Секвенирование: узнать себя до самых молекул

Вплоть до 50-х годов ХХ века не было четкого понимания того, каким образом гены записаны в структуре нуклеиновых кислот. Модель ДНК как двойной спирали была описана только в 1953 году биологами Ф. Криком и Д. Уотсоном. В короткое время за этим последовали открытия, позволившие расшифровать генетический код. Оказалось, что вся наследственная информация, содержащаяся в ДНК, записана в виде последовательности четырех нуклеотидов — аденин (A), гуанин (G), цитозин (C), тимин (T) или урацил (Y) в случае РНК.

Источник: www.vecteezy.com

Понимание основных принципов строения нуклеиновых кислот и кодирования генетической информации дало науке мощный толчок для того, чтобы найти эффективные способы определения последовательности структурных единиц ДНК и РНК, нуклеотидов. Все эти методы принято объединять общим термином — секвенирование. Появившиеся методы секвенирования открыли путь в «геномную эру».

В середине 90-х годов в США был начат невероятный по масштабу научный проект — «Геном человека». Его целью была расшифровка генетического кода в ДНК, заключенной в хромосомах человека. Проект длился 13 лет. Полученные результаты открыли перед учеными и медиками невиданные перспективы и позволили решить целый ряд прикладных и фундаментальных задач, таких как создание новых лекарств, вакцин и иных продуктов. Наконец появилась возможность поиска генов, связанных с теми или иными заболеваниями и врожденными пороками развития, хотя не всегда это оказывается легкой задачей, например в отношении болезни Альцгеймера. Однако некоторые прорывы уже есть: обнаружены защитные гены, замедляющие снижение когнитивных функций и препятствующие возникновению нарушений в мозговой ткани, связанных с неправильным сворачиванием белков. Помогает этот способ и в исследованиях в области онкологии. Например, авторы одной из работ, опубликованных в журнале Nature, научились прогнозировать тяжесть протекания рака молочной железы, анализируя мутации в опухолевых клетках с помощью данного метода.

Эти технологии дают возможность проникнуть в эволюционную историю человека, животных и растений, а также понять причины массовых вымираний, происходивших на Земле. Секвенируя геномы останков, можно узнать о происхождении видов, возрасте организма и о том, какие были условия среды в месте обитания. Именно с помощью изучения фрагментов ДНК был выделен новый вид древних людей — денисовцев.

Изначально секвенирование было очень дорогостоящим и позволить себе его могли только очень богатые люди и организации. Сегодня заказать или выполнить самостоятельно эту процедуру способна почти каждая научная или медицинская лаборатория. Существует немало компаний, предлагающих сделать генетический тест и на его основе предложить индивидуальные рекомендации, которые помогут улучшить здоровье и продлить жизнь. Зная, что один из генов дефектный, можно сгладить вред от его проявления разными способами — от подходящего образа жизни до генной терапии. Такой персонализированный подход считается более совершенным по сравнению с текущим уровнем развития медицины и несомненно полезным для сферы исследований против старения.

Существует несколько подходов для секвенирования нуклеиновых кислот. Самый первых из них был предложен английским биохимиком Фредериком Сенгером — единственным ученым в мире, получившим две Нобелевские премии по химии. Разработанный способ подходит для прочтения с высокой точностью небольших участков ДНК, до 1000 пар нуклеотидных оснований.

Другой более современный метод — секвенирование нового поколения (NGS) — применяется для множественного прочтения небольших участков генома (от 25 до 500 пар оснований), которые затем используются для сборки больших фрагментов генома с помощью сложных биоинформатических инструментов. Это группа самых ранних методов секвенирования нуклеиновых кислот (самый первый был разработан в 1977 году); именно такой подход применялся в проекте «Геном человека».

Источник: www.dia-m.ru

Высочайшая точность секвенирования методами NGS обеспечивается за счет многократного прочтения каждого из изучаемых фрагментов. Каждая последовательность участка ДНК получается путем сопоставления всех перекрывающихся друг с другом участков.

В последнее время из группы NGS выделяют нанопоровое секвенирование и выносят его в следующий класс — секвенирование третьего поколения. Портативные приборы этой группы позволяют делать прямое прочтение последовательностей РНК и ДНК в режиме онлайн, причем длина фрагмента может быть любой, а условия проведения анализа настолько просты, что это можно делать и у себя на кухне, и в полевых условиях.

Разрабатываются также методы для узнавания отдельных молекул нуклеиновых кислот в режиме реального времени, называемые одномолекулярным секвенированием, однако пока они имеют невысокую точность.