تسلسل الحمض النووي: التعريف ، الطرق ، الأمثلة

المحتوى

• الجينوم وتسلسل الحمض النووي
• تعريف تسلسل الحمض النووي
• تسلسل الحمض النووي: البحث المبكر
• كان أعظم طموح سانغر هو تسلسل جينومات كاملة على نطاق واسع ، ولكن تسلسل أزواج قاعدية للبكتيريا الصغيرة باهتة مقارنة بتسلسل ثلاثة مليارات زوج من الجينوم البشري. ومع ذلك ، فإن تعلم كيفية ترتيب تسلسل الجينوم الكامل للبكتيريا المتدنية كان خطوة كبيرة نحو تجميع الجينوم البشري بأكمله معًا. لأن الدنا والكروموسومات تتكون من ملايين الأزواج الأساسية ، ومعظم طرق التسلسل تفصل الحمض النووي إلى فروع صغيرة ، و ثم يتم تقسيم شرائح الحمض النووي معًا ؛ يستغرق الأمر وقتًا أو آلات سريعة ومتطورة.
• أساسيات تسلسل الحمض النووي
• طرق تسلسل الحمض النووي: طرق سانجر
• تطور مثير آخر كان طريقة البندقية التي أخذت عينات وتسلسل بشكل عشوائي حتى 700 زوج قاعدة في وقت واحد. يُعرف Sanger أيضًا باستخدامه طريقة dideoxy (dideoxynucleotide) التي تُدرج سلسلة من النيوكليوتيدات التي تنتهي في السلسلة أثناء تخليق الحمض النووي لتمييز أجزاء من الحمض النووي لتحليلها.
• خطوات تسلسل الحمض النووي
• التقدم في تكنولوجيا تسلسل الحمض النووي
• مشروع الجينوم البشري
• أمثلة تسلسل الحمض النووي الأخرى
• الآثار الأخلاقية لتسلسل الحمض النووي

النيوكليوتيدات هي لبنات البناء الكيميائية للحياة وتوجد في الحمض النووي للكائنات الحية. كل نكليوتيد يتكون من السكر, فوسفات و قاعدة تحتوي على النيتروجين: الأدينين (A) ، الثيمين (T) ، السيتوزين (C) والجوانين (G). يحدد الترتيب المحدد لقواعد النيوكليوتيد أي البروتينات والإنزيمات والجزيئات التي سيتم تصنيعها بواسطة الخلية.

تحديد الترتيب ، أو تسلسل النيوكليوتيدات ، مهم لدراسة الطفرات والتطور وتطور المرض والاختبار الجيني والتحقيق الجنائي والطب.

الجينوم وتسلسل الحمض النووي

علم الجينوم هي دراسة الحمض النووي والجينات والتفاعلات الجينية والتأثيرات البيئية على الجينات. سر كشف الأعمال الداخلية المعقدة للجينات هو القدرة على تحديد تركيبها وموقعها على الكروموسومات.

يتم تحديد الأزرق للكائنات الحية حسب ترتيب (أو تسلسل) أزواج قاعدة الحمض النووي في الحمض النووي. عندما يتكاثر الحمض النووي ، أزواج الأدينين مع الثيمين ، والسيتوزين مع الجوانين. تعتبر أزواج غير متطابقة الطفرات.

منذ أن تم تصور جزيء الحمض النووي الحلزوني الحلقي المزدوج (DNA) في عام 1953 ، تم إجراء تحسينات جذرية في مجال الجينوميات وتسلسل الحمض النووي على نطاق واسع. يعمل العلماء بجد لتطبيق هذه المعرفة الجديدة على العلاج الفردي للأمراض.

في الوقت نفسه ، تسمح المناقشات الجارية للباحثين بالبقاء في صدارة الآثار الأخلاقية لهذه التقنيات السريعة الانفجار.

تعريف تسلسل الحمض النووي

تسلسل الحمض النووي هو عملية اكتشاف تسلسل قواعد النوكليوتيدات المختلفة في قصاصات الحمض النووي. يسمح تسلسل الجينات الكاملة بإجراء مقارنات بين الكروموسومات والجينومات الموجودة في نفس الأنواع المختلفة.

يعد تحديد الكروموسومات مفيدًا للبحث العلمي. إن تحليل آليات وهيكل الجينات والأليلات والطفرات الصبغية في جزيئات الحمض النووي يوحي بطرق جديدة لعلاج الاضطرابات الوراثية ووقف نمو الأورام السرطانية ، على سبيل المثال.

تسلسل الحمض النووي: البحث المبكر

فريدريك سانجر طرق تسلسل الحمض النووي تقدمت بشكل كبير في مجال الجينوم ابتداء من 1970s. شعر سانجر بأنه مستعد لمعالجة تسلسل الحمض النووي بعد تسلسل الحمض النووي الريبي بنجاح عند دراسة الأنسولين. لم يكن سانجر أول عالم يشارك في تسلسل الحمض النووي. ومع ذلك ، فإن طرقه الذكية لتسلسل الحمض النووي - تم تطويرها جنبًا إلى جنب مع زملائه بيرغ وجيلبرت - حصلت على جائزة نوبل في عام 1980.

كان أعظم طموح سانغر هو تسلسل جينومات كاملة على نطاق واسع ، ولكن تسلسل أزواج قاعدية للبكتيريا الصغيرة باهتة مقارنة بتسلسل ثلاثة مليارات زوج من الجينوم البشري. ومع ذلك ، فإن تعلم كيفية ترتيب تسلسل الجينوم الكامل للبكتيريا المتدنية كان خطوة كبيرة نحو تجميع الجينوم البشري بأكمله معًا. لأن الدنا والكروموسومات تتكون من ملايين الأزواج الأساسية ، ومعظم طرق التسلسل تفصل الحمض النووي إلى فروع صغيرة ، و ثم يتم تقسيم شرائح الحمض النووي معًا ؛ يستغرق الأمر وقتًا أو آلات سريعة ومتطورة.

أساسيات تسلسل الحمض النووي

عرف سانجر القيمة المحتملة لعمله وكثيرا ما تعاون مع علماء آخرين شاركوا اهتماماته في الحمض النووي والبيولوجيا الجزيئية وعلوم الحياة.

على الرغم من بطئه ومكلفته مقارنة بتقنيات التسلسل اليوم ، إلا أن أساليب تسلسل الحمض النووي لـ Sanger كانت موضع إشادة في ذلك الوقت. بعد التجربة والخطأ ، وجد سانجر "الوصفة" الكيميائية الحيوية السرية لفصل فروع الحمض النووي ، وخلق المزيد من الحمض النووي وتحديد ترتيب النيوكليوتيدات في الجينوم.

يمكن شراء مواد عالية الجودة بسهولة لاستخدامها في الدراسات المختبرية:

طرق تسلسل الحمض النووي: طرق سانجر

اكتشف سانجر كيفية تقطيع الحمض النووي إلى شرائح صغيرة باستخدام إنزيم بوليميريز الحمض النووي.

ثم قام بعمل المزيد من الحمض النووي من قالب وإدخال مقتطفات مشعة في الحمض النووي الجديد لترسيم أقسام من فروع منفصلة. لقد أدرك أيضًا أن الإنزيم يحتاج إلى كتاب تمهيدي يمكن أن يرتبط بمكان معين على شريط القالب. في عام 1981 ، صنع سانجر التاريخ من خلال اكتشاف جينوم أزواج الحمض النووي الأساسية لـ 16000 زوج من الحمض النووي للميتوكوندريا.

تطور مثير آخر كان طريقة البندقية التي أخذت عينات وتسلسل بشكل عشوائي حتى 700 زوج قاعدة في وقت واحد. يُعرف Sanger أيضًا باستخدامه طريقة dideoxy (dideoxynucleotide) التي تُدرج سلسلة من النيوكليوتيدات التي تنتهي في السلسلة أثناء تخليق الحمض النووي لتمييز أجزاء من الحمض النووي لتحليلها.

خطوات تسلسل الحمض النووي

يجب ضبط درجة الحرارة بعناية خلال عملية التسلسل. أولاً ، تضاف المواد الكيميائية إلى أنبوب ويتم تسخينها للكشف عن (جرد) جزيء الحمض النووي المزدوج تقطعت به السبل. ثم يتم تبريد درجة الحرارة ، مما يتيح التمهيدي للسندات.

بعد ذلك ، يتم رفع درجة الحرارة لتشجيع نشاط إنزيم بوليميريز DNA الأمثل.

يستخدم بوليميريز عادة النيوكليوتيدات الطبيعية المتاحة ، والتي تضاف بتركيز أعلى.عندما يصل بوليميريز إلى "إنهاء السلسلة" النيوكليوتيد المرتبط بالصبغ ، يتوقف البوليميريز ، وتنتهي السلسلة هناك ، وهو ما يفسر سبب تسمية النيوكليوتيدات المصبوغة باسم "إنهاء السلسلة" أو "أطراف الإنهاء".

تستمر العملية عدة مرات. في النهاية ، تم وضع النيوكليوتيدات المرتبطة بالصبغة في كل موقف من تسلسل الحمض النووي. يمكن عندئذٍ للكشف الكهربائي عن الهلام وبرامج الكمبيوتر تحديد ألوان الصبغة على كل من خيوط الحمض النووي ومعرفة تسلسل الحمض النووي بأكمله بناءً على الصبغة وموضع الصبغة وطول الخيوط.

التقدم في تكنولوجيا تسلسل الحمض النووي

تسلسل عالي الإنتاجية - يشار إليها عمومًا باسم تسلسل الجيل القادم - يستخدم تطورات وتقنيات جديدة لتسلسل قواعد النوكليوتيدات بسرعة أكبر وبتكلفة أقل من أي وقت مضى. يمكن لآلة تسلسل الحمض النووي التعامل بسهولة مع امتدادات الحمض النووي على نطاق واسع. في الواقع ، يمكن إجراء الجينومات بأكملها في غضون ساعات ، بدلاً من سنوات باستخدام تقنيات تسلسل Sanger.

يمكن لطرق التسلسل من الجيل التالي أن تتعامل مع تحليل الحمض النووي ذي الحجم الكبير دون الخطوة الإضافية المتمثلة في التضخيم أو الاستنساخ للحصول على الحمض النووي الكافي للتسلسل. تشغيل آلات تسلسل الحمض النووي تفاعلات تسلسل متعددة في وقت واحد ، وهو أرخص وأسرع.

تعمل تقنية تسلسل الحمض النووي الجديدة بشكل أساسي على تشغيل مئات من ردود فعل Sanger على رقاقة صغيرة يمكن قراءتها بسهولة والتي يتم تشغيلها بعد ذلك من خلال برنامج كمبيوتر يجمع التسلسل.

تقرأ هذه التقنية شظايا الحمض النووي الأقصر ، لكنها لا تزال أسرع وأكثر كفاءة من طرق تسلسل سانغر ، لذلك يمكن إكمال المشاريع الكبيرة بسرعة.

مشروع الجينوم البشري

ال مشروع الشفرة الوراثية البشرية، التي أنجزت في عام 2003 ، هي واحدة من الدراسات التسلسل الأكثر شهرة القيام به حتى الآن. وفقا لمقال 2018 في أخبار العلوميتكون الجينوم البشري من حوالي 46،831 جين، والذي كان تحديا هائلا للتسلسل. قضى كبار العلماء من جميع أنحاء العالم ما يقرب من 10 سنوات في التعاون والاستشارات. بقيادة أبحاث الجينوم البشري الوطنية

معهد ، رسم المشروع بنجاح الجينوم البشري باستخدام عينة مركبة مأخوذة من المتبرعين بالدم مجهولين.

اعتمد مشروع الجينوم البشري على طرق تسلسل كروموسوم اصطناعي بكتيري (مقرها BAC) لرسم أزواج الأساس. استخدمت التقنية البكتيريا لاستنساخ شظايا الحمض النووي ، مما أدى إلى كميات كبيرة من الحمض النووي للتسلسل. تم تقليص حجم الحيوانات المستنسخة ، ووضعها في آلة التسلسل وتجميعها في امتدادات تمثل الحمض النووي البشري.

أمثلة تسلسل الحمض النووي الأخرى

إن الاكتشافات الجديدة في علم الجينوم تغيّر بشكل كبير مناهج الوقاية من الأمراض واكتشافها وعلاجها. خصصت الحكومة مليارات الدولارات لأبحاث الحمض النووي. يعتمد تطبيق القانون على تحليل الحمض النووي لحل الحالات. يمكن شراء مجموعات اختبار الحمض النووي للاستخدام المنزلي للبحث عن الأجناس وتحديد المتغيرات الجينية التي قد تشكل مخاطر صحية:

الآثار الأخلاقية لتسلسل الحمض النووي

التقنيات الحديثة تأتي في كثير من الأحيان مع إمكانية الاستفادة الاجتماعية ، وكذلك الضرر ؛ وتشمل الأمثلة عطل محطات الطاقة النووية وأسلحة الدمار الشامل النووية. تقنيات الحمض النووي تأتي مع المخاطر أيضا.

تشمل المخاوف العاطفية حول تسلسل الحمض النووي وأدوات تحرير الجينات مثل كريسبر المخاوف من أن التكنولوجيا قد تسهل استنساخ البشر ، أو تؤدي إلى الحيوانات المحورة وراثيا المتحولة التي أنشأها عالم مارق.

في أكثر الأحيان ، تتعلق القضايا الأخلاقية المتعلقة بتسلسل الحمض النووي بالموافقة المستنيرة. سهولة الوصول إلى اختبار الحمض النووي المباشر للمستهلك يعني أن المستهلكين قد لا يفهمون تمامًا كيف سيتم استخدام معلوماتهم الوراثية وتخزينها ومشاركتها. قد لا يكون الأشخاص العاديون مستعدين عاطفياً للتعرف على متغيرات الجينات التالفة ومخاطرها الصحية.

يمكن لأطراف ثالثة مثل أرباب العمل وشركات التأمين التمييز ضد الأفراد الذين يحملون جينات معيبة قد تؤدي إلى مشاكل طبية خطيرة.