14 урок Секвенирование ДНК

1. Секвенирование ДНК.  Методы геномики, транскриптомики, протеомики

Секвенирование ДНК.
Методы геномики,
транскриптомики,
протеомики
10 класс
(углубленный уровень)

2.

Секвенирование ДНК
Секвенирование ДНК – это определение точной
последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК.
• Аналогия: Если представить ДНК как книгу с
инструкцией по построению и
функционированию организма, то
секвенирование – это расшифровка (чтение)
текста этой книги.
• Цель: Получить полную генетическую
информацию о живом существе, чтобы понять
его работу, найти причины болезней и
изучить эволюцию.
цитозин
гуанин
аденин
тимин

3.

Эволюция методов
секвенирования
Классический метод Сэнгера
(1977 г.)
Принцип: Создание множества копий ДНК с преждевременным
обрывом синтеза в случайных местах с помощью меченых
дидезоксинуклеотидов.
Анализ: Разделение фрагментов по длине с
помощью капиллярного электрофореза.
Плюсы: Высокая точность.
Минусы: Высокая стоимость, низкая скорость и
низкая пропускная способность.

4.

Классический метод
Сэнгера
Секвенирование по Сэнгеру
— это оптимальный метод
для точного чтения
коротких фрагментов ДНК
(до ~1000 пар нуклеотидов).
Историческая справка
Фредерик Сэнгер —
единственный ученый, дважды
получивший Нобелевскую премию
по химии!
1958: за структуру белка инсулина
1980: за метод секвенирования ДНК
Применение:
Поиск мутаций. Анализ конкретных генов для диагностики индивидуальных
генетических особенностей.
Генетический паспорт. Идентификация видовой принадлежности вирусов,
бактерий, грибов, растений и животных.
Проверка методов секвенирования нового поколения. Подтверждение
данных, полученных другими методами.

5.

Эволюция методов
секвенирования
Методы секвенирования
нового поколения
Принцип: Массовое параллельное секвенирование миллионов
коротких фрагментов ДНК одновременно.
Процесс (этапы):
• фрагментация ДНК;
• амплификация - увеличение количества копий каждого фрагмента;
• секвенирование – определение последовательности;
• биоинформатический анализ - сборка и интерпретация данных.
Плюсы: Очень высокая скорость и пропускная способность, низкая
стоимость одного нуклеотида.
Минусы: Короткие прочтения (50-300 пар оснований), сложная
биоинформатическая обработка.

6.

Эволюция методов
секвенирования
Секвенирование третьего
поколения
Принцип: Секвенирование единичных длинных молекул ДНК в
реальном времени.
Плюсы: очень длинные чтения, портативность (существуют
устройства размером с флешку), высокая скорость, высокая точность.
Применение:
• Сборка полных, без пробелов, геномов растений, животных и
человека.
• Диагностика болезней, которые вызваны увеличением числа
повторов в определенном гене (например, хорея Хантингтона).
• Обнаружение крупных нарушений в геноме, которые часто
связаны с онкологическими и наследственными заболеваниями.
• Быстрое секвенирование в полевых условиях.

7.

Эволюция методов
секвенирования
Секвенирование нового
поколения
Секвенирование третьего
поколения
Длина чтений (количество
пар нуклеотидов)
Короткие (50-300)
Очень длинные
(тысячи – миллионы)
Время секвенирования
Часы - дни
Минуты - часы
Амплификация
Требуется (ПЦР)
Не требуется
(единичные молекулы)
Портативность
Стационарные приборы
Портативные устройства
Точность
Очень высокая (>99.9%)
Изначально ниже, но
быстро растущая (>99.9%)
Параметр

8.

Геномика
Геномика — это наука, которая изучает строение, функцию,
эволюцию и картирование геномов.
Это статичная информация
Основные задачи:
• Секвенирование и сборка генома.
• Изучение генома: поиск генов,
регуляторных последовательностей.
• Сравнительная геномика: поиск
различий между геномами разных
видов или индивидуумов.

9.

Геномика
Основные направления
геномики
• Структурная геномика: Определение первичной структуры генома
(последовательности нуклеотидов) и составление генетических карт.
• Функциональная геномика: Выяснение функций генов и их
взаимодействий.
• Сравнительная геномика: Сопоставление геномов разных видов для
выявления общих генов, эволюционных взаимосвязей и уникальных
особенностей.
Применение геномики
Проект "Геном человека".
Поиск генов наследственных заболеваний.
Персонализированная медицина (подбор лекарств на основе генома).
Эволюционная биология.

10.

Транскриптомика
Транскриптомика – наука, изучающая полный набор молекул
РНК (транскриптом), синтезированных в клетке в конкретный
момент времени. Это динамичная информация, показывающая,
какие гены активны.
Возможности транскриптомики:
• Сравнить транскриптом раковой и здоровой клетки, чтобы найти гены,
активность которых резко изменилась. Эти гены — потенциальные
мишени для лекарств.
• Увидеть, как клетка реагирует на лекарство, вирус, токсин или изменение
среды на уровне включения/выключения сотен генов одновременно.
• Обнаружить ранее неизвестные гены.
• Определить тип клетки по активности генов (например, в эмбриологии).

11.

Протеомика
Протеомика — это наука, которая изучает протеом, то
есть полный набор белков, синтезируемых клеткой, тканью или
организмом в данный момент времени.
Протеом - это конечный результат работы генов.
Белки — это "исполнительные механизмы" клетки, которые:
• обеспечивают структуру клетки;
• выполняют различные функции (ферменты, гормоны,
антитела);
• регулируют все процессы.
Важная особенность!
Протеом гораздо сложнее генома и транскриптома!

12.

Протеомика
Почему протеом сложнее
генома?
• Набор белков постоянно меняется в зависимости от потребностей
клетки.
• Белки подвергаются посттрансляционным модификациям
(фосфорилирование, гликозилирование), которые меняют их функцию.
• Уровень концентрации белка не всегда соответствует уровню мРНК.
• Для функции белка важна его трёхмерная структура, которую
сложно изучать.
Применение протеомики
• Поиск биомаркеров заболеваний в крови (например, для ранней
диагностики рака).
• Разработка лекарств (изучение белков-мишеней).
• Подбор терапии на основе белкового профиля конкретного пациента.

13.

Выводы
1. Секвенирование ДНК – фундаментальная технология,
революционизировавшая биологию.
2. Геномика, транскриптомика и протеомика изучают разные
уровни организации жизни: от статического кода ДНК до
динамического мира активных генов и функциональных
белков.
3. Интеграция этих подходов позволяет понять сложные
биологические процессы и разрабатывать новые методы
диагностики и лечения болезней.