DNS secība: definīcija, metodes, piemēri

Nukleotīdi ir ķīmiski dzīves pamatelementi, un tie atrodas dzīvo organismu DNS. Katrs nukleotīds sastāv no cukurs, fosfāts un a slāpekli saturoša bāze: adenīns (A), timīns (T), citozīns (C) un guanīns (G). Šo nukleotīdu bāzu īpašā secība nosaka, kurus proteīnus, enzīmus un molekulas šūna sintezēs.

Nukleotīdu secības vai secības noteikšana ir svarīga mutācijas, evolūcija, slimības progresēšana, ģenētiskā pārbaude, tiesu ekspertīze un medicīna.

Genomika ir DNS, gēnu, gēnu mijiedarbības un vides ietekmes uz gēniem izpēte. Gēnu sarežģītās iekšējās darbības atšķetināšanas noslēpums ir spēja identificēt to struktūru un atrašanās vietu hromosomās.

Dzīvo organismu plānu nosaka DNS nukleīnskābju bāzes pāru secība (vai secība). Kad DNS atkārtojas, adenīns pārojas ar timīnu un citozīns ar guanīnu; tiek uzskatīti neatbilstoši pāri mutācijas.

Kopš dubultās spirāles dezoksiribonukleīnskābe (DNS) molekula tika konceptualizēta 1953. gadā, ir veikti dramatiski uzlabojumi genomikas un liela mēroga DNS sekvencēšanas jomā. Zinātnieki cītīgi strādā, lai šīs jaunās zināšanas pielietotu individualizētai slimību ārstēšanai.

Tajā pašā laikā notiekošās diskusijas ļauj pētniekiem nepamanīt tik ātri eksplodējošo tehnoloģiju ētiskās sekas.

DNS sekvencēšana ir dažādu nukleotīdu bāzu secības atklāšanas process DNS fragmentos. Visu gēnu sekvencēšana ļauj salīdzināt hromosomas un genomus, kas atrodas vienā un tajā pašā sugā.

Hromosomu kartēšana ir noderīga zinātniskiem pētījumiem. Analizējot sistēmas mehānismus un struktūru gēni, alēles un hromosomu mutācijas DNS molekulās ierosina jaunus veidus, piemēram, ģenētisko traucējumu ārstēšanai un vēža audzēja augšanas apturēšanai.

Frederika Sangera DNS sekvencēšanas metodes sākot ar pagājušā gadsimta 70. gadiem, ievērojami uzlaboja genomikas jomu. Pēc veiksmīgas RNS sekvencēšanas, pētot insulīnu, Sangers jutās gatavs risināt DNS sekvencēšanu. Sangers nebija pirmais zinātnieks, kurš ķērās pie DNS sekvencēšanas. Tomēr viņa gudrās DNS sekvencēšanas metodes, kas izstrādātas tandēmā ar kolēģiem Bergu un Gilbertu, 1980. gadā ieguva Nobela prēmiju.

Sangers zināja sava darba potenciālo vērtību un bieži sadarbojās ar citiem zinātniekiem, kuriem bija kopīgas viņa intereses par DNS, molekulārā bioloģija un dzīvības zinātne.

Kaut arī lēnām un dārgi, salīdzinot ar mūsdienu sekvencēšanas tehnoloģijām, Sangera DNS sekvencēšanas metodes tajā laikā tika cildinātas. Pēc izmēģinājumiem un kļūdām Sangers atrada slepeno bioķīmisko “recepti” DNS virkņu atdalīšanai, vairāk DNS izveidošanai un nukleotīdu secības noteikšanai genomā.

Kvalitatīvus materiālus var viegli iegādāties izmantošanai laboratorijas pētījumos:

• DNS polimerāze ir enzīms, kas nepieciešams DNS ražošanai.
• DNS grunts fermentam stāsta, kur sākt strādāt ar DNS virkni.
• dNTP ir organiskas molekulas, kas sastāv no dezoksiribozes cukura un nukleozīdu trifosfātiem - dATP, dGTP, dCTP un dTTP - kas savāc olbaltumvielas
• Ķēdes terminatori ir krāsas krāsas nukleotīdi, kurus dēvē arī par terminālajiem nukleotīdiem katrai bāzei - A, T, C un G.

Sangers izdomāja, kā DNS sagriezt mazos segmentos, izmantojot enzīmu DNS polimerāzi.

Pēc tam viņš no veidnes izgatavoja vairāk DNS un ievietoja radioaktīvos marķierus jaunajā DNS, lai norobežotu atdalīto virkņu sekcijas. Viņš arī atzina, ka fermentam nepieciešams grunts, kas varētu saistīties ar konkrētu plankumu šablona virknē. 1981. gadā Sangers atkal iegāja vēsturē, noskaidrojot mitohondriju DNS 16 000 bāzes pāru genomu.

Temperatūra ir rūpīgi jāpielāgo visā sekvencēšanas procesā. Pirmkārt, mēģenē pievieno ķīmiskas vielas un silda, lai atšķetinātu (denaturētu) dubultās šķipsnas DNS molekula. Tad temperatūra tiek atdzesēta, ļaujot grunts savienoties.

Pēc tam temperatūra tiek paaugstināta, lai veicinātu optimālu DNS polimerāzes (enzīmu) aktivitāti.

Polimerāzē parasti tiek izmantoti parastie pieejamie nukleotīdi, kurus pievieno augstākā koncentrācijā. Kad polimerāze nonāk līdz “ar ķēdi noslēdzošam” ar krāsvielu saistītam nukleotīdam, polimerāze apstājas un ķēde beidzas tur, kas izskaidro, kāpēc krāsotos nukleotīdus sauc par “ķēdes galiem” vai “Terminatori”.

Process turpinās daudzas, daudzas reizes. Galu galā ar krāsu saistīts nukleotīds ir ievietots katrā atsevišķā DNS secības pozīcijā. Gēla elektroforēze un datorprogrammas pēc tam var noteikt krāsu krāsas katrā DNS virknē un izdomāt visu DNS secību, pamatojoties uz krāsvielu, krāsas stāvokli un garumu virzieni.

Augstas caurlaidspējas secība - parasti sauc par nākamās paaudzes secība - izmanto jaunus sasniegumus un tehnoloģijas, lai ātrāk un lētāk nekā jebkad agrāk sekvencētu nukleotīdu bāzes. DNS sekvencēšanas iekārta var viegli tikt galā ar liela mēroga DNS posmiem. Faktiski visu Sindžera sekvencēšanas paņēmienu vietā vairākus gadus, nevis gadus var izdarīt visus genomus.

Nākamās paaudzes sekvencēšanas metodes var apstrādāt liela apjoma DNS analīzi bez papildu amplifikācijas vai klonēšanas posma, lai iegūtu pietiekami daudz DNS sekvencēšanai. DNS sekvencēšanas mašīnas vienlaikus veic vairākas sekvencēšanas reakcijas, kas ir lētāk un ātrāk.

Būtībā jaunā DNS sekvencēšanas tehnoloģija veic simtiem Sangera reakciju ar nelielu, viegli salasāmu mikroshēmu, kuru pēc tam palaiž caur datorprogrammu, kas apkopo secību.

Tehnika nolasa īsākus DNS fragmentus, taču tā joprojām ir ātrāka un efektīvāka nekā Sangera sekvencēšanas metodes, tāpēc pat liela mēroga projektus var ātri pabeigt.

The Cilvēka genoma projekts, kas pabeigts 2003. gadā, ir viens no slavenākajiem līdz šim veiktajiem secības pētījumiem. Saskaņā ar 2018. gada rakstu Zinātnes ziņas, cilvēka genoms sastāv no aptuveni 46 831 gēns, kas bija milzīgs izaicinājums secībai. Labākie zinātnieki no visas pasaules gandrīz 10 gadus pavadīja, sadarbojoties un konsultējoties. Nacionālā cilvēka genoma pētījumu vadībā

Institūts, projekts veiksmīgi kartēja cilvēka genomu, izmantojot salikto paraugu, kas ņemts no anonīmiem asins donoriem.

Cilvēka genoma projekts balstījās uz baktēriju mākslīgo hromosomu (uz BAC balstītām) sekvencēšanas metodēm, lai attēlotu bāzes pārus. Šajā paņēmienā DNS fragmentu klonēšanai izmantoja baktērijas, kā rezultātā sekvencēšanai tika iegūts liels daudzums DNS. Pēc tam klonu izmērs tika samazināts, ievietoti sekvencēšanas mašīnā un salikti posmos, kas atspoguļo cilvēka DNS.

Jauni atklājumi genomikā būtiski maina pieeju slimību profilaksei, noteikšanai un ārstēšanai. Valdība ir devusi miljardiem dolāru DNS izpētei. Likumsargi, lai atrisinātu lietas, paļaujas uz DNS analīzi. DNS testēšanas komplektus var iegādāties lietošanai mājās, lai izpētītu ciltsdarbus un identificētu gēnu variantus, kas var apdraudēt veselību:

• Genomiskā analīze nozīmē daudzu dažādu sugu genoma sekvences salīdzināšanu un kontrastēšanu dzīves jomās un valstībās. DNS sekvencēšana var atklāt ģenētiskos modeļus, kas atklāj jaunu gaismu, kad noteiktas sekvences tika ieviestas evolucionāri. Senču izcelsmi un migrāciju var izsekot, izmantojot DNS analīzi, un salīdzināt ar vēsturiskajiem ierakstiem.

• Medicīnas sasniegumi notiek eksponenciālā ātrumā, jo praktiski katrai cilvēka slimībai ir ģenētiska sastāvdaļa. DNS sekvencēšana palīdz zinātniekiem un ārstiem saprast, kā vairāki gēni mijiedarbojas viens ar otru un apkārtējo vidi. Jauna mikroba DNS ātra secība, izraisot slimības uzliesmojumu, var palīdzēt noteikt efektīvas zāles un vakcīnas, pirms problēma kļūst par nopietnu sabiedrības veselības problēmu. Gēnu variantus vēža šūnās un audzējos varētu secībā izmantot un izmantot, lai izstrādātu individualizētu gēnu terapiju.

• Kriminālistika pieteikumi ir izmantoti, lai palīdzētu tiesībaizsardzībai uzlauzt tūkstošiem sarežģītu lietu kopš 1980. gadu beigām, norāda Valsts tieslietu institūts. Nozieguma vietas pierādījumos var būt DNS paraugi no kauliem, matiem vai ķermeņa audiem, kurus var salīdzināt ar aizdomās turētā DNS profilu, lai palīdzētu noteikt vainu vai nevainību. Polimerāzes ķēdes reakcija (PCR) ir parasti izmantota metode, lai pirms sekvencēšanas DNS kopijas izgatavotu no pēdām.

• Jaunatklāto sugu secība var palīdzēt noteikt, kuras citas sugas ir visciešāk saistītas, un atklāt informāciju par evolūciju. Taksonomisti organismu klasificēšanai izmanto DNS “svītrkodus”. Saskaņā ar Džordžijas Universitāte 2018. gada maijā vēl tiek atklātas aptuveni 303 zīdītāju sugas.

• Slimību ģenētiskā pārbaude meklēt mutācijas gēnu variantus. Lielākā daļa ir viena nukleotīda polimorfismi (SNP), kas nozīmē, ka tikai viens nukleotīds secībā ir mainīts no “parastās” versijas. Vides faktori un dzīvesveids ietekmē noteiktu gēnu izpausmi un to, vai. Globālie uzņēmumi padara vismodernākās jaunās paaudzes sekvencēšanas tehnoloģijas pieejamas pētniekiem visā pasaulē, kurus interesē multigēnu mijiedarbība un visa genoma sekvencēšana.

• Ģenealoģijas DNS komplekti izmantojiet DNS sekvences savā datu bāzē, lai pārbaudītu indivīda gēnu variantus. Komplektam nepieciešams siekalu paraugs vai vaigu tampons, kas analīzes nolūkos tiek nosūtīts uz komerciālo laboratoriju. Papildus informācijai par izcelsmi daži komplekti var identificēt atsevišķus nukleotīdu polimorfismus (SNP) vai citus labi zināmi ģenētiskie varianti, piemēram, BRCA1 un BRCA2 gēni, kas saistīti ar paaugstinātu sieviešu krūts risku un olnīcu vēzis.

Jaunās tehnoloģijas bieži vien sniedz sociālu labumu, kā arī kaitējuma iespēju; piemēri ietver nepareizi funkcionējošas atomelektrostacijas un masu iznīcināšanas kodolieročus. Arī DNS tehnoloģijām ir risks.

Emocionālās bažas par DNS sekvencēšanu un gēnu rediģēšanas rīkiem, piemēram, CRISPR, ietver bažas, ka tehnoloģija var atvieglot cilvēku klonēšanu vai novest pie mutantiem transgēniem dzīvniekiem, kurus radījis negodīgi zinātnieks.

Biežāk ētikas jautājumi, kas saistīti ar DNS sekvencēšanu, ir saistīti ar apzinātu piekrišanu. Viegla piekļuve tiešai patērētāja DNS pārbaudei nozīmē, ka patērētāji var pilnībā nesaprast, kā viņu ģenētiskā informācija tiks izmantota, glabāta un koplietota. Laji, iespējams, nav emocionāli gatavi uzzināt par saviem nepilnīgajiem gēnu variantiem un veselības riskiem.

Trešās personas, piemēram, darba devēji un apdrošināšanas sabiedrības, varētu diskriminēt personas, kurām ir bojāti gēni, kas var izraisīt nopietnas medicīniskas problēmas.