17.3: Mlolongo wa Jenomu Nzima-

Ujuzi wa Kuendeleza

• Eleza aina tatu za mlolongo
• Eleza mlolongo mzima wa genome

Ingawa kumekuwa na maendeleo makubwa katika sayansi ya matibabu katika miaka ya hivi karibuni, madaktari bado wanafadhaika na magonjwa mengine, na wanatumia mpangilio wa jenomu nzima ili kufikia chini ya tatizo hilo. Mpangilio wa jenomu nzima ni mchakato unaoamua mlolongo wa DNA wa jenomu nzima. Mlolongo wa genome nzima ni mbinu ya nguvu ya kutatua tatizo wakati kuna msingi wa maumbile katika msingi wa ugonjwa. Maabara kadhaa sasa hutoa huduma kwa mlolongo, kuchambua, na kutafsiri genomes nzima.

Kwa mfano, sequencing nzima-exome ni mbadala ya gharama ya chini kwa mpangilio mzima wa genome. Katika sequencing exome, tu coding, exon kuzalisha mikoa ya DNA ni sequenced. Mwaka 2010, mlolongo mzima wa exome ulitumiwa kuokoa kijana mdogo ambaye matumbo yake yalikuwa na vidonda vingi vya ajabu. Mtoto alikuwa na shughuli kadhaa za koloni bila misaada. Hatimaye, mpangilio mzima wa exome ulifanyika, ambao ulifunua kasoro katika njia inayodhibiti apoptosis (kifo cha kiini kilichopangwa). Kupandikiza marongo ya mfupa ulitumiwa kuondokana na ugonjwa huu wa maumbile, na kusababisha tiba kwa mvulana huyo. Alikuwa mtu wa kwanza kutibiwa kwa ufanisi kulingana na utambuzi uliofanywa na mpangilio wa exome nzima. Leo, mlolongo wa jenomu ya binadamu unapatikana kwa urahisi na unaweza kukamilika kwa siku moja au mbili kwa karibu $1000.

Mikakati Imetumika katika Miradi ya Mipangilio

Mbinu ya msingi ya mpangilio inayotumiwa katika miradi yote ya kisasa ya mpangilio wa siku ni njia ya kusitisha mnyororo (pia inajulikana kama njia ya dideoxy), ambayo ilianzishwa na Fred Sanger katika miaka ya 1970. Njia ya kusitisha mnyororo inahusisha replication ya DNA ya template moja-stranded na matumizi ya primer na deoxynucleotide ya kawaida (DnTP), ambayo ni monoma, au kitengo kimoja, cha DNA. The primer na DnTP ni mchanganyiko na sehemu ndogo ya fluorescently kinachoitwa dideoxynucleotides (DDNTPs). DDNTPs ni monomers ambazo hazipo kundi la hidroxyl (-OH) kwenye tovuti ambayo nucleotide nyingine huunganisha kuunda mnyororo (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Dideoxynucleotide ni sawa na muundo wa deoxynucleotide, lakini haipo kundi la 3' hydroxyl (iliyoonyeshwa na sanduku). Wakati dideoxynucleotide imeingizwa kwenye kamba ya DNA, awali ya DNA inacha.

Kila DDNTP inaitwa na rangi tofauti ya fluorophore. Kila wakati DDNTP inaingizwa katika strand inayoongezeka ya ziada, inakomesha mchakato wa replication ya DNA, ambayo husababisha vipande vingi vifupi vya DNA iliyoigwa ambayo kila mmoja imekamilika kwa hatua tofauti wakati wa kuiga. Wakati mchanganyiko wa mmenyuko unatengenezwa na electrophoresis ya gel baada ya kutengwa katika vipande vya moja, vipande vingi vya DNA vilivyoandikwa hivi karibuni vinaunda ngazi kwa sababu ya ukubwa tofauti. Kwa sababu DDNTPs zimeandikwa kwa fluorescently, kila bendi kwenye gel huonyesha ukubwa wa kamba ya DNA na DDNTP ambayo imekoma majibu. Rangi tofauti za DDNTPs zilizoandikwa na fluorophore husaidia kutambua DDNTP iliyoingizwa katika nafasi hiyo. Kusoma gel kwa misingi ya rangi ya kila bendi kwenye ngazi hutoa mlolongo wa kamba ya template (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Frederick Sanger ya dideoxy mnyororo kuondoa mbinu ni mfano. Kutumia dideoxynucleotides, kipande cha DNA kinaweza kufutwa kwa pointi tofauti. DNA inatenganishwa kwa misingi ya ukubwa, na bendi hizi, kulingana na ukubwa wa vipande, zinaweza kusomwa.

Mikakati ya Mapema: Mipangilio ya Shotgun na Mlolongo wa Mwisho wa Hekima

Katika njia ya mpangilio wa shotgun, nakala kadhaa za kipande cha DNA hukatwa kwa nasibu vipande vidogo vidogo (kiasi fulani kama kinachotokea kwa cartridge ya mzunguko wa risasi wakati wa kufukuzwa kutoka shotgun). Makundi yote yanapangwa kwa kutumia njia ya mlolongo-sequencing. Kisha, kwa msaada wa kompyuta, vipande vinachambuliwa ili kuona ambapo utaratibu wao unaingiliana. Kwa kulinganisha Utaratibu unaoingiliana mwishoni mwa kila kipande, mlolongo mzima wa DNA unaweza kubadilishwa. Mlolongo mkubwa ambao umekusanyika kutoka kwa utaratibu mfupi unaoingiliana unaitwa contig. Kama mfano, fikiria kwamba mtu ana nakala nne za picha ya mazingira ambayo hujawahi kuona kabla na hajui chochote kuhusu jinsi inapaswa kuonekana. Mtu huyo hupiga kila picha kwa mikono yake, ili vipande tofauti vya ukubwa vipo kutoka kila nakala. Mtu huchanganya vipande vyote pamoja na kukuuliza upya picha. Katika moja ya vipande vidogo unaweza kuona mlima. Katika kipande kikubwa, unaona kwamba mlima huo ni nyuma ya ziwa. Kipande cha tatu kinaonyesha ziwa tu, lakini inaonyesha kwamba kuna cabin kwenye pwani ya ziwa. Kwa hiyo, kutokana na kuangalia habari zinazoingiliana katika vipande hivi vitatu, unajua kwamba picha ina mlima nyuma ya ziwa ambalo lina cabin kwenye pwani yake. Hii ni kanuni nyuma ya kujenga upya utaratibu mzima wa DNA kwa kutumia mlolongo wa shotgun.

Awali, shotgun mlolongo tu kuchambuliwa mwisho mmoja wa kila kipande kwa overlaps. Hii ilikuwa ya kutosha kwa ajili ya mpangilio wa genomes ndogo. Hata hivyo, hamu ya mlolongo genomes kubwa, kama ile ya binadamu, imesababisha maendeleo ya mbili-pipa shotgun mlolongo, zaidi rasmi inayojulikana kama pairwise-mwisho mpangilio. Katika mlolongo wa mwisho wa jozi, mwisho wa kila kipande huchambuliwa kwa kuingiliana. Mpangilio wa mwisho wa mwisho ni, kwa hiyo, mbaya zaidi kuliko mlolongo wa shotgun, lakini ni rahisi kujenga upya mlolongo kwa sababu kuna habari zaidi zilizopo.

Mlolongo wa kizazi kijacho

Tangu mwaka 2005, mbinu za mpangilio wa automatiska zinazotumiwa na maabara ziko chini ya mwavuli wa mpangilio wa kizazi kijacho, ambayo ni kundi la mbinu za kiotomatiki zinazotumiwa kwa mpangilio wa haraka wa DNA. Hizi za sequencers za gharama nafuu zinaweza kuzalisha utaratibu wa mamia ya maelfu au mamilioni ya vipande vifupi (jozi 25 hadi 500 za msingi) kwa muda wa siku moja. Wafanyabiashara hawa hutumia programu ya kisasa ili kupata mchakato mbaya wa kuweka vipande vyote kwa utaratibu.

Evolution uhusiano: Kulinganisha Utaratibu

Mpangilio wa mlolongo ni mpangilio wa protini, DNA, au RNA; hutumika kutambua mikoa ya kufanana kati ya aina za seli au spishi, ambayo inaweza kuonyesha uhifadhi wa kazi au miundo. Alignments mlolongo inaweza kutumika kujenga miti phylogenetic. Tovuti ifuatayo inatumia programu inayoitwa BLAST (chombo cha msingi cha utafutaji cha ndani cha mfungamano).

Chini ya “Mlipuko wa Msingi,” bofya “Blast ya Nucleotide.” Ingiza mlolongo zifuatazo katika kubwa “swala mlolongo” sanduku: ATTGCTTCGATTGCA. Chini ya sanduku, Pata shamba la “Species” na uunda “binadamu” au “Homo sapiens”. Kisha bonyeza “MLIPUKO” kulinganisha mlolongo inputted dhidi ya Utaratibu maalumu wa genome binadamu. Matokeo yake ni kwamba mlolongo huu hutokea katika maeneo zaidi ya mia moja katika genome ya binadamu. Tembea chini chini ya graphic na baa usawa na utaona maelezo mafupi ya kila moja ya hits vinavyolingana. Chagua moja ya hits karibu na juu ya orodha na bonyeza “Graphics”. Hii itakuletea kwenye ukurasa unaoonyesha ambapo mlolongo hupatikana ndani ya jenomu nzima ya binadamu. Unaweza kusonga slider ambayo inaonekana kama bendera ya kijani na kurudi ili kuona Utaratibu mara moja karibu na jeni kuchaguliwa. Unaweza kisha kurudi kwenye mlolongo wako uliochaguliwa kwa kubonyeza kitufe cha “ATG”.

Matumizi ya Utaratibu wa Jenomu Wote wa Viumbe vya Mfano

Jenomu ya kwanza kupangiliwa kabisa ilikuwa ya virusi vya bakteria, bacteriophage fx174 (jozi 5368 za msingi); hii ilikamilishwa na Fred Sanger kwa kutumia mpangilio wa shotgun. Baadhi ya organelle nyingine na genomes ya virusi walikuwa baadaye sequenced. Kiumbe cha kwanza ambacho jenomu yake ilikuwa mpangilio ilikuwa bacterium Haemophilus influenzae; hii ilikamilishwa na Craig Venter katika miaka ya 1980. Takriban maabara 74 tofauti walishirikiana juu ya mpangilio wa genome ya chachu Saccharomyces cerevisiae, ambayo ilianza mwaka 1989 na kukamilika mwaka 1996, kwa sababu ilikuwa mara 60 kubwa kuliko jenomu nyingine yoyote iliyokuwa imesimamishwa. Kufikia mwaka wa 1997, utaratibu wa jenomu wa viumbe viwili muhimu vya mfano ulipatikana: bakteria Escherichia coli K12 na chachu ya Saccharomyces cerevisiae. Jenomu za viumbe vingine vya mfano, kama vile panya Mus musculus, kuruka matunda Drosophila melanogaster, nematodi Caenorhabditis elegans, na binadamu Homo sapiens sasa wanajulikana. Utafiti mwingi wa msingi unafanywa katika viumbe vya mfano kwa sababu habari zinaweza kutumika kwa viumbehai vinavyofanana na vinasaba. Kiumbe cha mfano ni spishi inayojifunza kama mfano wa kuelewa michakato ya kibiolojia katika spishi nyingine zinazowakilishwa na viumbe vya mfano. Kuwa na genomes nzima sequenced husaidia na jitihada za utafiti katika viumbe hivi mfano. Mchakato wa kuunganisha habari za kibiolojia kwa utaratibu wa jeni huitwa annotation ya genome. Maelezo ya utaratibu wa jeni husaidia kwa majaribio ya msingi katika biolojia ya molekuli, kama vile kubuni vipindi vya PCR na malengo ya RNA.

Unganisha na Kujifunza

Bonyeza kupitia kila hatua ya HHMI genome sequencing tovuti.

Matumizi ya Utaratibu wa Jenome

Mikroarrays ya DNA ni mbinu zinazotumiwa kuchunguza usemi wa jeni kwa kuchambua safu ya vipande vya DNA ambavyo vinawekwa kwenye slide ya kioo au chipu cha silicon ili kutambua jeni hai na kutambua utaratibu. Karibu milioni moja kutofautiana kwa genotypic inaweza kugunduliwa kwa kutumia microarrays, wakati mpangilio wa jenomu nzima unaweza kutoa taarifa kuhusu jozi zote bilioni sita za msingi katika jenome ya binadamu. Ingawa utafiti wa matumizi ya matibabu ya mpangilio wa genome ni ya kuvutia, nidhamu hii huelekea kukaa juu ya kazi isiyo ya kawaida ya jeni. Maarifa ya genome nzima itawawezesha magonjwa ya mwanzo ya baadaye na matatizo mengine ya maumbile kugunduliwa mapema, ambayo itawawezesha kufanya maamuzi zaidi kuhusu maisha, dawa, na kuwa na watoto. Jenomiki bado iko katika utoto wake, ingawa siku moja inaweza kuwa mara kwa mara kutumia mpangilio wa jenomu nzima kuchunguza kila mtoto mchanga kuchunguza kutofautiana kwa maumbile.

Mbali na ugonjwa na dawa, genomics inaweza kuchangia katika maendeleo ya enzymes riwaya kwamba kubadilisha biomasi kwa biofueli, ambayo matokeo katika mazao ya juu na uzalishaji wa mafuta, na gharama ya chini kwa walaji. Maarifa haya yanapaswa kuruhusu mbinu bora za udhibiti juu ya microbes zinazotumiwa katika uzalishaji wa biofueli. Jenomiki pia inaweza kuboresha mbinu zinazotumiwa kufuatilia athari za uchafuzi kwenye mazingira na kusaidia kusafisha uchafu wa mazingira. Jenomiki imeruhusu maendeleo ya kilimo na madawa ambayo yanaweza kufaidika sayansi ya matibabu na kilimo.

Inaonekana kubwa kuwa na maarifa yote tunayoweza kupata kutoka kwa mpangilio wa jenomu nzima; hata hivyo, binadamu wana wajibu wa kutumia ujuzi huu kwa busara. Vinginevyo, inaweza kuwa rahisi kutumia vibaya nguvu za ujuzi huo, na kusababisha ubaguzi kulingana na maumbile ya mtu, uhandisi wa maumbile ya binadamu, na wasiwasi mwingine wa kimaadili. Taarifa hii inaweza pia kusababisha masuala ya kisheria kuhusu afya na faragha.

Muhtasari

Mpangilio wa jenomu nzima ni rasilimali ya hivi karibuni inayopatikana ili kutibu magonjwa ya maumbile. Madaktari wengine wanatumia mpangilio wa jenomu nzima ili kuokoa maisha. Jenomiki ina maombi mengi ya viwanda ikiwa ni pamoja na maendeleo ya mafuta ya mimea, kilimo, madawa, na udhibiti wa uchafuzi wa mazingira. Kanuni ya msingi ya mikakati yote ya kisasa ya sequencing inahusisha njia ya kusitisha mlolongo wa mlolongo.

Ingawa Utaratibu wa jenomu ya binadamu hutoa ufahamu muhimu kwa wataalamu wa matibabu, watafiti hutumia utaratibu mzima wa jenomu ya viumbe vya mfano ili kuelewa vizuri jenome ya aina. Automation na gharama iliyopungua ya mlolongo wa genome nzima inaweza kusababisha dawa za kibinafsi katika siku zijazo.

faharasa

njia ya kuondoa mnyororo

njia ya mpangilio wa DNA kwa kutumia dideoxynucleotides iliyoandikwa ili kukomesha replication ya DNA; pia inaitwa njia ya dideoxy au njia ya Sanger

contig

kubwa mlolongo wa DNA wamekusanyika kutoka ukipishana Utaratibu mfupi

deoxynucleotide

monoma ya mtu binafsi (kitengo kimoja) cha DNA

dideoxynucleotide

monoma ya mtu binafsi ya DNA ambayo haipo kundi la hidroxyl (-OH)

DNA microarray

njia inayotumiwa kuchunguza usemi wa jeni kwa kuchambua safu ya vipande vya DNA ambavyo vinatengenezwa kwenye slide ya kioo au chip cha silicon ili kutambua jeni hai na kutambua utaratibu

ufafanuzi wa jenomu

mchakato wa attaching habari kibiolojia kwa Utaratibu gene

mfano wa viumbe

aina ambayo ni alisoma na kutumika kama mfano wa kuelewa michakato ya kibiolojia katika aina nyingine kuwakilishwa na viumbe mfano

mlolongo wa kizazi kijacho

kundi la mbinu automatiska kutumika kwa ajili ya haraka DNA mpangilio

mlolongo wa risasi

mbinu kutumika kwa mlolongo vipande mbalimbali DNA kuzalisha mlolongo wa kipande kikubwa cha DNA

mpangilio wa jenomu nzima

mchakato ambao huamua mlolongo wa DNA ya genome nzima