Mitä on DNA:n sekvensointi?
DNA:n sekvensointi on menetelmä, jolla määritetään DNA-molekyylin muodostavien ja tärkeää geneettistä tietoa välittävien neljän nukleotidin emästen (adeniini, tymiini, sytosiini ja guaniini) järjestys. DNA:n kaksoiskierteessä neljä emästä sitoutuvat tiettyyn kumppaniin muodostaen yksiköitä, joita kutsutaan emäspaareiksi (bp). Adeniini (A) muodostaa parin tymiinin (T) kanssa ja sytosiini (C) muodostaa parin guaniinin (G) kanssa. Ihmisen perimässä on noin 3 miljardia emäsparia, jotka antavat ohjeet ihmisen luomiseen ja ylläpitoon. Perusparirakenteensa ansiosta DNA-sekvenssi soveltuu hyvin valtavan määrän geneettisen tiedon tallentamiseen. Tämä komplementaarinen emäspari perustuu mekanismiin, jonka avulla DNA-molekyylejä kopioidaan, transkriboidaan ja käännetään, ja tämä pariutuminen on myös useimpien DNA:n sekvensointimenetelmien perustana. DNA:n sekvensointitekniikoiden ja -menetelmien valtavan kehittymisen ansiosta koko genomin sekvensoinnista on tullut mahdollista ja kohtuuhintaista.
DNA:n sekvensointimenetelmät
Sanger-sekvensoinnin keksi englantilainen biokemisti Frederick Sanger 1970-luvulla. Sangerin menetelmä on klassinen DNA:n sekvensointimenetelmä, jossa käytetään fluoresoivia ddNTP:tä (dideoksinukleotidit, N = A, T, G tai C) estämään toisen nukleotidin lisääminen. Voit tutustua artikkeliin ”Sanger-sekvensointi: Johdanto, periaate ja protokolla” saadaksesi lisätietoja tästä menetelmästä.
Seuraavan sukupolven sekvensointitekniikat (NGS, tunnetaan myös nimellä massiivisesti rinnakkainen sekvensointi) ovat suurelta osin syrjäyttäneet Sanger-sekvensoinnin, sillä niiden etuina ovat suuri läpimeno, kustannustehokkuus ja nopeus. NGS:n avulla voidaan määrittää miljoonia fragmentteja samanaikaisesti. NGS on lyhyen lukukerran sekvensointi, joka edellyttää pienen fragmenttikirjaston rakentamista, jota seuraa syväsekvensointi, raakadatan esikäsittely, DNA-sekvenssien kohdistaminen, kokoaminen, annotaatio ja jatkoanalyysi.
Kehitteillä oleva kolmannen sukupolven sekvensointi, joka tunnetaan myös pitkän lukukerran sekvensointina, mukaan luettuna PacBio SMRT-sekvensointi ja Oxfordin nanopore-sekvensointi, pystyy tutkimaan miljardeja DNA:n ja RNA:n malleja ja havaitsemaan vaihtelevia metylaatioita yhtäaikaisesti ja ilman harhaa. Long-read-menetelmillä voidaan havaita enemmän variaatioita, joista osaa ei voida havaita pelkällä short-read-sekvensoinnilla.
Kuva 1. Pitkän lukukerran sekvensointi. DNA-sekvensointitekniikoiden historia.
DNA-sekvensointitekniikoiden sovellukset
DNA-sekvensointi paljastaa geneettisen informaation, joka sisältyy tiettyyn DNA-segmenttiin, koko genomiin tai monimutkaiseen mikrobiomiin. Tutkijat voivat käyttää sekvenssitietoa määrittääkseen, mitä geenejä ja säätelyohjeita DNA-molekyyli sisältää. DNA-sekvenssistä voidaan etsiä geeneille ominaisia piirteitä, kuten avoimia lukukehyksiä (ORF) ja CpG-saarekkeita. Eri organismien homologisia DNA-sekvenssejä voidaan verrata lajien tai populaatioiden välistä evoluutioanalyysia varten. Erityisesti DNA:n sekvensoinnilla voidaan paljastaa muutoksia geenissä, jotka voivat aiheuttaa sairauden.
DNA:n sekvensointia on käytetty lääketieteessä, kuten sairauksien diagnosoinnissa ja hoidossa sekä epidemiologisissa tutkimuksissa. Sekvensointi voi mullistaa elintarviketurvallisuuden ja kestävän maatalouden, mukaan lukien eläinten, kasvien ja kansanterveyden, parantamalla maataloutta tehokkaan kasvi- ja eläinjalostuksen avulla ja vähentämällä tautiepidemioiden aiheuttamia riskejä. Lisäksi DNA-sekvensointia voidaan käyttää luonnonympäristön suojeluun ja parantamiseen sekä ihmisten että villieläinten osalta.