Кіріспе
Генетика мен биохимияда тармақталмаған биополимердің құрылымын анықтау – "тізбектеу" генетикасының анықтамасы. Генетика мен биохимияда тізбектеу – тармақталмаған биополимердің бастапқы құрылымын (кейде қате түрде бастапқы тізбек деп аталады) анықтау. Тізбектеу нәтижесінде тізбек деп аталатын символдық сызықтық бейнелеу пайда болады, ол тізбектелген молекуланың атомдық деңгейдегі құрылымының көп бөлігін қысқаша сипаттайды.
the genetics definition of "sequencing"
In genetics and biochemistry, sequencing means to determine the primary structure (sometimes incorrectly called the primary sequence) of an unbranched biopolymer. Sequencing results in a symbolic linear depiction known as a sequence which succinctly summarizes much of the atomic level structure of the sequenced molecule.
ДНК тізбектеу
ДНҚ тізбектеуі – берілген ДНҚ фрагментінің нуклеотидтік реттілігін анықтау процесі. Қазірге дейін, ДНҚ тізбектеудің көп бөлігі Фредерик Сангер әзірлеген тізбек тоқтату әдісі арқылы жүзеге асырылды. Бұл техника модификацияланған нуклеотидтік субстраттарды қолдана отырып, ДНҚ синтезі реакциясын реттілікке қатысты тоқтату арқылы жұмыс істейді. Дегенмен, пиротізбектеу сияқты жаңа тізбектеу технологиялары тізбектеу нарығында үлесін арттырып келеді. Қазір пиротізбектеу арқылы Сангер ДНҚ тізбектеуінен көбірек геномдық деректер алынуда. Пиротізбектеу геномды жылдам тізбектеуге мүмкіндік берді. Бактериялық геномдар осы техникамен бір реттік жабындамамен, бірнеше есе қайталап тізбектелуі мүмкін. Бұл техника жақында Джеймс Уотсонның геномын тізбектеу үшін де қолданылды. ДНҚ тірі организмдердің тірі қалуы мен көбеюі үшін қажетті ақпаратты кодтайды. Сондықтан, тізбекті анықтау организмдердің не үшін және қалай тіршілік ететінін түсіну үшін, сондай-ақ қолданбалы зерттеулер үшін де пайдалы. ДНҚ тірі организмдер үшін маңызды болғандықтан, ДНҚ тізбектері туралы білім биологиялық зерттеулердің барлық саласында қолданылады. Мысалы, медицинада генетикалық ауруларды анықтау, диагностикалау және оларға емдеу әзірлеу үшін қолдануға болады. Сол сияқты, патогендерді зерттеу жұқпалы ауруларға ем табуға көмектеседі. Биотехнология – дамып келе жатқан ғылым, ол көптеген пайдалы өнімдер мен қызметтерді ұсынуға қабілетті. "Карлсон қисығы" термині The Economist журналының Мур заңының биотехнологиялық эквивалентін сипаттау үшін қолданылған, және ол Роберт Карлсонның есімімен аталған. Карлсон ДНҚ тізбектеу технологияларының екі есеге көбейетін уақыты (құны және өнімділігі бойынша өлшенгенде) Мур заңынан кем болмайтынын дәл болжады. Карлсон қисықтары ДНҚ тізбектеу, ДНҚ синтезі және ақуыз экспрессиясында және ақуыз құрылымдарын анықтауда қолданылатын физикалық және есептеу құралдары сияқты әртүрлі технологиялардың құнының жылдам (кейбір жағдайларда гиперэкспоненциалды) төмендеуін және өнімділігінің артуын көрсетеді.
Сангер реттілігі
Тізбектік терминаторлармен тізбектеу (Сангер тізбектеу) кезінде, кеңейту үлгі ДНК-ның белгілі бір орнында, осы аймаққа толыққанды қысқа олигонуклеотидтік «праймер» арқылы басталады. Олигонуклеотидтік праймер ДНК-ны көшіретін фермент – ДНК полимеразаның көмегімен кеңейтіледі. Праймермен және ДНК полимеразамен бірге төрт дезоксинуклеотид негізі (ДНК құрылыс блоктары) және тізбекті тоқтатушы нуклеотидтің (көбінесе дидезоксинуклеотид) төмен концентрациясы қосады. Дезоксинуклеотидтерде рибоза молекуласының 2’ және 3’ позицияларында OH тобы болмайды, сондықтан олар ДНК молекуласына енгізілгеннен кейін оның одан әрі созылуына кедерес жасайды. Бұл секвенсерде әрқайсысында төрт дидеоксирибонуклеотидтің тек қана болатын төрт бөлек ыдыс қолданылады; ДНК полимеразаның тізбекті тоқтатушы нуклеотидтерді кездейсоқ орналастыруы белгілі бір дидеоксирибонуклеотидпен аяқталатын әртүрлі өлшемдегі байланысты ДНК фрагменттерінің тізбегін тудырады. Фрагменттер содан кейін полиакриламидтің қалың қабатындағы электрофорез арқылы немесе, көбінесе, жабысқақ полимермен толтырылған тар шыны түтікшеде (капиллярда) өлшемдері бойынша бөлінеді. Праймерді таңбалаудың орнына терминаторларды таңбалауға болады, бұл әдетте «бояғыш терминаторлармен тізбектеу» деп аталады. Бұл тәсілдің басты артықшылығы – толық тізбектеу жиынтығын бір реакцияда орындауға болады, боялған праймер тәсілінде қажетті төрт реакцияның орнына. Бұл әр дидеоксинуклеотидтік тізбекті тоқтатушыға әртүрлі толқын ұзындығында флуоресцентті бояумен белгі қою арқылы жүзеге асырылады. Бұл әдіс бояғыш праймер тәсіліне қарағанда оңай және жылдам, бірақ үлкен бояғыш тізбекті терминаторларды қосудағы үлгіге байланысты айырмашылықтарға байланысты, біркелкі емес деректер шыңдарын (әртүрлі биіктіктері) тудыруы мүмкін. Жаңа ферменттер мен бояуларды енгізу арқылы бұл мәселе айтарлықтай азайтылды. Бұл әдіс қазір тізбектеу реакцияларының басым көпшілігі үшін қолданылады, өйткені ол қарапайым және арзан. Мұның басты себебі – праймерлерді жеке таңбалау қажеттілігінің жоқтығы (бір рет қолданылатын тапсырыс бойынша жасалған праймер үшін бұл маңызды шығын болуы мүмкін), бірақ бұл жиі қолданылатын «әмбебап» праймерлер үшін аз алаңдатады. Illumina, 454, ABI, Helicos және Dover компанияларының екінші және үшінші буындық жүйелерінің өнімділігі артуына байланысты бұл жағдай тез өзгеруде.
Пиросекуенттеу
Пиросекуенттеу әдісі нуклеотид қосылғанда пирофосфаттың босатылуын анықтауға негізделген. Пиросекуенттеуді жүргізу алдында, тізбектелетін ДНК тізбегі ПТР арқылы күшейтілуі керек. Содан кейін, секвенсерге нуклеотидтерді қосу реті таңдалады (мысалы, G A T C). Белгілі бір нуклеотид қосылғанда, егер ДНК полимераза оны өсіп келе жатқан тізбекке қосса, пирофосфат босатылады және АТФ сульфурилаза арқылы АТФ-қа айналады. АТФ люцифераза арқылы люциферазаның тотығуын қамтамасыз етеді; бұл реакция пирограммадағы шың ретінде тіркелетін жарық сигналын тудырады. Осылайша, нуклеотидтің қосылуы сигналмен байланысты. Жарық сигналы ДНК тізбегінің синтезі кезінде қосылған нуклеотидтер мөлшеріне пропорционалды (яғни, екі қосылған нуклеотид екі пирограммалық шыңға сәйкес келеді). Егер қосылған нуклеотидтер ДНК молекуласына қосылмаса, сигнал тіркелмейді; апираза ферменті реакцияда қалған қосылмаған нуклеотидтерді жояды. Бұл әдіс флуоресцентті таңбаланған нуклеотидтерді немесе гельдік электрофорезді қажет етпейді. Пål Nyrén және Mostafa Ronaghi ДНК әзірлеген пиросекуенттеуді Biotage (төмен өнімді секвендеу үшін) және 454 Life Sciences (жоғары өнімді секвендеу үшін) коммерцияландырды. Соңғы платформа бір машинамен жеті сағат ішінде шамамен 100 мегабазаны [қазір 400 мегабазаға дейін] тізбектей алады. Массивтік әдісте (454 Life Sciences коммерцияландырған), бір тізбекті ДНК буларға анельденіп, EmPCR арқылы күшейтіледі. Бұл ДНК-мен байланысқан булар АТФ қатысуымен жарық шығаратын ферменттермен бірге оптикалық талшық чипіндегі ұңғымаларға орналастырылады. Бұл чиптің үстінен еркін нуклеотидтер шайылғанда, нуклеотидтер өздерінің толықтыратын негіздерімен қосылғанда жарық пайда болады. Бір (немесе бірнеше) нуклеотид(тер) қосылуы нәтижесінде жарық сигналы пайда болады, ол құралдағы CCD камерасымен тіркеледі. Сигналдың күші нуклеотидтер санына пропорционалды, мысалы, бір нуклеотидтік ағында енгізілген гомополимерлік тізбектерге.
Үлкен ауқымды реттілік
Жоғарыда аталған әдістер әртүрлі секвенирлеу әдістерін сипаттайды, бірақ геномның үлкен бөлігі секвенирленген кезде, олармен байланысты жеке терминдер қолданылады. Экзомалық секвенирлеу (барлық хромосомалардағы гендерді кодтайтын ДНК-ның бір бөлігі) немесе бүкіл геномдық секвенирлеу (адамның барлық ядролық ДНК-сының секвенирленуі) жүргізу үшін бірнеше платформалар жасалған.
РНК тізбектеу
РНК жасуша ішінде аз тұрақты болады, сонымен қатар тәжірибе жүзінде нуклеаза шабуылына көбірек бейім. РНК ДНК-дан транскрипция арқылы түзілгендіктен, ақпарат жасушаның ДНК-сында бұрыннан бар. Дегенмен, кейде РНК молекулаларын тізбектеу қажеттігі туындайды. ДНК тізбектеу организмнің генетикалық профилін ұсынады, ал РНК тізбектеу жасушаларда белсенді экспрессияланатын тізбектерді ғана көрсетеді. РНК тізбектеу үшін әдеттегі әдіс – үлгіден алынған РНК-ны кері транскрипциялау арқылы сДНК фрагменттерін жасау. Содан кейін оны жоғарыда сипатталғандай тізбектеуге болады. Жасушаларда экспрессияланатын РНК-ның көп бөлігі – рибосомалық РНК немесе жасушалық аудармаға зиян келтіретін шағын РНК, бірақ көбінесе зерттеудің негізгі мақсаты емес. Бұл фракцияны in vitro жоюға болады, бірақ әдетте қызығушылық тудыратын хабаршы РНК-ны толықтыруға болады. Экзондардан алынған бұл мРНК кейін жасушалық функцияларды қолдайтын ақуыздарға аударылады. Осылайша, экспрессия профилі жасушалық белсенділікті көрсетеді, әсіресе ауруларды зерттеуде, жасуша мінез-құлқында, реагенттерге немесе стимулдарға жауап беруде маңызды. Эукариоттық РНК молекулалары міндетті түрде олардың ДНК матрицасымен ко-линейлі болып келе бермейді, себебі интронтар алынып тасталады. Бұл оқылған тізбектерді геномға қайта бейімдеуді және осылайша олардың тегін анықтауды қиындатады. Толық транскриптомаларға қолданылатын жаңа буын секвенирлеудің мүмкіндіктері туралы толық ақпарат алу үшін: РНК Seq және MicroRNA Sequencing қараңыз.
Полисахаридтердің реттілігі
Полисахаридтер де биополимерлер болғамен, бірнеше себеппен полисахаридті "тізбектеу" туралы жиі айтылмайды. Көптеген полисахаридтер тізбекті болғанымен, олардың көпшілігі тармақталған. Көптеген әртүрлі бірліктер (жеке моносахаридтер) қолданылуы мүмкін және олар әртүрлі тәсілдермен байланысады. Дегенмен, басты теориялық себеп – мұнда аталған басқа полимерлер көбінесе бір процестік фермент арқылы "үлгіге тәуелді" жолмен түзілсе, полисахаридтегі әрбір жеке байланыс басқа фермент арқылы қалыптасуы мүмкін. Көп жағдайда құрастыру бірегей түрде белгіленбеген; қай фермент әрекет еткеніне байланысты бірнеше түрлі бірліктің кез келгені енгізілуі мүмкін. Бұл ұқсас молекулалардың тобының пайда болуына алып келуі мүмкін. Бұл, әсіресе, өсімдік полисахаридтеріне қатысты. Олигосахаридтер мен полисахаридтердің құрылымын анықтау әдістеріне ЯМР спектроскопиясы және метилдеу талдауы жатады.
Сілтемелер
https://www. табиғат. com/subjects/sequencing (Тізбектеу)