Emberi DNS. DNS dekódolás. Anyag a DNS-elemzéshez
A DNS a dezoxiribonukleinsavat jelenti. Átláthatja a DNS-t erős mikroszkóp, de úgy néz ki, mint egy hosszú molekula, hasonló a tengelye körül csavart kötéllétrához.
A DNS-molekula az ember úgynevezett „útlevele” vagy „terve”, amely minden információt tartalmaz róla. Ezek a magasság, a csontszerkezet, a koponya alakja, a haj szerkezete és színe, a szemszín és mások. jellegzetes vonásai. A DNS felelős az osztódó sejtek pontos másolásáért. Amikor a gyermek elkezd fejlődni az anyaméhben, a DNS biztosítja az összes sejt azonosságát az örökletes információk helyes olvasásával. Fogantatáskor meg nem született gyermek a DNS-molekulák 50%-át az anyától, 50%-át az apától kapja.
Az egyes DNS-molekulák az emberi test abszolút minden sejtjében megtalálhatók. A DNS mindössze négy kémiai vegyületből áll: adeninből, timinből, citozinból és guaninból. Ezek az elemek páronként (gének) és csak így kapcsolódnak egymáshoz: az adenin a timinnel, a citozin a guaninnal. Ezek a párok alkotják a fent említett kötéllétra „fokát”. A molekulapárok közös láncban való elrendezése felelős az ember örökletes tulajdonságaiért.
A kód megértéséhez egy másik fontos dolog, amit meg kell érteni, az úgynevezett "crossover" jelenség: a meiózis folyamata során a kromoszómák találkoznak és képesek genetikai anyagot kicserélni. Amikor ez megtörténik, valószínűleg genetikai rendellenességhez vezet. Ez a lemezen is el van magyarázva: amikor egy kromoszómában szimbólumot találunk, akkor meg kell értenünk, hogy ez a kromoszóma képes genetikai anyagot kicserélni másokkal, vagy értelmezhetjük kromoszómális „inverzióként” is: gyakorlatilag, a kromoszóma képes pályát változtatni!
A DNS 1868-as felfedezése lehetővé tette a tudósok számára, hogy bebizonyítsák, hogy minden ember a maga nemében genetikai információ hordozója. Ma DNS-elemzés segítségével az orvosok 99,99%-os pontossággal állapítják meg az apasági vagy családi kapcsolatokat.
Addigra ezt már meg tudták tenni a fehérjék esetében – a szekvenciájuk leolvasásának módszerét az 1950-es évek elején, még a kettős hélix felfedezése előtt fejlesztették ki. Ezenkívül a tudósok már képesek voltak rövid RNS-szekvenciák olvasására. De egyáltalán nem tudták olvasni a DNS-szekvenciákat. Ez óriási szakadékot teremtett az élet molekuláris alapjainak valós megértésében, és hátráltatta mind a szigorúan véve még nem létező biotechnológiák fejlődését, mind pedig e tudás orvosi alkalmazását.
Videó: mi az a dezoxiribonukleinsav
A kódban található rendkívüli üzenetnek köszönhetően Barbara olyan genetikai betegségeket tudott tanulmányozni, mint az amiotrófiás laterális szklerózis, a Down-szindróma, az achondrogenesis, a krónikus mieloid leukémia, a Burkitt-limfóma, az autizmus, a Tay-Sachs-kór és sok más genetikai diszfunkció egy teljesen új módszerrel. A nem létező fénynek semmi köze hozzá tudományos megközelítés, korunk emberisége által használt. Lehetséges, hogy ezeknek a leleteknek a megfejtésével valóban be lehet mutatni, hogy modernebb civilizációnk már létezett vagy járt bolygónkon nagyon ősidőkben?
Még az is kezdett úgy tűnni, hogy ez túl nehéz probléma, és nem lehet megoldani – minden próbálkozás sikertelen volt.
De a 20. század 70-es éveinek közepén áttörés történt. A DNS-szekvencia meghatározására szolgáló módszert Frederick Sanger brit kémikus fejlesztette ki.
Sanger - nagyszerű ember. Ő az egyetlen a tudománytörténetben, aki kettőt kapott Nobel-díjak kémiában. Nobel megtiltotta, hogy ugyanazt a személyt kétszer adjanak díjat ugyanazon a területen. És addigra Sanger már kapott egy díjat pontosan azért, mert kifejlesztett egy módszert az aminosavszekvenciák leolvasására a fehérjékben. Amikor pedig kidolgozott egy módszert a DNS-szekvencia leolvasására, a Nobel-bizottság nagyon nehéz helyzetbe került: vagy nem kellett díjat adnia egy kiemelkedő felfedezésért, vagy megsértenie Nobel akaratát. Úgy döntöttek, hogy mégis megtörik az akaratot. És ez az egyetlen eset a kémia területén.
A machetékről áttértünk a szikére. Ez egy újabb nagy előrelépés a biológusok azon képességében, hogy egyszerű, pontos és olcsó módon "újraírják" a DNS-t. Ahogy az oroszlán már megjegyezte, ez a Crisp nem egy ember által kitalált módszer, hanem a legkisebb élőlények, baktériumok természetes szelekciójával fejlesztették ki több száz millió és talán milliárd évvel ezelőtt, hogy visszaverjék egy vírus vagy más kísérletet. idegen" genetikai anyag, hogy bekerüljön a bakteriális DNS-be, és teljesen ingyenesen elhelyezze és szaporodjon.
Egy élő szervezet DNS-ébe való beépülés a gazdaszervezetet parazitává teszi, de gyakran veszélyes a gazdaszervezetre, annak ellenére. Vagy inkább egy nő, Emmanuelle Charpentier francia mikrobiológus, majd sok kollégája, köztük egy másik nő, Jennifer Dudena, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemről és Feng Zhang, a bostoni Massachusetts Institute of Technology munkatársa. Röviden: az új technológia kiküszöböli a „rossz” géneket, és abszolút pontossággal és gyorsasággal beilleszti a „jót”. Ráadásul könnyen használható és olcsó.
Hogyan olvashatók most a DNS-szekvenciák? Azóta óriási előrelépés történt ebben az irányban, és ez Sanger áttörésére épít. A DNS-szekvencia egy óriási hosszúságú szöveg, amely mindössze négy „betűvel” – négy kémiai vegyülettel – van írva: adenin (A), timin (T), guanin (G) és citozin (C). Minden sejtben van egy genom, amely hárommilliárd nukleotidból, hárommilliárd ilyen „betűből” áll.
Melyik biotechnológus merne többet remélni? Mert ahogy a felfedezők a dzsungelben teszik, úgy nyílik meg az út anélkül, hogy abszolút pontosan, de durván vágnák a szőlőt. Két bostoni kutatócsoport, köztük Feng Zhang, két szike pontosságú rendszert fejlesztett ki.
A DNS egy hosszú lánc, amely több ezer, százezer és ember esetében hárommilliárd bázisból áll. A biokémiai anyagokat nukleotidbázisoknak nevezzük. Valójában, ahogy James Watson és Francis Crick felfedezte az 1950-es években, a DNS-t egy „kettős hélix” alkotja: két egymást kiegészítő szál kapaszkodik egymáshoz. A bázisok sorrendje a DNS mentén nem véletlenszerű, hanem meghatározza azokat a funkciókat, amelyek igazolják az „életmolekula” egy bizonyos jellemzőjét. Például egy bizonyos tulajdonság úgy működik, mint egy gén: vagyis tartalmazza a fehérjék előállításához szükséges információkat.
Először is, a DNS-t töredékekre vágják speciális restrikciós enzimek segítségével. A restrikciós enzimek felismerik a körülbelül 6-8 nukleotidból álló rövid DNS-szekvenciákat, és csak ezen a ponton vágják el meghatározott módon a DNS kettős hélixet. Az ilyen „olló” felfedezése újabb áttörést jelentett az 1970-es évek elején.
Nos, néha elég, ha több ezer-tízezer bázisból csak egy hibás - elég mondjuk genetikusoknak egy mutáció - és a gén nem vagy rosszul működik. Emberben egyetlen gén egyedi mutációiról ismert, hogy súlyos betegségekhez vezetnek. Ez a helyzet például a sarlósejtes vérszegénység esetén. Vagy több ezer specifikus monogén betegség.
Ez az oka annak, hogy a DNS-hibák kijavításának képessége nemcsak nagy érték tudományos szempont orvosi szempontból, de orvosi szempontból is. Többé-kevésbé hosszú időn belül hiba nélkül „átírhatnánk” a DNS-t, és felépülhetnénk ezekből a betegségekből. A tét tehát nagyon nagy.
A DNS kivágása után a feladat egy rövid darab szekvenciájának meghatározása – száz vagy több száz linket tartalmazhat. És itt a Sanger-módszert alkalmazzák.
A kapott molekula fragmentumhoz speciális adaptereket adunk mindkét végén, mert a restrikciós enzim egyenetlen végeket hagy. Az adapternek van egy bizonyos sorrendje, amelyet magunk választunk ki, mivel szintetikus. Az adapter hozzáadása után minden töredék bizonyos - általunk ismert - szekvenciákat kap a végén. Ezekkel a szekvenciákkal szintetikus primereket (nukleinsavfragmenseket) adhatunk a molekula egy fragmentumához, amelyből kiindulva a meglévő DNS-szekvencia alapján komplementer láncot szintetizálunk.
Tények és események
Tavaly David Liu és az övé munkacsoport a bostoni Meathben azt találták, hogy a rendszer elhagyta a machete-t, és sebészeti, pontos hibát hajtott végre, pontossággal: egy bázissal. Röviden, a szike működött, igen, de csak néhány esetben.
Így kijavíthatja az összes lehetséges hibát a DNS-en anélkül, hogy megismételné magát egy machetével. Egy másik metaforával élve: Liu és kollégái technikája most jó tanárként működik. Azonosítsa a rögzítési hibákat, jelölje meg őket piros ceruzával, és javítsa ki. Természetesen még a tanárok is hibázhatnak. Nos, Liu új módszere 50%-ban hatékonynak bizonyult az emberi embrionális vesesejtek és csontráksejtek DNS-ének egyetlen bázisú korrekciójában. Úgy tűnik, nincs mellékhatás. Ezért a pontosság tízszeresére nőtt.
Sanger ötlete az volt, hogy ez a szintézis magában foglalja a normál nukleotid-prekurzorok, az úgynevezett nukleozid-trifoszfátok keverékéhez a speciálisan módosított nukleozid-trifoszfátokat, amelyek nem képesek megnyúlni.
Ennek eredményeként a szintézis megáll egyik vagy másik „betű” helyén. Így olyan hosszúságú molekulákat kapunk, amelyek pontosan megmondják, hol van beágyazva ez vagy az a „betű”. És akkor már csak ezeknek a molekuláknak a hossz szerinti szétválasztása van hátra, ami gélelektroforézissel történik.
Liunak tehát igaza van: lehetséges, hogy a génterápiában el lehet hagyni a machete-t. Tehát az általuk hordozott hibák kijavítása ugyanolyan fontos lehet, mint a DNS-ben való kijavítás. Így az "alapszerkesztés", az egyes alapok pontos korrekciója hozzáadódik a "génszerkesztéshez", a vágási varrás teljes sorozatához. És ez is hozzá van adva, mert újra ugyanazokat a bioetikai kérdéseket sugallja. Ezeket a technológiákat mindenképpen alkalmazni kell, mivel óriási lehetőségek rejlenek.
Bővebben: Hamarosan még embereken is alkalmazzák a világ számos laboratóriumában, mert könnyűek és olcsók. Ezért tudjuk, hogy „ki” és „mikor” jön be az életünkbe. Mindazonáltal nyilvános és demokratikus vitát kell indítani a „hogyan” mielőbbi meghatározása érdekében.
Egy speciális gélt készítenek, vagyis egy polimer hálót, amelyre állandó elektromos mezőt alkalmaznak. Az elektromos tér hatására negatív töltésű DNS-molekulák kúsznak át a polimer hálózaton. És minél hosszabb a molekula, annál lassabban mozog a gélben. Ez lehetővé teszi, hogy a molekulák keverékét hosszuk és a keresett nukleotid elhelyezkedése szerint különítsük el. pillanatnyilag vizsgálat során a szintézis leállását, vagyis a fragmentumok hosszát fogjuk látni, ha hosszuk szerint választjuk el őket, e nukleotidok számának megfelelően.
A sejtek évmilliók során fejlődtek, javítva és javítva tulajdonságaikat, hogy túléljenek különböző környezetekben. Ez azért történik, mert a szervezet genomja, i.e. minden genetikai anyaga felfogható egy "utasítási füzetnek", amelyből a sejt összes biológiai komponense összeállítható.
Ha el tudnánk olvasni egy sejt genomját, legalább megjósolhatnánk elméleti út, viselkedés és biológiai mechanizmusok. Valójában a sejt genomjának jelenléte nem teszi lehetővé számunkra, hogy teljes mértékben ellenőrizzük teljes biológiai összetételét. Ha ezt a koncepciót egy olyan játékhoz hasonlítjuk, mint egy kirakós játék, akkor a szekvenálás során darabokra jutunk. A kép eléréséhez pontosan be kell keretezni őket, és jól kell ismernie a képernyőn újra létrehozandó képet.
Ezt a csodálatos, zseniális módszert, melynek köszönhetően meg tudtuk szekvenálni az emberi genomot, Sanger találta ki. Századunk legelején olvasták az első emberi genomot. Akkor körülbelül hárommilliárd dollárba került. Aztán a módszert módosították, robotizálták, ma pedig sokkal kevesebbe kerül a szekvencia-meghatározási eljárás. Az ára megközelíti az 1000 dollárt egy adott személy DNS-ének dekódolásáért.
Ez azt jelenti, hogy azonosítani kell az egyes fedetlen szekvenciák funkcióját, vagyis megérteni például, hogy melyek kódolnak fehérjéket, vagy melyek nem kódoló szerkezeti részek, majd ezeket egy nagyobb kontextusba illeszteni, összekapcsolva a különböző genetikai állományokat. elemek és végtermékeik. Ahhoz, hogy megértsük például egy gén funkcióját, kiküszöbölhetjük úgy, hogy eltávolítjuk, hogy lássuk hiányának hatását: ez egy reverse engineering folyamat. Természetesen a sorrendiség továbbra is az első és alapvető lépés, amelyet meg kell tennünk, ha ebben az irányban akarunk haladni.
A DNS-szekvenálási módszerek teljesen fantasztikus fejlődése hihetetlen előrelépést hozott mind az élet molekuláris természetének megértése, mind a biotechnológiai és orvosi alkalmazások terén.