობა წარმოადგენს ერთ ნუკლეოტიდულ პოლიმორფიზმს (SNP), რაც ნიშნავს, რომ თანმიმდევრობით მხოლოდ ერთი ნუკლეოტიდია შეცვლილი "ნორმალური" ვერსიიდან. გარემო ფაქტორები და ცხოვრების წესი გავლენას ახდენს იმაზე, თუ როგორ და გამოხატულია გარკვეული გენები. გლობალური კომპანიები ახალი თაობის თანმიმდევრობის ტექნოლოგიებს უქმნიან მსოფლიოს მკვლევარებს, რომლებიც დაინტერესებულნი არიან მრავალგენური ურთიერთქმედებით და მთელი გენომის თანმიმდევრობით.

• გენეალოგიის დნმ – ის ნაკრებები გამოიყენეთ დნმ-ის მიმდევრობა მონაცემთა ბაზაში, რათა შეამოწმონ ინდივიდების გენების ვარიანტები. ნაკრები მოითხოვს ნერწყვის ნიმუშს ან ლოყის ტამპონს, რომელიც იგზავნება კომერციულ ლაბორატორიაში ანალიზისთვის. წინაპრების შესახებ ინფორმაციის გარდა, ზოგიერთ კომპლექტს შეუძლია განსაზღვროს ცალკეული ნუკლეოტიდის პოლიმორფიზმი (SNP) ან სხვა ცნობილი გენეტიკური ვარიანტები, როგორიცაა BRCA1 და BRCA2 გენები, რომლებიც დაკავშირებულია ქალის მკერდის მომატებულ რისკთან და საკვერცხის კიბოს.

ახალ ტექნოლოგიებს ხშირად აქვთ სოციალური სარგებლის, აგრეთვე ზიანის მიყენების შესაძლებლობა; მაგალითებში შედის ბირთვული ელექტროსადგურების გაუმართაობა და მასობრივი განადგურების ბირთვული იარაღები. დნმ ტექნოლოგიებიც რისკებს შეიცავს.

ემოციური შეშფოთება დნმ-ის თანმიმდევრობის და გენის რედაქტირების ინსტრუმენტებთან დაკავშირებით, როგორიცაა CRISPR, შეიცავს შიშებს, რომ ამ ტექნოლოგიამ შეიძლება ხელი შეუწყოს ადამიანის კლონირებას ან გამოიწვიოს მოძალადეთა მიერ შექმნილი ტრანსგენული ცხოველები მეცნიერი

უფრო ხშირად, დნმ – ს თანმიმდევრობასთან დაკავშირებული ეთიკური საკითხები დაკავშირებულია ინფორმირებული თანხმობით. მომხმარებლისთვის პირდაპირ დნმ-ს ტესტირებაზე მარტივი წვდომა ნიშნავს, რომ მომხმარებლებმა შეიძლება სრულად ვერ გაიგონ, როგორ გამოიყენებენ, ინახავენ და განაწილებენ მათი გენეტიკური ინფორმაცია. ლეიბები შეიძლება ემოციურად არ იყვნენ მზად გაეცნონ დეფექტურ გენურ ვარიანტებს და ჯანმრთელობის რისკებს.

მესამე პირებმა, როგორიცაა დამსაქმებლები და სადაზღვევო კომპანიები, შეიძლება პოტენციურად განასხვაონ პირები, რომლებსაც აქვთ დეფექტური გენები, რამაც შეიძლება სერიოზული სამედიცინო პრობლემები გამოიწვიოს.