ДНК секвенцирање

С Википедије, слободне енциклопедије

ДНК секвенцирање обухвата неколико метода и технологија које се користе за одређивање редоследа нуклеотидних база — аденин, гуанин, цитозин, и тимин — у молекулу ДНК.

Познавање ДНК секвенце је постало неопходно за базна биолошка истраживања, као и у бројним примењеним пољима као што је дијагностика, биотехнологија, форензика и биолошка систематика. Унапређење ДНК секвенцирана је знатно убрзало биолошка истраживања. Велика брзина секвенцирања који пружа модерна технологија је омогућила секвенцирање људског генома у оквиру пројекта људског генома. Сродни пројекти, често остварени путем научних колаборација широм света, су произвели комплетне ДНК секвенце многих животињских, биљних, и микробних генома.

Прве ДНК секвенце су добијене током 1970-тих. Њих су произвели академски истраживачи користећи тегобне методе базиране на дводимензионој хроматографији. Након развоја аутоматизованих метода секвенцирања базираних на боји,[1] ДНК секвенцирање је постало лакше и за неколико редова величине брже.[2]

Ускоро се планира секвенционирање ДНК 1,5 милиона еукариотских организама што ће отворити простор истраживачима широм света за нова сазнања.

Четири каноничне базе[уреди | уреди извор]

Канонска структура ДНК има четири базе: тимин (Т), аденин (А), цитозин (C) и гванин (Г). Секвенцирање ДНК је одређивање физичког реда ових база у молекулу ДНК. Међутим, постоје многе друге базе које могу бити присутне у молекулу. Код неких вируса (конкретно, бактериофага), цитозин може бити замењен хидрокси метилом или хидрокси метил глукозним цитозином.[3] У ДНК сисара могу се наћи варијанте база са метил групама или фосфосулфатом.[4][5] У зависности од технике секвенцирања, одређена модификација, на пример, 5мЦ (5 метил цитозин) уобичајена код људи, може или не мора бити откривена.[6]

Историја[уреди | уреди извор]

Откриће структуре и функције ДНК[уреди | уреди извор]

Дезоксирибонуклеинску киселину (ДНК) је први открио и изоловао Фридрих Мишер 1869. године, али је остала недовољно проучавана много деценија, јер се сматрало да протеини, а не ДНК, одржавају генетски план за живот. Ова ситуација се променила после 1944. као резултат неких експеримената Освалда Ејверија, Колина Меклауда и Меклина Макартија који су показали да пречишћена ДНК може да промени један сој бактерија у други. Ово је био први пут да се показало да је ДНК способна да трансформише својства ћелија.

Године 1953, Џејмс Вотсон и Френсис Крик изнели су свој модел ДНК са двоструком спиралом, заснован на кристализованим рендгенским структурама које је проучавала Росалинд Френклин. Према том моделу, ДНК се састоји од два ланца нуклеотида умотаних један око другог, повезаних водоничним везама и који се крећу у супротним смеровима. Сваки ланац се састоји од четири комплементарна нуклеотида - аденина (А), цитозина (C), гванина (Г) и тимина (Т) - са А на једном ланцу који је увек упарен са Т на другом, а C увек упарен са Г. Они су предложили да таква структура омогућава да се сваки ланац користи за реконструкцију другог, што је идеја која је централна за преношење наследних информација између генерација.[7]

Фредерик Сангер, пионир секвенцирања. Сангер је један од ретких научника који је добио две Нобелове награде, једну за секвенцирање протеина, а другу за секвенционирање ДНК.

Основа за секвенционирање протеина је први пут постављена радом Фредерика Сенгера који је до 1955. године завршио секвенцу свих аминокиселина у инсулину, малом протеину који лучи панкреас. Ово је пружило први убедљив доказ да су протеини хемијски ентитети са специфичним молекуларним узорком, а не насумична мешавина материјала суспендованог у течности. Сангеров успех у секвенцирању инсулина подстакао је рендгенске кристалографе, укључујући Вотсона и Крика, који су до тада покушавали да схвате како ДНК усмерава формирање протеина унутар ћелије. Убрзо након што је присуствовао низу предавања Фредерика Сенгера у октобру 1954. године, Крик је почео да развија теорију која је тврдила да распоред нуклеотида у ДНК одређује редослед аминокиселина у протеинима, што је заузврат помогло да се одреди функција протеина. Ову теорију је објавио 1958. године.[8]

РНК секвенцирање[уреди | уреди извор]

Секвенцирање РНК било је један од најранијих облика секвенцирања нуклеотида. Главни оријентир секвенцирања РНК је секвенца првог комплетног гена и комплетног генома бактериофага МС2, који су идентификовали и објавили Волтер Фиерс и његови сарадници на Универзитету у Генту (Гент, Белгија), 1972.[9] и 1976. године.[10] Традиционалне методе секвенцирања РНК захтевају стварање цДНК молекула који се мора секвенцирати.[11]

Ране методе секвенцирања ДНК[уреди | уреди извор]

Први метод за одређивање ДНК секвенци укључивао је стратегију проширења прајмера специфичну за локацију коју је успоставио Реј Ву на Универзитету Корнел 1970. године.[12] Катализа ДНК полимеразом и специфично обележавање нуклеотида, од којих су обе проминентне у тренутним шемама секвенцирања, коришћени су за секвенцирање кохезивних крајева ДНК ламбда фага.[13][14][15] Између 1970. и 1973. године, Ву, Р Падманахан и нихови сарадници су показали да се овај метод може користити за одређивање било које ДНК секвенце коришћењем синтетичких прајмера специфичних за локацију.[16][17][18] Фредерицк Сангер је затим усвојио ову стратегију продужетка прајмера да би развио брже методе секвенцирања ДНК у МРЦ Центру, Кембриџ, УК и објавио методу за „секвенционисање ДНК са инхибиторима који завршавају ланац“ 1977. године.[19][20] Валтер Гилберт и Аллан Максам са Харварда су такође развили методе секвенцирања, укључујући и ону за „секвенционисање ДНК хемијском деградацијом“.[21][22] Године 1973, Гилберт и Максам су известили о секвенци од 24 пара база користећи метод познат као анализа лутајућих тачака.[23] Напредак у секвенцирању је потпомогнут истовременим развојем технологије рекомбинантне ДНК, омогућавајући узорцима ДНК да се изолују из извора који нису вируси.

Секвенцирање пуних генома[уреди | уреди извор]

Геном бактериофага φX174 са 5.386 бп. Сваки обојени блок представља ген.

Први потпуни ДНК геном који је секвенциониран био је геном бактериофага φX174 1977. године.[24] Научници Савета за медицинска истраживања дешифровали су комплетну ДНК секвенцу Епштајн-Баровог вируса 1984. године, откривши да садржи 172.282 нуклеотида. Завршетак секвенце означио је значајну прекретницу у секвенцирању ДНК, јер је постигнут без претходног познавања генетског профила вируса.[25]

Херберт Пол и сарадници су током раних 1980-их развили су нерадиоактивну методу за преношење молекула ДНК реакционих смеша за секвенционирање на имобилизујући матрикс током електрофорезе.[26][27] Уследила је комерцијализација ДНК секвенцера „Директно-блотирајућа-електрофореза системом ГАТЦ 1500” од стране ГАТЦ Биотецх, који се интензивно користио у оквиру ЕУ програма за секвенцирање генома, комплетна ДНК секвенца хромозома II квасца Саццхаромyцес церевисиае.[28] Лабораторија Лероја Е. Худа на Калифорнијском институту за технологију објавила је прву полуаутоматску машину за секвенцирање ДНК 1986. године.[29] Након тога је уследио маркетинг прве потпуно аутоматизоване машине за секвенцирање, АБИ 370, од стране Апплиед Биосyстемс 1987. и Дупонтов Генесис 2000[30] који је користио нову технику флуоресцентног обележавања која омогућава да се сва четири дидеоксинуклеотида идентификују у једној траци. До 1990. године, амерички Национални институти за здравље (НИХ) започели су опсежна испитивања секвенцирања на Мyцопласма цаприцолум, Есцхерицхиа цоли, Цаенорхабдитис елеганс, и Саццхаромyцес церевисиае по цени од 0,75 УСД по бази. У међувремену, секвенционирање хуманих цДНК секвенци које се називају експресоване ознаке секвенце почело је у лабораторији Крега Вентера, у покушају да се обухвати део кодирања људског генома.[31] Године 1995, Вентер, Хамилтон Смит и колеге са Института за геномска истраживања (ТИГР) објавили су први комплетан геном слободног живог организма, бактерије Хаемопхилус инфлуензае. Кружни хромозом садржи 1.830.137 база, а његово објављивање у часопису Сциенце[32] означило је прву објављену употребу обог вида секвенцирања целог генома, елиминишући потребу за почетним напорима за мапирање.

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ Олсвик О; Wахлберг Ј; Петтерсон Б; et al. (1993). „Use of automated sequencing of polymerase chain reaction-generated amplicons to identify three types of cholera toxin subunit B in Vibrio cholerae O1 strains”. J. Clin. Microbiol. 31 (1): 22—5. PMC 262614 Слободан приступ. PMID 7678018. Архивирано из оригинала 04. 06. 2020. г. Приступљено 08. 06. 2012. 
  2. ^ Pettersson E, Lundeberg J, Ahmadian A (2009). „Generations of sequencing technologies”. Genomics. 93 (2): 105—11. PMID 18992322. doi:10.1016/j.ygeno.2008.10.003. 
  3. ^ Moréra S, Larivière L, Kurzeck J, Aschke-Sonnenborn U, Freemont PS, Janin J, Rüger W (август 2001). „High resolution crystal structures of T4 phage beta-glucosyltransferase: induced fit and effect of substrate and metal binding”. Journal of Molecular Biology. 311 (3): 569—77. PMID 11493010. doi:10.1006/jmbi.2001.4905. 
  4. ^ Ehrlich M, Gama-Sosa MA, Huang LH, Midgett RM, Kuo KC, McCune RA, Gehrke C (април 1982). „Amount and distribution of 5-methylcytosine in human DNA from different types of tissues of cells”. Nucleic Acids Research. 10 (8): 2709—21. PMC 320645 Слободан приступ. PMID 7079182. doi:10.1093/nar/10.8.2709. 
  5. ^ Ehrlich M, Wang RY (јун 1981). „5-Methylcytosine in eukaryotic DNA”. Science. 212 (4501): 1350—7. Bibcode:1981Sci...212.1350E. PMID 6262918. doi:10.1126/science.6262918. 
  6. ^ Song CX, Clark TA, Lu XY, Kislyuk A, Dai Q, Turner SW, et al. (новембар 2011). „Sensitive and specific single-molecule sequencing of 5-hydroxymethylcytosine”. Nature Methods. 9 (1): 75—7. PMC 3646335 Слободан приступ. PMID 22101853. doi:10.1038/nmeth.1779. 
  7. ^ Watson JD, Crick FH (1953). „The structure of DNA”. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 18: 123—31. PMID 13168976. doi:10.1101/SQB.1953.018.01.020. 
  8. ^ Marks, L. „The path to DNA sequencing: The life and work of Frederick Sanger”. What is Biotechnology? (на језику: енглески). Приступљено 2023-06-27. 
  9. ^ Min Jou W, Haegeman G, Ysebaert M, Fiers W (мај 1972). „Nucleotide sequence of the gene coding for the bacteriophage MS2 coat protein”. Nature. 237 (5350): 82—8. Bibcode:1972Natur.237...82J. PMID 4555447. S2CID 4153893. doi:10.1038/237082a0. 
  10. ^ Fiers W, Contreras R, Duerinck F, Haegeman G, Iserentant D, Merregaert J, Min Jou W, Molemans F, Raeymaekers A, Van den Berghe A, Volckaert G, Ysebaert M (април 1976). „Complete nucleotide sequence of bacteriophage MS2 RNA: primary and secondary structure of the replicase gene”. Nature. 260 (5551): 500—7. Bibcode:1976Natur.260..500F. PMID 1264203. S2CID 4289674. doi:10.1038/260500a0. 
  11. ^ Ozsolak F, Milos PM (фебруар 2011). „RNA sequencing: advances, challenges and opportunities”. Nature Reviews Genetics. 12 (2): 87—98. PMC 3031867 Слободан приступ. PMID 21191423. doi:10.1038/nrg2934. 
  12. ^ „Ray Wu Faculty Profile”. Cornell University. Архивирано из оригинала 2009-03-04. г. 
  13. ^ Padmanabhan R, Jay E, Wu R (јун 1974). „Chemical synthesis of a primer and its use in the sequence analysis of the lysozyme gene of bacteriophage T4”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 71 (6): 2510—4. Bibcode:1974PNAS...71.2510P. PMC 388489 Слободан приступ. PMID 4526223. doi:10.1073/pnas.71.6.2510 Слободан приступ. 
  14. ^ Onaga LA (јун 2014). „Ray Wu as Fifth Business: Demonstrating Collective Memory in the History of DNA Sequencing”. Studies in the History and Philosophy of Science. Part C. 46: 1—14. PMID 24565976. doi:10.1016/j.shpsc.2013.12.006. 
  15. ^ Wu R (1972). „Nucleotide sequence analysis of DNA”. Nature New Biology. 236 (68): 198—200. PMID 4553110. doi:10.1038/newbio236198a0. 
  16. ^ Padmanabhan R, Wu R (1972). „Nucleotide sequence analysis of DNA. IX. Use of oligonucleotides of defined sequence as primers in DNA sequence analysis”. Biochem. Biophys. Res. Commun. 48 (5): 1295—302. PMID 4560009. doi:10.1016/0006-291X(72)90852-2. 
  17. ^ Wu R, Tu CD, Padmanabhan R (1973). „Nucleotide sequence analysis of DNA. XII. The chemical synthesis and sequence analysis of a dodecadeoxynucleotide which binds to the endolysin gene of bacteriophage lambda”. Biochem. Biophys. Res. Commun. 55 (4): 1092—99. PMID 4358929. doi:10.1016/S0006-291X(73)80007-5. 
  18. ^ Jay E, Bambara R, Padmanabhan R, Wu R (март 1974). „DNA sequence analysis: a general, simple and rapid method for sequencing large oligodeoxyribonucleotide fragments by mapping”. Nucleic Acids Research. 1 (3): 331—53. PMC 344020 Слободан приступ. PMID 10793670. doi:10.1093/nar/1.3.331. 
  19. ^ Sanger F, Nicklen S, Coulson AR (децембар 1977). „DNA sequencing with chain-terminating inhibitors”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 74 (12): 5463—77. Bibcode:1977PNAS...74.5463S. PMC 431765 Слободан приступ. PMID 271968. doi:10.1073/pnas.74.12.5463 Слободан приступ. 
  20. ^ Sanger F, Coulson AR (мај 1975). „A rapid method for determining sequences in DNA by primed synthesis with DNA polymerase”. J. Mol. Biol. 94 (3): 441—48. PMID 1100841. doi:10.1016/0022-2836(75)90213-2. 
  21. ^ Maxam AM, Gilbert W (фебруар 1977). „A new method for sequencing DNA”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 74 (2): 560—64. Bibcode:1977PNAS...74..560M. PMC 392330 Слободан приступ. PMID 265521. doi:10.1073/pnas.74.2.560 Слободан приступ. 
  22. ^ Gilbert, W. DNA sequencing and gene structure. Nobel lecture, 8 December 1980.
  23. ^ Gilbert W, Maxam A (децембар 1973). „The Nucleotide Sequence of the lac Operator”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 70 (12): 3581—84. Bibcode:1973PNAS...70.3581G. PMC 427284 Слободан приступ. PMID 4587255. doi:10.1073/pnas.70.12.3581 Слободан приступ. 
  24. ^ Sanger F, Air GM, Barrell BG, Brown NL, Coulson AR, Fiddes CA, Hutchison CA, Slocombe PM, Smith M (фебруар 1977). „Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA”. Nature. 265 (5596): 687—95. Bibcode:1977Natur.265..687S. PMID 870828. S2CID 4206886. doi:10.1038/265687a0. 
  25. ^ Marks, L. „The next frontier: Human viruses”. What is Biotechnology? (на језику: енглески). Приступљено 2023-06-27. 
  26. ^ Beck S, Pohl FM (1984). „DNA sequencing with direct blotting electrophoresis”. EMBO J. 3 (12): 2905—09. PMC 557787 Слободан приступ. PMID 6396083. doi:10.1002/j.1460-2075.1984.tb02230.x. 
  27. ^ United States Patent 4,631,122 (1986)
  28. ^ Feldmann H, et al. (1994). „Complete DNA sequence of yeast chromosome II”. EMBO J. 13 (24): 5795—809. PMC 395553 Слободан приступ. PMID 7813418. doi:10.1002/j.1460-2075.1994.tb06923.x. 
  29. ^ Smith LM, Sanders JZ, Kaiser RJ, Hughes P, Dodd C, Connell CR, Heiner C, Kent SB, Hood LE (12. 6. 1986). „Fluorescence Detection in Automated DNA Sequence Analysis”. Nature. 321 (6071): 674—79. Bibcode:1986Natur.321..674S. PMID 3713851. S2CID 27800972. doi:10.1038/321674a0. 
  30. ^ Prober JM, Trainor GL, Dam RJ, Hobbs FW, Robertson CW, Zagursky RJ, Cocuzza AJ, Jensen MA, Baumeister K (16. 10. 1987). „A system for rapid DNA sequencing with fluorescent chain-terminating dideoxynucleotides”. Science. 238 (4825): 336—41. Bibcode:1987Sci...238..336P. PMID 2443975. doi:10.1126/science.2443975. 
  31. ^ Adams MD, Kelley JM, Gocayne JD, Dubnick M, Polymeropoulos MH, Xiao H, Merril CR, Wu A, Olde B, Moreno RF (јун 1991). „Complementary DNA sequencing: expressed sequence tags and human genome project”. Science. 252 (5013): 1651—56. Bibcode:1991Sci...252.1651A. PMID 2047873. S2CID 13436211. doi:10.1126/science.2047873. 
  32. ^ Fleischmann RD, Adams MD, White O, Clayton RA, Kirkness EF, Kerlavage AR, Bult CJ, Tomb JF, Dougherty BA, Merrick JM (јул 1995). „Whole-genome random sequencing and assembly of Haemophilus influenzae Rd”. Science. 269 (5223): 496—512. Bibcode:1995Sci...269..496F. PMID 7542800. doi:10.1126/science.7542800. 
DNK sekvenciranje на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=DNK_sekvenciranje&oldid=26737509”