توالی یابی نسل جدید: یک انقلاب در علوم ژنتیک
توالی یابی نسل جدید (NGS) یک روش نوین تعیین توالی ژنتیکی است که در دهه‌های اخیر تحولات چشمگیری در علوم ژنتیک ایجاد کرده است. این روش برخلاف روش‌های سنتی توالی یابی مانند روش سنگر، به صورت موازی انجام میشود و امکان تعیین توالی کل ژنوم یک موجود یا تعداد زیادی ژن را در زمان کوتاه و با هزینه کمتر فراهم می‌کند.توالی یابی نسل جدید (NGS) با امکان توالی یابی سریع و مقرون به صرفه مولکول های DNA و RNA، زمینه ژنومیک را متحول کرده است. NGS با توانایی خود در تولید مقادیر عظیمی از داده های توالی در یک چرخه، امکانات جدیدی را برای تحقیقات ژنومیک، تشخیص بالینی و پزشکی شخصی سازی شده باز کرده است.
- متاژنوم (Meta-genome)
- هول ژنوم (Whole genome)
- توالی یابی آر ان ای پیامرسان (mRNA-seq)
- توالی یابی آر ان ای های کوچک (smallRNA-seq)
- توالی یابی آر ان ای کل (TotalRNA-seq)
- متاترنسکریپتوم (meta-transcriptome)
متاژنومیکس یک روش نوین برای بررسی جمعیت میکروبی یک محیط است که بر اساس توالی یابی کل ژنوم میکروارگانیسم‌های موجود در آن محیط انجام میشود. این روش امکان شناسایی و بررسی کلیه میکروارگانیسم‌های موجود در یک محیط، اعم از میکروارگانیسم‌های قابل کشت و غیرقابل کشت در محیط‌های کشت مرسوم را فراهم می‌کند.
روش
در روش متاژنومیکس، ابتدا محتوای کل اسید نوکلئیک محیط مورد مطالعه استخراج میشود. سپس، قسمتی از ژن 16S rRNA که در همه میکروارگانیسم‌ها وجود دارد، با استفاده از تکنیک واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) تکثیر میشود. در نهایت، توالی یابی قطعه تکثیر شده انجام میشود و اطلاعات مربوط به تعداد و نوع میکروارگانیسم‌های موجود در محیط مورد مطالعه استخراج میشود.
WholeGenome یک اصطلاح است که به توالی یابی کل ژنوم یک موجود زنده اشاره دارد. این شامل تمام DNA موجود در کروموزوم های موجود زنده و همچنین DNA موجود در میتوکندری و سایر اندامک های آن است. توالی یابی WholeGenome یک ابزار قدرتمند است که می تواند برای شناسایی تغییرات ژنتیکی، تشخیص بیماری ها و توسعه درمان های جدید استفاده شود.
توالی یابی WholeGenome به طور معمول با استفاده از تکنیکی به نام توالی یابی نسل بعدی (NGS) انجام می شود. NGS یک فناوری توالی یابی با توان عملیاتی بالا است که می تواند در مدت زمان کوتاهی مقادیر عظیمی از داده های توالی را تولید کند. این باعث می شود NGS برای توالی یابی WholeGenome ایده آل باشد، که می تواند شامل توالی یابی میلیاردها جفت باز DNA باشد.
توالی یابی WholeGenome در انواع مختلف تحقیقات و کاربردهای بالینی استفاده می شود. به عنوان مثال، می توان از آن برای موارد زیر استفاده کرد:
- شناسایی جهش های ژنتیکی که باعث بیماری هایی مانند سرطان، فیبروز کیستیک و کم خونی سلول داسی شکل می شوند.
- تشخیص بیماری های نادری که تشخیص آنها با استفاده از روش های دیگر دشوار است.
- توسعه برنامه های درمانی شخصی سازی شده برای بیماران بر اساس آرایش ژنتیکی فردی آنها.
- مطالعه تکامل گونه ها و تنوع ژنتیکی جمعیت ها.
- ردیابی شیوع بیماری های عفونی.
TotalRNA-seq یک روش توالی یابی نسل بعدی (NGS) است که برای توالی یابی کل RNA یک سلول یا بافت استفاده می شود. این روش شامل استخراج کل RNA از سلول یا بافت، تکثیر RNA با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) و توالی یابی قطعات تکثیر شده است.
روش
در روش TotalRNA-seq، ابتدا کل RNA از سلول یا بافت مورد مطالعه استخراج می شود. این کار می تواند با استفاده از روش های مختلفی انجام شود، مانند روش استخراج کل RNA (Total RNA extraction) یا روش استخراج RNA کوچک (Small RNA extraction).
پس از استخراج RNA، آن را با استفاده از PCR تکثیر می کنند. این کار برای افزایش تعداد نسخه های RNA مورد نیاز است تا توالی یابی با دقت بیشتری انجام شود.
در نهایت، قطعات تکثیر شده با استفاده از یک دستگاه توالی یابی NGS توالی یابی می شوند. این دستگاه ها می توانند میلیون ها جفت باز RNA را در یک زمان توالی یابی کنند.
مزایا
TotalRNA-seq مزایای متعددی نسبت به روش های سنتی توالی یابی RNA دارد، از جمله:
- سرعت و دقت بالاتر: TotalRNA-seq می تواند در زمان کوتاه تری و با دقت بالاتر از روش های سنتی، کل RNA یک سلول یا بافت را توالی یابی کند.
- قابلیت دستیابی به اطلاعات بیشتر: TotalRNA-seq اطلاعات بیشتری در مورد RNA، از جمله آرایش ژن، بیان ژن و RNA غیرکدکننده، فراهم می کند.
کاربردها
TotalRNA-seq کاربردهای متعددی در علوم زیستی دارد، از جمله:
- مطالعه بیان ژن: TotalRNA-seq می تواند برای مطالعه میزان بیان ژن ها در یک سلول یا بافت استفاده شود. این اطلاعات می تواند برای درک عملکرد ژن ها و بیماری ها مفید باشد.
- مطالعه RNA غیرکدکننده: TotalRNA-seq می تواند برای مطالعه RNA غیرکدکننده، مانند miRNA ها، استفاده شود. این RNA ها نقش مهمی در تنظیم بیان ژن دارند.
- تشخیص بیماری ها: TotalRNA-seq می تواند برای تشخیص بیماری ها، مانند سرطان، استفاده شود.
mRNA-seq (mRNA Sequencing) یک روش توالی یابی نسل بعدی (NGS) است که برای توالی یابی RNA پیام رسان (mRNA) استفاده می شود. mRNA مولکولی است که اطلاعات ژنتیکی را از DNA به ریبوزوم منتقل می کند، جایی که پروتئین ها ساخته می شوند.
روش
در روش mRNA-seq، ابتدا mRNA از سلول یا بافت مورد مطالعه استخراج می شود. سپس، mRNA با استفاده از یک آنزیم به نام پلیمراز معکوس (reverse transcriptase) به DNA مکمل (cDNA) تبدیل می شود. در نهایت، cDNA توالی یابی می شود.
مزایا
mRNA-seq مزایای متعددی نسبت به روش های سنتی توالی یابی RNA دارد، از جمله:
- سرعت و دقت بالاتر: mRNA-seq می تواند در زمان کوتاه تری و با دقت بالاتر از روش های سنتی، mRNA یک سلول یا بافت را توالی یابی کند.
- قابلیت دستیابی به اطلاعات بیشتر: mRNA-seq اطلاعات بیشتری در مورد mRNA، از جمله بیان ژن، ایزوفورم های مختلف mRNA و تغییرات رونویسی پس از رونویسی، فراهم می کند.
کاربردها
mRNA-seq کاربردهای متعددی در علوم زیستی دارد، از جمله:
- مطالعه بیان ژن: mRNA-seq می تواند برای مطالعه میزان بیان ژن ها در یک سلول یا بافت استفاده شود. این اطلاعات می تواند برای درک عملکرد ژن ها و بیماری ها مفید باشد.
- شناسایی ایزوفورم های مختلف mRNA: mRNA-seq می تواند برای شناسایی ایزوفورم های مختلف mRNA استفاده شود. ایزوفورم های مختلف mRNA از یک ژن واحد می توانند پروتئین های مختلفی تولید کنند.
- مطالعه تغییرات رونویسی پس از رونویسی: mRNA-seq می تواند برای مطالعه تغییرات رونویسی پس از رونویسی استفاده شود. این تغییرات می توانند بر عملکرد mRNA تأثیر بگذارند.
Small RNA-seq یک روش توالی یابی نسل بعدی (NGS) است که برای توالی یابی مولکول های RNA کوچک مانند microRNA ها (miRNA ها)، RNA های تداخلگر کوچک (siRNA ها) و RNA های تعامل کننده با piwi (piRNA ها) استفاده می شود. RNA های کوچک مولکول های RNA کوتاه (معمولاً 18-30 نوکلئوتید طول) هستند که نقش مهمی در تنظیم ژن و سایر فرآیندهای سلولی دارند.
روش
روش Small RNA-seq معمولاً شامل مراحل زیر است:
- استخراج RNA کوچک: RNA کوچک از نمونه مورد نظر با استفاده از روش های مختلف مانند خالص سازی ستونی یا انتخاب اندازه استخراج می شود.
- تهیه کتابخانه: RNA کوچک به کتابخانه ای از قطعات cDNA تبدیل می شود که می تواند توالی یابی شود. این کار با استفاده از روش های مختلف مانند کیت تهیه کتابخانه Illumina TruSeq Small RNA انجام می شود.
- توالی یابی: کتابخانه cDNA با استفاده از یک پلتفرم NGS مانند Illumina HiSeq یا NovaSeq توالی یابی می شود.
مزایا
Small RNA-seq نسبت به روش های سنتی مطالعه RNA های کوچک مانند Northern blotting و RT-qPCR مزایای متعددی دارد. این مزایا عبارتند از:
- حساسیت: Small RNA-seq می تواند سطوح بسیار پایینی از RNA های کوچک را تشخیص دهد.
- دقت: Small RNA-seq می تواند سطح بیان RNA های کوچک را به طور دقیق اندازه گیری کند.
- جامعیت: Small RNA-seq می تواند همه RNA های کوچک موجود در یک نمونه را شناسایی کند، از جمله RNA های کوچک شناخته شده و جدید.
متا-ترانسکریپتوم مجموعه‌ای از تمام رونوشت‌های RNA موجود در یک جامعه میکروبی در یک زمان معین است. این یک تصویر فوری پویا از الگوهای بیان ژن همه میکروب‌های موجود در جامعه است و می‌توان از آن برای مطالعه اکولوژی عملکردی میکروبیوم استفاده کرد.
متا-ترانسکریپتومیکس مطالعه متا-ترانسکریپتوم است و با استفاده از توالی یابی نسل بعدی (NGS) تمام رونوشت های RNA موجود در یک نمونه را شناسایی و تعیین کمیت می کند. این اطلاعات می تواند برای یادگیری موارد زیر استفاده شود:
- انواع میکروب های موجود در یک جامعه
- فراوانی نسبی میکروب های مختلف
- ژن هایی که توسط میکروب ها بیان می شوند
- چگونه الگوهای بیان ژن میکروب ها در پاسخ به شرایط مختلف محیطی تغییر می کنند
متا-ترانسکریپتومیکس کاربردهای گسترده‌ای در تحقیقات زیست پزشکی دارد، از جمله:
- مطالعه محور میکروبیوم-روده-مغز
- توسعه ابزارهای تشخیصی جدید برای بیماری های عفونی
- شناسایی اهداف دارویی جدید برای باکتری های مقاوم به آنتی بیوتیک
- درک نقش میکروبیوم در سلامت و بیماری انسان
در اینجا چند نمونه از تحقیقات متا-ترانسکریپتومیکس آورده شده است:
- دانشمندان از متا-ترانسکریپتومیکس برای مطالعه میکروبیوم روده انسان و شناسایی میکروب‌ها و ژن‌های مرتبط با بیماری‌های مختلفی مانند بیماری التهابی روده و سرطان کولورکتال استفاده کرده‌اند.
- دانشمندان همچنین از متا-ترانسکریپتومیکس برای شناسایی ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی جدید در باکتری‌ها استفاده کرده‌اند. این اطلاعات می تواند برای توسعه آنتی بیوتیک های جدید یا بهبود اثربخشی آنتی بیوتیک های موجود استفاده شود.
- متا-ترانسکریپتومیکس همچنین برای مطالعه میکروبیوم اقیانوس و سایر اکوسیستم ها استفاده می شود. این تحقیق می تواند به ما در درک بهتر نقش میکروب ها در محیط زیست و شناسایی راه هایی برای محافظت از اکوسیستم ها در برابر آلودگی و سایر تهدیدات کمک کند.
متا-ترانسکریپتومیکس یک زمینه در حال توسعه سریع است و انتظار می رود در آینده نقش مهم تری در تحقیقات زیست پزشکی و عمل بالینی ایفا کند.
اصول و فناوری های کلیدی توالی یابی نسل بعدی
توالی یابی با سنتز (SBS)
یکی از اصول کلیدی NGS، توالی یابی با سنتز (SBS) است. SBS شامل شکستن مولکول های DNA یا RNA به قطعات کوچک، اتصال آنها به یک سطح جامد و سپس استفاده از آنزیم ها برای ایجاد کپی از هر قطعه است. این کپی ها سپس به طور همزمان با اضافه شدن هر نوکلئوتید، گسترش یافته و برچسب گذاری فلورسنت می شوند. با ثبت فلورسانس منتشر شده، می توان توالی را تعیین کرد.
توالی یابی با لیگاسیون (SBL)
یکی دیگر از فناوری های NGS توالی یابی با لیگاسیون (SBL) است. SBL شامل استفاده از DNA لیگاز، آنزیمی است که پروب های کوتاه DNA را به رشته DNA هدف متصل می کند. هر پروب با یک شناسه منحصر به فرد برچسب گذاری شده است که امکان شناسایی نوکلئوتید در هر موقعیت را فراهم می کند.
توالی یابی با هیبریداسیون (SBH)
توالی یابی با هیبریداسیون (SBH) یکی دیگر از تکنیک های NGS است که بر اساس پروب های DNA است. در SBH، نمونه DNA یا RNA قطعه قطعه می شود و این قطعات با پروب DNA مکمل که به یک سطح جامد متصل است، هیبرید می شوند. با اندازه گیری سیگنال های فلورسنت از پروب های متصل، می توان توالی را استنباط کرد.
کاربردها و مزایای توالی یابی نسل بعدی
ژنومیک انسانی و پزشکی دقیق
NGS امکانات جدیدی را برای درک ژنتیک انسانی و تأثیر آن بر سلامت باز کرده است. این امکان شناسایی تغییرات ژنتیکی مرتبط با بیماری ها را فراهم می کند و درمان های پزشکی شخصی سازی شده و درمان های هدفمند را امکان پذیر می سازد.
تشخیص و نظارت بر بیماری های عفونی
NGS به یک ابزار ارزشمند در دنیای تحقیقات بیماری های عفونی تبدیل شده است. این امکان شناسایی و مشخصه یابی سریع عوامل بیماری زا را فراهم می کند و به تشخیص، درمان و نظارت بر بیماری های عفونی کمک می کند.
آگریژنومیکس و بهبود محصولات زراعی
در زمینه کشاورزی، NGS در مطالعه ساختار ژنتیکی محصولات زراعی و دام نقش اساسی داشته است. به شناسایی صفات مطلوب، تسریع برنامه های اصلاح نژاد و افزایش عملکرد و کیفیت محصول کمک می کند.
روندهای فعلی و آینده در توالی یابی نسل بعدی
توالی یابی تک سلولی
برای درک پیچیدگی های زندگی، همه چیز در جزئیات است. به همین دلیل است که دانشمندان شروع به کاوش در دنیای جذاب توالی یابی تک سلولی کرده اند. به جای بررسی مخلوطی از سلول ها در یک نمونه، توالی یابی تک سلولی به محققان امکان می دهد اطلاعات ژنتیکی سلول های فردی را ثبت و تجزیه و تحلیل کنند.
این فناوری نوظهور درک ما از تنوع سلولی و عملکرد در سیستم های بیولوژیکی پیچیده را متحول می کند. از رمزگشایی اسرار سرطان تا بررسی توسعه ارگانیسم های چند سلولی، توالی یابی تک سلولی به ما نگاهی به دنیای پنهان ناهمگونی سلولی می دهد.
توالی یابی بلندخوانی
در دنیای توالی یابی DNA، اندازه اهمیت دارد. روش های توالی یابی سنتی اغلب در خواندن رشته های طولانی DNA با مشکل مواجه بودند و منجر به اطلاعات قطعه بندی شده و ناقص می شدند. توالی یابی بلندخوانی، ابرقهرمان تکنیک های توالی یابی DNA وارد می شود.
با توالی یابی بلندخوانی، دانشمندان اکنون می توانند آن رشته های طولانی کد ژنتیکی را بررسی کنند و تصویری جامع تر و دقیق تر از ژنوم ارائه دهند. این فناوری امکانات هیجان انگیزی را باز کرده است و به محققان اجازه می دهد تا تغییرات ژنتیکی پیچیده، تغییرات ساختاری و حتی کشف جهش های دشوار بیماری زا را بهتر درک کنند.
متاژنومیک و آنالیز میکروبیوم
چه کسی می دانست که مطالعه ارگانیسم های ریز زندگی در درون و اطراف ما می تواند تأثیر بسزایی داشته باشد؟ متاژنومیک و آنالیز میکروبیوم به موضوعات داغ در دنیای توالی یابی نسل بعدی تبدیل شده اند، زیرا ما نقش عظیمی را که این میکروارگانیسم ها در سلامتی و محیط زیست ما ایفا می کنند، درک می کنیم.
با توالی یابی DNA جمعی جوامع میکروبی، ما به بینشی از ترکیب و عملکرد این اکوسیستم های متنوع دست می یابیم. از درک سلامت روده تا بررسی پایداری محیط زیست، متاژنومیک و آنالیز میکروبیوم به ما کمک می کند تا نقاط اتصال بین میکروب ها و تأثیر آنها بر زندگی خود را متصل کنیم.
مقایسه با روش های توالی یابی سنتی
توالی یابی Sanger
توالی یابی Sanger مانند پدربزرگ یا مادربزرگ دانای توالی یابی نسل بعدی است که پایه های درک ما از DNA را بنا نهاده است. توالی یابی Sanger شامل سنتز گام به گام قطعات DNA است که به دانشمندان امکان می دهد کد ژنتیکی را رمزگشایی کنند.
در حالی که توالی یابی Sanger برای سال های زیادی یک ابزار کارآمد بوده است، اما محدودیت هایی نیز دارد. این روش زمان بر، پرهزینه و برای مطالعات ژنومی در مقیاس بزرگ مناسب نیست. با این حال، هنوز هم در توالی یابی هدفمند و اعتبارسنجی یافته های توالی یابی نسل بعدی ارزش دارد.
توالی یابی مبتنی بر میکروآرایه
توالی یابی مبتنی بر میکروآرایه، که همچنین به عنوان توالی یابی مبتنی بر هیبریداسیون شناخته می شود، نقش مهمی در تحقیقات ژنومی داشته است. این تکنیک از جفت شدن توالی های DNA با پروب های مکمل روی یک تراشه میکروآرایه برای تعیین وجود یا عدم وجود عناصر ژنتیکی خاص استفاده می کند.
در مقایسه با توالی یابی نسل بعدی، توالی یابی مبتنی بر میکروآرایه برای برخی کاربردها مانند تجزیه و تحلیل بیان ژن، جایگزین مقرون به صرفه تری ارائه می دهد. با این حال، در توانایی خود برای ارائه همان سطح از اطلاعات ژنومی جامع مانند روش های توالی یابی نسل بعدی محدود است.
واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR)
PCR (واکنش زنجیره ای پلیمراز) یک تکنیک اساسی در آزمایشگاه های زیست شناسی مولکولی در سراسر جهان شده است. PCR به ما امکان می دهد توالی های DNA خاصی را تکثیر کنیم و مطالعه و تجزیه و تحلیل آنها را آسان تر کنیم.
در حالی که PCR یک ابزار ارزشمند در تحقیقات ژنتیکی بوده است، اما بدون محدودیت نیست. این روش فقط می تواند قطعات کوچک DNA را تکثیر کند و برای توالی یابی هدفمند به جای تجزیه و تحلیل کل ژنوم مفیدتر است. از سوی دیگر، توالی یابی نسل بعدی با توانایی های خروجی بالاتر، دید جامع تری از ژنوم را ارائه می دهد.
| ویژگی | NGS | Sanger | Microarray-based | PCR |
|---|---|---|---|---|
| سرعت | سریع | کند | متوسط | متوسط |
| هزینه | مقرون بصرفه | گران | متوسط | متوسط |
| دقت | بالا | بالا | متوسط | متوسط |
| توانایی خروجی | بالا | پایین | متوسط | متوسط |
| کاربرد ها | توالی یابی کل ژنوم، توالی یابی هدفمند، توالی یابی RNA | توالی یابی هدفمند، اعتبارسنجی یافته های NGS | تجزیه و تحلیل بیان ژن | تکثیر توالی های DNA خاص |
نتیجه گیری و پیامدهای توالی یابی نسل بعدی
در نتیجه، توالی یابی نسل بعدی مرزهای جدیدی را در درک ما از ژنتیک و دنیای پیچیده اطراف ما باز کرده است. این فناوری از بررسی اسرار سلول های تک گرفته تا رمزگشایی از اسرار میکروبیوم، بینش بی سابقه ای در مورد اجزای سازنده زندگی ارائه می دهد.
با این حال، همانطور که بیشتر به این قلمرو ژنومی می پردازیم، باید ملاحظات اخلاقی و قانونی حریم خصوصی، رضایت و مالکیت معنوی را در نظر بگیریم. ایجاد تعادل مناسب بین پیشرفت علمی و شیوه های مسئولانه، آینده توالی یابی نسل بعدی را شکل خواهد داد.
با پیشرفت‌های سریع در فناوری و پالایش مداوم روش‌های توالی یابی، می‌توانیم انتظار داشته باشیم که توالی یابی نسل بعدی در دسترس‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و در طیف گسترده‌ای از کاربردها ادغام شود. پتانسیل پزشکی شخصی‌سازی شده، پیشرفت‌ها در تحقیقات بیماری‌ها و درک عمیق‌تر از میراث ژنتیکی ما در دسترس ماست.
بنابراین، کمربند خود را ببندید و آماده یک سفر هیجان انگیز در دنیای توالی یابی نسل بعدی شوید. آینده روشن است، پر از DNA توالی‌دار، و منتظر است تا اسرار خود را فاش کند.
توالی یابی نسل بعدی (NGS) یک فناوری قدرتمند با کاربردهای گسترده در زمینه های مختلف است. NGS سریع، مقرون به صرفه و دقیق است، و می تواند برای توالی یابی کل ژنوم یا مناطق خاص DNA استفاده شود. NGS در حال حاضر در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود، از جمله پزشکی شخصی سازی شده، تشخیص بیماری های عفونی، تحقیقات سرطان و تحقیقات ژنوم گیاه. انتظار می رود که NGS در آینده نقش مهمی در مراقبت های بهداشتی و تحقیقات علمی ایفا کند.
در حالی که NGS مزایای متعددی را ارائه می دهد، برخی چالش ها را نیز به همراه دارد، مانند مدیریت داده ها، هزینه و دقت. با این حال، انتظار می رود که این چالش ها با پیشرفت بیشتر در فناوری NGS برطرف شوند.
در مقایسه با روش های توالی یابی سنتی، NGS سریع تر، مقرون به صرفه تر و دقیق تر است. NGS همچنین نمای کلی تری از ژنوم ارائه می دهد و امکان شناسایی واریانت های ژنتیکی نادری را فراهم می کند که ممکن است با استفاده از روش های سنتی از دست رفته باشند.
Add a Comment