Конструкция модели секвенатора дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)

Технический прогресс впечатляет. Но поясню, ради чего было сделано это отступление. Каковы перспективы электрофореза в капиллярах? Не вытеснит ли он классический метод электрофореза в пластинах? Думаю, что не вытеснит и вот почему. В капиллярном методе у экспериментатора нет возможности получить в свое распоряжение сам чистый гель без оболочки, а значит и решить целый ряд задач, описанных в гл.

6. К примеру, как использовать электрофорез в капиллярах для сравнения картин распределения по размерам белков или НК разного происхождения? Пометить их всех люминесцентной меткой и протягивать сплошь прозрачные капилляры мимо лазера, фиксируя времена прохождения каждого из белков или НК? Сложно! А если возникнет необходимость подробнее познакомиться с одним из белков? Найти его снова по времени регистрации и вырезать кусочек капилляра? Или, не меняя описанной конструкции фиксировать времена выхода всех белков из капилляров и сохранять их для последующего анализа? Тогда для каждого капилляра надо поставить свой коллектор фракций, как при хроматографии! А если белки или НК помечены радиоактивной меткой? Укладывать капилляры с гелем на рентгеновскую пленку? Для регистрации в таких условиях потребуется очень большая радиоактивность. Еще хуже с использованием иммунохимических методов для отыскания нужного антигена после электрофореза смеси белков. К белкам в капилляре не подобраться. Значит тестировать антисывороткой поодиночке каждый белок в варианте с коллекторами фракции? И так далее.

Все это очень трудно. Быть может технически разрешимо за счет усложнения и удорожания специальной аппаратуры. Но зачем? Ведь, кроме секвенирования ДНК, при проведении любой другой исследовательской работы электрофорез используется не более, чем несколько раз . Но вернемся к прерванному рассмотрению вопроса об использовании автоматических секвенаторов.

Уже упоминалось, что в одном треке пластины или в капилляре автоматического секвенатора удается надежно определить последовательность нуклеотидов во фрагменте ДНК длиной в 500-600 пар нуклеотидов. Каким же образом расшифровывают весь геном, хотя бы бактерии, где счет идет на миллионы пар? Очевидно здесь пока нет иного пути, чем разбиение всей ДНК генома на куски: сначала более крупные, потом мельче — вплоть до набора фрагментов, доступных для автоматического секвенирования. Средством разбиения могут служить различные рестриктазы или облучение ультразвуком. Сортировку кусков и фрагментов ДНК по размерам можно вести последовательно электрофорезом в мягких гелях агарозы с последующим извлечением их из этих гелей. Отбираются только достаточно крупные фрагменты.

Для обеспечения строгой одинаковости этих крупных кусков ДНК их приходится проводить через операцию умножения клонированием в E.coli. Обычные плазмиды могут вносить в бактерию фрагменты, не длиннее нескольких тысяч пар нуклеотидов. Ограничением служит процесс проникновения перегруженных плазмид в бактериальную клетку. Чтобы обойти эту трудность иногда в качестве переносчиков («векторов») используют так называемые «космиды». Они представляют собой такие гипермо-дифицированные плазмиды, включенные в головку бактериофага «^». (Используется явление самосборки фага.) Бактериофаг впрыскивает всю содержащуюся в нем ДНК через отверстие, которое он «прокалывает» в оболочке бактерии. Эта ДНК в бактериальной клетке циркулизируется и размножается как плазмида. Таким образом удается размножить в E.coli куски чужеродной ДНК длиной в 35-45 тысяч пар нуклеотидов.

Некоторые из секвенированных в конце концов фрагментов ДНК неизбежно обнаружат определенное «перекрытие» — совпадение участков последовательностей. Это обстоятельство в силу уникальности таких последовательностей (при достаточной их длине) используют для установления очередности фрагментов и получения из их совокупности единой последовательности нуклеотидов всего генома.

Впрочем, может оказаться и так, что из-за потери малых отрезков исходной ДНК генома при его дроблении между некоторыми расшифрованными фрагментами обнаруживаются пропуски (перекрытие отсутствует). Если два соседствующие с таким пропуском фрагмента уже секвенированы, то конец одного и начало второго из них позволяют синтезировать два праймера (начальный и концевой) и воспользоваться симметричной ПЦР-реакцией для получения на базе всей исходной ДНК или крупного ее куска пропущенной последовательности для ее секвенирования.

Если же нет достаточных оснований, чтобы после пропуска поставить один из расшифрованных фрагментов, то придется использовать асимметричную (с одним праймером) ПЦР-реакцию, начинающуюся от предшествовавшего пропуску фрагмента. Быть может даже в несколько этапов, когда праймер для каждого последующего секвенирования придется устанавливать по концу последовательности, расшифрованной на предыдущем этапе. И так до тех пор, пока не появится достаточно длинная последовательность нуклеотидов, уже обнаружившая себя в одном из секвенированных фрагментов. Разумеется, перебор и сопоставление всех последовательностей выполняет компьютер.

Необходимость секвенирования тысяч фрагментов ДНК ставит перед исследователем весьма трудоемкую задачу. Однако благодаря возможности автоматически секвенировать за один день 96 фрагментов и параллельного использования нескольких автоматов эта задача оказывается не такой уж страшной.

Другое дело — расшифровка генома человека с его тремя миллиардами пар нуклеотидов. Там, разумеется, есть свои приемы. Но, тем не менее, задача эта столь громоздка, что над ее разрешением координированно работают уже несколько лет многие лаборатории мира. (Общая программа «Геном человека».) О важности такой расшифровки для медицинских целей написано немало в общедоступной литературе. В первую очередь она ведется для тех участков генома, где расположены активные гены, в особенности гены, имеющие отношение к болезням человека. Эти гены во многих случаях могут быть найдены в геноме через синтез кДНК по иРНК, соответствующей белку — продукту деятельности интересующего гена, с дальнейшей гибридизацией с определенным куском генома. Для отыскания примерной локализации гена нет нужды получать соответствующие полноразмерные иРНК и кДНК. Достаточно знать последовательность в сотню нуклеотидов. Ее уникальность во всем геноме не вызывает сомнения — вероятность повтора составляет 1/4100.

К концу 1998 года были расшифрованы последовательности 50-60 тысяч генов, что составляет более половины всего предполагаемого числа генов человека. Это звучит оптимистически. Но стоит вспомнить, что все активные гены человека в совокупности составляют лишь около 3% его генома. Нужно ли расшифровывать остальные 97% ? Наверное нужно, хотя бы для того, чтобы подойти к пониманию роли этого огромного количества как будто «молчащей» наследственной информации. Неужели — это пустой балласт? Или эта «внегенная» информация играет какую-то роль в обеспечении жизнедеятельности человека во всех ее аспектах? На этом пути, быть может, ученых ждут еще великие открытия!

2. Ультрацентрифугирование

 Скачать реферат