Послідовність ДНК: визначення, методи, приклади

Нуклеотиди є хімічними будівельними блоками життя і знаходяться в ДНК живих організмів. Кожен нуклеотид складається з цукор, фосфат і a азотовмісна основа: аденін (A), тимін (T), цитозин (C) та гуанін (G). Конкретний порядок цих основ нуклеотидів визначає, які білки, ферменти та молекули будуть синтезовані клітиною.

Визначення порядку або послідовності нуклеотидів є важливим для вивчення мутації, еволюція, прогресування хвороби, генетичне тестування, судово-медичні дослідження та медицина.

Геноміка - це вивчення ДНК, генів, взаємодії генів та впливу навколишнього середовища на гени. Секрет розкриття складної внутрішньої роботи генів полягає в можливості ідентифікувати їх структуру та розташування на хромосомах.

План живих організмів визначається порядком (або послідовністю) пар основ нуклеїнових кислот у ДНК. Коли ДНК реплікується, аденін поєднується з тиміном, а цитозин - з гуаніном; розглядаються невідповідні пари мутації.

Так як подвійна спіраль дезоксирибонуклеїнова кислота

У той же час постійні дискусії дозволяють дослідникам стежити за етичними наслідками таких швидко вибухових технологій.

Секвенування ДНК - це процес виявлення послідовності різних нуклеотидних основ у фрагментах ДНК. Секвенування цілих генів дозволяє порівняти хромосоми та геноми, наявні в одних і тих самих видів.

Картування хромосом корисно для наукових досліджень. Аналіз механізмів та структури гени, алелі та хромосомні мутації в молекулах ДНК пропонує, наприклад, нові способи лікування генетичних порушень та зупинки росту ракової пухлини.

Методи секвенування ДНК Фредеріка Сангера значно розвинув область геноміки, починаючи з 1970-х років. Сангер відчув готовність взятися за секвенування ДНК після успішного секвенування РНК під час вивчення інсуліну. Сангер був не першим вченим, який займався секвенуванням ДНК. Однак його розумні методи секвенування ДНК, розроблені в тандемі з колегами Бергом та Гілбертом, отримали Нобелівську премію в 1980 році.

Сангер знав потенційну цінність його роботи і часто співпрацював з іншими вченими, які поділяли його інтереси до ДНК, молекулярна біологія і наука про життя.

Хоча повільні та дорогі в порівнянні з сучасними технологіями секвенування, методи секвенування ДНК Сангера в той час були високо оцінені. Після спроб і помилок Сангер знайшов секретний біохімічний "рецепт" для відокремлення ланцюгів ДНК, створення більше ДНК та визначення порядку нуклеотидів у геномі.

Якісні матеріали можна легко придбати для використання в лабораторних дослідженнях:

• ДНК-полімераза - це фермент, необхідний для утворення ДНК.
• ДНК-праймер повідомляє ферменту, з чого почати працювати над ланцюгом ДНК.
• dNTP - це органічні молекули, що складаються з дезоксирибозного цукру та нуклеозидтрифосфатів - dATP, dGTP, dCTP і dTTP - що збирають білки
• Ланцюгові термінатори - це нуклеотиди забарвленого кольору, які також називаються термінаторними нуклеотидами для кожної основи - A, T, C та G.

Сангер придумав, як розрізати ДНК на невеликі сегменти за допомогою ферменту ДНК-полімерази.

Потім він зробив більше ДНК із шаблону та вставив радіоактивні індикатори в нову ДНК для розмежування ділянок відокремлених ниток. Він також визнав, що ферменту потрібен праймер, який би міг зчепитися з певним місцем на матриці ланцюга. У 1981 році Сангер знову увійшов в історію, з’ясувавши геном 16 000 пар основ ДНК мітохондрій.

Температуру потрібно ретельно регулювати протягом усього процесу секвенування. Спочатку в трубку додають хімічні речовини, які нагрівають для розплутування (денатурації) дволанцюжкової Молекула ДНК. Потім температуру охолоджують, дозволяючи грунтовці зчепитися.

Далі температуру підвищують, щоб стимулювати оптимальну активність ДНК-полімерази (ферменту).

Полімераза, як правило, використовує звичайні доступні нуклеотиди, які додають у більш високій концентрації. Коли полімераза потрапляє до пов'язаного з барвником нуклеотиду, що закінчується ланцюгом, полімераза зупиняється, і ланцюг там закінчується, що пояснює, чому пофарбовані нуклеотиди називаються «кінцевим ланцюгом» або "Термінатори".

Процес триває багато-багато разів. Зрештою, пов'язаний з барвником нуклеотид був розміщений у кожному окремому положенні послідовності ДНК. Потім гель-електрофорез та комп’ютерні програми можуть ідентифікувати кольори барвника на кожному з ланцюгів ДНК і з'ясувати всю послідовність ДНК на основі барвника, положення барвника та довжини пасма.

Високопродуктивне секвенування - зазвичай називається секвенування наступного покоління - використовує нові досягнення та технології для секвенування нуклеотидних основ швидше та дешевше, ніж будь-коли раніше. Машина для секвенування ДНК може легко обробляти широкомасштабні ділянки ДНК. Насправді цілі геноми можна зробити за лічені години, а не за роки за допомогою методів секвенування Сангера.

Методи секвенування наступного покоління можуть обробляти великомасштабний аналіз ДНК без додаткового етапу ампліфікації або клонування, щоб отримати достатньо ДНК для секвенування. Машини для секвенування ДНК запускають кілька реакцій секвенування одночасно, що дешевше і швидше.

По суті, нова технологія секвенування ДНК запускає сотні реакцій Сангера на маленькому легко читаному мікрочіпі, який потім запускається через комп'ютерну програму, яка збирає послідовність.

Методика зчитує коротші фрагменти ДНК, але вона все одно швидша та ефективніша, ніж методи секвенування Сангера, тому навіть великі проекти можна швидко виконати.

Проект геному людини, завершене в 2003 році, є одним з найвідоміших досліджень секвенування, проведених на сьогоднішній день. Відповідно до статті 2018 року в Наукові новини, геном людини складається приблизно 46 831 генів, що було грізним викликом послідовності. Провідні вчені з усього світу провели майже 10 років, співпрацюючи та консультуючи. Під керівництвом Національного дослідження геному людини

Інститут, проект успішно намітив геном людини за допомогою складеної проби, взятої у анонімних донорів крові.

Проект геному людини покладався на методи секвенування бактеріальної штучної хромосоми (на основі BAC) для нанесення на карту пар основ. Ця техніка використовувала бактерії для клонування фрагментів ДНК, що призводило до великої кількості ДНК для секвенування. Потім клони зменшили в розмірі, помістили в машину для секвенування та зібрали в ділянки, що представляють ДНК людини.

Нові відкриття в геноміці глибоко змінюють підходи до запобігання, виявлення та лікування захворювань. Уряд виділив мільярди доларів на дослідження ДНК. Для вирішення справ правоохоронні органи покладаються на аналіз ДНК. Набори для тестування ДНК можна придбати для домашнього використання для дослідження походження та виявлення варіантів генів, які можуть становити ризик для здоров’я:

• Геномний аналіз тягне за собою порівняння та протиставлення послідовностей геномів багатьох різних видів у сферах та царствах життя. Секвенування ДНК може виявити генетичні закономірності, які проливають нове світло, коли певні послідовності були введені еволюційно. Родовід та міграція можна простежити за допомогою аналізу ДНК та порівняти з історичними записами.

• Досягнення медицини відбуваються з експоненціальною швидкістю, оскільки практично кожна хвороба людини має генетичний компонент. Секвенування ДНК допомагає вченим та лікарям зрозуміти, як множинні гени взаємодіють між собою та навколишнім середовищем. Швидке секвенування ДНК нового мікроба, що викликає спалах хвороби, може допомогти визначити ефективні ліки та вакцини до того, як проблема стане серйозною проблемою охорони здоров'я. Варіанти генів у ракових клітинах та пухлинах можна секвенувати та використовувати для розробки індивідуальної генної терапії.

• Криміналістика Програми використовувались, щоб допомогти правоохоронним органам розірвати тисячі складних справ, починаючи з кінця 1980-х років, повідомляє Національний інститут юстиції. Докази місця злочину можуть містити зразки ДНК з кісток, волосся або тканин тіла, які можна порівняти з ДНК-профілем підозрюваного, щоб допомогти визначити провину чи невинність. Полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) - це загальновживаний метод копіювання ДНК із слідів слідів до секвенування.

• Секвенування нововиявлених видів може допомогти визначити, які інші види найбільш тісно пов’язані, та розкрити інформацію про еволюцію. Таксономісти використовують ДНК-штрих-коди для класифікації організмів. Відповідно з Університет Грузії у травні 2018 року, за оцінками, ще не виявлено 303 види ссавців.

• Генетичне тестування на захворювання шукати мутовані варіанти генів. Більшість із них є однонуклеотидними поліморфізмами (SNP), що означає, що лише один нуклеотид у послідовності змінений із “нормальної” версії. Фактори навколишнього середовища та спосіб життя впливають на те, як і якщо експресуються певні гени. Світові компанії роблять передові технології секвенування нового покоління доступними для дослідників у всьому світі, зацікавлених у багатогенетичній взаємодії та секвенуванні цілого геному.

• Генеалогічні набори ДНК використовувати послідовності ДНК у своїй базі даних, щоб перевірити наявність варіантів у генах людини. Для набору необхідний зразок слини або мазок щоки, який відправляється в комерційну лабораторію для аналізу. На додаток до інформації про походження, деякі набори можуть ідентифікувати однонуклеотидні поліморфізми (SNP) або інші добре відомі генетичні варіанти, такі як гени BRCA1 та BRCA2, пов'язані з підвищеним ризиком для жіночих грудей та рак яєчників.

Нові технології часто приходять із можливістю соціальної вигоди, а також шкоди; приклади включають несправні атомні електростанції та ядерну зброю масового знищення. ДНК-технології теж мають ризики.

Емоційні занепокоєння щодо секвенування ДНК та інструментів редагування генів, таких як CRISPR, включають побоювання, що Технологія може полегшити клонування людини або призвести до мутантних трансгенних тварин, створених мошенником учений.

Частіше етичні питання, пов'язані з секвенуванням ДНК, пов'язані з інформованою згодою. Легкий доступ до тестування ДНК безпосередньо для споживача означає, що споживачі можуть не до кінця розуміти, як їх генетична інформація буде використовуватися, зберігатися та ділитися. Миряни можуть бути емоційно не готові дізнатися про свої дефектні варіанти генів та ризики для здоров'я.

Треті сторони, такі як роботодавці та страхові компанії, можуть потенційно дискримінувати осіб, які мають дефектні гени, що може спричинити серйозні медичні проблеми.