What Is DNA Sequencing?
Sekwencjonowanie DNA jest metodą, która określa kolejność czterech nukleotydów (adeniny, tyminy, cytozyny i guaniny), które tworzą cząsteczkę DNA i przekazują ważne informacje genetyczne. W podwójnej helisie DNA, cztery zasady łączą się z określonym partnerem tworząc jednostki zwane parami zasad (bp). Adenina (A) łączy się w pary z tyminą (T), a cytozyna (C) z guaniną (G). Ludzki genom zawiera około 3 miliardów par zasad, które dostarczają instrukcji do stworzenia i utrzymania człowieka. Struktura par zasad sprawia, że sekwencja DNA dobrze nadaje się do przechowywania ogromnej ilości informacji genetycznej. To komplementarne parowanie baz stanowi podstawę mechanizmu, za pomocą którego cząsteczki DNA są kopiowane, przepisywane i tłumaczone, a parowanie leży również u podstaw większości metod sekwencjonowania DNA. Dzięki ogromnej poprawie technologii i metod sekwencjonowania DNA, sekwencjonowanie całego genomu stało się możliwe i przystępne cenowo.
Metody sekwencjonowania DNA
Sekwencjonowanie metodą Sangera zostało odkryte przez angielskiego biochemika Fredericka Sangera w latach 70-tych. Metoda Sangera jest klasyczną metodą sekwencjonowania DNA, która wykorzystuje fluorescencyjne ddNTPs (dideoksynukleotydy, N = A, T, G lub C), aby zapobiec dodaniu kolejnego nukleotydu. Można przejrzeć nasz artykuł 'Sekwencjonowanie metodą Sangera: Introduction, Principle, and Protocol”, aby dowiedzieć się więcej o tej metodzie.
Technologie sekwencjonowania następnej generacji (NGS, znane również jako sekwencjonowanie masowo równoległe) w dużym stopniu wyparły sekwencjonowanie Sangera dzięki zaletom takim jak wysoka przepustowość, efektywność kosztowa i szybkość. NGS może oznaczać miliony fragmentów jednocześnie. NGS jest sekwencjonowaniem krótkich odczytów, które wymaga budowy biblioteki małych fragmentów, a następnie głębokiego sekwencjonowania, wstępnego przetwarzania surowych danych, wyrównywania sekwencji DNA, montażu, adnotacji i dalszej analizy.
Pojawiające się sekwencjonowanie trzeciej generacji, znane również jako sekwencjonowanie długich odczytów, w tym sekwencjonowanie PacBio SMRT i sekwencjonowanie nanoporowe Oxford, może badać miliardy szablonów DNA i RNA i jednocześnie wykrywać zmienne metylacje bez uprzedzeń. Metody długiego odczytu mogą wykryć więcej wariacji, z których niektóre nie mogą być zaobserwowane przy użyciu samego sekwencjonowania krótkiego odczytu.
Rysunek 1. Historia technologii sekwencjonowania DNA.
Zastosowania technologii sekwencjonowania DNA
Sekwencjonowanie DNA ujawnia informację genetyczną, która jest przenoszona w określonym segmencie DNA, całym genomie lub złożonym mikrobiomie. Naukowcy mogą wykorzystać informacje o sekwencji do określenia, które geny i instrukcje regulacyjne są zawarte w cząsteczce DNA. Sekwencja DNA może być badana pod kątem charakterystycznych cech genów, takich jak otwarte ramki odczytu (ORF) i wyspy CpG. Homologiczne sekwencje DNA z różnych organizmów mogą być porównywane w celu analizy ewolucyjnej między gatunkami lub populacjami. W szczególności sekwencjonowanie DNA może ujawnić zmiany w genie, które mogą być przyczyną choroby.
Sekwencjonowanie DNA znalazło zastosowanie w medycynie, w tym w diagnostyce i leczeniu chorób oraz w badaniach epidemiologicznych. Sekwencjonowanie ma moc zrewolucjonizowania bezpieczeństwa żywności i zrównoważonego rolnictwa, w tym zdrowia zwierząt, roślin i zdrowia publicznego, poprawy rolnictwa poprzez skuteczną hodowlę roślin i zwierząt oraz zmniejszenia ryzyka związanego z wybuchami chorób. Ponadto sekwencjonowanie DNA może być wykorzystywane do ochrony i poprawy stanu środowiska naturalnego zarówno dla ludzi, jak i dzikich zwierząt.