معلومة

17.3: تسلسل الجينوم الكامل - علم الأحياء

17.3: تسلسل الجينوم الكامل - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

مهارات التطوير

  • صف ثلاثة أنواع من التسلسل
  • تحديد تسلسل الجينوم الكامل

على الرغم من حدوث تقدم كبير في العلوم الطبية في السنوات الأخيرة ، لا يزال الأطباء مرتبكين من بعض الأمراض ، ويستخدمون تسلسل الجينوم الكامل للوصول إلى جوهر المشكلة. تسلسل الجينوم الكامل هو عملية تحدد تسلسل الحمض النووي للجينوم بأكمله. تسلسل الجينوم الكامل هو نهج القوة الغاشمة لحل المشكلات عندما يكون هناك أساس وراثي في ​​جوهر المرض. تقدم العديد من المختبرات الآن خدمات لتسلسل الجينوم بأكمله وتحليله وتفسيره.

على سبيل المثال ، يعد تسلسل الإكسوم الكامل بديلاً منخفض التكلفة لتسلسل الجينوم الكامل. في تسلسل exome ، يتم فقط ترتيب مناطق إنتاج الحمض النووي المشفرة والإكسون. في عام 2010 ، تم استخدام التسلسل الكامل للإكسوم لإنقاذ صبي صغير كانت أمعائه تعاني من عدة خراجات غامضة. خضع الطفل لعدة عمليات في القولون دون راحة. أخيرًا ، تم إجراء التسلسل الكامل للإكسوم ، والذي كشف عن وجود خلل في المسار الذي يتحكم في موت الخلايا المبرمج (موت الخلية المبرمج). تم استخدام زرع نخاع العظم للتغلب على هذا الاضطراب الوراثي ، مما أدى إلى علاج للصبي. كان أول شخص يتم علاجه بنجاح بناءً على التشخيص الذي تم إجراؤه بواسطة تسلسل الإكسوم الكامل. اليوم ، يتوفر تسلسل الجينوم البشري بسهولة أكبر ويمكن إكماله في يوم أو يومين مقابل حوالي 1000 دولار.

الاستراتيجيات المستخدمة في تسلسل المشاريع

تقنية التسلسل الأساسية المستخدمة في جميع مشاريع التسلسل الحديثة هي طريقة إنهاء السلسلة (المعروفة أيضًا باسم طريقة dideoxy) ، والتي طورها فريد سانجر في السبعينيات. تتضمن طريقة إنهاء السلسلة تكرار الحمض النووي لقالب أحادي الخيط باستخدام مادة أولية و deoxynucleotide منتظم (dNTP) ، وهو مونومر ، أو وحدة واحدة ، من الحمض النووي. يتم خلط التمهيدي و dNTP مع نسبة صغيرة من ديديوكسينيوكليوتيدات المسمى (ddNTPs). إن ddNTPs هي مونومرات تفتقد إلى مجموعة الهيدروكسيل (–OH) في الموقع الذي يرتبط فيه نوكليوتيد آخر عادةً لتشكيل سلسلة (الشكل ( فهرس الصفحة {1} )).

يتم تصنيف كل ddNTP بلون مختلف من الفلوروفور. في كل مرة يتم فيها دمج ddNTP في الخيط التكميلي المتنامي ، فإنه ينهي عملية تكرار الحمض النووي ، مما ينتج عنه خيوط قصيرة متعددة من الحمض النووي المتماثل ينتهي كل منها عند نقطة مختلفة أثناء النسخ المتماثل. عندما تتم معالجة خليط التفاعل بواسطة الرحلان الكهربي للهلام بعد فصله إلى خيوط مفردة ، فإن خيوط الدنا المتعددة التي تم نسخها حديثًا تشكل سلمًا بسبب الأحجام المختلفة. نظرًا لأنه يتم تمييز ddNTPs بشكل فلوري ، فإن كل شريط على الجل يعكس حجم حبلا DNA و ddNTP الذي أنهى التفاعل. تساعد الألوان المختلفة لـ ddNTPs المسمى بالفلور في تحديد ddNTP المدمجة في هذا الموضع. قراءة الجل على أساس لون كل شريط على السلم ينتج عنه تسلسل حبلا القالب (الشكل ( PageIndex {2} )).

الاستراتيجيات المبكرة: تسلسل البندقية وتسلسل النهاية الزوجي

في طريقة تسلسل البندقية ، يتم تقطيع عدة نسخ من جزء الحمض النووي بشكل عشوائي إلى العديد من القطع الأصغر (إلى حد ما مثل ما يحدث لخرطوشة طلقة مستديرة عند إطلاقها من بندقية). يتم بعد ذلك تسلسل جميع المقاطع باستخدام طريقة التسلسل التسلسلي. ثم ، بمساعدة الكمبيوتر ، يتم تحليل الأجزاء لمعرفة مكان تداخل تسلسلها. من خلال مطابقة التسلسلات المتداخلة في نهاية كل جزء ، يمكن إعادة تشكيل تسلسل الحمض النووي بالكامل. يُطلق على التسلسل الأكبر الذي يتم تجميعه من تسلسلات متداخلة أقصر اسم contig. على سبيل القياس ، ضع في اعتبارك أن شخصًا ما لديه أربع نسخ من صورة منظر طبيعي لم ترها من قبل ولا يعرف شيئًا عن الكيفية التي يجب أن تظهر بها. ثم يقوم الشخص بتمزيق كل صورة بيديه ، بحيث توجد قطع مختلفة الحجم من كل نسخة. ثم يخلط الشخص كل القطع معًا ويطلب منك إعادة بناء الصورة. في واحدة من أصغر القطع ترى جبلًا. في قطعة أكبر ، ترى أن نفس الجبل خلف بحيرة. يظهر الجزء الثالث البحيرة فقط ، لكنه يكشف عن وجود كوخ على شاطئ البحيرة. لذلك ، من خلال النظر إلى المعلومات المتداخلة في هذه الأجزاء الثلاثة ، فأنت تعلم أن الصورة تحتوي على جبل خلف بحيرة به كابينة على شاطئه. هذا هو المبدأ الكامن وراء إعادة بناء تسلسل الحمض النووي بالكامل باستخدام تسلسل البندقية.

في الأصل ، حلل تسلسل البندقية فقط نهاية واحدة من كل جزء للتداخل. كان هذا كافيا لتسلسل الجينوم الصغير. ومع ذلك ، أدت الرغبة في تسلسل الجينوم الأكبر ، مثل الجينوم البشري ، إلى تطوير تسلسل البندقية مزدوج الماسورة ، والمعروف بشكل أكثر رسميًا باسم التسلسل ثنائي الأطراف. في التسلسل الثنائي النهاية ، يتم تحليل طرفي كل جزء للتداخل. لذلك ، يعد التسلسل الثنائي الطرف أكثر تعقيدًا من تسلسل البندقية ، ولكن من الأسهل إعادة بناء التسلسل نظرًا لوجود المزيد من المعلومات المتاحة.

تسلسل الجيل القادم

منذ عام 2005 ، أصبحت تقنيات التسلسل الآلي التي تستخدمها المختبرات تحت مظلة الجيل التالي من التسلسل ، وهو عبارة عن مجموعة من التقنيات الآلية المستخدمة لتسلسل الحمض النووي السريع. يمكن أن تولد أجهزة التسلسل الآلية منخفضة التكلفة هذه تسلسلات من مئات الآلاف أو ملايين الأجزاء القصيرة (25 إلى 500 زوج أساسي) في غضون يوم واحد. تستخدم أجهزة التسلسل هذه برامج متطورة لتجاوز العملية المرهقة المتمثلة في ترتيب جميع الأجزاء.

اتصال التطور: مقارنة التسلسلات

المحاذاة التسلسلية هي ترتيب البروتينات أو الدنا أو الرنا ؛ يتم استخدامه لتحديد مناطق التشابه بين أنواع الخلايا أو الأنواع ، والتي قد تشير إلى الحفاظ على الوظيفة أو الهياكل. يمكن استخدام محاذاة التسلسل لبناء أشجار النشوء والتطور. يستخدم موقع الويب التالي برنامجًا يسمى BLAST (أداة بحث المحاذاة المحلية الأساسية).

ضمن "Basic Blast" ، انقر على "Nucleotide Blast". أدخل التسلسل التالي في مربع "تسلسل الاستعلام" الكبير: ATTGCTTCGATTGCA. أسفل المربع ، حدد حقل "الأنواع" واكتب "الإنسان" أو "الإنسان العاقل". ثم انقر فوق "بلاست" لمقارنة التسلسل المُدخل مقابل التسلسلات المعروفة للجينوم البشري. والنتيجة هي أن هذا التسلسل يحدث في أكثر من مائة مكان في الجينوم البشري. قم بالتمرير لأسفل الرسم باستخدام الأشرطة الأفقية وسترى وصفًا موجزًا ​​لكل من الزيارات المطابقة. اختر إحدى النتائج بالقرب من أعلى القائمة وانقر على "رسومات". سينقلك هذا إلى صفحة توضح مكان وجود التسلسل داخل الجينوم البشري بأكمله. يمكنك تحريك شريط التمرير الذي يشبه العلم الأخضر للخلف وللأمام لعرض التسلسلات حول الجين المحدد على الفور. يمكنك بعد ذلك العودة إلى التسلسل المحدد بالنقر فوق الزر "ATG".

استخدام متواليات الجينوم الكامل للكائنات النموذجية

أول جينوم تم تسلسله بالكامل كان لفيروس بكتيري ، العاثية fx174 (5368 زوجًا قاعديًا) ؛ تم إنجاز ذلك بواسطة فريد سانجر باستخدام تسلسل البندقية. تم في وقت لاحق تسلسل العديد من الجينومات العضية والفيروسية الأخرى. كان الكائن الحي الأول الذي تم ترتيب تسلسل جينومه هو البكتيريا المستدمية النزلية؛ تم إنجاز ذلك بواسطة Craig Venter في الثمانينيات. تعاون ما يقرب من 74 معملًا مختلفًا في تحديد تسلسل جينوم الخميرة خميرة الخميرة، الذي بدأ في عام 1989 واكتمل في عام 1996 ، لأنه كان أكبر 60 مرة من أي جينوم آخر تم تسلسله. بحلول عام 1997 ، كانت تسلسل الجينوم لاثنين من الكائنات الحية النموذجية المهمة متاحة: البكتيريا الإشريكية القولونية K12 والخميرة خميرة الخميرة. جينومات الكائنات الحية النموذجية الأخرى ، مثل الفأر موس العضلاتذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطن، الديدان الخيطية التهاب المثانة. ايليجانسوالبشر الانسان العاقل معروفة الآن. يتم إجراء الكثير من الأبحاث الأساسية في الكائنات الحية النموذجية لأنه يمكن تطبيق المعلومات على الكائنات الحية المتشابهة وراثيًا. الكائن النموذجي هو نوع يتم دراسته كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمثلها الكائن الحي النموذجي. يساعد وجود تسلسل جينوم كامل في جهود البحث في هذه الكائنات الحية النموذجية. تسمى عملية ربط المعلومات البيولوجية بالتسلسل الجيني شرح الجينوم. تساعد التعليقات التوضيحية لتسلسل الجينات في إجراء التجارب الأساسية في البيولوجيا الجزيئية ، مثل تصميم بادئات تفاعل البوليميراز المتسلسل وأهداف الحمض النووي الريبي.

المصفوفات الدقيقة للحمض النووي هي طرق مستخدمة للكشف عن التعبير الجيني عن طريق تحليل مجموعة من شظايا الحمض النووي المثبتة على شريحة زجاجية أو شريحة سيليكون لتحديد الجينات النشطة وتحديد التسلسلات. يمكن اكتشاف ما يقرب من مليون تشوه وراثي باستخدام المصفوفات الدقيقة ، في حين أن تسلسل الجينوم الكامل يمكن أن يوفر معلومات حول جميع الأزواج الأساسية الستة مليارات في الجينوم البشري. على الرغم من أن دراسة التطبيقات الطبية لتسلسل الجينوم أمر مثير للاهتمام ، إلا أن هذا التخصص يميل إلى التركيز على وظيفة الجينات غير الطبيعية. ستسمح معرفة الجينوم بأكمله باكتشاف الأمراض والاضطرابات الجينية الأخرى في المستقبل في وقت مبكر ، مما سيسمح باتخاذ قرارات أكثر استنارة بشأن نمط الحياة والأدوية وإنجاب الأطفال. لا يزال علم الجينوم في مهده ، على الرغم من أنه قد يصبح يومًا ما أمرًا روتينيًا استخدام تسلسل الجينوم الكامل لفحص كل مولود جديد لاكتشاف التشوهات الجينية.

بالإضافة إلى المرض والطب ، يمكن لعلم الجينوم أن يساهم في تطوير إنزيمات جديدة تحول الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي ، مما يؤدي إلى إنتاج محاصيل ووقود أعلى وتكلفة أقل على المستهلك. يجب أن تتيح هذه المعرفة طرقًا أفضل للتحكم في الميكروبات المستخدمة في إنتاج الوقود الحيوي. يمكن لعلم الجينوم أيضًا تحسين الأساليب المستخدمة لرصد تأثير الملوثات على النظم البيئية والمساعدة في تنظيف الملوثات البيئية. سمح علم الجينوم بتطوير الكيماويات الزراعية والمستحضرات الصيدلانية التي يمكن أن تفيد العلوم الطبية والزراعة.

يبدو رائعًا أن نحصل على كل المعرفة التي يمكن أن نحصل عليها من تسلسل الجينوم الكامل ؛ ومع ذلك ، يتحمل البشر مسؤولية استخدام هذه المعرفة بحكمة. خلاف ذلك ، قد يكون من السهل إساءة استخدام قوة هذه المعرفة ، مما يؤدي إلى التمييز على أساس جينات الشخص ، والهندسة الوراثية البشرية ، وغيرها من الاهتمامات الأخلاقية. قد تؤدي هذه المعلومات أيضًا إلى مشكلات قانونية تتعلق بالصحة والخصوصية.

ملخص

يعد تسلسل الجينوم الكامل أحدث الموارد المتاحة لعلاج الأمراض الوراثية. يستخدم بعض الأطباء تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ الأرواح. يحتوي علم الجينوم على العديد من التطبيقات الصناعية بما في ذلك تطوير الوقود الحيوي والزراعة والأدوية ومكافحة التلوث. يتضمن المبدأ الأساسي لجميع استراتيجيات التسلسل الحديثة طريقة إنهاء السلسلة للتسلسل.

على الرغم من أن تسلسل الجينوم البشري يوفر رؤى أساسية للمهنيين الطبيين ، إلا أن الباحثين يستخدمون تسلسل الجينوم الكامل للكائنات الحية النموذجية لفهم جينوم الأنواع بشكل أفضل. قد تؤدي الأتمتة والتكلفة المنخفضة لتسلسل الجينوم الكامل إلى الطب الشخصي في المستقبل.

طريقة إنهاء السلسلة
طريقة تسلسل الحمض النووي باستخدام ديديوكسينوكليوتيدات المسمى لإنهاء تكرار الحمض النووي ؛ وتسمى أيضًا طريقة dideoxy أو طريقة Sanger
كونتيج
تم تجميع تسلسل أكبر للحمض النووي من تسلسلات متداخلة أقصر
ديوكسينوكليوتيد
مونومر فردي (وحدة واحدة) من الحمض النووي
ديديوكسينوكليوتيد
المونومر الفردي للحمض النووي الذي يفتقد مجموعة الهيدروكسيل (–OH)
ميكروأري الحمض النووي
الطريقة المستخدمة لاكتشاف التعبير الجيني عن طريق تحليل مجموعة من شظايا الحمض النووي التي يتم تثبيتها على شريحة زجاجية أو شريحة سيليكون لتحديد الجينات النشطة وتحديد التسلسلات
شرح الجينوم
عملية ربط المعلومات البيولوجية بالتسلسل الجيني
كائن نموذجي
الأنواع التي تمت دراستها واستخدامها كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمثلها الكائن النموذجي
تسلسل الجيل القادم
مجموعة من التقنيات الآلية المستخدمة لتسلسل الحمض النووي السريع
تسلسل بندقية
الطريقة المستخدمة لتسلسل أجزاء متعددة من الحمض النووي لتوليد تسلسل قطعة كبيرة من الحمض النووي
تسلسل الجينوم الكامل
العملية التي تحدد تسلسل الحمض النووي للجينوم بأكمله

يكشف إعادة تسلسل الجينوم الكامل عن التكيف قبل تباعد سلالات الجاموس الفرعية

يساعدنا تطبيق بيانات التنميط الجيني أو التسلسل عالي الإنتاجية على فهم الاستجابة الجينومية للانتقاء الطبيعي والاصطناعي. في هذه الدراسة ، قمنا بمسح جينومات خمس مجموعات من الجاموس الأصلية تنتمي إلى ثلاث سلالات معترف بها ، ومتكيفة مع مناطق جغرافية وزراعية بيئية مختلفة في إيران ، لكشف مدى التنوع الجيني وتحديد المناطق الجينية والجينات التي خضعت لانتقاء سابق. تم إعادة ترتيب ما مجموعه 46 جينومًا كاملًا لجواميس الأنهار ، من مقاطعات غرب وشرق أذربيجان وجيلان ومازاندران وخوزستان. وصلت بيانات التسلسل الخاصة بنا إلى تغطية تزيد عن 99 ٪ من الجينوم المرجعي لجاموس النهر ومتوسط ​​عمق القراءة حوالي 9.2 × لكل عينة. حددنا 20.55 مليون تعدد الأشكال ، بما في ذلك 63.097 خطأ ، و 707 وقف ربح ، و 159 طفرة وقف خسارة قد يكون لها عواقب وظيفية. أظهرت تحليلات التنوع الجيني بنية متواضعة بين مجموعات الجاموس الإيرانية بعد التدفق الجيني المتكرر أو الاختلاط في الماضي القريب. تم التحقيق في دليل الاختيار الإيجابي باستخدام كل من مقاييس التمايز (F) والتثبيت (Pi). كشف تحليل التثبيت عن ثلاث مناطق جينومية في جميع السلالات الثلاثة ذات محتويات تعدد الأشكال الشاذة في BBU2 و 20 و 21. إشارة التثبيت على BBU2 متداخلة مع جينات OCA2-HERC2 ، مما يوحي بالتكيف مع التعرض للأشعة فوق البنفسجية من خلال آلية التصبغ. مزيد من التحقق باستخدام إعادة ترتيب البيانات من خمسة أنواع أخرى من الأبقار بالإضافة إلى بيانات صفيف التنميط الجيني أكسيوم بوفالو 90K للجواميس النهرية والمستنقعات أشارت إلى أن إشارات التثبيت هذه استمرت عبر جواميس النهر والمستنقعات وتمتد إلى ماشية التورين ، مما يعني أن حدثًا تطوريًا قديمًا حدث قبل انتواع الأبقار الجاموس والتورين. ساهمت هذه النتائج في فهمنا للتحولات الجينية الرئيسية التي حدثت أثناء تطور الجاموس الحديث.

الكلمات الدالة: مؤشر تمايز خليط الجاموس الأصلي الإيراني توقيع اختيار تنوع النوكليوتيدات.

© المؤلف (المؤلفون) 2020. تم النشر بواسطة مطبعة جامعة أكسفورد نيابة عن جمعية البيولوجيا الجزيئية والتطور.


الاستراتيجيات المبكرة: تسلسل البندقية وتسلسل النهاية الزوجي

في طريقة تسلسل البندقية ، يتم تقطيع عدة نسخ من جزء الحمض النووي بشكل عشوائي إلى العديد من القطع الأصغر (إلى حد ما مثل ما يحدث لخرطوشة طلقة مستديرة عند إطلاقها من بندقية). يتم بعد ذلك تسلسل جميع المقاطع باستخدام طريقة التسلسل التسلسلي. ثم ، بمساعدة الكمبيوتر ، يتم تحليل الأجزاء لمعرفة مكان تداخل تسلسلها. من خلال مطابقة التسلسلات المتداخلة في نهاية كل جزء ، يمكن إعادة تشكيل تسلسل الحمض النووي بالكامل. يُطلق على التسلسل الأكبر الذي يتم تجميعه من تسلسلات متداخلة أقصر اسم contig. على سبيل القياس ، ضع في اعتبارك أن شخصًا ما لديه أربع نسخ من صورة منظر طبيعي لم ترها من قبل ولا يعرف شيئًا عن الكيفية التي يجب أن تظهر بها. ثم يقوم الشخص بتمزيق كل صورة بيديه ، بحيث توجد قطع ذات أحجام مختلفة من كل نسخة. ثم يخلط الشخص كل القطع معًا ويطلب منك إعادة بناء الصورة. في واحدة من أصغر القطع ترى جبلًا. في قطعة أكبر ، ترى أن نفس الجبل خلف بحيرة. يظهر الجزء الثالث البحيرة فقط ، لكنه يكشف عن وجود كوخ على شاطئ البحيرة. لذلك ، من خلال النظر إلى المعلومات المتداخلة في هذه الأجزاء الثلاثة ، فأنت تعلم أن الصورة تحتوي على جبل خلف بحيرة به كابينة على شاطئه. هذا هو المبدأ الكامن وراء إعادة بناء تسلسل الحمض النووي بالكامل باستخدام تسلسل البندقية.

في الأصل ، حلل تسلسل البندقية فقط نهاية واحدة من كل جزء للتداخل. كان هذا كافيا لتسلسل الجينوم الصغير. ومع ذلك ، أدت الرغبة في تسلسل الجينوم الأكبر ، مثل الجينوم البشري ، إلى تطوير تسلسل البندقية مزدوج الماسورة ، والمعروف بشكل أكثر رسميًا باسم التسلسل ثنائي الأطراف. في التسلسل الثنائي النهاية ، يتم تحليل طرفي كل جزء للتداخل. لذلك ، يعد التسلسل الثنائي الطرف أكثر تعقيدًا من تسلسل البندقية ، ولكن من الأسهل إعادة بناء التسلسل نظرًا لوجود المزيد من المعلومات المتاحة.


مناهج تسلسل الجينوم الكامل لبيولوجيا الحفظ: المزايا والقيود والتوصيات العملية

إعادة تسلسل الجينوم الكامل (WGR) هي طريقة قوية لمعالجة أسئلة البيولوجيا التطورية الأساسية التي لم يتم حلها بالكامل باستخدام الطرق التقليدية. يتضمن WGR أربعة مناهج: تسلسل الأفراد على عمق كبير من التغطية مع أنماط الفردانية التي لم يتم حلها أو التي تم حلها ، وتسلسل الجينومات السكانية إلى عمق كبير عن طريق خلط كميات متساوية من الحمض النووي الفردي غير الموسوم (Pool-seq) وتسلسل متعدد الأفراد من السكان إلى أعماق منخفضة (lcWGR). تتطلب هذه التقنيات توافر الجينوم المرجعي. هذا ، إلى جانب التكلفة العالية لتسلسل البنادق والطلب الكبير على موارد الحوسبة والتخزين ، قد حد من تنفيذها في الأنواع غير النموذجية ذات الموارد الجينية النادرة وفي مجالات مثل بيولوجيا الحفظ. هدفنا هنا هو وصف طرق WGR المختلفة وإيجابياتها وسلبياتها وتطبيقاتها المحتملة في بيولوجيا الحفظ. يوفر WGR كثافة علامة غير مسبوقة ويقوم بمسح مجموعة متنوعة من الاختلافات الجينية التي لا تقتصر على الأشكال المتعددة للنيوكليوتيدات الفردية (على سبيل المثال ، المتغيرات الهيكلية والطفرات في العناصر التنظيمية) ، مما يزيد من قوتها للكشف عن تواقيع الانتقاء والتكيف المحلي بالإضافة إلى تحديد الأساس الجيني للصفات والأمراض المظهرية. في الوقت الحالي ، على الرغم من ذلك ، لا يفي نهج WGR واحد بجميع متطلبات علم الوراثة للحفظ ، ولكل طريقة قيودها ومصادرها الخاصة للتحيز المحتمل. نناقش الطرق المقترحة لتقليل مثل هذه التحيزات. نتصور مستقبلاً غير بعيد حيث يصبح تحليل الجينوم الكامل مهمة روتينية في العديد من الأنواع والمجالات غير النموذجية بما في ذلك بيولوجيا الحفظ.

الكلمات الدالة: بيولوجيا حفظ تسلسل التجمع منخفض التغطية إدارة التسلسل الجينوميات السكانية تسلسل الجينوم الكامل.


استخدام متواليات الجينوم الكامل للكائنات النموذجية

استخدم عالم الكيمياء الحيوية البريطاني الحائز على جائزة نوبل فريد سانجر فيروسًا بكتيريًا ، العاثية fx174 (5368 زوجًا أساسيًا) ، لتسلسل الجينوم الأول تمامًا. قام علماء آخرون في وقت لاحق بتسلسل عدة جينومات أخرى للعضيات والفيروسات. قام عالم التكنولوجيا الحيوية والكيمياء الحيوية وعالم الوراثة ورجل الأعمال الأمريكي كريج فينتر بتسلسل البكتيريا المستدمية النزلية في الثمانينيات. تعاون ما يقرب من 74 معملًا مختلفًا في تحديد تسلسل جينوم الخميرة خميرة الخميرة، الذي بدأ في عام 1989 واكتمل في عام 1996 ، لأنه كان أكبر 60 مرة من أي تسلسل جينوم آخر. بحلول عام 1997 ، كانت تسلسل الجينوم لاثنين من الكائنات الحية النموذجية المهمة متاحة: البكتيريا الإشريكية القولونية K12 والخميرة خميرة الخميرة. نحن نعرف الآن جينومات الكائنات الحية النموذجية الأخرى ، مثل الفأر موس العضلاتذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطن، الديدان الخيطية التهاب المثانة. ايليجانسوالبشر الانسان العاقل. يقوم الباحثون بإجراء بحث أساسي مكثف في الكائنات الحية النموذجية لأنهم يستطيعون تطبيق المعلومات على كائنات حية مماثلة وراثيًا. الكائن النموذجي هو نوع يستخدمه الباحثون كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمثلها الكائن النموذجي. يساعد وجود تسلسل جينوم كامل في جهود البحث في هذه الكائنات الحية النموذجية. عملية ربط المعلومات البيولوجية بالتسلسل الجيني هي شرح الجينوم. يساعد شرح تسلسل الجينات في إجراء التجارب الأساسية في البيولوجيا الجزيئية ، مثل تصميم بادئات تفاعل البوليميراز المتسلسل وأهداف الحمض النووي الريبي.


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

على الرغم من حدوث تقدم كبير في العلوم الطبية في السنوات الأخيرة ، لا يزال الأطباء مرتبكين من بعض الأمراض ، ويستخدمون تسلسل الجينوم الكامل لاكتشاف جذور المشكلة. تسلسل الجينوم الكامل هو عملية تحدد تسلسل الحمض النووي للجينوم بأكمله. تسلسل الجينوم الكامل هو نهج القوة الغاشمة لحل المشكلات عندما يكون هناك أساس وراثي في ​​جوهر المرض. تقدم العديد من المختبرات الآن خدمات لتسلسل الجينوم بأكمله وتحليله وتفسيره.

على سبيل المثال ، يعد تسلسل الإكسوم الكامل بديلاً منخفض التكلفة لتسلسل الجينوم الكامل. في تسلسل الإكسوم ، يقوم الطبيب فقط بتسلسل ترميز الحمض النووي ، ومناطق إنتاج exon. في عام 2010 ، استخدم الأطباء تسلسل الإكسوم الكامل لإنقاذ صبي صغير كانت أمعائه تعاني من عدة خراجات غامضة. خضع الطفل لعدة عمليات في القولون دون راحة. أخيرًا ، أجروا تسلسلًا كاملًا للإكسوم ، والذي كشف عن وجود خلل في المسار الذي يتحكم في موت الخلايا المبرمج (موت الخلية المبرمج). استخدم الأطباء عملية زرع نخاع العظم للتغلب على هذا الاضطراب الوراثي ، مما أدى إلى علاج للصبي. كان أول شخص يتلقى علاجًا ناجحًا بناءً على تشخيص تسلسل كامل الإكسوم. اليوم ، تسلسل الجينوم البشري متاح بسهولة أكبر والنتائج متاحة في غضون يومين مقابل حوالي 1000 دولار.

الاستراتيجيات المستخدمة في تسلسل المشاريع

تقنية التسلسل الأساسية المستخدمة في جميع مشاريع التسلسل الحديثة هي طريقة إنهاء السلسلة (المعروفة أيضًا باسم طريقة dideoxy) ، والتي طورها فريد سانجر في السبعينيات. تتضمن طريقة إنهاء السلسلة تكرار الحمض النووي لقالب واحد تقطعت به السبل باستخدام مادة أولية و deoxynucleotide منتظم (dNTP) ، وهو مونومر ، أو وحدة DNA مفردة. يمزج التمهيدي و dNTP مع نسبة صغيرة من ديديوكسينيوكليوتيدات المسمى (ddNTPs). إن ddNTPs هي مونومرات تفتقد إلى مجموعة الهيدروكسيل (–OH) في الموقع الذي يرتبط فيه نوكليوتيد آخر عادةً لتشكيل سلسلة ((الشكل)). يقوم العلماء بتسمية كل ddNTP بلون مختلف من حامض الفلور. في كل مرة يتم فيها دمج ddNTP في الخيط التكميلي المتنامي ، فإنه ينهي عملية تكرار الحمض النووي ، مما ينتج عنه خيوط قصيرة متعددة من الحمض النووي المتماثل ينتهي كل منها عند نقطة مختلفة أثناء النسخ المتماثل. عندما يعالج الرحلان الكهربي للهلام خليط التفاعل بعد الفصل إلى خيوط مفردة ، فإن خيوط الدنا المتعددة التي تم نسخها حديثًا تشكل سلمًا بسبب الأحجام المختلفة. نظرًا لأن ddNTPs يتم تمييزها بشكل فلوري ، فإن كل شريط على الجل يعكس حجم خيط الحمض النووي و ddNTP الذي أنهى التفاعل. تساعد الألوان المختلفة لـ ddNTPs المسمى بالفلور في تحديد ddNTP المدمجة في هذا الموضع. تؤدي قراءة الجل على أساس لون كل فرقة على السلم إلى إنتاج تسلسل حبلا القالب ((الشكل)).



الاستراتيجيات المبكرة: تسلسل البندقية وتسلسل النهاية الزوجي

في طريقة تسلسل البندقية ، يتم تقطيع العديد من نسخ أجزاء الحمض النووي بشكل عشوائي إلى العديد من القطع الأصغر (إلى حد ما مثل ما يحدث لخرطوشة طلقة مستديرة عند إطلاقها من بندقية). تسلسل جميع المقاطع باستخدام طريقة التسلسل التسلسلي. بعد ذلك ، بمساعدة الكمبيوتر المتسلسل ، يمكن للعلماء تحليل الأجزاء لمعرفة مكان تداخل تسلسلها. من خلال مطابقة التسلسلات المتداخلة في نهاية كل جزء ، يمكن للعلماء إصلاح تسلسل الحمض النووي بالكامل. يُطلق على التسلسل الأكبر الذي يتم تجميعه من تسلسلات متداخلة أقصر اسم contig. على سبيل القياس ، ضع في اعتبارك أن شخصًا ما لديه أربع نسخ من صورة منظر طبيعي لم ترها من قبل ولا يعرف شيئًا عن الكيفية التي يجب أن تظهر بها. ثم يقوم الشخص بتمزيق كل صورة بيديه ، بحيث توجد قطع ذات أحجام مختلفة من كل نسخة. ثم يخلط الشخص كل القطع معًا ويطلب منك إعادة بناء الصورة. في واحدة من أصغر القطع ترى جبلًا. في قطعة أكبر ، ترى أن نفس الجبل خلف بحيرة. يظهر الجزء الثالث البحيرة فقط ، لكنه يكشف عن وجود كوخ على شاطئ البحيرة. لذلك ، من خلال النظر إلى المعلومات المتداخلة في هذه الأجزاء الثلاثة ، فأنت تعلم أن الصورة تحتوي على جبل خلف بحيرة به كابينة على شاطئه. هذا هو المبدأ الكامن وراء إعادة بناء تسلسل الحمض النووي بالكامل باستخدام تسلسل البندقية.

في الأصل ، حلل تسلسل البندقية فقط نهاية واحدة من كل جزء للتداخل. كان هذا كافيا لتسلسل الجينوم الصغير. ومع ذلك ، أدت الرغبة في تسلسل الجينوم الأكبر ، مثل الجينوم البشري ، إلى تطوير تسلسل بندقية مزدوجة الماسورة ، أو التسلسل ثنائي الأطراف. في التسلسل الثنائي النهاية ، يحلل العلماء نهاية كل جزء للتداخل. لذلك ، يعد التسلسل الثنائي الطرف أكثر تعقيدًا من تسلسل البندقية ، ولكن من الأسهل إعادة بناء التسلسل نظرًا لوجود المزيد من المعلومات المتاحة.

تسلسل الجيل القادم

منذ عام 2005 ، أصبحت تقنيات التسلسل الآلي التي تستخدمها المختبرات تحت مظلة الجيل التالي من التسلسل ، وهو عبارة عن مجموعة من التقنيات الآلية المستخدمة لتسلسل الحمض النووي السريع. يمكن أن تولد أجهزة التسلسل الآلية منخفضة التكلفة هذه تسلسلات من مئات الآلاف أو ملايين الأجزاء القصيرة (من 25 إلى 500 زوج أساسي) في غضون يوم واحد. تستخدم أجهزة التسلسل هذه برامج متطورة لتجاوز العملية المرهقة المتمثلة في ترتيب جميع الأجزاء.

مقارنة المتتاليات المحاذاة التسلسلية هي ترتيب للبروتينات أو الدنا أو الرنا. يستخدمه العلماء لتحديد المناطق المتشابهة بين أنواع الخلايا أو الأنواع ، مما قد يشير إلى الحفاظ على الوظيفة أو الهيكل. يمكننا استخدام محاذاة التسلسل لبناء أشجار النشوء والتطور. يستخدم موقع الويب التالي برنامجًا يسمى BLAST (أداة بحث المحاذاة المحلية الأساسية).

ضمن "Basic Blast" ، انقر على "Nucleotide Blast". أدخل التسلسل التالي في مربع & # 8220 استعلام كبير & # 8221 مربع: ATTGCTTCGATTGCA. أسفل المربع ، حدد الحقل & # 8220 الأنواع & # 8221 واكتب & # 8220human & # 8221 أو & # 8220Homo sapiens & # 8221. ثم انقر فوق "انفجار" إلى
قارن التسلسل المُدخَل مع تسلسل الجينوم البشري المعروف. والنتيجة هي أن هذا التسلسل يحدث في أكثر من مائة مكان في الجينوم البشري. قم بالتمرير لأسفل الرسم باستخدام الأشرطة الأفقية وسترى وصفًا موجزًا ​​لكل من الزيارات المطابقة. اختر إحدى النتائج بالقرب من أعلى القائمة وانقر على & # 8220Graphics & # 8221. سينقلك هذا إلى صفحة تعرض موقع التسلسل داخل الجينوم البشري بأكمله. يمكنك تحريك شريط التمرير الذي يشبه العلم الأخضر للخلف وللأمام لعرض التسلسلات حول الجين المحدد على الفور. يمكنك بعد ذلك العودة إلى التسلسل المحدد بالنقر فوق الزر & # 8220ATG & # 8221.

استخدام متواليات الجينوم الكامل للكائنات النموذجية

استخدم عالم الكيمياء الحيوية البريطاني الحائز على جائزة نوبل فريد سانجر فيروسًا بكتيريًا ، وهو العاثية fx174 (5368 زوجًا أساسيًا) ، لتسلسل الجينوم الأول تمامًا. قام علماء آخرون في وقت لاحق بتسلسل عدة جينومات أخرى للعضيات والفيروسات. قام عالم التكنولوجيا الحيوية والكيمياء الحيوية وعالم الوراثة ورجل الأعمال الأمريكي كريج فينتر بتسلسل البكتيريا المستدمية النزلية في الثمانينيات. تعاون ما يقرب من 74 معملًا مختلفًا في تحديد تسلسل جينوم الخميرة خميرة الخميرة، الذي بدأ في عام 1989 واكتمل في عام 1996 ، لأنه كان أكبر 60 مرة من أي تسلسل جينوم آخر. بحلول عام 1997 ، كانت تسلسل الجينوم لاثنين من الكائنات الحية النموذجية المهمة متاحة: البكتيريا الإشريكية القولونية K12 والخميرة خميرة الخميرة. نحن نعرف الآن جينومات الكائنات الحية النموذجية الأخرى ، مثل الفأر موس العضلاتذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطن، الديدان الخيطية التهاب المثانة. ايليجانسوالبشر الانسان العاقل. يجري الباحثون بحثًا أساسيًا مكثفًا في الكائنات الحية النموذجية لأنهم يستطيعون تطبيق المعلومات على كائنات حية متشابهة وراثيًا. الكائن النموذجي هو نوع يستخدمه الباحثون كنموذج لفهم العمليات البيولوجية في الأنواع الأخرى التي يمثلها الكائن النموذجي. يساعد وجود تسلسل جينوم كامل في جهود البحث في هذه الكائنات الحية النموذجية. عملية ربط المعلومات البيولوجية بالتسلسل الجيني هي شرح الجينوم. يساعد شرح تسلسل الجينات في إجراء التجارب الأساسية في البيولوجيا الجزيئية ، مثل تصميم بادئات تفاعل البوليميراز المتسلسل وأهداف الحمض النووي الريبي.

انتقل إلى كل خطوة من خطوات تسلسل الجينوم في تجميع تسلسل الحمض النووي (صفحة ويب ، تفاعلية).

استخدامات تسلسل الجينوم

المصفوفات الدقيقة للحمض النووي هي طرق يستخدمها العلماء لاكتشاف التعبير الجيني عن طريق تحليل أجزاء مختلفة من الحمض النووي التي يتم تثبيتها على شريحة زجاجية أو شريحة سيليكون لتحديد الجينات والتسلسلات النشطة. يمكننا اكتشاف ما يقرب من مليون تشوه وراثي باستخدام المصفوفات الدقيقة ، بينما يمكن أن يوفر تسلسل الجينوم الكامل معلومات حول جميع الأزواج الأساسية الستة مليارات في الجينوم البشري. على الرغم من أن دراسة التطبيقات الطبية لتسلسل الجينوم أمر مثير للاهتمام ، إلا أن هذا التخصص يركز على وظيفة الجينات غير الطبيعية. إن معرفة الجينوم بأكمله سيسمح للباحثين باكتشاف الأمراض المستقبلية والاضطرابات الجينية الأخرى في وقت مبكر. سيسمح هذا باتخاذ قرارات مستنيرة بشأن نمط الحياة والأدوية وإنجاب الأطفال. لا يزال علم الجينوم في مهده ، على الرغم من أنه قد يصبح يومًا ما أمرًا روتينيًا استخدام تسلسل الجينوم الكامل لفحص كل مولود جديد لاكتشاف التشوهات الجينية.

بالإضافة إلى المرض والطب ، يمكن أن يساهم علم الجينوم في تطوير إنزيمات جديدة تحول الكتلة الحيوية إلى وقود حيوي ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج المحاصيل والوقود ، وانخفاض تكلفة المستهلك. يجب أن تسمح هذه المعرفة بأساليب أفضل للتحكم في الميكروبات التي تستخدمها الصناعة لإنتاج الوقود الحيوي. يمكن لعلم الجينوم أيضًا تحسين طرق المراقبة التي تقيس تأثير الملوثات على النظم البيئية وتساعد في تنظيف الملوثات البيئية. ساعد علم الجينوم في تطوير الكيماويات الزراعية والمستحضرات الصيدلانية التي يمكن أن تفيد العلوم الطبية والزراعة.

يبدو رائعًا أن نحصل على كل المعرفة التي يمكن أن نحصل عليها من تسلسل الجينوم الكامل ، ومع ذلك ، فإن البشر يتحملون مسؤولية استخدام هذه المعرفة بحكمة. خلاف ذلك ، قد يكون من السهل إساءة استخدام قوة هذه المعرفة ، مما يؤدي إلى التمييز على أساس وراثة الشخص ، والهندسة الوراثية البشرية ، ومخاوف أخلاقية أخرى. قد تؤدي هذه المعلومات أيضًا إلى مشكلات قانونية تتعلق بالصحة والخصوصية.

ملخص القسم

يعد تسلسل الجينوم الكامل أحدث الموارد المتاحة لعلاج الأمراض الوراثية. يستخدم بعض الأطباء تسلسل الجينوم الكامل لإنقاذ الأرواح. يحتوي علم الجينوم على العديد من التطبيقات الصناعية بما في ذلك تطوير الوقود الحيوي والزراعة والأدوية ومكافحة التلوث. يتضمن المبدأ الأساسي لجميع استراتيجيات التسلسل الحديثة طريقة إنهاء السلسلة للتسلسل.

على الرغم من أن تسلسل الجينوم البشري يوفر رؤى أساسية للمهنيين الطبيين ، إلا أن الباحثين يستخدمون تسلسل الجينوم الكامل للكائنات الحية النموذجية لفهم النوع & # 8217 الجينوم بشكل أفضل. قد تؤدي الأتمتة والتكلفة المنخفضة لتسلسل الجينوم الكامل إلى الطب الشخصي في المستقبل.

قائمة المصطلحات


تسلسل الجينوم الكامل

بواسطة ⁠Dr. براندون كولبي طبيب خبير في مجالات علم الجينوم والطب الوقائي المخصص.

ربما سمعت مصطلحات مثل تسلسل الجينوم الكامل و علم الجينوم واعتقدوا أنهم يبدون وكأنهم خرجوا مباشرة من السيناريو لفيلم مستقبلي. ولكن في الواقع ، فإن تقنيات التسلسل متاحة بسهولة في أجزاء كثيرة من العالم ، ويمكن أن تكون مفيدة جدًا لفهم المزيد عن الجينات البشرية وصحتنا.

يحتوي الجينوم البشري على ثروة من المعلومات حول كل واحد منا ، من أسلافنا إلى خطر الإصابة بأمراض وراثية معينة أو نقلها إلى أطفالنا. As a result, it’s no wonder DNA sequencing is becoming a widely used tool in both research and healthcare.

What Is Whole Genome Sequencing?

Put simply, whole genome sequencing (WGS) is a genetic testing technology that allows us to determine how our DNA is confirmed. In order to understand this testing procedure better, let’s take a look at what DNA is, how it’s formed, and what it does.

Deoxyribonucleic acid, more commonly known as DNA, is the molecule that contains all living organisms’ genetic codes. All the living beings that have been identified and examined contain DNA, from complex mammals such as humans to simple organisms like bacteria.

DNA is made up of molecules called nucleotides. These nucleotides act as the basic building blocks of our DNA and are composed of three distinct parts:

The nitrogenous base portion of each nucleotide can be adenine (A), cytosine (C), guanine (G), and thymine (T). These bases are “strung together” during DNA replication. Practically all the cells that exist in our bodies contain DNA, with only a few known exceptions — such as mature hair cells.

The nitrogenous bases are replicated in a specific order, and they form base pairs by binding to a base from a parallel strand — A always binds to T, while C always binds to G —, forming the familiar double helix DNA image that we all know. One of the key features of DNA is that it can replicate itself constantly to create new cells that are identical to their parental cell.

Understanding the Science of DNA

While DNA is formed by two strands of nucleotides that are bound together, a simpler molecule called RNA is formed by a single strand. In humans, RNA molecules act as a messenger and transfer molecules that carry genetic information during the DNA transcription process.

Nitrogenous bases are the portion of our DNA that contains genetic information, and the “patterns” created by these bases in our DNA determine our genetic makeup - specific DNA sequences form genes. Each gene has coding regions that function almost like a blueprint for cells since they contain “instructions” that tell cells in our body how to synthesize amino acids to form different proteins.

There are only 20 amino acids, but they can be combined in different ways to create thousands of different proteins, each with its own structure and function. Proteins carry out a wide range of processes inside our bodies, depending on their type. If there are abnormal variations in our DNA sequence, these instructions could be faulty and lead to various health issues.

However, not all of our DNA is conformed by protein-coding genes — in fact, nearly 99 percent of all our DNA is made up of non-coding DNA, meaning that it doesn’t contain instructions for protein-coding. For a long time, scientists thought that non-coding DNA didn’t have a specific function however, we’re learning more about the purpose of non-coding DNA every day.

Some parts of our non-coding DNA act as regulatory agents that activate or repress DNA transcription, whereas others contain instructions for the synthesis of RNA, among other functions. Therefore, sequencing our non-coding DNA and RNA can also tell us a lot about human health, since it also plays an important role in genetics.

Chromosomes are long strands of DNA that contain our genes — humans normally have 23 pairs of chromosomes. We each receive two versions of the same gene — one from each of our biological parents. The different versions of a gene are called alleles, and they determine the biological traits that we will express, such as eye or hair color.

Some alleles are dominant (meaning that you only need one copy of the same allele to express its associated characteristic), whereas others are recessive (meaning that you need to inherit two copies of the same allele to express that characteristic). This explains why DNA testing results will be different for everyone, even for full siblings.

The human genome is the compilation of all the genetic information that each person contains, regardless of whether it’s coding or non-coding.

What Is a Whole Genome Sequencing DNA Test

A ⁠whole genome sequencing DNA test is a type of genetic test used to determine the order of the nucleotides that form our entire genome — both coding and non-coding —, allowing scientists and physicians to ascertain whether an individual’s DNA sequence contains any abnormalities.

Genetic testing offers a wide array of benefits for scientific research, genetic counseling, individualized medical care, and even public health initiatives.

The original technology used for whole genome sequencing was called Sanger sequencing or chain termination method, and it was invented in 1977. Although this method was revolutionary for its time, it was also very slow and expensive.

When DNA testing was first used, the data analysis required to sequence just one person’s DNA could take years to complete.

The Sanger method was later automated to make the process faster the automated version of this method was used to complete portions of the Human Sequencing Project, which was a wide-scale, international project that sequenced the base pairs that make up human DNA for the first time.

The Sanger method is still used today to sequence shorter DNA fragments, but newer sequencing methods have made the turnaround time of DNA tests faster while reducing sequencing costs.

These methods also called high-throughput or next-generation sequencing methods have made large-scale DNA testing accessible to a wider audience since they only require a few days to analyze a genome test while still producing high-quality results.

There are several types of DNA tests, and each process genetic information differently and for different purposes. Some types of DNA testing include:

  • Whole genome sequencing (WGS)
    • ​As stated above, WGS sequences the entirety of our genome data, including both coding and non-coding DNA. As its name suggests, this type of genetic testing can identify variations in any part of your genome.
    • Available from Sequencing.com, Illumina, and Oxford Nanopore.
    • Rather than sequencing an individual’s entire genome, this test only sequences the parts of their DNA and RNA that contain coding instructions, which are also known as exons. Many of the genetic mutations that lead to genetic disorders happen in the exome (which is the combination of all our exons), which is why this test can still be very useful despite the fact that it doesn’t analyze your entire genome.
    • Available from Illumina, GeneDx, and Ambry Genetics.
    • ​This method isolates specific regions of DNA to analyze them for mutations. This technique can identify variations in specific genes, which can be very useful if you only need to diagnose or rule out distinct variations — for example, when screening for a particular genetic disease.
    • Available from Illumina, GeneDx, and Ambry Genetics.
    • This test measures the variations of single nucleotide polymorphisms (SNPs) against reference genome fragments from members of the same species. SNPs are variations that occur in a single base pair of your DNA. SNPs are the most common type of genetic variation, and SNP genotyping can determine the set of variants that are present in a person’s DNA. Single SNP annotations can also be used in conjunction with WGS to assess the frequency of rare genetic variants and their consequences.
    • Available from Sequencing.com, 23andMe, Ancestry.com, MyHeritage, and FamilyTreeDNA.

    Whole genome sequencing and other sequencing methods shouldn’t be confused with DNA profiling, which is simply used to determine the likelihood of a DNA sample coming from a specific source. DNA profiling is widely used to help solve criminal investigations, but it doesn’t provide any further genomic data.

    Purpose of Whole Genome Sequencing

    For most of known history, human genetics and the role that genes play in our health were a mystery. In fact, DNA and genes are a relatively modern concept — the molecular structure of DNA was only identified in the 1950s. But thanks to the advent of DNA sequencing, scientists can now analyze raw DNA data to understand human health, how certain diseases work, and what we can do to prevent or treat illnesses more efficiently.

    The main objective behind DNA tests, in general, is to identify whether there are any mutations in your DNA that could cause health problems. These tests can also provide information about your genealogy, which can be fascinating on a personal level but also helpful when it comes to determining your risk for certain diseases.

    The information provided by genetic testing is also important for public health since it can be used to guide interventions and individualize them according to the genetic characteristics of different population groups.

    Genome Sequencing and Personalized Medicine

    Whole genome sequencing will play a very big role in the future of personalized medicine. For example, whole genome sequencing provides enough data to personalize therapeutic approaches and treatments to diseases so you’re most likely to receive a treatment that will provide the most benefit with the least risk of side effects.

    Instead of using the same treatment on all patients who suffer from the same condition, physicians could use sequencing data to individualize each patient’s management.

    These advancements wouldn’t just potentially improve patients’ outcomes — they could also help create a more comfortable patient experience since patients won’t have to test different treatments in order to find the right fit for them. Additionally, it could help lower healthcare costs and improve the workflow at medical facilities by providing a straightforward way to decide between different treatment options.

    DNA testing is also used in prenatal genetic counseling, especially for future parents who have a family history of genetic diseases or pregnancy loss. In some cases, genetic testing may be necessary to understand the cause of a patient’s fertility issues. WGS could also be used to detect illnesses and genetic abnormalities in unborn fetuses.

    Whole genome sequencing hasn’t been exclusively applied to humans. Sequencing the DNA of bacterial organisms and other pathogens can help scientists understand the disease better, determine the origin of new mutations, synthesize new medications and vaccines, combat drug-resistant pathogens, and even contain outbreaks of contagious diseases around the world.

    What Can Whole Genome Sequencing Reveal?

    One of the main reasons why whole genome sequencing tests have become so popular is because they help ascertain your predisposition to certain diseases. Specific variations in your DNA sequence can cause genetic disorders some of these mutations are inherited from one or both parents, whereas other variations occur de novo — meaning that this is the first time that this variation is present in a member of a family.

    But DNA sequencing can also tell us a lot about non-genetic disorders. When we think of genetic testing, our mind immediately goes to inherited rare diseases, but DNA testing can tell you whether you’re at risk of developing more common health conditions, such as high blood pressure or diabetes.

    This information can also inform other family members of possible health risks, even if they’re not the ones who took the DNA test.

    Some patients may be advised by their physician to take a DNA sequencing test to provide an accurate diagnosis for their symptoms after failing to discover their cause through other methods — WGS has been successfully used to diagnose genetic disorders in gravely-ill children and to modify the therapeutic management they received.

    Others may simply choose to take a DNA test to learn more about their ancestry. Since WGS analyzes your entire genome, it may reveal unexpected variations that aren’t currently related to any physical symptoms. These variations are often called “secondary findings”.

    Keep in mind that not all genetic variations will automatically generate a disease. Certain genetic changes increase a person’s risk of developing a health condition, such as breast cancer. Depending on the disease, this predisposition can be mitigated through medical treatment or lifestyle changes.

    Other genetic variants are benign and don’t affect our health at all. And in other cases, the exact implications of a genetic variant are still unknown — these variants are also known as “variants of uncertain significance”. It’s always important to discuss the results of your sequencing test with a specialist, such as a geneticist.

    WGS can also reveal your ancestry with a significant degree of accuracy. To do so, a sequencing service will compare the SNPs in your DNA against reference sequences from specific ethnic populations.

    SNPs have been found to be inherited through generations, which is why they’re reliable indicators that can be used to compare your DNA against different populations around the world, thus determining your most likely DNA ancestry. For this reason, SNP sequencing is also valuable in the field of evolutionary biology.

    How Is Whole Genome Sequencing Done

    In the past, genotyping human DNA was a long and expensive process — in fact, the Human Genome Project lasted 13 years —, but now, you can use a DNA kit from the comfort of your own home and get results in a few weeks.

    There are several modern DNA sequencing methods, including:

    • Illumina dye sequencing
    • Pyrosequencing
    • Single-molecule real-time (SMRT) sequencing
    • Nanopore sequencing

    In most cases, once you purchase a commercial direct-to-consumer sequencing test, you’ll receive a collection kit that you’ll be able to use at home. You’ll be instructed to swab the inside of your cheek and place the swab inside a labeled container before shipping it back to the provider.

    Collecting samples using these DNA testing kits is safe, quick, and painless. In other cases, the sample may be collected at a doctor’s office or lab.

    Since the human genome contains so much information, DNA tests can’t analyze it all at once. Instead, these methods use different techniques to break DNA into smaller pieces, and a sequencer is used to determine the order of the nucleotides in each of these DNA fragments. Then, bioinformatic technology is used to put all the pieces back together correctly so that they can be analyzed.

    Whole Genome Sequencing Results

    Depending on the type of DNA test that you’ve purchased, you’ll receive your results in a few days or weeks. Whole genome sequencing provides the most comprehensive type of genomic characterization that is currently available. Each whole genome sequencing test generates a colossal amount of data — after all, the human genome contains approximately 3 billion base pairs.

    But you won’t be receiving the sequencing results of 3 billion base pairs after mailing your DNA test kit back to the provider, of course. This amount of information would be practically impossible to process, even for a healthcare provider or scientist.

    Instead, your results will detail pertinent information regarding your health and genetic makeup. WGS can identify many types of variations in your DNA, such as single nucleotide variants, insertion/deletion (indel) polymorphisms in a specific nucleotide sequence, structural variants, copy number variants, among others.

    The results of a DNA testing kit can provide a wide range of information, including:

    • Single-gene or Mendelian disorders: as their name suggests, these disorders affect a single gene.
      • Your WGS will determine whether you suffer from one of these disorders or are at risk of developing one later on or passing one down to your children.
      • Single-gene disorders include sickle cell anemia, Huntington’s disease, cystic fibrosis, or muscular dystrophy.
      • As we mentioned earlier, this also means that your risk of developing these diseases can often be mitigated through medical intervention or a healthier lifestyle.
      • Some of these conditions include obesity, hypertension, and diabetes.
      • This data can be used to provide individualized medical care, decrease drug toxicity, and adjust medication dosages.

      Additionally, whole genome sequencing can also provide information regarding your ethnicity, ancestry, overall health and wellbeing, nutrition and fitness insights, and much more.

      Whole Genome Sequencing Cost

      Once upon a time — or really, just a few short decades ago — it would have been practically impossible for a private individual to cover the costs of having their DNA sequenced.

      But newer high-throughput sequencing methods can handle whole genomes quickly. In fact, certain modern sequencer machines (also called sequencing “platforms”) can even provide same-day results for small DNA fragments.

      As the processes involved in DNA sequencing have become faster and easier to access, the costs associated with testing have also gone down.

      As recently as 2009, genomic testing could cost approximately $50,000 per individual genome. Now, several companies offer whole genome sequencing for anywhere between $400 to $600, although some companies do charge higher prices.

      Whole Genome Sequencing Service

      In recent years, more and more biotechnology companies have started to offer genetic tests. Illumina is one of the biggest stakeholders in the field of genomics, having patented several different sequencer machines and DNA tests. They offer various sequencing platforms to fit different needs, from traditional whole-genome sequencing platforms used in clinics and research labs, to sequencers that can identify specific diseases.

      Other major genomics companies include Thermo Fisher Scientific and Oxford Nanopore Technologies — the latter of which created an innovative USB sequencer that can be attached to a desktop computer, opening the possibility of portable and convenient DNA sequencing tests.

      Pacific Biosciences is another important biotechnology company. They have introduced a type of real-time sequencing technology that is able to provide the longest DNA reads to date — 10,000 base pairs at once, compared to approximately 150 base pairs at once through other sequencing platforms. If perfected, this new approach could make DNA testing even faster and more accessible than ever before.

      Other companies that provide DNA sequencing include Knome, Sequenom, 454 Life Sciences, Life Sciences, BGI, Helicos Biosciences, Veritas Genetics, Complete Genomics, Affymetrix, and IBM, among others. Not surprisingly, the advent of new whole genomic sequencing technologies has generated public discussion surrounding their ethical implications, and the need to ensure the privacy of individuals who choose to take one of these DNA tests.

      We can’t stress how important it is to research your chosen provider before taking a genome test in order to understand their privacy and data protection policies.

      If you want to learn more about whole genome sequencing, head over to our education center to discover more in-depth articles on this innovative technique.

      1. Rui Yin, Chee Keong Kwoh, Jie Zheng. ⁠Whole Genome Sequencing Analysis. Encyclopedia of Bioinformatics and Computational Biology, Academic Press, 2019, Pages 176-183. ISBN 9780128114322.
      2. University of Leicester. ⁠Gene Expression and Regulation. Retrieved 2021 March 9.
      3. ⁠What are whole exome sequencing and whole genome sequencing? Medline Plus. Retrieved 2021 March 9.
      4. Razvan Cojocaru, Peter J Unrau. ⁠Origin of life: Transitioning to DNA genomes in an RNA world. Simon Fraser University, Canada. Nov 1, 2017. eLife 20176:e32330 DOI: 10.7554/eLife.32330.
      5. Center for Genomics and Global Health. ⁠Why genomics? Retrieved 2021 March 9.
      6. Steinberg, K. M., Okou, D. T., & Zwick, M. E. (2008). ⁠Applying rapid genome sequencing technologies to characterize pathogen genomes. Analytical Chemistry, 80(3), 520–528.
      7. Lewis, T. (2013, April 14). ⁠Human genome project marks 10th anniversary. In LiveScience. Retrieved 2021 March 9.
      8. National Human Genome Research Institute. (2016, January 15). ⁠DNA sequencing costs. In Large-scale genome sequencing and analysis centers (LSAC). Retrieved 2021 March 9.
      9. Fermín J. González-Melado, Chapter 12 - ⁠Whole-Genome Sequencing as a Method of Prenatal Genetic Diagnosis. Clinical Ethics At the Crossroads of Genetic and Reproductive Technologies, Academic Press, 2018, Pages 263-291, ISBN 9780128137642.
      10. Thermo Fisher Scientific. (2016). ⁠Sanger sequencing method. In Sanger Sequencing. Retrieved 2021 March 9.
      11. Thomas PE, Klinger R, Furlong LI, Hofmann-Apitius M, Friedrich CM (2011). ⁠Challenges in the association of human single nucleotide polymorphism mentions with unique database identifiers. المعلوماتية الحيوية BMC. 12 Suppl 4: S4. DOI:10.1186/1471-2105-12-S4-S4.
      12. Mizzi C, Peters B, Mitropoulou C, Mitropoulos K, Katsila T, Agarwal MR, van Schaik RH, Drmanac R, Borg J, Patrinos GP. ⁠Personalized pharmacogenomics profiling using whole-genome sequencing. Pharmacogenomics. 2014 Jun15(9):1223-34.

      ⁠Dr. Brandon Colby MD is a US physician specializing in the personalized prevention of disease through the use of genomic technologies. He’s an expert in genetic testing, genetic analysis, and precision medicine. Dr. Colby is also the Founder of Sequencing.com and the author of ⁠Outsmart Your Genes.

      Dr. Colby holds an MD from the Mount Sinai School of Medicine, an MBA from Stanford University’s Graduate School of Business, and a degree in Genetics with Honors from the University of Michigan. He is an Affiliate Specialist of the American College of Medical Genetics and Genomics (⁠ACMG), an Associate of the American College of Preventive Medicine (⁠ACPM), and a member of the National Society of Genetic Counselors (⁠NSGC)


      Sequencing breakthroughs for genomic ecology and evolutionary biology

      Techniques involving whole-genome sequencing and whole-population sequencing (metagenomics) are beginning to revolutionize the study of ecology and evolution. This revolution is furthest advanced in the Bacteria and Archaea, and more sequence data are required for genomic ecology to be fully applied to the majority of eukaryotes. Recently developed next-generation sequencing technologies provide practical, massively parallel sequencing at lower cost and without the requirement for large, automated facilities, making genome and transcriptome sequencing and resequencing possible for more projects and more species. These sequencing methods include the 454 implementation of pyrosequencing, Solexa/Illumina reversible terminator technologies, polony sequencing and AB SOLiD. All of these methods use nanotechnology to generate hundreds of thousands of small sequence reads at one time. These technologies have the potential to bring the genomics revolution to whole populations, and to organisms such as endangered species or species of ecological and evolutionary interest. A future is now foreseeable where ecologists may resequence entire genomes from wild populations and perform population genetic studies at a genome, rather than gene, level. The new technologies for high throughput sequencing, their limitations and their applicability to evolutionary and environmental studies, are discussed in this review.


      معلومات الكاتب

      These authors contributed equally: Wenyan Nong, Zhe Qu, Yiqian Li, Tom Barton-Owen, Annette Y. P. Wong.

      الانتماءات

      School of Life Sciences, Simon F.S. Li Marine Science Laboratory, State Key Laboratory of Agrobiotechnology, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China

      Wenyan Nong, Zhe Qu, Yiqian Li, Tom Barton-Owen, Annette Y. P. Wong, Ho Yin Yip, Hoi Ting Lee, Satya Narayana, Jianquan Cao & Jerome H. L. Hui

      Centre for Ecology and Conservation, University of Exeter, Penryn, UK

      Tobias Baril & Alexander Hayward

      Dovetail Genomics, Scotts Valley, CA, USA

      State Key Laboratory of Agrobiotechnology, School of Life Sciences, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China

      Ting Fung Chan & Sai Ming Ngai

      School of Life Sciences, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China

      School of Biological Sciences, The University of Hong Kong, Hong Kong, China

      Leibniz Institute of Natural Product Research and Infection Biology – Hans Knöll Institute, Jena, Germany

      Department of Ocean Science and Hong Kong Branch of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China

      Department of Biology, Hong Kong Baptist University, Hong Kong, China

      Department of Computer Science and Engineering, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China

      Institute of Marine Biotechnology, Universiti Malaysia Terengganu, Terengganu, Malaysia

      Department of Bioscience and Biotechnology, Fakir Mohan University, Balasore, India

      Institute of Tropical Biodiversity and Sustainable Development, University Malaysia Terengganu, 20130, Kuala Nerus, Terengganu, Malaysia

      Research Division, Association for Biodiversity Conservation and Research (ABC), Odisha, 756003, India

      Institute of Oceanography and Maritime Studies (INOCEM), Kulliyyah of Science, International Islamic University, Kuantan, Malaysia

      Department of Cell and Systems Biology, University of Toronto, Toronto, Canada

      Department of Biology, Queen’s University, Toronto, Canada

      Department of Chemistry, City University of Hong Kong, Hong Kong, China

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

      مساهمات

      J.H.L.H. conceived and supervised the study. W.N. carried out the genome assemblies and analyses, gene model predictions, microRNA mapping, and synteny analyses. Z.Q. carried out the microRNA annotation, final checking microRNA copies and arm switching analyses. Y.L. carried out the homeobox gene analyses, synteny analyses, and the SNP analyses in populations. T.B.O. carried out the homeobox gene identifications and tree construction. A.Y.P.W. carried out the gene and microRNA copies analyses and arm switching analyses. H.Y.Y. provided animal husbandry and logistics. H.T.L. carried out novel microRNA analyses. S.N. carried out the population structure analyses. T.B. and A.H. performed the T.E. التحليلات. T.S. involved in the final version of genome assembly, and J.C. involved in earlier version of genome assembly. T.F.C., H.S.K., S.M.N., G.P., P.Y.Q., J.W.Q., K.Y.Y., S.S.T., W.G.B., S.G.C., J.H.L.H. applied and obtained the funding. N.I., S.P., A.J., S.G.C. collected and provided samples in field. S.S.T., W.G.C., S.G.C., A.H., J.H.L.H. drafted the first version of the manuscript. All authors provided comments and approved the manuscript.

      المؤلف المراسل


      شاهد الفيديو: الوراثة الجزيئية للانسان - مشروع الجينوم البشري - تقنية اطلاق الزناد - الدرس الاول (قد 2022).