Skip to main content
Global

17.3: تسلسل الجينوم الكامل

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196533

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف ثلاثة أنواع من التسلسل
    • تعريف تسلسل الجينوم الكامل

    على الرغم من حدوث تقدم كبير في العلوم الطبية في السنوات الأخيرة، لا يزال الأطباء في حيرة من أمرهم بسبب بعض الأمراض، وهم يستخدمون تسلسل الجينوم الكامل للوصول إلى جوهر المشكلة. تسلسل الجينوم الكامل هو عملية تحدد تسلسل الحمض النووي للجينوم بأكمله. تسلسل الجينوم الكامل هو نهج القوة الغاشمة لحل المشكلات عندما يكون هناك أساس وراثي في جوهر المرض. تقدم العديد من المختبرات الآن خدمات لتسلسل وتحليل وتفسير الجينوم بأكمله.

    على سبيل المثال، يعد تسلسل الإكسوم الكامل بديلاً منخفض التكلفة لتسلسل الجينوم الكامل. في تسلسل الإكسوم، يتم فقط ترتيب مناطق الترميز وإنتاج الإكسون للحمض النووي. في عام 2010، تم استخدام تسلسل الإكسوم الكامل لإنقاذ صبي صغير كانت أمعائه تعاني من عدة خراجات غامضة. خضع الطفل للعديد من عمليات القولون دون راحة. أخيرًا، تم إجراء تسلسل الإكسوم الكامل، والذي كشف عن وجود خلل في المسار الذي يتحكم في موت الخلايا المبرمج (موت الخلايا المبرمج). تم استخدام عملية زرع نخاع العظام للتغلب على هذا الاضطراب الجيني، مما أدى إلى علاج الصبي. كان أول شخص يتم علاجه بنجاح بناءً على التشخيص الذي تم إجراؤه عن طريق تسلسل الإكسوم الكامل. اليوم، أصبح تسلسل الجينوم البشري متاحًا بسهولة ويمكن إكماله في يوم أو يومين مقابل حوالي 1000 دولار.

    الاستراتيجيات المستخدمة في مشاريع التسلسل

    تقنية التسلسل الأساسية المستخدمة في جميع مشاريع التسلسل الحديثة هي طريقة إنهاء السلسلة (المعروفة أيضًا باسم طريقة الديديوكسي)، والتي طورها فريد سانجر في السبعينيات. تتضمن طريقة إنهاء السلسلة تكرار الحمض النووي لقالب أحادي الجديلة باستخدام برايمر وديوكسي نيوكليوتيد عادي (dNTP)، وهو مونومر، أو وحدة واحدة، من الحمض النووي. يتم خلط البرايمر و dNTP مع نسبة صغيرة من الديوكسي نيوكليوتيدات المصنفة بالفلور (DDNTPs). DDNTPs هي مونومرات تفتقد إلى مجموعة الهيدروكسيل (—OH) في الموقع الذي يرتبط فيه نيوكليوتيد آخر عادة لتشكيل سلسلة (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

    يتكون الديوكسي نيوكليوتيد من سكر ديوكسيريبوز وقاعدة وثلاث مجموعات من الفوسفات. ويتطابق الديوكسيريبوز مع الديوكسيريبوز باستثناء أن مجموعة الهيدروكسيل (—OH) في الموضع الثالث يتم استبدالها بـ H. A 3' الهيدروكسيل ضروري لاستطالة سلسلة الحمض النووي، وبالتالي تتوقف السلسلة عن النمو إذا تم دمج الديوكسي ريبوز بدلاً من الديوكسيريبوز في سلسلة النمو.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يتشابه الديوكسي نيوكليوتيد في تركيبته مع الديوكسي نيوكليوتيد، ولكنه يفتقد مجموعة الهيدروكسيل 3' (المشار إليها في المربع). عندما يتم دمج الديوكسي نيوكليوتيد في خيط الحمض النووي، يتوقف تخليق الحمض النووي.

    يتم تصنيف كل DDNTP بلون مختلف من الفلوروفور. في كل مرة يتم فيها دمج dDNTP في السلسلة التكميلية المتنامية، فإنه ينهي عملية تكرار الحمض النووي، مما ينتج عنه سلاسل قصيرة متعددة من الحمض النووي المنسوخ التي يتم إنهاء كل منها في نقطة مختلفة أثناء النسخ المتماثل. عندما تتم معالجة خليط التفاعل بواسطة الرحلان الكهربي الهلامي بعد فصله إلى خيوط مفردة، فإن خيوط الحمض النووي المتعددة المكررة حديثًا تشكل سلمًا بسبب الأحجام المختلفة. نظرًا لأن DDNTps مُصنَّف بشكل فلورو، فإن كل شريط على الجل يعكس حجم خيط الحمض النووي و dDNTP الذي أنهى التفاعل. تساعد الألوان المختلفة لـ DDNTPs التي تحمل علامة الفلوروفور في تحديد dDNTP المدمجة في هذا الموضع. تؤدي قراءة الجل على أساس لون كل شريط على السلم إلى إنتاج تسلسل شريط القالب (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    يُظهر الجزء الأيسر من هذا الرسم التوضيحي خيطًا رئيسيًا من الحمض النووي مع تسلسل GATTCAGC، وأربعة خيوط فرعية، صُنع كل منها في وجود ثنائي ديوكسي نيوكليوتيد مختلف: dDaTp أو ddCTP أو ddGTP أو dDtTp. تنتهي السلسلة المتنامية عندما يتم دمج dDNTP، مما يؤدي إلى ظهور خيوط فرعية ذات أطوال مختلفة. يُظهر الجزء الأيمن من هذه الصورة فصل أجزاء الحمض النووي على أساس الحجم. يتم تصنيف كل DdNTP بشكل متألق بلون مختلف بحيث يمكن قراءة التسلسل بحجم كل جزء ولونه.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تم توضيح طريقة إنهاء سلسلة الديديوكسي لفريدريك سانجر. باستخدام الديوكسي نيوكليوتيدات، يمكن إنهاء جزء الحمض النووي في نقاط مختلفة. يتم فصل الحمض النووي على أساس الحجم، ويمكن قراءة هذه النطاقات، بناءً على حجم الأجزاء.

    الاستراتيجيات المبكرة: تسلسل البندقية والتسلسل النهائي الزوجي

    في طريقة تسلسل البندقية، يتم قطع عدة نسخ من جزء الحمض النووي بشكل عشوائي إلى العديد من القطع الصغيرة (مثل ما يحدث لخرطوشة طلقة مستديرة عند إطلاقها من بندقية). يتم بعد ذلك تسلسل جميع المقاطع باستخدام طريقة التسلسل المتسلسل. ثم، بمساعدة الكمبيوتر، يتم تحليل الأجزاء لمعرفة أين تتداخل تسلسلاتها. من خلال مطابقة التسلسلات المتداخلة في نهاية كل جزء، يمكن إصلاح تسلسل الحمض النووي بأكمله. يُطلق على التسلسل الأكبر الذي يتم تجميعه من تسلسلات أقصر متداخلة اسم contig. على سبيل القياس، ضع في اعتبارك أن شخصًا ما لديه أربع نسخ من صورة المناظر الطبيعية التي لم ترها من قبل ولا تعرف شيئًا عن كيفية ظهورها. يقوم الشخص بعد ذلك بتمزيق كل صورة بيديه، بحيث توجد قطع بأحجام مختلفة عن كل نسخة. يقوم الشخص بعد ذلك بخلط كل القطع معًا ويطلب منك إعادة بناء الصورة. في واحدة من القطع الصغيرة ترى جبلًا. في قطعة أكبر، ترى أن نفس الجبل يقع خلف بحيرة. يُظهر الجزء الثالث البحيرة فقط، لكنه يكشف عن وجود كابينة على شاطئ البحيرة. لذلك، من خلال النظر إلى المعلومات المتداخلة في هذه الأجزاء الثلاثة، تعرف أن الصورة تحتوي على جبل خلف بحيرة بها كابينة على شاطئها. هذا هو المبدأ الكامن وراء إعادة بناء تسلسلات الحمض النووي بالكامل باستخدام تسلسل البندقية.

    في الأصل، قام تسلسل البندقية بتحليل أحد طرفي كل جزء فقط بحثًا عن التداخلات. كان هذا كافيًا لتسلسل الجينومات الصغيرة. ومع ذلك، أدت الرغبة في تسلسل جينومات أكبر، مثل جينومات الإنسان، إلى تطوير تسلسل البندقية ذي الماسورة المزدوجة، والمعروف رسميًا باسم التسلسل الزوجي. في التسلسل الزوجي، يتم تحليل طرفي كل جزء للتأكد من التداخل. لذلك، يعد التسلسل الزوجي أكثر تعقيدًا من تسلسل البندقية، ولكن من الأسهل إعادة بناء التسلسل نظرًا لوجود المزيد من المعلومات المتاحة.

    تسلسل الجيل التالي

    منذ عام 2005، أصبحت تقنيات التسلسل الآلي التي تستخدمها المختبرات تحت مظلة تسلسل الجيل التالي، وهو عبارة عن مجموعة من التقنيات الآلية المستخدمة لتسلسل الحمض النووي السريع. يمكن لأجهزة التسلسل الآلية منخفضة التكلفة هذه إنشاء تسلسلات من مئات الآلاف أو الملايين من الأجزاء القصيرة (25 إلى 500 زوج أساسي) في غضون يوم واحد. تستخدم أجهزة التسلسل هذه برنامجًا متطورًا لاجتياز العملية المرهقة المتمثلة في ترتيب جميع الأجزاء.

    اتصال التطور: مقارنة المتتابعات

    محاذاة التسلسل هي ترتيب البروتينات أو الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي؛ يتم استخدامه لتحديد مناطق التشابه بين أنواع الخلايا أو الأنواع، مما قد يشير إلى الحفاظ على الوظيفة أو الهياكل. يمكن استخدام محاذاة التسلسل لبناء أشجار النشوء والتطور. يستخدم موقع الويب التالي برنامجًا يسمى BLAST (أداة البحث عن المحاذاة المحلية الأساسية).

    ضمن «الانفجار الأساسي»، انقر على «انفجار النيوكليوتيد». أدخل التسلسل التالي في مربع «تسلسل الاستعلام» الكبير: ATTGCTCGATTGCA. أسفل المربع، حدد موقع حقل «الأنواع» واكتب «الإنسان» أو «الإنسان العاقل». ثم انقر فوق «BLAST» لمقارنة التسلسل الذي تم إدخاله بالتسلسلات المعروفة للجينوم البشري. والنتيجة هي أن هذا التسلسل يحدث في أكثر من مائة مكان في الجينوم البشري. قم بالتمرير لأسفل الرسم باستخدام الأشرطة الأفقية وسترى وصفًا موجزًا لكل من النتائج المطابقة. اختر إحدى النتائج بالقرب من أعلى القائمة وانقر على «الرسومات». سينقلك هذا إلى صفحة توضح مكان وجود التسلسل داخل الجينوم البشري بأكمله. يمكنك تحريك شريط التمرير الذي يشبه العلامة الخضراء ذهابًا وإيابًا لعرض التسلسلات مباشرة حول الجين المحدد. يمكنك بعد ذلك العودة إلى التسلسل المحدد بالنقر فوق الزر «ATG».

    استخدام تسلسلات الجينوم الكامل للكائنات الحية النموذجية

    كان الجينوم الأول الذي تم تسلسله بالكامل هو فيروس بكتيري، وهو bacteriophage fx174 (5368 زوجًا أساسيًا)؛ تم تحقيق ذلك بواسطة فريد سانجر باستخدام تسلسل البندقية. تم تسلسل العديد من الجينومات العضية والفيروسية الأخرى لاحقًا. كان أول كائن حي تم تحديد تسلسل جينومه هو بكتيريا Haemophilus influzae؛ وقد تم تحقيق ذلك بواسطة Craig Venter في الثمانينيات. تعاون ما يقرب من 74 مختبرًا مختلفًا في تسلسل جينوم خميرة Saccharomyces cerevisiae، التي بدأت في عام 1989 واكتملت في عام 1996، لأنها كانت أكبر 60 مرة من أي جينوم آخر تم تسلسله. بحلول عام 1997، كانت متواليات الجينوم لكائنين نموذجيين مهمين متاحًا: بكتيريا Escherichia coli K12 وخميرة Saccharomyces cerevisiae. تُعرف الآن جينومات الكائنات الحية النموذجية الأخرى، مثل الفأر Mus musculus، وذبابة الفاكهة Drosophila melanogaster، والديدان الخيطية Caenorhabditis elegans، والبشر Homo sapiens. يتم إجراء الكثير من الأبحاث الأساسية في الكائنات الحية النموذجية لأنه يمكن تطبيق المعلومات على الكائنات الحية المتشابهة وراثيًا. الكائن الحي النموذجي هو نوع يتم دراسته كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمثلها الكائن الحي النموذجي. يساعد تسلسل جينومات كامل في جهود البحث في هذه الكائنات الحية النموذجية. تسمى عملية إرفاق المعلومات البيولوجية بتسلسلات الجينات التعليق التوضيحي للجينوم. تساعد التعليقات التوضيحية لتسلسلات الجينات في التجارب الأساسية في البيولوجيا الجزيئية، مثل تصميم بادئات PCR وأهداف RNA.

    رابط إلى التعلم

    DNA_sequence.png

    انقر فوق كل خطوة من خطوات موقع تسلسل الجينوم HHMI.

    استخدامات تسلسلات الجينوم

    المصفوفات الدقيقة للحمض النووي هي طرق تستخدم للكشف عن التعبير الجيني من خلال تحليل مجموعة من أجزاء الحمض النووي المثبتة على شريحة زجاجية أو شريحة سيليكون لتحديد الجينات النشطة وتحديد التسلسلات. يمكن اكتشاف ما يقرب من مليون خلل وراثي باستخدام المصفوفات الدقيقة، في حين أن تسلسل الجينوم الكامل يمكن أن يوفر معلومات حول جميع الأزواج الأساسية الستة مليارات في الجينوم البشري. على الرغم من أن دراسة التطبيقات الطبية لتسلسل الجينوم مثيرة للاهتمام، إلا أن هذا التخصص يميل إلى التركيز على وظيفة الجينات غير الطبيعية. ستسمح معرفة الجينوم بأكمله باكتشاف الأمراض المستقبلية والاضطرابات الوراثية الأخرى في وقت مبكر، مما سيسمح باتخاذ قرارات أكثر استنارة بشأن نمط الحياة والأدوية وإنجاب الأطفال. لا يزال علم الجينوم في مراحله الأولى، على الرغم من أنه قد يصبح يومًا ما أمرًا روتينيًا استخدام تسلسل الجينوم الكامل لفحص كل مولود جديد للكشف عن التشوهات الجينية.

    بالإضافة إلى الأمراض والطب، يمكن لعلم الجينوم أن يساهم في تطوير إنزيمات جديدة تحول الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج المحاصيل والوقود، وانخفاض التكلفة للمستهلك. يجب أن تسمح هذه المعرفة بطرق أفضل للتحكم في الميكروبات المستخدمة في إنتاج الوقود الحيوي. يمكن لعلم الجينوم أيضًا تحسين الأساليب المستخدمة لرصد تأثير الملوثات على النظم البيئية والمساعدة في تنظيف الملوثات البيئية. سمح علم الجينوم بتطوير الكيماويات الزراعية والأدوية التي يمكن أن تفيد العلوم الطبية والزراعة.

    يبدو رائعًا أن يكون لدينا كل المعرفة التي يمكننا الحصول عليها من تسلسل الجينوم الكامل؛ ومع ذلك، يتحمل البشر مسؤولية استخدام هذه المعرفة بحكمة. وإلا، قد يكون من السهل إساءة استخدام قوة هذه المعرفة، مما يؤدي إلى التمييز على أساس علم الوراثة للشخص، والهندسة الوراثية البشرية، وغيرها من المخاوف الأخلاقية. يمكن أن تؤدي هذه المعلومات أيضًا إلى مشكلات قانونية تتعلق بالصحة والخصوصية.

    ملخص

    يعد تسلسل الجينوم الكامل أحدث مورد متاح لعلاج الأمراض الوراثية. يستخدم بعض الأطباء تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ الأرواح. يحتوي علم الجينوم على العديد من التطبيقات الصناعية بما في ذلك تطوير الوقود الحيوي والزراعة والأدوية ومكافحة التلوث. يتضمن المبدأ الأساسي لجميع استراتيجيات التسلسل الحديثة طريقة إنهاء السلسلة للتسلسل.

    على الرغم من أن تسلسل الجينوم البشري يوفر رؤى أساسية للمهنيين الطبيين، إلا أن الباحثين يستخدمون تسلسلات الجينوم الكاملة للكائنات الحية النموذجية لفهم جينوم النوع بشكل أفضل. قد تؤدي الأتمتة والتكلفة المنخفضة لتسلسل الجينوم الكامل إلى الطب الشخصي في المستقبل.

    مسرد المصطلحات

    طريقة إنهاء السلسلة
    طريقة تسلسل الحمض النووي باستخدام الديوكسي نيوكليوتيدات المسمى لإنهاء تكرار الحمض النووي؛ وتسمى أيضًا طريقة الديديوكسي أو طريقة سانجر
    تواصل
    تسلسل أكبر من الحمض النووي تم تجميعه من تسلسلات أقصر متداخلة
    ديوكسي نيوكليوتيد
    مونومر فردي (وحدة واحدة) من الحمض النووي
    ديوكسي نيوكليوتيد
    المونومر الفردي للحمض النووي الذي يفتقد مجموعة الهيدروكسيل (—OH)
    مصفوفة الحمض النووي الدقيقة
    طريقة تستخدم للكشف عن التعبير الجيني عن طريق تحليل مجموعة من أجزاء الحمض النووي المثبتة على شريحة زجاجية أو شريحة سيليكون لتحديد الجينات النشطة وتحديد التسلسلات
    تعليق جينومي
    عملية إرفاق المعلومات البيولوجية بتسلسلات الجينات
    كائن حي نموذجي
    الأنواع التي تمت دراستها واستخدامها كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمثلها الكائن الحي النموذجي
    تسلسل الجيل التالي
    مجموعة من التقنيات الآلية المستخدمة لتسلسل الحمض النووي السريع
    تسلسل البندقية
    الطريقة المستخدمة لتسلسل أجزاء الحمض النووي المتعددة لتوليد تسلسل قطعة كبيرة من الحمض النووي
    تسلسل الجينوم الكامل
    عملية تحدد تسلسل الحمض النووي للجينوم بأكمله