Sisältö
- Genomiikka ja DNA-sekvensointi
- Määritelmä DNA-sekvensointi
- DNA-sekvensointi: Varhainen tutkimus
- Sangerin suurin tavoite oli sekvensoida laajamittaisia kokonaisia genomeja, mutta pienimuotoisten bakteriofaagien emäsparien sekvensointi palaa verrattuna ihmisen perimän 3 miljardin emäsparin sekvensointiin. Siitä huolimatta, matalan bakteriofagin koko genomin sekvensoinnin oppiminen oli tärkeä askel kohti koko ihmisgenomin yhdistämistä. Koska DNA ja kromosomit koostuvat miljoonista emäsparista, useimmat sekvensointimenetelmät erottavat DNA: n pieniksi juosteiksi, ja sitten DNA-segmentit pierruutetaan yhteen; se vie vain aikaa tai nopeita, hienostuneita koneita.
- DNA-sekvensoinnin perusteet
- DNA-sekvensointimenetelmät: Sanger-menetelmät
- Toinen jännittävä kehitys oli ampuma-asemenetelmä, joka satunnaisesti näytti ja sekvensoi jopa 700 emäsparia kerrallaan. Sanger tunnetaan myös siitä, että hän käyttää dideoksi- (dideoksinukleotidimetodi) -menetelmää, joka lisää ketjun päättävän nukleotidin DNA-synteesin aikana merkitsemään DNA-osia analyysiä varten. Dideoksinukleotidit hajottavat DNA-polymeraasiaktiivisuuden ja estävät nukleotideja rakentamasta DNA-jonoon.
- DNA-sekvensointivaiheet
- DNA-sekvensointitekniikan edistysaskel
- Ihmisgenomiprojekti
- Muut esimerkit DNA: n sekvensoinnista
- DNA-sekvensoinnin eettiset vaikutukset
Nukleotidit ovat elämän kemiallisia rakennuspalikoita ja niitä esiintyy elävien organismien DNA: ssa. Jokainen nukleotidi koostuu sokeri, fosfaatti ja a typpeä sisältävä emäs: adeniini (A), tymiini (T), sytosiini (C) ja guaniini (G). Näiden nukleotidiemästen erityinen järjestys määrää, mitkä proteiinit, entsyymit ja molekyylit solun syntetisoivat.
Nukleotidijärjestyksen tai sekvenssin määrittäminen on tärkeää mutaatioiden, evoluution, sairauden etenemisen, geenitestauksen, oikeuslääketutkimuksen ja lääketieteen tutkimuksessa.
Genomiikka ja DNA-sekvensointi
genomiikka on DNA: n, geenien, geenien vuorovaikutusten ja geenien ympäristövaikutusten tutkimus. Geenien monimutkaisten sisäisten toimintojen purkamisen salaisuus on kyky tunnistaa niiden rakenne ja sijainti kromosomeissa.
Elävien organismien sininen määräytyy DNA: ssa olevien nukleiinihappo emäsparien järjestyksen (tai sekvenssin) perusteella. Kun DNA replikoituu, adeniini parittuu tymiinin kanssa ja sytosiini guaniinin kanssa; sopimattomia pareja pidetään mutaatiot.
Koska kaksoisheeliksinen deoksiribonukleiinihappomolekyyli (DNA) käsiteltiin vuonna 1953, genomiikan ja suurten DNA-sekvensointien alalla on tehty dramaattisia parannuksia. Tutkijat pyrkivät ahkerasti soveltamaan tätä uutta tietoa sairauksien yksilölliseen hoitoon.
Samaan aikaan meneillään olevat keskustelut antavat tutkijoille mahdollisuuden pysyä edellä tällaisen nopeasti räjähtävän tekniikan eettisistä vaikutuksista.
Määritelmä DNA-sekvensointi
DNA-sekvensointi on prosessi, jolla havaitaan eri nukleotidiemästen sekvenssi DNA-katkelmissa. Koko geenisekvensointi mahdollistaa kromosomien ja genomien vertailun samoissa ja eri lajeissa.
Kromosomien kartoittaminen on hyödyllistä tieteelliselle tutkimukselle. DNA-molekyylien geenien, alleelien ja kromosomimutaatioiden mekanismien ja rakenteen analysointi ehdottaa uusia tapoja hoitaa geneettisiä häiriöitä ja estää esimerkiksi syöpäkasvaimen kasvu.
DNA-sekvensointi: Varhainen tutkimus
Frederick Sangerin DNA-sekvensointimenetelmät on edennyt huomattavasti genomiikan alaa 1970-luvulta alkaen. Sanger tunsi olevansa valmis käsittelemään DNA-sekvensointia RNA: n onnistuneen sekvensoinnin jälkeen tutkiessaan insuliinia. Sanger ei ollut ensimmäinen tiedemies, joka välitti DNA-sekvensointia. Hänen taitavat DNA-sekvensointimenetelmänsä - kehitetty yhdessä kollegoiden Bergin ja Gilbertin kanssa - ansaitsivat kuitenkin Nobel-palkinnon vuonna 1980.
Sangerin suurin tavoite oli sekvensoida laajamittaisia kokonaisia genomeja, mutta pienimuotoisten bakteriofaagien emäsparien sekvensointi palaa verrattuna ihmisen perimän 3 miljardin emäsparin sekvensointiin. Siitä huolimatta, matalan bakteriofagin koko genomin sekvensoinnin oppiminen oli tärkeä askel kohti koko ihmisgenomin yhdistämistä. Koska DNA ja kromosomit koostuvat miljoonista emäsparista, useimmat sekvensointimenetelmät erottavat DNA: n pieniksi juosteiksi, ja sitten DNA-segmentit pierruutetaan yhteen; se vie vain aikaa tai nopeita, hienostuneita koneita.
DNA-sekvensoinnin perusteet
Sanger tiesi työnsä potentiaalisen arvon ja teki usein yhteistyötä muiden tutkijoiden kanssa, jotka olivat kiinnostuneita DNA: sta, molekyylibiologiasta ja biotieteistä.
Vaikka Sangerin DNA-sekvensointimenetelmät olivat hitaita ja kalliimpia kuin nykypäivän sekvensointitekniikoissa, niitä tuolloin kehutettiin. Kokeilun ja virheen jälkeen Sanger löysi salaisen biokemiallisen ”reseptin” DNA-juosteiden erottamiseksi, lisäämällä DNA: ta ja tunnistamaan nukleotidien järjestyksen genomissa.
Laadukkaita materiaaleja voi ostaa helposti käytettäväksi laboratoriotutkimuksissa:
DNA-sekvensointimenetelmät: Sanger-menetelmät
Sanger keksi kuinka leikata DNA pieniin segmentteihin käyttämällä entsyymi-DNA-polymeraasia.
Sitten hän valmisti lisää DNA: ta templaatista ja lisäsi radioaktiivisia merkkiaineita uuteen DNA: han erotettujen juosteiden osien rajaamiseksi. Hän tunnisti myös, että entsyymi tarvitsi alukkeen, joka voisi sitoutua tiettyyn kohtaan templaattiketjulla. Vuonna 1981 Sanger teki jälleen historian selvittämällä mitokondriaalisen DNA: n 16 000 emäsparin genomin.
Toinen jännittävä kehitys oli ampuma-asemenetelmä, joka satunnaisesti näytti ja sekvensoi jopa 700 emäsparia kerrallaan. Sanger tunnetaan myös siitä, että hän käyttää dideoksi- (dideoksinukleotidimetodi) -menetelmää, joka lisää ketjun päättävän nukleotidin DNA-synteesin aikana merkitsemään DNA-osia analyysiä varten. Dideoksinukleotidit hajottavat DNA-polymeraasiaktiivisuuden ja estävät nukleotideja rakentamasta DNA-jonoon.
DNA-sekvensointivaiheet
Lämpötila on säädettävä huolellisesti koko sekvensointiprosessin ajan. Ensin kemikaalit lisätään putkeen ja kuumennetaan kaksijuosteisen DNA-molekyylin purkamiseksi (denaturoimiseksi). Sitten lämpötila jäähdytetään, mikä antaa pohjusteen sitoutua.
Seuraavaksi lämpötilaa nostetaan optimaalisen DNA-polymeraasi (entsyymi) aktiivisuuden edistämiseksi.
Polymeraasi käyttää tyypillisesti käytettävissä olevia normaaleja nukleotideja, joita lisätään korkeammassa konsentraatiossa.Kun polymeraasi pääsee “ketjun päättävään” väriliitettyyn nukleotidiin, polymeraasi pysähtyy ja ketju päättyy siihen, mikä selittää, miksi värjättyjä nukleotidejä kutsutaan “ketjun päättäviksi” tai “terminaattoreiksi”.
Prosessi jatkuu monta, monta kertaa. Lopulta väriaineeseen kytketty nukleotidi on sijoitettu DNA-sekvenssin jokaiseen kohtaan. Geelielektroforeesi ja tietokoneohjelmat voivat sitten tunnistaa väriainevärit jokaisessa DNA-juosteessa ja selvittää koko DNA-sekvenssin väriaineen, väriaineen sijainnin ja juosteiden pituuden perusteella.
DNA-sekvensointitekniikan edistysaskel
Suorituskykyinen sekvensointi - yleisesti nimeltään seuraavan sukupolven sekvensointi - käyttää uusia parannuksia ja tekniikoita nukleotidiemästen sekvensointiin nopeammin ja halvemmin kuin koskaan ennen. DNA-sekvensointikone pystyy helposti käsittelemään suurikokoisia DNA-osia. Itse asiassa koko genomit voidaan tehdä muutamassa tunnissa Sangerin sekvensointitekniikoiden sijasta vuosien sijasta.
Seuraavan sukupolven sekvensointimenetelmät voivat käsitellä suuren tilavuuden DNA-analyysejä ilman lisättyä monistus- tai kloonausvaihetta riittävän DNA: n saamiseksi sekvensointiin. DNA-sekvensointikoneet suorittavat useita sekvensointireaktioita kerralla, mikä on halvempaa ja nopeampaa.
Pohjimmiltaan uusi DNA-sekvensointitekniikka suorittaa satoja Sanger-reaktioita pienellä, helposti luettavalla mikrosirulla, joka sitten suoritetaan sekvenssin kokoavan tietokoneohjelman kautta.
Tekniikka lukee lyhyempiä DNA-fragmentteja, mutta se on silti nopeampaa ja tehokkaampaa kuin Sangerin sekvensointimenetelmät, joten jopa suuret projektit voidaan saada nopeasti päätökseen.
Ihmisgenomiprojekti
IhmisgenomiprojektiVuonna 2003 valmistunut on yksi tunnetuimmista sekvensointitutkimuksista. Vuoden 2018 artikkelin mukaan Tiedeuutisia, ihmisen genomi koostuu noin 46 831 geeniä, joka oli valtava haaste sekvenssille. Huippututkijat ympäri maailmaa viettivät melkein 10 vuotta yhteistyöhön ja konsultointiin. Kansallisen ihmisgenomitutkimuksen johtama
Instituutti, projekti kartoitti onnistuneesti ihmisen genomin käyttämällä yhdistelmänäytettä, joka oli otettu nimettömistä verenluovuttajista.
Ihmisen perimäprojekti luotiin bakteerien keinotekoisen kromosomin (BAC-pohjainen) sekvensointimenetelmiin emäparien kartoittamiseksi. Tekniikassa käytettiin bakteereja DNA-fragmenttien kloonaamiseen, mikä tuotti suuria määriä DNA: ta sekvensointia varten. Sitten kloonien kokoa pienennettiin, ne asetettiin sekvensointikoneeseen ja koottiin osiin, jotka edustavat ihmisen DNA: ta.
Muut esimerkit DNA: n sekvensoinnista
Uudet genomin löytöt muuttavat perusteellisesti lähestymistapoja sairauksien ehkäisyyn, havaitsemiseen ja hoitoon. Hallitus on sitoutunut miljardeja dollareita DNA-tutkimukseen. Lainvalvonta perustuu DNA-analyysiin tapausten ratkaisemiseksi. DNA-testisarjoja voi ostaa kotikäyttöön esi-isien tutkimiseksi ja geenivarianttien tunnistamiseksi, jotka voivat aiheuttaa terveysriskejä:
DNA-sekvensoinnin eettiset vaikutukset
Uudet tekniikat sisältävät usein mahdollisuuden sosiaalisiin hyötyihin sekä haitoihin; esimerkkejä ovat toimimattomat ydinvoimalat ja joukkotuhoaseet. DNA-tekniikoihin liittyy myös riskejä.
Tunteelliset huolet DNA-sekvensoinnista ja geenien muokkaustyökaluista, kuten CRISPR, sisältävät pelon siitä, että tekniikka saattaa helpottaa ihmisten kloonaamista tai johtaa väärien tutkijoiden luomiin mutanteihin siirtogeenisiin eläimiin.
Useammin DNA-sekvensointiin liittyvät eettiset kysymykset liittyvät tietoisen suostumuksella. Helppo pääsy suoraan kuluttajille suunnattuihin DNA-kokeisiin tarkoittaa, että kuluttajat eivät välttämättä ymmärrä täysin, kuinka heidän geneettisiä tietojaan käytetään, säilytetään ja jaetaan. Maallikot eivät välttämättä ole emotionaalisesti valmiita oppimaan viallisista geenivariantteistaan ja terveysriskeistään.
Kolmannet osapuolet, kuten työnantajat ja vakuutusyhtiöt, voisivat mahdollisesti syrjiä henkilöitä, joilla on viallisia geenejä, jotka voivat aiheuttaa vakavia lääketieteellisiä ongelmia.