§27. Адамның геномдық дезоксирибонуклеин қышқылын секвенирлеу
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: «Адам геномы» атты халықаралық жоба маңызын талқылау.
Репликацияның негізгі ферменті қалай аталады?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 10-сыныптан 7-параграфты қайталау керек.
Негізгі генетикалық түсініктер. Тұқымқуалаушылық пен өзгергіштіктің бірлігі ген болып табылатыны естеріңде болар. Ген – нәруыздың бірінші реттік құрылымын (полипептид), тРНҚ немесе рРНҚ-ны кодтайтын ДНҚ молекуласының бөлігі.
Генетиканың даму кезеңдері әйгілі Г. Мендель, Т. Морган, Ф. Крик, Дж. Уотсон сияқты бірқатар ғалымдардың есімдерімен байланысты.
Кейінгі зерттеулерде ДНҚ-ның бірінші реттік құрылымын, яғни олардағы нуклеотидтердің ретін талдау әдістерін жасау зор жетістіктерге қол жеткізді. Бұл жаңалықтар мен жасалған әдістер жаңа ғылыми бағыт – геномиканың қалыптасуының бастамасы болды. ДНҚ құрылымын зерттеудің анықтаушы әдістемелерінің бірі – секвенирлеу.
Секвенирлеу дегеніміз не? Секвенирлеу (sequencing) – ДНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің ретін анықтауға мүмкіндік беретін әдістердің жалпы атауы. ДНҚ-ны секвенирлеу – дезоксирибонуклеин қышқылының бірінші реттік құрылымындағы нуклеотидтер ретін оқу. Қазіргі кезде ДНҚ молекуласы үшін толықтай жұмыс істейтін секвенирлеудің бірде-бір әдісі жоқ. Олардың барлығы былай жұмыс істейді: алдымен ДНҚ үзінділерінің көшірмелері көп мөлшерде дайындалады (ДНҚ молекуласы көп рет клондалады да, оның кездейсоқ жерінен «кесіледі»). Сосын әрбір бөлік жеке-жеке оқылады. Клондау не Петри табақшасында жасушаларды жай өсіру арқылы (бұл өте баяу не қандай да бір себепке байланысты жүзеге аспаса) немесе ПТР – полимеразалық тізбекті реакция әдісі арқылы жүзеге асырылады.
Бұл әдістің жұмысын жалпы түрде мынадай кезеңдермен көрсетуге болады:
1. Алдымен ДНҚ денатурацияланады, яғни сутектік байланыс бұзылып, жеке жіпшелер алынады.
2. Кейін ДНҚ жіпшелеріне праймерлер қосылады. Бұл – ДНҚ-полимераза қосылуы мүмкін ДНҚ-ның қысқа бөліктері. ДНҚ-полимераза – репликацияның негізгі ферменті екені естеріңде болар. Ол ДНҚ жіпшелерін көшірумен айналысады.
3. Келесі кезеңде полимераза ДНҚ үзіндісін көшіреді де, кейін үдеріс көп рет қайталануы мүмкін: әрбір цикл үшін жеке жіпшелер екі есе көп болады.
Бұл эффектілердің барлығы негізінен ДНҚ, праймерлер мен полимеразалар қоспасының температурасын өзгерту арқылы жүзеге асырылады. Зерттеу мақсатына жету үшін бұл жеткілікті дәл үдеріс екені маңызды, қате өте сирек жағдайда болады, нәтижесінде көшірменің – бір ДНҚ-ның көп саны алынады. Яғни ПТР арқылы – зерттелетін ДНҚ-ның қысқа бөліктері көшірмелерінің көп саны (тек қажет) алынады (23-сурет).
Полимеразалық-тізбекті реакцияның ашылуы секвенирлеуді тездетуде маңызды демеу болды. 1993 жылы химиядан Нобель сыйлығы К. Муллисеге полимеразалық-тізбекті реакцияның көмегімен ДНҚ амплификациясы (көбейту) әдісіне берілді.
23-сурет. ДНҚ үзіндісін секвенирлеу
I – секвинирлеуге – нуклеотид ретін шифрлауға ұшырайтын ДНҚ молекуласы бір тізбегінің үзіндісі;
II – таңдалған ДНҚ үзіндісі көп рет репликацияланады, келесі талдауға – ПТР-ге ұшырайтын оның көптеген көшірмелері жасалады. Үдеріс in vitro (зертханалық ыдыста) жағдайында репликация ферменттері (ДНҚ-полимераза) бар ортада және дайын нуклеотидтер (энергияға бай, изотопты белгілері бар) ортада жүзеге асады. Репликация кезеңдері сызба түрінде бейнеленген: а)-дан басталып (репликацияланған үзінді 6 нуклеотидтен тұрады); в)-ға дейін (үзінді 14 нуклеотидтен тұрады).
III – электрофорез әдісімен гелде хроматография көмегімен талданатын ДНҚ үзіндісінде нуклеотидтер ретін шифрлау. Жолақтар ДНҚ-дағы нуклеотидтердің шынайы ретін көрсетеді.
Секвенирлеудің әртүрлі әдістері бір-бірінен ДНҚ-ны клондау әдісі арқылы емес (ПТР немесе басқа әдіс көмегімен), кейін бір ДНҚ-ның көптеген көшірмесінен алынған «қоспаны» қалай оқу арқылы айырмашылық жасайды.
Адамның қиялы ұшқыр, секвенирлеу әдістері үнемі жақсартылуда. Алайда заманауи әдістердің барлығы салыстырмалы түрде қысқа, баржоғы 100-ден 400 нуклеотидке дейін «оқылатын үзінділер» береді. Бұдан басқа заманауи секвенаторлар едәуір арзан. Мысалы, 2008 ж. аяқталған адамның бірінші геномын «толық оқу» жобасы 13 жыл жасалды және 3,8 млрд АҚШ доллар қаржы жұмсалды. Ал секвенирлеудің жаңа технологиялары бір адамның толық геномын 1000 АҚШ долларға және одан да арзанға өңдеуді, үйренуді көздейді. Бұл медициналық мақсатта жаппай секвенирлеу мүмкіндігін береді.
Секвенирлеу, ДНҚ-полимераза, полимеразалық-тізбекті реакция (ПТР), геномика.
Білу және түсіну:
1. Секвенирлеу дегеніміз не?
2. ПТР мен секвенирлеу арасындағы байланысты анықтаңдар.
Қолдану:
1. Секвенирлеу әдістерін не үшін қолданады?
2. Неліктен бұл бағытта зерттеу жүргізу маңызды екенін атаңдар.
Талдау:
1. Секвенирлеу және ПТР-талдау әдістерінің өзара байланысын сызба түрінде бейнелеңдер. Олардың қайсысы басқасының кезеңі болып табылады?
2. ПТР-талдау әдісінің кезеңдерін талдаңдар. Оларды интерфазадағы репликация кезеңдерімен салыстырыңдар.
Синтез:
1. Секвенирлеудің кейінгі әдістері қалай дамуы мүмкін екенін талдаңдар.
2. Мынадай жағдай моделін жасаңдар: «Жуырда секвенирлеу жалпы қан талдауы сияқты кәдімгі зерттеу әдісі болады». Бұл әдісті кең қолданудың қандай экономикалық, әлеуметтік және этикалық салдары болуы мүмкін?
Бағалау:
1. Секвенирлеу және ПТР-талдаудың қолданылуы туралы реферат жазыңдар.
2. Мынадай пікірді талдаңдар және бағалаңдар: «Секвенирлеу панацея емес, тіпті панацеяға талап та емес. Бұл – бар-жоғы термометр немесе тонометр сияқты диагностикалық құрал. Секвенирлеу жеке фармакологияда да, терапияда да еш нәрсе өзгертпейді, тек тұқымқуалайтын аурулар диагностикасында қолданылады».