Sekvensanalys inom molekylärbiologi: metoder, tillämpningar och tolkning

En DNA-sekvens är sekvensen av nukleotider i en DNA-molekyl. Den skrivs som en följd av bokstäver som representerar den primära strukturen hos en DNA-molekyl eller DNA-sträng. Om en sådan sekvens är funktionell innehåller den information om sekvensen av aminosyror i en proteinmolekyl. De möjliga bokstäverna är A, C, G och T, som representerar de fyra nukleotidbaserna i en DNA-sträng - adenin, cytosin, guanin och tymin. Sekvenserna skrivs ut bredvid varandra, utan luckor, som i sekvensen AAAGTCTGAC.

Studiet av RNA och proteiner är mer komplicerat. DNA:s övergripande struktur är enkel och förutsägbar (dubbelhelix). När man studerar RNA och proteiner måste man även studera deras tredimensionella struktur, som är varierande och påverkar hur de fungerar. I viss mån kan detta underlättas av datorer, men måste kontrolleras i varje enskilt fall.

Information om sekvenser lagras i databaser. Sedan utvecklingen av den snabba produktionen av gen- och proteinsekvenser under 1990-talet ökar takten för tillägg av nya sekvenser till databaserna hela tiden.

En fullständig genomanalys har gjorts av över 800 arter och stammar. Arbetet utförs av en maskin, DNA-sekvensatorn, som analyserar ljussignaler från fluorokromer som är knutna till nukleotiderna. Den här typen av arbete blir gradvis billigare.

"Det finns för närvarande [2009] mer än 90 ryggradsdjursarter med fullständiga genomsekvenser som är färdiga, under bearbetning eller i ett avancerat planeringsstadium.

Grova totalsiffror

I december 2012 hade analyser av hela arvsmassan slutförts för omkring 800-900 levande arter och stammar av arter. Siffrorna är ungefärliga och ändras.

• Djur: 111 arter
• Växter: 53 arter
• Svampar: 81 arter
• Protister: 50 arter
• Archaea: 139 arter och stammar
• Bakterier: ~4/500 arter och stammar

Den mänskliga arvsmassan är lagrad på 23 kromosompar i cellkärnan och i det lilla mitokondriella DNA:t. Man vet nu en hel del om de DNA-sekvenser som finns på våra kromosomer. Vad DNA:t faktiskt gör är nu delvis känt. Att tillämpa denna kunskap i praktiken har bara börjat.

Human Genome Project (HGP) producerade en referenssekvens som används över hela världen inom biologi och medicin. Nature publicerade rapporten från det offentligt finansierade projektet och Science publicerade Celeras artikel. Dessa artiklar beskrev hur utkastet till sekvens producerades och gav en analys av sekvensen. Förbättrade utkast tillkännagavs 2003 och 2005, som fyllde på till ≈92 % av sekvensen.

Det senaste projektet ENCODE studerar hur generna styrs.

Rättsmedicinskt arbete

Det är inte nödvändigt att ha sekvenser av hela arvsmassan för rättsmedicinskt arbete, t.ex. för att identifiera en brottsling utifrån DNA-spår som lämnats på en brottsplats eller för faderskapsfall. För närvarande är sekvensering av hela arvsmassan fortfarande mycket dyrt, men lyckligtvis finns det enklare och billigare metoder.

Den grundläggande idén är att titta på vissa loci (platser) i arvsmassan som är mycket varierande mellan människor. Det krävs ungefär 10 till 15 av dessa loci för att få en matchning, och de juridiska detaljerna skiljer sig åt mellan olika länder. En matchning mellan ett prov och en misstänkt person gör det ytterst troligt att personen i fråga var källan till provet. Detta bevis skulle då ligga till grund för åtalet för ett brott. En liknande analys skulle visa att en man med stor sannolikhet är far till ett barn. Detta är egentligen ett modernt sätt att göra det som gjordes med blodgrupper innan DNA-detaljer kunde analyseras. Metoderna har utvecklats främst genom Alec Jeffreys arbete.

Varje människas DNA innehåller två alleler av en viss gen eller "markör": en från fadern och en från modern. "Markörer" är gener som valts ut för att de har ett antal olika alleler som förekommer ofta i befolkningen. Följande tabell är hämtad från ett kommersiellt experiment med DNA-testning av faderskap. Den visar hur släktskap mellan föräldrar och barn påvisas med hjälp av fem markörer:

Resultaten visar att barnets och den påstådda faderns DNA matchar dessa fem markörer. De fullständiga testresultaten visade denna korrelation på 16 markörer mellan barnet och den testade mannen. Om ett fall testas i domstol skulle en rättsmedicinsk forskare ge bevis på sannolikheten för att få detta resultat av en slump.

DNA-testning i USA

Det finns lagar om DNA-profilering i alla 50 stater i USA. Detaljerad information om databaslagar i varje delstat finns på webbplatsen National Conference of State Legislatures.

Forntida DNA har återfunnits från vissa källor. Rekordet för överlevnad av DNA som lämpar sig för sekvensanalys är 700 000 år. Ett hästskelett som begravts i permafrost har gett ben med en del överlevande DNA. Sekvensen var endast till 70 procent komplett, men den var tillräcklig för att forskarna skulle kunna säga att "den skulle inte se ut som en häst som vi känner till den... men vi skulle förvänta oss att det var en en tåig häst". Som jämförelse hade forskarna tillgång till DNA-sekvenser från moderna hästar, åsnor och Przewalskis häst.

• George Church
• Walter Gilbert
• John Sulston
• Fred Sanger
• ENCODE: den fullständiga analysen av det mänskliga genomet
• Det mänskliga genomet
• Fullständig genomik
• Bioinformatik