Skip to main content
Global

12.2: تصور وتوصيف الحمض النووي

  • Page ID
    195326
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    • اشرح استخدام مجسات الحمض النووي لتصور تسلسلات الحمض النووي المحددة
    • اشرح استخدام الرحلان الكهربي الهلامي لفصل أجزاء الحمض النووي
    • شرح مبدأ التقييد (طول الشظية) وتحليل تعدد الأشكال واستخداماته
    • قارن وقارن بين البقع الجنوبية والشمالية
    • شرح مبادئ واستخدامات تحليل المصفوفة الدقيقة
    • وصف الطرق المستخدمة لفصل متغيرات البروتين وتصورها
    • شرح طريقة واستخدامات تفاعل البوليميراز المتسلسل وتسلسل الحمض النووي

    يمكن أن يساعدنا تسلسل جزيء الحمض النووي في تحديد الكائن الحي عند مقارنته بالتسلسلات المعروفة الموجودة في قاعدة البيانات. يمكن أن يخبرنا التسلسل أيضًا بشيء عن وظيفة جزء معين من الحمض النووي، مثل ما إذا كان يقوم بتشفير بروتين معين. تعد مقارنة توقيعات البروتين - مستويات التعبير عن صفائف معينة من البروتينات - بين العينات طريقة مهمة لتقييم الاستجابات الخلوية للعديد من العوامل البيئية والضغوط. يمكن أن يكشف تحليل بصمات البروتين عن هوية الكائن الحي أو كيفية استجابة الخلية أثناء المرض.

    الحمض النووي والبروتينات ذات الأهمية مجهرية وعادة ما يتم خلطها مع العديد من الجزيئات الأخرى بما في ذلك الحمض النووي أو البروتينات غير ذات الصلة باهتماماتنا. تم تطوير العديد من التقنيات لعزل وتوصيف الجزيئات ذات الاهتمام. تم تطوير هذه الأساليب في الأصل لأغراض البحث، ولكن في كثير من الحالات تم تبسيطها لدرجة أن الاستخدام السريري الروتيني ممكن. على سبيل المثال، يمكن اكتشاف العديد من مسببات الأمراض، مثل بكتيريا Helicobacter pylori، التي تسبب قرحة المعدة، باستخدام الاختبارات القائمة على البروتين. بالإضافة إلى ذلك، يمكن الآن لعدد متزايد من فحوصات تحديد الهوية المحددة والدقيقة للغاية القائمة على تضخيم الحمض النووي الكشف عن مسببات الأمراض مثل البكتيريا المعوية المقاومة للمضادات الحيوية وفيروس الهربس البسيط وفيروس الحماق النطاقي وغيرها الكثير.

    التحليل الجزيئي للحمض النووي

    في هذا القسم الفرعي، سنحدد بعض الطرق الأساسية المستخدمة لفصل وتصور أجزاء معينة من الحمض النووي التي تهم العالم. لا تتطلب بعض هذه الطرق معرفة التسلسل الكامل لجزيء الحمض النووي. قبل ظهور التسلسل السريع للحمض النووي، كانت هذه الطرق هي الوحيدة المتاحة للعمل مع الحمض النووي، لكنها لا تزال تشكل الترسانة الأساسية للأدوات التي يستخدمها علماء الوراثة الجزيئية لدراسة استجابات الجسم للأمراض الميكروبية وغيرها من الأمراض.

    فحص الحمض النووي

    جزيئات الحمض النووي صغيرة، والمعلومات الواردة في تسلسلها غير مرئية. كيف يقوم الباحث بعزل امتداد معين من الحمض النووي، أو بعد عزله، وتحديد الكائن الحي الذي ينتمي إليه، وما هو تسلسله، أو وظيفته؟ تستخدم إحدى طرق تحديد وجود تسلسل معين من الحمض النووي قطعًا مصطنعة من الحمض النووي تسمى المجسات. يمكن استخدام المجسات لتحديد الأنواع البكتيرية المختلفة في البيئة والعديد من مجسات الحمض النووي متاحة الآن للكشف عن مسببات الأمراض سريريًا. على سبيل المثال، تُستخدم مجسات الحمض النووي للكشف عن مسببات الأمراض المهبلية المبيضات البيضاء والغاردنريلا المهبلية والتريكوموناس فاجيناليس.

    لفحص مكتبة الجينوم بحثًا عن جين معين أو تسلسل اهتمام معين، يجب أن يعرف الباحثون شيئًا عن هذا الجين. إذا كان لدى الباحثين جزء من تسلسل الحمض النووي للجين محل الاهتمام، فيمكنهم تصميم مسبار الحمض النووي، وهو جزء من الحمض النووي أحادي الجديلة يكمل جزءًا من الجين محل الاهتمام ويختلف عن تسلسلات الحمض النووي الأخرى في العينة. يمكن تصنيع مسبار الحمض النووي كيميائيًا بواسطة المختبرات التجارية، أو قد يتم إنشاؤه عن طريق استنساخ جزء من الحمض النووي وعزله وتشويهه من كائن حي. في كلتا الحالتين، يجب تسمية مسبار الحمض النووي بعلامة جزيئية أو منارة، مثل ذرة الفوسفور المشعة (كما هو مستخدم في التصوير الشعاعي الذاتي) أو صبغة الفلورسنت (كما هو مستخدم في التهجين الفلوري في الموقع، أو FISH)، بحيث يمكن رؤية المسبار والحمض النووي الذي يرتبط به (الشكل 1) \(\PageIndex{1}\)). يجب أيضًا تغيير طبيعة عينة الحمض النووي التي يتم فحصها لجعلها أحادية الشريط بحيث يمكن لمسبار الحمض النووي أحادي الجديلة أن يصلب إلى عينة الحمض النووي أحادية الجديلة في المواقع التي تكون فيها تسلسلاتها مكملة. في حين أن هذه التقنيات مفيدة للتشخيص، إلا أن استخدامها المباشر على البلغم وعينات الجسم الأخرى قد يمثل مشكلة بسبب الطبيعة المعقدة لهذه العينات. غالبًا ما يجب عزل الحمض النووي أولاً من عينات الجسم من خلال طرق الاستخراج الكيميائي قبل استخدام مسبار الحمض النووي لتحديد مسببات الأمراض.

    رسم تخطيطي لمسبار الحمض النووي. أولاً، يتم تحديد الجين المثير للاهتمام واستنساخه. ثم يتم تسمية المجسات المجدولة المفردة بمنارة جزيئية. أخيرًا، يرتبط مسبار الحمض النووي بالتسلسلات التكميلية في عينة الحمض النووي. التسلسلات التكميلية هي الحمض النووي المجدول الفردي. يرتبط المسبار فقط بأحد تسلسلات ssDNA نظرًا لأنه يحتوي على الجين المهم فيه.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يمكن استخدام مجسات الحمض النووي لتأكيد وجود عامل ممرض مشتبه به في عينات المرضى. يوضح هذا الرسم البياني كيف يمكن استخدام مسبار الحمض النووي للبحث عن جين مهم مرتبط بمسببات الأمراض المشتبه بها.

    التركيز السريري: الجزء 2

    يمكن أن تكون الأعراض الخفيفة الشبيهة بالإنفلونزا التي تعاني منها كايلا ناتجة عن أي عدد من العوامل المعدية. بالإضافة إلى ذلك، فإن العديد من حالات المناعة الذاتية غير المعدية، مثل التصلب المتعدد، والذئبة الحمامية الجهازية (SLE)، والتصلب الجانبي الضموري (ALS)، لها أيضًا أعراض تتوافق مع أعراض كايلا المبكرة. ومع ذلك، على مدار عدة أسابيع، تفاقمت أعراض كايلا. بدأت تعاني من آلام المفاصل في ركبتيها وخفقان القلب وعرج غريب في عضلات وجهها. بالإضافة إلى ذلك، عانت من تيبس الرقبة وصداع مؤلم. على مضض، قررت أن الوقت قد حان لطلب الرعاية الطبية.

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    1. هل تقدم أعراض كايلا الجديدة أي أدلة على نوع العدوى أو أي حالة طبية أخرى قد تكون مصابة بها؟
    2. ما الاختبارات أو الأدوات التي قد يستخدمها مقدم الرعاية الصحية لتحديد العامل الممرض الذي يسبب أعراض كايلا؟

    الرحلان الكهربي لجل أغاروز

    هناك عدد من الحالات التي قد يرغب فيها الباحث في فصل مجموعة من أجزاء الحمض النووي بأحجام مختلفة ماديًا. يمكن للباحث أيضًا هضم عينة الحمض النووي باستخدام إنزيم تقييدي لتكوين أجزاء. يمكن أن ينتج عن الحجم الناتج ونمط توزيع الأجزاء غالبًا معلومات مفيدة حول تسلسل قواعد الحمض النووي التي يمكن استخدامها، مثل مسح الباركود، لتحديد الفرد أو النوع الذي ينتمي إليه الحمض النووي.

    يعتبر الرحلان الكهربي الهلامي تقنية شائعة الاستخدام لفصل الجزيئات البيولوجية بناءً على الحجم والخصائص البيوكيميائية، مثل الشحنة والقطبية. يستخدم الرحلان الكهربائي لجل Agarose على نطاق واسع لفصل الحمض النووي (أو RNA) بأحجام مختلفة قد تتولد عن طريق هضم إنزيم التقييد أو بوسائل أخرى، مثل PCR (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    بسبب العمود الفقري المشحون سلبًا، ينجذب الحمض النووي بشدة إلى القطب الموجب. في الرحلان الكهربي لجل الأغاروز، يتم توجيه الجل أفقيًا في محلول عازل. يتم تحميل العينات في آبار العينات على جانب الجل الأقرب إلى القطب السالب، ثم يتم سحبها من خلال المنخل الجزيئي لمصفوفة الأغاروز باتجاه القطب الموجب. تعيق مصفوفة الأغاروز حركة الجزيئات الأكبر عبر الجل، بينما تمر الجزيئات الصغيرة بسهولة أكبر. وبالتالي، ترتبط مسافة الهجرة ارتباطًا عكسيًا بحجم جزء الحمض النووي، حيث تنتقل الأجزاء الصغيرة مسافة أطول عبر الجل. يمكن تقدير أحجام شظايا الحمض النووي داخل العينة من خلال المقارنة مع الأجزاء ذات الحجم المعروف في سلم الحمض النووي الذي يعمل أيضًا على نفس الجل. لفصل أجزاء الحمض النووي الكبيرة جدًا، مثل الكروموسومات أو الجينومات الفيروسية، يمكن تعديل الرحلان الكهربائي لهلام الأغاروز عن طريق التناوب الدوري لاتجاه المجال الكهربائي أثناء الرحلان الكهربي للمجال النبضي (PFGE). في PFGE، يمكن للشظايا الصغيرة إعادة توجيه نفسها والانتقال بشكل أسرع قليلاً من الأجزاء الأكبر حجمًا، وبالتالي يمكن أن تعمل هذه التقنية على فصل الأجزاء الكبيرة جدًا التي قد تنتقل معًا أثناء الرحلان الكهربائي القياسي لجل الأغاروز. في أي من تقنيات الرحلان الكهربائي هذه، يمكن اكتشاف مواقع شظايا الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي في الجل بطرق مختلفة. إحدى الطرق الشائعة هي إضافة بروميد الإيثيديوم، وهي بقعة تدخل في الأحماض النووية في مواقع غير محددة ويمكن تصورها عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية. تتوفر الآن بقع أخرى أكثر أمانًا من بروميد الإيثيديوم، وهو مادة مسرطنة محتملة.

    أ) رسم تخطيطي لعملية الرحلان الكهربائي لجل الآغاروز. 1 - يتم تسخين محلول الآغاروز والعازل وصبه في شكل. ينتج عن ذلك كتلة مستطيلة بمسافات بادئة بطول أحد طرفيها تسمى «S = عينات الآبار». 2 - عند تبريدها، تحتوي كتلة جل الأغاروز على آبار صغيرة (S) حيث سيتم وضع العينة. 3 - تتم إضافة كل عينة إلى بئر منفصل. ثم يتم وضع جل الأغاروز في غرفة تولد شحنة عبر الجل. تتم إضافة العينات باستخدام الماصات الدقيقة. 4 - يقوم المحلول الموجود داخل الغرفة بتوصيل التيار الكهربائي الناتج عن الغرفة. سيكون للجانب الأقرب لبئر العينة شحنة سالبة؛ أما الجانب الآخر فسيكون له شحنة موجبة. 5 - الحمض النووي له شحنة سالبة وسيتم سحبه إلى القطب الموجب للجل. ستتمكن جزيئات الحمض النووي الأصغر من الانتقال بشكل أسرع عبر مصفوفة الجل. 6 - سيحتوي البئر الواحد على سلم DNA يحتوي على أجزاء ذات حجم معروف. يتم استخدام هذا السلم لتحديد أحجام النطاقات في العينة. يبدو السلم مثل العديد من الأربطة في الجل؛ من الأعلى إلى الأسفل، أحجام الأربطة هي - 2000 نقطة أساس، 15000 نقطة أساس، 1000 نقطة أساس، 750 نقطة أساس، 500 نقطة أساس، 250 نقطة أساس. تحتوي الممرات الأخرى على عدد قليل من النطاقات ذات الأحجام المختلفة.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) عملية الرحلان الكهربائي لجل الآغاروز. (ب) باحث يحمّل العينات في مادة هلامية. (ج) تُظهر هذه الصورة عملية تفريغ كهربائية مكتملة على جل أغاروز. يقع سلم الحمض النووي في الممرات 1 و 9. توجد سبع عينات في الممرات من 2 إلى 8. تم تلوين الجل ببروميد الإيثيديوم وتم تصويره تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل ماغنوس مانسك؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل وزارة الزراعة الأمريكية؛ الائتمان ج: تعديل العمل من قبل جيمس جاكوب)

    تحليل تعدد أشكال طول جزء التقييد (RFLP)

    مواقع التعرف على إنزيم التقييد قصيرة (يبلغ طولها بضعة نيوكليوتيدات فقط)، ومتشابهات خاصة بالتسلسل، ويمكن العثور عليها في جميع أنحاء الجينوم. وبالتالي، فإن الاختلافات في تسلسل الحمض النووي في جينومات الأفراد ستؤدي إلى اختلافات في توزيع مواقع التعرف على الإنزيمات المقيدة التي يمكن تصورها كأنماط نطاقات مميزة على الجل بعد الرحلان الكهربائي لجل الأغاروز. يقارن تحليل تعدد الأشكال في طول جزء التقييد (RFLP) أنماط نطاقات الحمض النووي لعينات الحمض النووي المختلفة بعد هضم التقييد (الشكل\(\PageIndex{3}\)).

    يحتوي تحليل RFLP على العديد من التطبيقات العملية في كل من الطب وعلوم الطب الشرعي. على سبيل المثال، يستخدم علماء الأوبئة تحليل RFLP لتتبع وتحديد مصدر الكائنات الحية الدقيقة المحددة المتورطة في تفشي التسمم الغذائي أو بعض الأمراض المعدية. يمكن أيضًا استخدام تحليل RFLP على الحمض النووي البشري لتحديد أنماط وراثة الكروموسومات ذات الجينات المتغيرة، بما في ذلك تلك المرتبطة بالأمراض القابلة للتوريث أو لإثبات الأبوة.

    يستخدم علماء الطب الشرعي تحليل RFLP كشكل من أشكال أخذ بصمات الحمض النووي، وهو مفيد لتحليل الحمض النووي الذي تم الحصول عليه من مسرح الجريمة والمشتبه بهم والضحايا. يتم جمع عينات الحمض النووي، ويتم زيادة عدد نسخ جزيئات الحمض النووي العينة باستخدام PCR، ثم يتم إخضاعها لتقييد هضم الإنزيم والترشيد الكهربائي لجل الأغاروز لتوليد أنماط نطاقات محددة. من خلال مقارنة أنماط النطاقات للعينات التي تم جمعها من مسرح الجريمة مع تلك التي تم جمعها من المشتبه بهم أو الضحايا، يمكن للمحققين تحديد ما إذا كانت أدلة الحمض النووي التي تم جمعها في مكان الحادث قد تركها المشتبه بهم أو الضحايا.

    رسم تخطيطي لتحليل RFLP. يظهر شريطان من الحمض النووي؛ خيط «طبيعي» وخيط متحور. يحتوي الخصلة العادية على 3 مواقع يقطع فيها إنزيم التقييد MSTI. تؤدي الطفرة الموجودة على الحبل الآخر إلى تدمير أحد مواقع التقييد. ونتيجة لذلك، تحتوي الخصلة المتحولة على عدد أقل من الأربطة على الجل.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يمكن استخدام تحليل RFLP للتمييز بين تسلسلات الحمض النووي. في هذا المثال، يتم هضم الكروموسوم الطبيعي إلى جزأين، في حين أن هضم الكروموسوم المتحور ينتج جزءًا واحدًا فقط. تُظهر الأسهم الحمراء الصغيرة التي تشير إلى مقطعي الكروموسومات المختلفين مواقع مواقع التعرف على إنزيم التقييد. بعد الهضم والترحيل الكهربائي لجل الأغاروز، تعكس أنماط النطاقات التغيير من خلال إظهار فقدان نطاقين أقصر واكتساب نطاق أطول. (الائتمان: تعديل العمل من قبل المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية)

    البقع الجنوبية والتعديلات

    تستفيد العديد من التقنيات الجزيئية من تكامل التسلسل والتهجين بين الأحماض النووية للعينة ومجسات الحمض النووي. عادةً ما يكون فحص عينات الحمض النووي داخل الجل غير ناجح لأنه عندما يتغلغل مسبار الحمض النووي في الجل، تنتشر عينة الأحماض النووية داخل الجل. وبالتالي، تُستخدم تقنيات النشاف بشكل شائع لنقل الأحماض النووية إلى غشاء رقيق وإيجابي الشحنة مصنوع من النيتروسليلوز أو النايلون. في تقنية البقع الجنوبية، التي طورها السير إدوين ساوثرن في عام 1975، يتم فصل أجزاء الحمض النووي داخل العينة أولاً عن طريق الرحلان الكهربائي لهلام الأغاروز ثم يتم نقلها إلى الغشاء من خلال عمل الشعيرات الدموية (الشكل\(\PageIndex{4}\)). ثم تتعرض أجزاء الحمض النووي التي ترتبط بسطح الغشاء لمسبار DNA محدد أحادي الجديلة مُصنَّف بمنارة جزيئية مشعة أو فلورية للمساعدة في الكشف. يمكن استخدام البقع الجنوبية للكشف عن وجود تسلسلات معينة من الحمض النووي في عينة DNA معينة. بمجرد تصور الحمض النووي المستهدف داخل الغشاء، يمكن للباحثين قطع جزء الغشاء الذي يحتوي على الجزء لاستعادة جزء الحمض النووي المهم.

    رسم تخطيطي لبطة جنوبية. أولاً، يتم استخدام الرحلان الكهربائي لفصل أجزاء الحمض النووي حسب الحجم. يمكن أن يكون هناك الكثير من الشظايا التي تظهر على شكل مسحة على الجل. بعد ذلك يتم نقل الحمض النووي من جل الأغاروز إلى غشاء النايلون. ينتقل العازل من الإسفنج الرطب من الأسفل إلى الأعلى عبر الجل والغشاء إلى المناشف الورقية. وهي تحمل أجزاء الحمض النووي معها حتى تصبح عالقة في الغشاء. أخيرًا، يعتمد الغشاء على محلول يحتوي على مسبار، وهو جزء قصير من الحمض النووي مكمل لتسلسل الاهتمام. يتم تسمية المسبار أو تمييزه بصبغة الفلورسنت بحيث يمكن تصور موقع شظايا الحمض النووي التي يتم تهجينها.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): في تقنية البقع الجنوبية، يتم فصل شظايا الحمض النووي أولاً عن طريق الرحلان الكهربائي لهلام الأغاروز، ثم يتم نقلها عن طريق عمل الشعيرات الدموية إلى غشاء من النايلون، ثم يتم نقعه بمسبار الحمض النووي الملصق بمنارة جزيئية لسهولة التصور.

    لا تتضمن الاختلافات في البقعة الجنوبية - البقعة النقطية، وصمة الفتحة، والنشاف البقعي - الرحلان الكهربائي، ولكنها بدلاً من ذلك تركز الحمض النووي من عينة إلى موقع صغير على الغشاء. بعد التهجين باستخدام مسبار الحمض النووي، يتم قياس شدة الإشارة المكتشفة، مما يسمح للباحث بتقدير كمية الحمض النووي المستهدف الموجود داخل العينة.

    بقعة المستعمرة هي شكل آخر من البقع الجنوبية حيث يتم نقل المستعمرات التي تمثل مستنسخات مختلفة في مكتبة الجينوم إلى الغشاء عن طريق الضغط على الغشاء على لوحة الاستزراع. يتم تحلل الخلايا الموجودة على الغشاء ويمكن بعد ذلك فحص الغشاء لتحديد المستعمرات داخل المكتبة الجينومية التي تؤوي الجين المستهدف. نظرًا لأن المستعمرات الموجودة على اللوحة لا تزال تنمو، يمكن عزل الخلايا ذات الأهمية عن اللوحة.

    في البقعة الشمالية، هناك نوع آخر من اللطخة الجنوبية، وهو الحمض النووي الريبي (وليس الحمض النووي) يتم تثبيته على الغشاء وفحصه. تُستخدم البقع الشمالية عادةً للكشف عن كمية الحمض النووي الريبي المصنوع من خلال التعبير الجيني داخل عينة الأنسجة أو الكائن الحي.

    تحليل ميكروأراي

    هناك أسلوب آخر يستفيد من التهجين بين تسلسلات الأحماض النووية التكميلية يسمى تحليل المصفوفة الدقيقة. يعد تحليل المصفوفة الدقيقة مفيدًا لمقارنة أنماط التعبير الجيني بين أنواع الخلايا المختلفة - على سبيل المثال، الخلايا المصابة بفيروس مقابل الخلايا غير المصابة، أو الخلايا السرطانية مقابل الخلايا السليمة (الشكل\(\PageIndex{5}\)).

    عادةً ما يتم ترسيب الحمض النووي أو cDNA من عينة تجريبية على شريحة زجاجية جنبًا إلى جنب مع تسلسلات الحمض النووي المعروفة. يمكن أن تحتوي كل شريحة على أكثر من 30000 نوع مختلف من أجزاء الحمض النووي. يمكن رصد أجزاء الحمض النووي المميزة (التي تشمل المكتبة الجينومية الكاملة للكائن الحي) أو أجزاء cDNA (المقابلة للمكملات الكاملة للكائن الحي من الجينات المعبر عنها) بشكل فردي على شريحة زجاجية.

    بمجرد إيداعه على الشريحة، يمكن عزل الحمض النووي الجيني أو mRNA من العينتين للمقارنة. إذا تم عزل mRNA، يتم نسخه عكسيًا إلى cDNA باستخدام النسخ العكسي. ثم يتم تصنيف عينتي الحمض النووي الجيني أو cDNA بأصباغ فلورية مختلفة (عادةً ما تكون حمراء وخضراء). يتم بعد ذلك دمج عينات الحمض النووي الجيني المصنفة بكميات متساوية، وإضافتها إلى شريحة المصفوفة الدقيقة، والسماح لها بالتهجين إلى نقاط تكميلية على المصفوفة الدقيقة.

    يمكن مراقبة التهجين لعينة جزيئات الحمض النووي الجيني عن طريق قياس شدة الفلورة في نقاط معينة على المصفوفة الدقيقة. يمكن ملاحظة الاختلافات في كمية التهجين بين العينات بسهولة. إذا تم تهجين الأحماض النووية لعينة واحدة فقط إلى بقعة معينة على المصفوفة الدقيقة، فستظهر تلك البقعة إما باللون الأخضر أو الأحمر. ومع ذلك، إذا تم تهجين الأحماض النووية في كلتا العينتين، فستظهر البقعة باللون الأصفر بسبب مزيج الأصباغ الحمراء والخضراء.

    على الرغم من أن تقنية microarray تسمح بإجراء مقارنة شاملة بين عينتين في وقت قصير، إلا أنها تتطلب معدات كشف متطورة (ومكلفة) وبرامج تحليل. بسبب التكلفة، تقتصر هذه التقنية عادةً على إعدادات البحث. استخدم الباحثون تحليل المصفوفة الدقيقة لدراسة كيفية تأثر التعبير الجيني في الكائنات الحية المصابة بالبكتيريا أو الفيروسات أو التي تخضع لعلاجات كيميائية معينة.

    أ) رسم تخطيطي لمصفوفة دقيقة. يتم زراعة أول خليتين مختلفتين - في هذه الحالة خلايا سرطانية وصحية. ثم يتم عزل الحمض النووي الريبي من كل ثقافة. ثم ينتج وضع العلامات على النسخ العكسي cDNA إما بمسبار فلوري أحمر أو مسبار فلوري أخضر. في هذه الحالة، يتم إنتاج الحمض النووي من الخلايا السرطانية باستخدام مجسات الفلورسنت الحمراء ويتم إنتاج cDNA من الخلايا السليمة باستخدام مجسات الفلورسنت الخضراء. ثم يتم تهجينها على مصفوفة دقيقة - تشبه شريحة زجاجية بها العديد من النقوش. ب) تقارن النتيجة على الكمبيوتر جميع الجينات النشطة في الخلايا. تشير المناطق الخضراء إلى الجينات التي يتم التعبير عنها فقط في الخلايا السليمة، وتشير المناطق الحمراء إلى الجينات التي يتم التعبير عنها فقط في الخلايا السرطانية، وتشير المناطق الصفراء إلى الجينات التي يتم التعبير عنها في كل من الخلايا السرطانية والصحية، وتشير المناطق السوداء إلى الجينات التي لا يتم التعبير عنها في أي نوع من أنواع الخلايا.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): (أ) تم توضيح الخطوات في تحليل المصفوفة الدقيقة. هنا، تتم مقارنة أنماط التعبير الجيني بين الخلايا السرطانية والخلايا السليمة. (ب) يمكن التعبير عن معلومات المصفوفة الدقيقة كخريطة حرارية. تظهر الجينات على الجانب الأيسر؛ وتظهر عينات مختلفة في الجزء السفلي. تظهر الجينات التي يتم التعبير عنها فقط في الخلايا السرطانية بدرجات متفاوتة من اللون الأحمر؛ تظهر الجينات المعبر عنها فقط في الخلايا الطبيعية بدرجات متفاوتة من اللون الأخضر. تظهر الجينات التي يتم التعبير عنها في كل من الخلايا السرطانية والعادية باللون الأصفر.
    رابط إلى التعلم

    استكشف تقنية الرقائق الدقيقة في هذا الموقع التفاعلي.

    التمارين\(\PageIndex{2}\)

    1. ما الذي يتكون منه مسبار الحمض النووي؟
    2. لماذا يتم استخدام اللطخة الجنوبية بعد الرحلان الكهربي الهلامي لهضم الحمض النووي؟

    التحليل الجزيئي للبروتينات

    في كثير من الحالات، قد لا يكون من المرغوب أو الممكن دراسة الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي مباشرة. يمكن أن توفر البروتينات معلومات خاصة بالأنواع لتحديد الهوية بالإضافة إلى معلومات مهمة حول كيفية استجابة الخلية أو الأنسجة لوجود الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض وما إذا كانت. تتطلب البروتينات المختلفة طرقًا مختلفة للعزل والتوصيف.

    بولي أكريلاميد جل إليكتروفوريسيس

    يشيع استخدام نوع مختلف من الرحلان الكهربي الهلامي، يسمى الرحلان الكهربي لجل بولي أكريلاميد (PAGE)، لفصل البروتينات. في PAGE، تكون مصفوفة الجل أكثر دقة وتتكون من بولي أكريلاميد بدلاً من الآغاروز. بالإضافة إلى ذلك، يتم إجراء PAGE عادةً باستخدام جهاز جل عمودي (الشكل\(\PageIndex{6}\)). بسبب الشحنات المختلفة المرتبطة بالسلاسل الجانبية للأحماض الأمينية، يمكن استخدام PAGE لفصل البروتينات السليمة بناءً على شحناتها الصافية. بدلاً من ذلك، يمكن تغيير طبيعة البروتينات وتغليفها بمنظف سالب الشحنة يسمى كبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS)، مما يخفي الشحنات الأصلية ويسمح بالفصل بناءً على الحجم فقط. يمكن تعديل PAGE بشكل إضافي لفصل البروتينات بناءً على خاصيتين، مثل شحناتها عند درجات الحموضة المختلفة بالإضافة إلى حجمها، من خلال استخدام PAGE ثنائي الأبعاد. في أي من هذه الحالات، بعد الرحلان الكهربائي، يتم تصوير البروتينات من خلال التلوين، عادةً باستخدام بقعة كوماسي الزرقاء أو الفضية.

    أ) رسم تخطيطي يوضح بروتينًا كرويًا بشحنات موجبة وسالبة يخضع لعلاج SDS. تعمل SDS على تشويه البروتين (إنتاج منتج خطي) وتجعله سلبيًا بشكل موحد في الشحنة. ب) يتم بعد ذلك وضع عينات البروتين في آبار جل SDS_PAGE. يتم تحميل بئر واحدة بمعيار الوزن الجزيئي. يتم بعد ذلك تعريض الجل لمصدر طاقة ينتج عنه شحن سالب للجزء العلوي من الجل (بالقرب من الآبار) ويصبح الجزء السفلي مشحونًا بشكل إيجابي. تنتقل البروتينات عبر الجل من الجوانب السلبية إلى الجوانب الإيجابية. تنتقل البروتينات الصغيرة عبر الجل بشكل أسرع من البروتينات الكبيرة. يتضمن معيار الوزن الجزيئي أجزاء ذات حجم معروف ويستخدم لتقدير حجم بروتينات العينة. في هذا المثال، يحتوي المعيار على أحجام 216 و 132 و 78 و 32 و 7. تحتوي الممرات الأخرى على نطاقات بأحجام مختلفة. ج) صورة لجل SDS-PAGE. أشرطة أرجوانية على خلفية واضحة.
    الشكل\(\PageIndex{6}\): (أ) SDS عبارة عن منظف يشوه البروتينات ويخفي شحناتها الأصلية، مما يجعلها ذات شحنة سالبة موحدة. (ب) يتم توضيح عملية SDS-PAGE في هذه الخطوات. (ج) تُظهر صورة جل SDS-PAGE شرائط كوماسي الملطخة حيث انتقلت بروتينات ذات أحجام مختلفة على طول الجل استجابة للجهد المطبق. يمكن رؤية ممر قياسي الحجم على الجانب الأيمن من الجل. (الفضل ب: تعديل العمل من قبل «GeneEd» /YouTube)

    التمارين\(\PageIndex{3}\)

    على أي أساس يتم فصل البروتينات في SDS-PAGE؟

    التركيز السريري: الجزء 3

    عندما وصفت كايلا أعراضها، اشتبه طبيبها في البداية في التهاب السحايا الجرثومي، وهو ما يتفق مع صداعها وتيبس الرقبة. ومع ذلك، سرعان ما استبعدت ذلك كاحتمال لأن التهاب السحايا عادة ما يتطور بسرعة أكبر مما كانت تعاني منه كايلا. لا تزال العديد من أعراضها موازية لأعراض التصلب الجانبي الضموري (ALS) والذئبة الحمامية الجهازية (SLE)، واعتبر الطبيب أيضًا مرض لايم احتمالًا نظرًا لمقدار الوقت الذي تقضيه كايلا في الغابة. لم تتذكر كايلا أي لدغات قراد حديثة (الوسيلة النموذجية التي ينتقل بها مرض لايم) ولم يكن لديها طفح عين الثور النموذجي المرتبط بمرض لايم (الشكل\(\PageIndex{7}\)). ومع ذلك، فإن 20-30٪ من المرضى الذين يعانون من مرض لايم لا يصابون بهذا الطفح الجلدي أبدًا، لذلك لم يرغب الطبيب في استبعاده.

    طلب طبيب كايلا إجراء تصوير بالرنين المغناطيسي لدماغها، وتعداد الدم الكامل لاختبار فقر الدم، واختبارات الدم لتقييم وظائف الكبد والكلى، واختبارات إضافية لتأكيد أو استبعاد مرض الذئبة الحمراء أو مرض لايم. كانت نتائج اختبارها غير متسقة مع كل من SLE و ALS، وكانت نتيجة اختبار البحث عن الأجسام المضادة لمرض لايم «ملتبسة»، مما يعني أنها غير حاسمة. بعد استبعاد ALS و SLE، قرر طبيب كايلا إجراء اختبارات إضافية لمرض لايم.

    التمارين\(\PageIndex{4}\)

    1. لماذا لا يزال طبيب كايلا يشك في مرض لايم حتى لو لم تكشف نتائج الاختبار عن الأجسام المضادة لمرض لايم في الدم؟
    2. ما نوع الاختبار الجزيئي الذي يمكن استخدامه للكشف عن الأجسام المضادة في الدم لمرض لايم؟
    صورة لطفح جلدي على شكل عين الثور؛ بقعة حمراء في المنتصف وحلقة حمراء حولها.
    الشكل\(\PageIndex{7}\): يعد طفح عين الثور أحد الأعراض الشائعة لأمراض لايم، ولكن ما يصل إلى 30٪ من الأفراد المصابين لا يصابون بطفح جلدي أبدًا. (الائتمان: مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها)

    طرق تحليل الحمض النووي القائمة على التضخيم

    يمكن استخدام طرق مختلفة للحصول على تسلسلات الحمض النووي، والتي تعتبر مفيدة لدراسة الكائنات الحية المسببة للأمراض. مع ظهور تقنية التسلسل السريع، نمت قاعدة معرفتنا بجينومات الكائنات المسببة للأمراض بالكامل بشكل هائل. نبدأ بوصف تفاعل البوليميراز المتسلسل، وهو ليس طريقة للتسلسل ولكنه سمح للباحثين والأطباء بالحصول على كميات كبيرة من الحمض النووي اللازمة للتسلسل والدراسات الأخرى. يزيل تفاعل البوليميراز المتسلسل اعتمادنا السابق على الخلايا لعمل نسخ متعددة من الحمض النووي، مما يحقق نفس النتيجة من خلال تفاعلات بسيطة نسبيًا خارج الخلية.

    تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)

    تتطلب معظم طرق تحليل الحمض النووي، مثل هضم إنزيم التقييد والهلام الكهربي للأغاروز، أو تسلسل الحمض النووي كميات كبيرة من جزء معين من الحمض النووي. في الماضي، تم إنتاج كميات كبيرة من الحمض النووي من خلال نمو الخلايا المضيفة لمكتبة الجينوم. ومع ذلك، تستغرق المكتبات وقتًا وجهدًا للتحضير وغالبًا ما تأتي عينات الحمض النووي ذات الأهمية بكميات دقيقة. يسمح تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) بالتضخيم السريع في عدد نسخ تسلسلات الحمض النووي المحددة لمزيد من التحليل (الشكل\(\PageIndex{8}\)). واحدة من أقوى التقنيات في البيولوجيا الجزيئية، تم تطوير PCR في عام 1983 من قبل كاري موليس أثناء وجودها في شركة Cetus Corporation. PCR له تطبيقات محددة في البحوث والطب الشرعي والمختبرات السريرية، بما في ذلك:

    • تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في منطقة معينة من الحمض النووي
    • تضخيم المنطقة المستهدفة من الحمض النووي للاستنساخ إلى ناقل البلازميد
    • تحديد مصدر عينة الحمض النووي المتبقية في مسرح الجريمة
    • تحليل العينات لتحديد الأبوة
    • مقارنة عينات الحمض النووي القديم مع الكائنات الحية الحديثة
    • تحديد وجود الكائنات الحية الدقيقة التي يصعب استزراعها أو عدم استزراعها في البشر أو العينات البيئية

    PCR هي تقنية معملية في المختبر تستفيد من العملية الطبيعية لتكرار الحمض النووي. إن إنزيمات بوليميراز الحمض النووي المستقرة للحرارة المستخدمة في PCR مشتقة من بدائيات النواة المحبة للحرارة. يُشتق بوليميراز Taq DNA، المستخدم بشكل شائع في PCR، من بكتيريا Thermus aquaticus المعزولة من الينابيع الساخنة في حديقة يلوستون الوطنية. يتطلب تكرار الحمض النووي استخدام المواد الأولية لبدء النسخ المتماثل للحصول على مجموعات 3-هيدروكسيل مجانية متاحة لإضافة النيوكليوتيدات بواسطة بوليميراز الحمض النووي. ومع ذلك، في حين أن المواد الأولية المكونة من RNA تُستخدم عادةً في الخلايا، يتم استخدام بادئات الحمض النووي لـ PCR. يُفضل استخدام بادئات الحمض النووي نظرًا لاستقرارها، ويمكن تصنيع بادئات الحمض النووي ذات التسلسلات المعروفة التي تستهدف منطقة معينة من الحمض النووي تجاريًا. تتشابه بادئات الحمض النووي هذه وظيفيًا مع مجسات الحمض النووي المستخدمة في تقنيات التهجين المختلفة الموصوفة سابقًا، وترتبط بأهداف محددة بسبب التكامل بين تسلسل الحمض النووي المستهدف والدليل التمهيدي.

    يحدث PCR على مدار دورات متعددة، تحتوي كل منها على ثلاث خطوات: التمسخ والتلدين والإطالة. تُستخدم آلات تسمى الدورات الحرارية لـ PCR؛ يمكن برمجة هذه الآلات للتنقل تلقائيًا عبر درجات الحرارة المطلوبة في كل خطوة (الشكل 12.1). أولاً، يتم تغيير طبيعة الحمض النووي للقالب المزدوج الذي يحتوي على التسلسل المستهدف عند حوالي 95 درجة مئوية، ودرجة الحرارة المرتفعة المطلوبة لفصل خيوط الحمض النووي جسديًا (وليس إنزيميًا) هي السبب وراء الحاجة إلى بوليميراز الحمض النووي المستقر حراريًا. بعد ذلك، تنخفض درجة الحرارة إلى حوالي 50 درجة مئوية، مما يسمح لبادئات الحمض النووي المكملة لنهايات التسلسل المستهدف بالتصلب (الالتصاق) بخيوط القالب، مع تلدين تمهيدي واحد لكل خيط. أخيرًا، ترتفع درجة الحرارة إلى 72 درجة مئوية، وهي درجة الحرارة المثلى لنشاط بوليميراز الحمض النووي المستقر حراريًا، مما يسمح بإضافة النيوكليوتيدات إلى البرايمر باستخدام الهدف أحادي الجديلة كنموذج. تضاعف كل دورة عدد نسخ الحمض النووي المستهدفة ذات السلاسل المزدوجة. عادةً ما تتضمن بروتوكولات PCR 25-40 دورة، مما يسمح بتضخيم تسلسل هدف واحد بعشرات الملايين إلى أكثر من تريليون.

    تم تصميم النسخ الطبيعي للحمض النووي لنسخ الجينوم بأكمله، ويبدأ في واحد أو أكثر من مواقع المنشأ. يتم إنشاء البادئات أثناء النسخ المتماثل، وليس قبله، ولا تتكون من بعض التسلسلات المحددة. يستهدف PCR مناطق محددة من عينة الحمض النووي باستخدام بادئات خاصة بالتسلسل. في السنوات الأخيرة، تم تطوير مجموعة متنوعة من طرق تضخيم PCR متساوية الحرارة التي تتحايل على الحاجة إلى التدوير الحراري، مع الاستفادة من البروتينات الإضافية التي تساعد في عملية تكرار الحمض النووي. مع استمرار تطوير هذه الأساليب وانتشار استخدامها في المختبرات البحثية والطب الشرعي والمختبرات السريرية، قد تصبح أجهزة التدوير الحراري قديمة.

    رسم تخطيطي لـ PCR. في الدورة 1، يتم تغيير طبيعة قطعة مزدوجة من الحمض النووي (تنقسم إلى شريطين مفردين) عند 95 درجة مئوية. ترتبط المواد الأولية (قطع قصيرة من الحمض النووي المجدول المفرد) (صلبة) بالحبل الأطول عند 50 درجة مئوية تقريبًا. ثم يرتبط بوليميراز الحمض النووي بالبادئات وينسخ الشريط الأطول؛ وهذا امتداد ويحدث عند 72 درجة مئوية. ينتج هذا نسختين من الحمض النووي الأصلي. يتكرر هذا في الدورة 2 لإنتاج 4 نسخ. تنتج الدورة 3 8 نسخ؛ وتنتج الدورة 4 16؛ وتستمر كل دورة مستقبلية في مضاعفة عدد النسخ.
    الشكل\(\PageIndex{8}\): يتم استخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) لإنتاج العديد من النسخ من تسلسل محدد من الحمض النووي.
    رابط إلى التعلم

    قم بتعميق فهمك لتفاعل البوليميراز المتسلسل من خلال مشاهدة هذه الرسوم المتحركة والعمل من خلال تمرين تفاعلي.

    اختلافات PCR

    أدت العديد من التعديلات اللاحقة على PCR إلى زيادة فائدة هذه التقنية. يتم استخدام النسخ العكسي PCR (RT-PCR) للحصول على نسخ الحمض النووي لجزيء mRNA محدد. يبدأ RT-PCR باستخدام إنزيم النسخ العكسي لتحويل جزيئات mRNA إلى cDNA. يتم بعد ذلك استخدام cDNA كقالب لتضخيم PCR التقليدي. يمكن لـ RT-PCR اكتشاف ما إذا كان قد تم التعبير عن جين معين في عينة. تطبيق آخر حديث لـ PCR هو PCR في الوقت الفعلي، والمعروف أيضًا باسم PCR الكمي (qPCR). بروتوكولات PCR و RT-PCR القياسية ليست كمية لأن أيًا من الكواشف قد يصبح مقيدًا قبل اكتمال جميع الدورات داخل البروتوكول، ويتم تحليل العينات فقط في النهاية. نظرًا لتعذر تحديد الوقت الذي يصبح فيه كاشف معين مقيدًا في بروتوكول PCR أو RT-PCR، فلا يمكن معرفة عدد الدورات التي تم إكمالها قبل هذه النقطة، وبالتالي لا يمكن تحديد عدد جزيئات القالب الأصلية الموجودة في العينة في بداية PCR. ومع ذلك، في qPCR، يسمح استخدام الفلورة للمرء بمراقبة الزيادة في قالب مزدوج الشريط أثناء تفاعل PCR عند حدوثه. يمكن بعد ذلك استخدام بيانات الخواص الحركية هذه لتحديد مقدار التسلسل المستهدف الأصلي. أدى استخدام qPCR في السنوات الأخيرة إلى توسيع قدرات PCR، مما سمح للباحثين بتحديد عدد نسخ الحمض النووي، وأحيانًا الكائنات الحية، الموجودة في العينة. في البيئات السريرية، يتم استخدام QRT-PCR لتحديد الحمل الفيروسي في المرضى المصابين بفيروس نقص المناعة البشرية لتقييم فعالية علاجهم.

    تسلسل الحمض النووي

    تقنية التسلسل الأساسية هي طريقة إنهاء السلسلة، والمعروفة أيضًا باسم طريقة الديديوكسي أو طريقة تسلسل الحمض النووي سانجر، التي طورها فريدريك سانجر في عام 1972. تتضمن طريقة إنهاء السلسلة تكرار الحمض النووي لقالب أحادي الشريط باستخدام مادة أولية للحمض النووي لبدء تخليق خيط مكمل، وبلمرة الحمض النووي، ومزيج من مونومرات الديوكسي نيوكليوتيد العادية الأربعة (DnTP)، ونسبة صغيرة من الديوكسي نيوكليوتيدات (DDNTPs)، كل منها يحمل علامة منارة جزيئية. DDNTPs هي مونومرات تفتقد إلى مجموعة هيدروكسيل (—OH) في الموقع الذي يرتبط فيه نيوكليوتيد آخر عادة لتشكيل سلسلة (الشكل\(\PageIndex{9}\)). في كل مرة يتم فيها دمج dDNTP عشوائيًا في الخيط التكميلي المتنامي، فإنه ينهي عملية تكرار الحمض النووي لهذا الخيط المحدد. ينتج عن هذا عدة سلاسل قصيرة من الحمض النووي المنسوخ والتي يتم إنهاء كل منها عند نقطة مختلفة أثناء النسخ المتماثل. عندما يتعرض خليط التفاعل إلى الرحلان الكهربي الهلامي، تشكل خيوط الحمض النووي المتعددة المنسوخة حديثًا سلمًا بأحجام مختلفة. نظرًا لأن DdNTPs مُصنَّف، فإن كل شريط على الجل يعكس حجم خيط الحمض النووي عندما أنهى dDNTP التفاعل.

    في يوم سانجر، تم إعداد أربعة تفاعلات لكل جزيء DNA يتم تسلسله، كل تفاعل يحتوي على واحد فقط من DDNTps الأربعة الممكنة. تم تصنيف كل DdNTP بجزيء الفوسفور المشع. ثم تم تشغيل نواتج التفاعلات الأربعة في حارات منفصلة جنبًا إلى جنب على جل PAGE الطويل والضيق، وتم اكتشاف النطاقات ذات الأطوال المختلفة عن طريق التصوير الشعاعي التلقائي. اليوم، تم تبسيط هذه العملية باستخدام DDNTps، كل منها مُصنّف بصبغة فلورسنت ملونة مختلفة أو فلوروكروم (الشكل\(\PageIndex{10}\))، في تفاعل تسلسلي واحد يحتوي على جميع DDNTPs الأربعة الممكنة لكل جزيء DNA يتم تسلسله (الشكل\(\PageIndex{11}\)). يتم الكشف عن هذه الفلوروكرومات عن طريق التحليل الطيفي الفلوري. ينتج عن تحديد لون الفلورة لكل نطاق أثناء مروره بواسطة الكاشف تسلسل النيوكليوتيد لخيط القالب.

    رسم لـ DNTPs و DDNTPs. الديوكسي نيوكليوتيد (DnTp) هو نيوكليوتيد ذو درجة حموضة في الكربون #3. يتم رسم هذا في صورة خماسي مع O في الأعلى. التحرك بعكس اتجاه عقارب الساعة - تحتوي النقطة التالية على كلمة «قاعدة»، والنقطة التالية تحتوي على H فقط، والنقطة التالية لها OH، والأخيرة تحتوي على 3 فوسفات. ديديوكسي نيوكليوتيد (dDNTP) هو نيوكليوتيد بدرجة H عند الكربون #3. يتم رسم هذا في صورة خماسي مع O في الأعلى. التحرك بعكس اتجاه عقارب الساعة - تحتوي النقطة التالية على كلمة «قاعدة»، والنقطة التالية تحتوي على H فقط، والنقطة التالية تحتوي أيضًا على H فقط، والأخيرة تحتوي على 3 فوسفات.
    الشكل\(\PageIndex{9}\): يتشابه الديوكسي نيوكليوتيد في تركيبته مع الديوكسي نيوكليوتيد، ولكنه يفتقد مجموعة الهيدروكسيل 3( المشار إليها بالمربع المظلل). عندما يتم دمج الديوكسي نيوكليوتيد في خيط الحمض النووي، يتوقف تخليق الحمض النووي.
    رسم تخطيطي يوضح طريقة Sanger. يحتوي خيط الحمض النووي على تسلسل GATTCAGC. تُستخدم الديوكسي نيوكليوتيدات ذات العلامات الصبغية لتوليد أجزاء من الحمض النووي بأطوال مختلفة. ينتهي الجزء الأقصر بنجمة حمراء للإشارة إلى أن ddTTP هو الذي أنهى السلسلة. يحتوي الجزء الأقصر التالي على نجمة خضراء للإشارة إلى أن dDatp أنهى السلسلة. يحتوي التالي على نجمة سوداء للإشارة إلى أن ddGTP أنهى السلسلة. يحتوي الأطول على نجمة زرقاء للإشارة إلى أن ddCTP أنهى السلسلة. لا يتم عرض جميع الأجزاء في الرسم التخطيطي. إلى اليمين توجد نسخة مطبوعة على الكمبيوتر تعرض جميع الأجزاء التي يمكن رؤيتها في العينة. تُظهر النسخة المطبوعة بالكمبيوتر قمة ملونة للإشارة إلى الجزء الذي انتقل عبر الجل في هذا الموضع. يُظهر الموضع الأول (الأقصر) قمة سوداء تشير إلى G، والتالي هو قمة خضراء تشير إلى A، ثم قمة حمراء تشير إلى T، تليها 3 قمم خضراء تشير إلى A، وما إلى ذلك.
    الشكل\(\PageIndex{10}\): تم توضيح طريقة إنهاء سلسلة الديديوكسي لفريدريك سانجر، باستخدام DDNTPs الموسومة بالفلوروكرومات. باستخدام DDNTps، يمكن إنشاء مزيج من أجزاء الحمض النووي من كل حجم ممكن، والتي تختلف في الطول بنيوكليوتيد واحد فقط. يتم فصل الحمض النووي على أساس الحجم ويمكن اكتشاف كل نطاق باستخدام كاشف الفلورة.
    رسم تخطيطي يلخص طريقة سانجر. 1 - تتم إضافة ما يلي إلى أنبوب تفاعل PCR: قالب الحمض النووي، والبادئات، وبليميراز الحمض النووي، و DNTPs، و dDNTPs المسمى بالفلور. 2 - عند كل قاعدة في قالب الحمض النووي، تتم إضافة dNTP وتستمر الاستطالة أو إضافة dDNTP وتتوقف الاستطالة. ينتج عن هذه العملية أجزاء من جميع الأحجام، ولكل منها نيوكليوتيد طرفي مختلف يحمل علامة فلورنيكية. 3 - يتم تمرير الشظايا عبر جل شعري ويتم اكتشافها بواسطة الليزر. يقوم الكمبيوتر بتعريف كل نطاق أثناء مروره بواسطة الليزر.
    الشكل\(\PageIndex{11}\): يلخص هذا الرسم البياني طريقة تسلسل سانجر باستخدام DDNTPs المسمى بالفلوروكروم والترحيل الكهربائي للجل الشعري.

    منذ عام 2005، تندرج تقنيات التسلسل الآلي التي تستخدمها المختبرات تحت مظلة تسلسل الجيل التالي، وهو عبارة عن مجموعة من التقنيات الآلية المستخدمة لتسلسل الحمض النووي السريع. لقد أحدثت هذه الأساليب ثورة في مجال علم الوراثة الجزيئي لأن أجهزة التسلسل منخفضة التكلفة يمكنها توليد تسلسلات من مئات الآلاف أو الملايين من الأجزاء القصيرة (25 إلى 600 زوج أساسي) في يوم واحد فقط. على الرغم من أن العديد من المتغيرات لتقنيات التسلسل من الجيل التالي تصنعها شركات مختلفة (على سبيل المثال، التسلسل الحراري لـ 454 Life Sciences وتقنية Illumina's Solexa)، إلا أنها تسمح جميعًا بتسلسل ملايين القواعد بسرعة، مما يجعل تسلسل الجينوم بأكمله سهلًا نسبيًا وغير مكلف، وشائع. في التسلسل 454 (التسلسل الحراري)، على سبيل المثال، يتم تقسيم عينة الحمض النووي إلى أجزاء أحادية الجديلة تتراوح بين 400 و 600 نقطة في البوصة، ويتم تعديلها بإضافة محولات الحمض النووي إلى طرفي كل جزء. يتم بعد ذلك تثبيت كل جزء من الحمض النووي على حبة وتضخيمه بواسطة PCR، باستخدام مواد أولية مصممة للتصلب بالمحولات، مما يؤدي إلى تكوين حبة تحتوي على نسخ عديدة من جزء الحمض النووي هذا. ثم يتم وضع كل حبة في بئر منفصل يحتوي على إنزيمات متسلسلة. إلى البئر، تتم إضافة كل من النيوكليوتيدات الأربعة واحدة تلو الأخرى؛ وعندما يتم دمج كل منها، يتم إطلاق البيروفوسفات كمنتج ثانوي للبلمرة، مما ينبعث منه ومضة صغيرة من الضوء يتم تسجيلها بواسطة كاشف. يوفر هذا ترتيب النيوكليوتيدات المدمجة عند صنع خيط جديد من الحمض النووي وهو مثال على التسلسل التخليقي. تستخدم أجهزة التسلسل من الجيل التالي برامج متطورة لاجتياز العملية المرهقة المتمثلة في ترتيب جميع الأجزاء. بشكل عام، تستمر هذه التقنيات في التقدم بسرعة، مما يقلل من تكلفة التسلسل ويزيد من توافر بيانات التسلسل من مجموعة متنوعة من الكائنات الحية بسرعة.

    يضم المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية قاعدة بيانات للتسلسل الجيني مستخدمة على نطاق واسع تسمى GenBankحيث يقوم الباحثون بإيداع المعلومات الجينية للاستخدام العام. عند نشر بيانات التسلسل، يقوم الباحثون بتحميلها إلى GenBank، مما يتيح للباحثين الآخرين الوصول إلى المعلومات. يسمح التعاون للباحثين بمقارنة معلومات تسلسل العينات المكتشفة حديثًا أو غير المعروفة مع مجموعة واسعة من بيانات التسلسل الموجودة بالفعل.

    رابط إلى التعلم

    شاهد رسمًا متحركًا حول تسلسل 454 لتعميق فهمك لهذه الطريقة.

    استخدام NAAT لتشخيص عدوى C. العسيرة

    عاد خافيير، وهو مريض يبلغ من العمر 80 عامًا وله تاريخ من أمراض القلب، مؤخرًا إلى المنزل من المستشفى بعد خضوعه لعملية رأب الأوعية لإدخال دعامة في شريان القلب. لتقليل احتمالية الإصابة بالعدوى، تم إعطاء خافيير المضادات الحيوية الوريدية واسعة الطيف أثناء الإجراء وبعده بفترة وجيزة. تم إطلاق سراحه بعد أربعة أيام من العملية، ولكن بعد أسبوع، بدأ يعاني من تشنج خفيف في البطن وإسهال مائي عدة مرات في اليوم. فقد شهيته، وأصيب بالجفاف الشديد، وأصيب بالحمى. كما لاحظ وجود دم في برازه. اتصلت زوجة خافيير بالطبيب الذي أمرها بأخذه إلى غرفة الطوارئ على الفور.

    أجرى طاقم المستشفى عدة اختبارات ووجد أن مستويات الكرياتينين في الكلى لدى خافيير مرتفعة مقارنة بمستويات دمه، مما يشير إلى أن كليتيه لا تعملان بشكل جيد. تشير أعراض خافيير إلى احتمال الإصابة بعدوى بكتيريا كلوستريديوم ديفيسيل، وهي بكتيريا مقاومة للعديد من المضادات الحيوية. قام المستشفى بجمع وزرع عينة من البراز للبحث عن إنتاج السموم A و B بواسطة C. dificile، لكن النتائج جاءت سلبية. ومع ذلك، لم تكن النتائج السلبية كافية لاستبعاد عدوى المطثية العسيرة لأن زراعة المطثية العسيرة والكشف عن السموم المميزة لها يمكن أن تكون صعبة، خاصة في بعض أنواع العينات. لكي يكونوا آمنين، شرعوا في اختبار تشخيصي لتضخيم الحمض النووي (NAAT). تعد NaATs حاليًا المعيار الذهبي لأخصائي التشخيص السريري للكشف عن المواد الوراثية لمسببات الأمراض. في حالة خافيير، تم استخدام qPCR للبحث عن الجين الذي يشفر C. difile toxin B (TcDb). عندما جاء تحليل qPCR إيجابيًا، خلص الطبيب المعالج إلى أن خافيير كان يعاني بالفعل من عدوى المطثية العسيرة ووصف على الفور المضاد الحيوي فانكومايسين، ليتم إعطاؤه عن طريق الوريد. أزال المضاد الحيوي العدوى وتعافى خافيير تمامًا.

    نظرًا لانتشار العدوى بـ C. dificile على نطاق واسع في مجتمع خافيير، تم تحليل العينة الخاصة به لمعرفة ما إذا كان من الممكن تحديد السلالة المحددة من C. dificile. تم إخضاع عينة براز خافيير للتنميط الريبوزي وتحليل PCR القائم على التسلسل المتكرر (REP-PCR). في التنميط الريبوزي، يتم تضخيم تسلسل قصير من الحمض النووي بين جينات RRNA 16S و 23S rRNA وتعريضه لعملية هضم مقيدة (الشكل\(\PageIndex{12}\)). ويختلف هذا التسلسل بين سلالات المطثية العسيرة، لذا فإن إنزيمات التقييد ستنخفض في أماكن مختلفة. في Rep-PCR، تم استخدام بادئات الحمض النووي المصممة للربط بالتسلسلات القصيرة الشائعة المتكررة داخل جينوم C. العسيرة في PCR. بعد الهضم المقيد، تم إجراء الرحلان الكهربائي لجل الأغاروز في كلا النوعين من التحليل لفحص أنماط النطاقات التي نتجت عن كل إجراء (الشكل\(\PageIndex{13}\)). يمكن استخدام REP-PCR لمزيد من الأنواع الفرعية المختلفة من أنواع الريبوبات، مما يزيد من الدقة للكشف عن الاختلافات بين السلالات. وُجد أن النمط الريبي للسلالة التي تصيب خافيير هو النمط الريبوتايب 27، وهي سلالة معروفة بزيادة ضراوتها ومقاومتها للمضادات الحيوية وزيادة انتشارها في الولايات المتحدة وكندا واليابان وأوروبا. 1

    التمارين\(\PageIndex{5}\)

    1. كيف تختلف أنماط النطاقات بين سلالات المطثية العسيرة؟
    2. لماذا تعتقد أن الاختبارات المعملية لم تكن قادرة على اكتشاف إنتاج السموم مباشرة؟
    جل يُظهر نطاقات مختلفة من مختلف أنواع ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يُطلق على المسار السفلي اسم خافيير ويطابق نمط النطاقات من PCR-Ribotype 027.
    الشكل\(\PageIndex{12}\): جل يعرض منتجات PCR من سلالات كلوستريديوم العسيرة المختلفة. تظهر عينة خافيير في الأسفل؛ لاحظ أنها تطابق النمط الريبوتايب 27 في المجموعة المرجعية. (الائتمان: تعديل العمل من قبل الجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة)
    رسم تخطيطي للتحليل الجزيئي. يظهر جينوم بكتيري دائري. ترتبط المواد الأولية بالتسلسلات المتكررة الموجودة في مواقع متعددة في الجينوم. يتم تضخيم هذه المناطق باستخدام PCR. يتم استخدام الرحلان الكهربي الهلامي لتحديد حجم المناطق المضخمة. يمكن مقارنة أنماط الأجزاء المضخمة بالعينات المعروفة لتحديد السلالات.
    الشكل\(\PageIndex{13}\): يمكن تحديد سلالات البكتيريا المعدية، مثل C. dificile، عن طريق التحليل الجزيئي. يشيع استخدام التنميط الريبوزي المتسلسل لتحديد سلالات معينة من المطثية العسيرة. Rep-PCR هي تقنية جزيئية بديلة تستخدم أيضًا لتحديد سلالات معينة من المطثية العسيرة. (المرجع: تعديل العمل من قبل الجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة)

    التمارين\(\PageIndex{6}\)

    1. كيف يشبه PCR عملية تكرار الحمض النووي الطبيعي في الخلايا؟ كيف تختلف؟
    2. قارن RT-PCR و qPCR من حيث أغراض كل منهما.
    3. في تسلسل إنهاء السلسلة، كيف يتم تحديد هوية كل نيوكليوتيد في تسلسل؟

    المفاهيم الأساسية والملخص

    • يتطلب العثور على جين مهم داخل العينة استخدام مسبار الحمض النووي أحادي الجديلة المسمى بمنارة جزيئية (عادةً النشاط الإشعاعي أو الفلورة) التي يمكن أن تتهجين بحمض نووي تكميلي أحادي الجديلة في العينة.
    • يسمح الرحلان الكهربائي لجل Agarose بفصل جزيئات الحمض النووي بناءً على الحجم.
    • يسمح تحليل تعدد الأشكال في طول جزء التقييد (RFLP) بالتصور بواسطة الرحلان الكهربائي لهلام الأغاروز لمتغيرات متميزة من تسلسل الحمض النووي الناجم عن الاختلافات في مواقع التقييد.
    • يسمح تحليل البقع الجنوبية للباحثين بالعثور على تسلسل معين من الحمض النووي داخل العينة بينما يسمح تحليل البقع الشمالية للباحثين باكتشاف تسلسل mRNA معين يتم التعبير عنه في العينة.
    • تقنية Microarray هي تقنية تهجين الحمض النووي التي تسمح بفحص عدة آلاف من الجينات في وقت واحد للعثور على اختلافات في الجينات أو أنماط التعبير الجيني بين عينتين من الحمض النووي الجيني أو cDNA،
    • يسمح الرحلان الكهربي لجل بولي أكريلاميد (PAGE) بفصل البروتينات حسب الحجم، خاصة إذا تم إخفاء شحنات البروتين الأصلية من خلال المعالجة المسبقة باستخدام SDS.
    • يسمح تفاعل البوليميراز المتسلسل بالتضخيم السريع لتسلسل الحمض النووي المحدد. يمكن استخدام اختلافات PCR للكشف عن تعبير mRNA (النسخ العكسي PCR) أو لتحديد تسلسل معين في العينة الأصلية (PCR في الوقت الفعلي).
    • على الرغم من أن تطوير تسلسل Sanger DNA كان ثوريًا، إلا أن التقدم في تسلسل الجيل التالي يسمح بالتسلسل السريع وغير المكلف لجينومات العديد من الكائنات الحية، مما يؤدي إلى تسريع حجم بيانات التسلسل الجديدة.

    الحواشي

    1. 1 باتريزيا سبيغاغليا وفابريزيو باربانتي وآنا ماريا ديونيسي وباولا ماسترانتونيو. «عزلات الكلوستريديوم العسيرة المقاومة للفلوروكينولونات في إيطاليا: ظهور PCR Ribotype 018". مجلة علم الأحياء الدقيقة السريرية 48 رقم 8 (2010): 2892-2896.