background image

 

141 

Karol Nowosad

1

, Piotr Stępień

2

, Paula Musiał

Sekwencjonowanie DNA – przegląd metod 

1. Wstęp 

Terminem sekwencjonowanie określa się ogół metod prowadzących do 

odczytania kolejności nukleotydów w cząsteczkach kwasów nukleinowych. 
Pierwsze próby zsekwencjonowania DNA były  podejmowane w latach 70 
wraz  z  pojawieniem  się  metody  chemicznej  degradacji  łańcucha  DNA 
i równoczesnym  opracowaniem  przez  zespół  Sangera  metody  terminacji 
łańcucha.  Przełomem  w  rozwoju  metod  sekwencjonowania  było  wyizo-
lowanie termostabilnej polimerazy z  Thermus aquaticus oraz opracowanie 
techniki  PCR,  co  znacznie  zwiększyło  wydajność  procesu  sekwen-
cjonowania  i  skróciło  czas  analizy  [1,2].  Wykorzystanie  reakcji  PCR  ze 
znakowanymi fluorescencyjnie nukleotydami oraz zastąpienie klasycznych 
żeli  poliakrylamidowych  wykorzystywanych  do  rozdziału  uzyskanych 
fragmentów  DNA  nowoczesnymi  kapilarami  stosowanymi  do  rozdziału 
umożliwiło zautomatyzowanie metody Sangera. Zautomatyzowane aparaty 
do  sekwencjonowania  zostały  wykorzystane  do  analizy  genomów 
większości  organizmów  modelowych  oraz  analizy  genomu  człowieka 
w projekcie  HGP  (ang.  Human  Genome  Project),  który  zakończył  się  w 
2003  roku  [3,4,5].  Opracowanie  metod  NGS  (ang.  Next  Generation 
Sequencing)  na  początku  XXI  wieku  oraz  rozwój  w  dziedzinie 
bioinformatyki  umożliwiło  zwiększenie  przepustowości  analizowanych 
danych, znaczne obniżenie kosztów oraz czasu prowadzonych badań [6].  

Obecnie  dostępnych  jest  wiele  metod  sekwencjonowania,  jednakże 

ograniczenia  oraz  ciągle  wysokie  koszty  analizy  przyczyniają  się  do 
poszukiwania 

nowych 

rozwiązań 

umożliwiających 

opracowanie 

alternatywnych  technik  określania  sekwencji  nukleotydów.  W  niniejszej 
pracy 

przedstawiono  charakterystykę 

najpopularniejszych 

metod 

sekwencjonowania. 

 

 

                                                                 

1

karol-nowosad@wp.pl, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Wydział Biologii 

i Biotechnologii 

2

piotr.stepien@interia.pl, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Wydział Biologii 

i Biotechnologii 

3

pp.auula17@gmail.com, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Wydział Nauk 

o Zdrowiu, Katedra Fizjoterapii, Zakład Medycyny Sportowej i Fizjologii Wysiłku Fizycznego 

background image

 
 

Karol Nowosad, Piotr Stępień, Paula Musiał 

 

142 

2. Metody klasyczne 

2.1. Metoda chemicznej degradacji DNA 

Metoda sekwencjonowania DNA oparta o chemiczną degradację łańcucha 

została  opisana  w  1977  roku  przez  dwóch  naukowców  Allana  Maxama 
i Waltera  Gilberta.  W  technice  tej,  fragmenty  DNA  z  odpowiednio 
wyznakowanymi  nukleotydami  na  końcach  poddawane  są  przy  użyciu 
specyficznych związków chemicznych losowemu rozszczepieniu w pozycji 
adeniny, guaniny, cytozyny oraz tyminy. Degradacja chemiczna oparta jest 
na 3 etapach: 

  modyfikacji zasady azotowej; 

 

usunięciu zmodyfikowanej zasady azotowej; 

 

przecięciu nici DNA w miejscu apurynowym lub pirymidynowym. 

Metoda prowadzi do otrzymania zbioru cząsteczek DNA zakończonych 

określonym  nukleotydem  A,  G,  C  lub  T,  różniących  się  długością 
o 1 nukleotyd [7]. To co wyróżnia tą technikę od metody Sangera jest to że 

w inny sposób uzyskuję się pulę tych cząsteczek. Materiałem wyjściowym 
jest  dsDNA  (ang.  double-strand  Deoxyribonucleic  Acid),  które  przed 

rozpoczęciem  degradacji  chemicznej  znakowane  jest  promieniotwórczą 

grupą  fosforanową  na  końcu  5`  nici.  Wyznakowane  radioaktywnie 
fragmenty  DNA  rozdziela  się  na  4  części  umieszczając  każdą  do  innej 

probówki.  Przy  użyciu  odczynników  chemicznych  prowadzi  się  reakcje 

częściowego rozszczepienia w różnych częściach zasad. Przeprowadza się 

zwykle  cztery  równoczesne  reakcje  dla  A+G,  G,  C,  C+T.  W  reakcjach 

właściwych dla G oraz C związek chemiczny silniej oddziałuję na G niż A 

oraz C zamiast T. Odczynnik chemiczny w reakcjach G+A i C+T działa na 

pirymidyny  i  puryny  z  taką  samą  siłą.  Ważnym  detalem  jest  dodanie 

związku  chemicznego  w  bardzo  niewielkiej  ilości.  Odpowiednie  dobranie 

warunków reakcji sprawia że tylko jedna zasada z danego fragmentu będzie 

zmodyfikowana.  Modyfikacja  zasady  prowadzi  do  osłabienia  wiązania 

między zasadą a dezoksyrybozą. Późniejsze dodanie piperydyny powoduje 

rozszczepienie  wiązania  glikozydowego  w  wyniku  czego  zasada  azotowa 

ulega  usunięciu.  Odszczepieniu  ulega  dezoksyryboza  i  nić  DNA  zostaje 
w tym  miejscu  rozerwana  [1].  Dla  przykładu,  dodanie  ograniczonej  ilości 

siarczanu  dimetylu,  sprawia  że  w  poszczególnych  cząsteczkach  metylowana 

będzie całkowicie losowo tylko jedna guanina. Późniejsze dodanie piperydyny 

powoduje  usunięcie  zmetylowanej  zasady  G  i  przecięcie  ssDNA 
(ang. single  stranded  Deoxyribonucleic  Acid)  przed  miejscem  w  którym 

znajdowała  się  zasada  G.  W  wyniku  takich  działań  uzyskuje  się  zbiór 

cząsteczek wyznakowanych radioaktywną  grupą fosforanową na końcu 5` 
i różniących  się  długością  na  końcu  3`.  W  momencie  uzyskania  zbioru 

cząsteczek  dla  wszystkich  próbek,  poddaje  się  go  rozdziałowi  elektro-

foretycznemu  w  żelu  poliakrylamidowym.  Wyznakowanie  radioaktywną 

background image

 
 

Sekwencjonowanie DNA – przegląd metod 

 

143 

grupą  fosforanową  na  końcu  5`  umożliwia  wizualizację  wyników  przy 

użyciu autoradiografii [6]. 

 

Rys. 1. Autoradiogram [6- zmodyfikowano] 

Uzyskany  autoradiogram  (rys.1.)  odczytuje  się  od  dołu.  Prążek 

znajdujący  się  najniżej  odpowiada  najmniejszej  cząsteczce  DNA.  Prążek 
znajdujący  się  w  ścieżce  A+G  i  brak  prążka  w  ścieżce  G  daje  nam 
informacje że pierwszym nukleotydem w badanej sekwencji jest nukleotyd 
A. Kolejny nukleotyd to C ponieważ prążek występuje zarówno w ścieżce 
C  jak  C+T.  W  taki  sposób  przesuwając  się  w  odczycie  autoradiogramu 
w górę odczytujemy sekwencje badanej cząsteczki DNA [1]. 

Metoda chemicznej degradacji DNA jest metodą sprawiającą trudności, 

między  innymi  z  powodu  używania  odczynników  chemicznych  dlatego 
naukowcy  odeszli  od  jej  używania.  W  1977  roku  powstała  alternatywna 
metoda opracowana przez Fredericka Sangera[2,7] 

 

 

background image

 
 

Karol Nowosad, Piotr Stępień, Paula Musiał 

 

144 

2.2. Metoda terminacji syntezy łańcucha DNA 

Metoda  terminacji  syntezy  łańcucha  DNA  nazywana  metodą  Sangera 

lub metodą dideoksy opiera się na podobnej zasadzie jak metoda Maxam-
Gilberta  tzn.,  na  uzyskaniu  zbioru  cząsteczek  DNA  zakończonych 
konkretnym nukleotydem, różniących się długością o jeden nukleotyd [2]. 
Sposób  w  jaki  uzyskuje  się  tą  pulę  cząsteczek  jest  podstawową  różnicą 
między  tymi  dwoma  metodami.  Metoda  Maxam-Gilberta  oparta  jest  na 
degradacji cząsteczki DNA a metoda Sangera oparta jest na syntezie nowej 
nici DNA [1,2]. W klasycznej metodzie Sangera materiałem wyjściowym 
do  sekwencjonowania  jest  ssDNA.  W  celu  otrzymania  ssDNA  najpierw 
należy  sklonować  badaną  cząsteczkę  DNA  w  wektorze  umożliwiającym 
uzyskanie  jednoniciowych  matryc.  Do  tego  celu  można  użyć  wektora 
fagowego M13 lub fagemidu [6]. Metoda dideoksy opiera się na syntezie 
cząsteczki DNA de novo. W klasycznej metodzie Sangera do syntezy nici 
DNA  używa  się  fragmentu  Klenowa  polimerazy  DNA  I.  Polimeraza  ta 
pozbawiona  jest  fragmentu  N-końcowej  domeny  w  wyniku  czego  nie 
posiada właściwości 5`-3` egzonukleolitycznej. Fragment Klenowa cechuje 
się niską procesywnością. Oprócz zwykłych dNTP, potrzebne do tej reakcji 
są  wyznakowane  radioaktywnymi  izotopami  dNTP,  umożliwiające 
wizualizację  cząsteczki  DNA  na  autoradiogramie.  Ważnym  elementem 
w tej  metodyce  jest  dodanie  w  ograniczonej  ilości  trifosforanów  dideo-
ksynukleozydów  (ddTTP,  ddGTP,  ddCTP  i  ddATP).  Charakterystyczną 
cechą ddNTP jest brak na końcu 3` grupy hydroksylowej. Można określić 
ddNTP  jako  terminator  syntezy  DNA.  W  klasycznej  metodzie  Sangera 
przeprowadza się cztery reakcje w probówkach które zawierają wszystkie 
elementy  potrzebne  do  przeprowadzenia  syntezy  de  novo,  różnią  się 
jedynie  tym  że  do  każdej  z  nich  dodawany  jest  inny  dideoksynukleotyd. 
Rozpoczyna  się  synteza  nici  komplementarnych.  Polimeraza  dobudowuje 
nukleotydy  na  zasadzie  komplementarności,  zarówno  zwykłe  dNTP  jak 
również  wyznakowane  dNTP  radioaktywnymi  izotopami.  W  momencie 
gdy  polimeraza  doda  ddNTP  dochodzi  do  zatrzymania  syntezy  nici  DNA. 
W wyniku tego otrzymujemy zsyntetyzowaną nić DNA o której wiemy, że 
w  danej  probówce  zakończona  jest  użytym  ddNTP.  Czas  reakcji  oraz 
stosunek  stężenia  dNTP  do  ddNTP  dobrany  jest  w  taki  sposób,  aby 
otrzymać w danej probówce zbiór fragmentów DNA różniących się długością 
o  jeden  nukleotyd  zakończonych  określonym  ddNTP.  Mieszaniny  reakcyjne 
z czterech probówek poddaje się elektroforezie w żelu poliakrylamidowym 
[8,9].  Wyniki  rozdziału  elektroforetycznego  wizualizowane  są  poprzez 
autoradiografię.  Uzyskany  autoradiogram  analizowany  jest  od  dołu,  czyli 
od cząsteczki której synteza zakończyła się na pierwszym nukleotydzie od 

background image

 
 

Sekwencjonowanie DNA – przegląd metod 

 

145 

startera.  Po  przeanalizowaniu  całego  autoradiogramu  uzyskuje  się 
sekwencje badanej cząsteczki DNA [2]. 

W klasycznej metodzie Sangera można odczytać kilkaset nukleotydów. 

Analiza  sekwencji  DNA  klasyczną  metodą  Sangera  jest  bardzo 
pracochłonna.  Przyczyniło  się  to  do  powstania  metody  sprawniejszej 
i mniej czasochłonnej [7]. 

2.3. Sekwencjonowanie cykliczne 

Sekwencjonowanie  cykliczne  jest  to  zmodyfikowana  postać  metody 

Sangera.  Idea  tej  metody  jest  podobna  do  metody  dideoksy.  W  celu 
uzyskania  puli  fragmentów  DNA  różniących  się  długością  o  jeden 
nukleotyd,  zakończonych  zdefiniowanym  nukleotydem  wykorzystano 
rekcję PCR (ang. polymerase chain reaction). W reakcji PCR wykorzystywana 
jest  zmodyfikowana,  termostabilna  polimeraza Taq,  której powinowactwo 
do  ddNTP  jest  takie  samo  jak  do  dNTP.  Zastosowanie  jednego  rodzaju 
startera  prowadzi  do  amplifikacji  jednej  nici  DNA.  Jest  to  modyfikacja 
klasycznej  reakcji  PCR  nazywana  asymetrycznym  PCR.  Dzięki 
zastosowaniu reakcji PCR materiałem wyjściowym może  być ssDNA, jak 
również  dsDNA.  Jest  to  znacząca  różnica  pomiędzy  sekwencjonowaniem 
cyklicznym,  a  metodą  Sangera.  Krokiem,  który  przyczynił  się  do 
zautomatyzowania  sekwencjonowania  DNA  było  zastosowanie  odpowiednio 
wyznakowanych  fluorescencyjnie  ddNTP.  Każdy  rodzaj  ddNTP  został 
wyznakowany  innym  fluoroforem.  Istotnym  elementem,  który  podczas 
reakcji  umożliwia  uzyskanie  odpowiedniej  liczby  fragmentów  DNA 
o różnej  długości  jest  dobranie  odpowiedniego  stężenia  ddNTP  w  roztworze. 
Powinno  być  znacznie  mniejsze  od  stężenia  dNTP,  co  zmniejsza 
prawdopodobieństwo  dobudowania  dideoksynukleotydu  na  samym 
początku  nowopowstającej  nici  DNA.  Po  zakończeniu  reakcji  uzyskany 
materiał  poddaje  się  elektroforezie  w  żelu  poliakrylamidowym  lub 
elektroforezie  kapilarnej.  Sekwenatory  wykorzystywane  w  tej  technice 
wyposażone  są  w  laser,  który  jest  źródłem  światła.  Działanie  lasera 
wzbudza znacznik fluorescencyjny, który powracając do stanu podstawowego 
emituje  światło  o  określonej  długości  fali,  rejestrowane  przez  detektor. 
W wyniku  automatycznego  sekwencjonowania  uzyskujemy  elektroferogram 
Analiza uzyskanych danych umożliwia określenie sekwencji nukleotydów 
w cząsteczce DNA [2,10]. 

 

 

background image

 
 

Karol Nowosad, Piotr Stępień, Paula Musiał 

 

146 

3. Metody NGS II generacji 

Nowe rozwiązania w sekwencjonowaniu DNA umożliwiły prowadzenie 

analizy  milionów  fragmentów  DNA  w  jednym  czasie  i  przy  znacznie 
mniejszym nakładzie finansowym. Przy zastosowaniu NGS w ciągu jednej 
doby można uzyskać sekwencję kilku genomów bakterii [11]. 

3.1. Pirosekwencjonowanie 

Pirosekwencjonowanie jest najstarszą metodą zaliczaną do metod nowej 

generacji.  Wykorzystuje  szereg  reakcji  enzymatycznych  następujących 
jedna  po  drugiej  umożliwiających  analizę  sekwencji  DNA  w  czasie 
rzeczywistym.  Możliwe  jest  to  dzięki  detekcji  strumienia  fotonów 
powstałego w wyniku przekształcenia pirofosforanu, uwolnionego podczas 
reakcji  przyłączenia  się  określonego  nukleotydu  do  nowopowstałej  nici 
DNA. Jako matrycę stosuje się jednoniciową cząsteczkę DNA. Zaawansowana 
technologia  stosowana  w  pirosekwencjonowaniu  umożliwia  analizowanie 
ponad  miliona  fragmentów  DNA  jednocześnie.  Wykorzystywane  są  do 
tego  celu  mikropłytki  posiadające  do  1,5  mln  studzienek  o  średnicy 
0,44µm.  Każda  studzienka  stanowi  oddzielne  środowisko  reakcji,  do 
którego  dozowane  są  odpowiednie  enzymy  oraz  substraty.  Pierwszym 
etapem  w  sekwencjonowaniu  jest  reakcja  polimeryzacji  nici  DNA 
katalizowana  przez  zmodyfikowaną  polimerazę  DNA  I  pozbawioną 
aktywności egzonukleolitycznej [12]. 

(DNA)

n

 + dNTP -> (DNA)

n+1

 + PP

i

(polimeraza) 

W  wyniku  przyłączenia  się  pojedynczego  nukleotydu  do  nici  DNA 

uwalniana jest cząsteczka pirofosforanu (PPi), która następnie w obecności 
adenozynofosfosiarczanu (APS) przekształcana jest za pomocą sulfurylazy 
ATP  do  adenozynotrifosforanu  (ATP).W  reakcji  niezbędne  są  jony  Mg

2+ 

będące kofaktorem sulfurylazy ATP. 

PP

i

 + APS -> ATP + H

2

SO

4

 (sulfurylaza ATP, Mg

2+

W  następnych  dwóch  reakcjach,  katalizowanych  przez  lucyferazę, 

powstały  ATP  wykorzystywany  jest  do  przekształcenia  lucyferyny  do 
oksolucyferyny. Produkt pośredni pierwszej reakcji lucyferyno-AMP ulega 
utlenieniu do oksolucyferyny. W wyniku przejścia oksolucyferyny ze stanu 
wzbudzonego  do  stanu  podstawowego  wyemitowany  zostaje  strumień 
fotonów,  który  rejestrowany  jest  przez  detektor  zaopatrzony  w  matrycę 
CCD (ang. Charge Coupled Device). 

lucyferyna + ATP ->lucyferylo-AMP + PP

i

 (lucyferaza) 

lucyferylo-AMP + O

2

 ->oksylucyferyna + AMP + hv (lucyferaza) 

background image

 
 

Sekwencjonowanie DNA – przegląd metod 

 

147 

Emisja  fotonów  światła  następuje  jedynie  w  wyniku  przyłączenia 

jednego  z  czterech  nukleotydów  (A,T,G,C).  W  przypadku,  gdy 
wprowadzony  nukleotyd  nie  jest  komplementarny  do  matrycy  następuje 
jego degradacja. Reakcja degradacji katalizowana przez apyrazę polega na 
odłączeniu  reszt  fosforanowych  od  nukleotydów,  które  nie  zostały 
wbudowane  do  nici  DNA.  Defosforylacji  ulega  również  niewykorzystane 
ATP [13, 14, 15, 16]. 

ATP -> AMP + 2P

i

 (apyraza) 

dNTP ->dNMP + 2P

i

 (apyraza) 

Przekształcenie  wyżej  wymienionych  związków  do  monofosforanów 

zmniejsza tło reakcji. W pirosekwencjonowaniu do uzyskania odpowiednio 
dużej puli fragmentów DNA stosuje się emulsion PCR, który jest modyfikacją 
klasycznej  reakcji  PCR.  Metoda  ta  umożliwia  przeprowadzenie  kilku 
milionów  reakcji  amplifikacji  w  jednym  „naczyniu”  reakcyjnym. 
Zastosowanie  emulsji  oraz  dobór  odpowiednich  parametrów  i  proporcji 
składników  roztworu:  wody  i  oleju,  umożliwia  utworzenie  milionów 
„mikrobioreaktorów”,  w  których  przeprowadzane  są  równolegle  reakcje 
amplifikacji.  W  każdym  „mikrobioreaktorze”  znajduje  się  jeden  nośnik 
z naniesioną na powierzchni streptawidyną, do której za pomocą adapterów 
przyłączają  się fragmenty  DNA.  Adaptery  są  krótkimi  fragmentami  DNA 
wyznakowanymi  biotyną,  które  w  reakcji  ligacji  łączą  się  z  badanymi 
cząsteczkami  DNA.  Wysokie  powinowactwo  biotyny  do  streptawidyny 
umożliwia opłaszczanie nośnika fragmentami DNA [7, 17]. 

3.2. Solexa/Illumina 

Firma  Illumina  w  roku  2006  wprowadziła  sekwenator  nowej  generacji 

wykorzystujący  reakcję  odwracalnej  terminacji.  Materiał  do  sekwen-
cjonowania przygotowywany jest za pomocą polony PCR. DNA cięte jest 
na  fragmenty,  które  poddawane  są  następnie  reakcji  ligacji  z  krótkimi 
oligoukleotydami  (tzw.,  adapterami).  Po  przeprowadzeniu  reakcji  denaturacji 
uzyskane  jednoniciowe  fragmenty  immobilizuje  się  na  mikropłytce,  która 
wykorzystywana jest w reakcji amplifikacji do namnożenia DNA. Miliony 
kopii  fragmentów  DNA  poddawane  są  sekwencjonowaniu.  Jeden 
sekwenator  zdolny  jest  do  sekwencjonowania  600  mln  fragmentów  DNA 
jednocześnie.  Sekwencjonowanie  rozpoczyna  się  od  wprowadzenia  do 
mieszaniny  reakcyjnej  wszystkich  czterech  nukleotydów  wyznakowanych 
fluorescencyjnie,  z  których  każdy  wyznakowany  jest  innym  barwnikiem. 
Specyficzne  ulokowanie  barwnika  prowadzi  do  zablokowania  miejsca 
tworzenia wiązania fosfodiestrowego. Reakcja zostaje zatrzymana poprzez 
przyłączenie  nukleotydu  komplementarnego  do  matrycy  za  pomocą 

background image

 
 

Karol Nowosad, Piotr Stępień, Paula Musiał 

 

148 

polimerazy  DNA  do  nowopowstałej  nici.  Substraty  niewykorzystane 
w reakcji  polimeryzacji  zostają  wymywane  z  mieszaniny,  a  sygnał 
z dobudowywanego  nukleotydu  rejestrowany  jest  przez  detektor  zaopatrzony 
w  matrycę  CCD.  Następnie  usuwany  jest  znacznik  fluorescencyjny. 
Prowadzi  to  do  odblokowania  grupy  hydroksylowej  na  końcu  3’,  co 
umożliwia utworzenie nowego wiązania fosfodiestrowego. Cykl rozpoczynany 
jest  od  początku,  dozowana  jest  nowa  porcja  substratów.  System  ten 
umożliwia  jednorazowo  zsekwencjonować  fragment  długości  30-42  bp. 
Natomiast wydajność jednego sekwenatora wynosi 25Mb/h [17, 18, 19]. 

3.3. SOLID  

SOLID (ang. Sequencing by OligoLigation and Detection) jest to system 

oparty  na  reakcji  ligacji.  Wykorzystuje  zestaw  8-nukleotydowych 
wyznakowanych  sond  oraz  pięć  różnych  pod  względem  wielkości 
starterów.  Każda  sonda  zawiera  zdefiniowane  pierwsze  dwa  nukleotydy 
występujące  w  czterech  różnych  kombinacjach,  przypadających  na  jeden 
barwnik fluorescencyjny przyłączony do ostatniego nukleotydu. Pomiędzy 
piątym a szóstym nukleotydem znajduje się miejsce cięcia. W metodzie tej 
biblioteka  DNA  tworzona  jest  z  zastosowaniem  emulsion  PCR.  Zampli-
fikowane  fragmenty  DNA  wraz  z  nośnikiem  immobilizowane  są  na 
szklanej mikropłytce stosowanej do analizy sekwencji w systemie SOLID. 
Umożliwia  to  przeprowadzenie  wielu  reakcji  sekwencjonowania 
jednocześnie.  Reakcja sekwencjonowania  rozpoczyna  się od  hybrydyzacji 
startera  komplementarnego  do  adaptera  łączącego  jednoniciową  matrycę 
z nośnikiem.  Wolna  grupa  –OH  znajdująca  się  na  końcu  3’  startera 
umożliwia  przeprowadzenie  reakcji  ligacji  katalizowanej  przez  ligazę 
DNA. Następny cykl prowadzący do przyłączenia kolejnego oligonukleotydu 
poprzedzony  jest  odcięciem  i  wymyciem  trzech  ostatnich  nukleotydów. 
Prowadzi to do uwolnienia grupy hydroksylowej znajdującej się na końcu 
3’  niezbędnej  do  utworzenia  wiązania  fosfodiestrowego  oraz  odłączenia 
barwnika.  Z  wykorzystaniem  jednego  startera  w  wyniku  przeprowadzenia 
siedmiu  reakcji  ligacji  syntetyzowany  jest  35-nukleotydowey  fragment 
DNA. Przeprowadzenie pięciu „cykli” reakcji umożliwia uzyskanie pełnej 
sekwencji.  W  każdym  następnym  „cyklu”  stosowany  jest  starter  krótszy 
o jeden nukleotyd. Schemat reakcji przedstawia rys.2. 

background image

 
 

Sekwencjonowanie DNA – przegląd metod 

 

149 

 

Rys. 2 Schemat reakcji zachodzącej w systemie SOLID. Szczegółowe objaśnienia w tekście.  

[20-zmodyfikowano].

 

Technologia  ta  umożliwia  odczytanie  21-28Mb/h.  Analiza  wyników 

wymaga  zastosowania  odpowiedniego  oprogramowania  do  analizy 
uzyskanych wyników [17, 18, 19, 21].

 

4. Metody NGS III generacji 

Systemy 

trzeciej 

generacji 

umożliwiają 

sekwencjonowanie 

pojedynczych  cząsteczek  w  czasie  rzeczywistym  bez  uprzedniego 
przygotowania  biblioteki  DNA.  Eliminuje  to  błędy  powstające  podczas 
reakcji amplifikacji oraz skraca czas sekwencjonowania. 

4.1. HeliScope 

Dążenie do minimalizacji w skali nano i minimalnego użycia substratów 

w  reakcji  sekwencjonowania  zostało  osiągnięte  poprzez  bezpośrednie 
analizowanie sekwencji DNA pojedynczej cząsteczki bez konieczności jej 
amplifikacji.  Taki  sposób  analizy  wymaga  użycia  bardzo  wrażliwego 

background image

 
 

Karol Nowosad, Piotr Stępień, Paula Musiał 

 

150 

systemu detekcji i układu fizycznego zdolnego do rejestracji i identyfikacji 
sygnału  świetlnego  pochodzącego  od  pojedynczej  cząsteczki  barwnika 
fluorescencyjnego.  Jedną  z  pierwszych  technik  sekwencjonowania 
pojedynczych  cząsteczek  DNA,  została  opisana  przez  zespół  S.Quake’a 
i opatentowana  przez  firmę  Helicos  Biosciences.  Helicos  wprowadził  na 
rynek  pierwszy  system  sekwencjonowania  oparty  na  pojedynczej  cząsteczce 
DNA w 2007 roku. System ten zdolny jest do sekwencjonowania DNA, od 
kilku  do  kilku  tysięcy  nukleotydów.  Optymalną  długością  do  sekwen-
cjonowania dla systemu Helicos są cząsteczki DNA o długości około 100-200 
nukleotydów. Do pojedynczych cząsteczek dosyntetyzowany jest ogon poli-A 
z  zastosowaniem  polimerazy  poliadenylowej.  Dodatkowo  każda  nić  na 
końcu 3` zawiera wyznakowaną fluorescencyjnie adenozynę. Próbki DNA 
poddawane  są  hybrydyzacji  z  im  mobilizowanymi  starterami  w  komorze 
przepływowej.  Startery  stosowane  w  tej  metodyce  to  oligo(dt)50.  Każda 
matryca DNA po hybrydyzacji do startera znajdującego się na mikropłytce 
w komorze przepływowej poddawana jest osobnej reakcji sekwencjonowania. 
Miejsca  hybrydyzacji  matryc  DNA  ze  starterami  określane  są  dzięki 
wyznakowanym  adenozynom.  Przed  rozpoczęciem  reakcji  polimeryzacji 
wyznakowana  adenozyna  jest  usuwana.  Mieszanina  reakcyjna,  w  której 
skład  wchodzi  polimeraza  DNA  oraz  jeden  z  czterech  nukleotydów 
wyznakowanych fluorescencyjnie dozowana jest  do komory przepływowej. 
Swoiste  umiejscowienie  fluoroforu  w  nukleotydzie  blokuje  syntezę  wiązania 
fosfodiestrowego.  Przed  wbudowaniem  następnego  nukleotydu  do 
nowopowstającej  nici  DNA  znacznik  jest  usuwany,  co  umożliwia 
przeprowadzenie dalszej reakcji. Każde jednorazowe wbudowanie nukleotydu 
poprzedzone jest wymyciem składników niewykorzystanych w poprzedniej 
reakcji oraz wprowadzenie nowej porcji mieszaniny reakcyjnej. Wydajność 
jednego sekwenatora wynosi 4150Mb/24h [18, 22, 23, 24]. 

4.2. SMRT  

SMRT  (ang.  Single-Molecule  Real-Time)  jest  to  technika  wykorzystująca 

sekwencjonowanie pojedynczych cząsteczek DNA w czasie rzeczywistym 
zastosowana  w  sekwenatorze  PacBio  RS,  III  generacji  wprowadzonym 
przez  firmę  Pacific  Bioscience.  Metoda  ta  wykorzystuje  pojedynczą 
cząsteczkę polimerazy DNA Φ29 o wysokiej procesywności (> 70 000 bs) 
zimmobilizowaną  na  powierzchni  ZMWs  (ang.  zero-modewaveguides). 
ZMWs są to studzienki o średnicy 70nm oraz wysokości 100nm, w których 
zachodzi  reakcja  sekwencjonowania.  Deoksyrybonukleotydy  stosowane 
w tej  technice  wyznakowane  są  różnymi  barwnikami  fluorescencyjnymi 
przyłączonymi  do  grupy  fosforanowej.  Emisja  strumienia  fotonów 
z dołączonego  nukleotydu  rejestrowana  jest  w  czasie  rzeczywistym  przez 

background image

 
 

Sekwencjonowanie DNA – przegląd metod 

 

151 

detektor  ZMW.  Po  wbudowywaniu  nukleotydu  polimeraza  uwalnia 
fluorofor  wraz  z  pirofosforanem  i  przyłącza  następny  nukleotyd. 
Wydajność sekwenatora wynosi około 40Mb na 40min [25]. 

5. Podsumowanie 

W  artykule  przedstawiono  przegląd  najbardziej  popularnych  metod 

sekwencjonowania  cząsteczek  DNA.  Pierwsze  metody  sekwencjonowania 
DNA pozwalały na poznanie małych genomów organizmów prokariotycznych 
i eukariotycznych. Połączenie modyfikacji reakcji PCR i metody dideoksy 
z wyznakowanymi fluorescencyjnie nukleotydami umożliwiło z automaty-
zowanie  i  zaprojektowanie  pierwszego  sekwenatora.  Pełna  automatyzacja 
procesu  sekwencjonowania  DNA  i  zmniejszenie  kosztów  związanych 
z prowadzeniem  badań  spowodowało  rozpoczęcie  i  zakończenie  wielu 
projektów poznania genomów w tym także genomu ludzkiego w 2003 roku. 
Postęp techniki oraz rozwój w dziedzinach inżynierii genetycznej, biologii 
molekularnej  w  przeciągu  ostatnich  30  lat  zaowocował  powstaniem 
nowych metod NGS II i III generacji. Nowe podejście do analizy sekwencji 
DNA  wpłynęło  na  zmniejszenie  kosztów  i  czasu  przeznaczanych  na 
badania. Dzięki postępowi technicznemu co roku ilość zidentyfikowanych 
sekwencji  DNA  znacząco  wzrasta.  Poznanie  sekwencji  genomów 
umożliwiło  lepsze  zrozumienie  procesów  biologicznych  zachodzących 
w żywych organizmach. 

Literatura 

1.  Mullis KB, Process for amplifying, detecting, and/or cloning nucleic acid 

sequences using a thermstable enzyme, U.S. Patent 4, 1990, 965,188 

2.  Brown TA, Genomy, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001, 36,60-70 
3.  Chain P.S, Grafham D.V, Fulton R.S, Fitzgerald M.G, Hostetler J, Muzny 

D, Ali J, Birren B, Bruce D.C, Buhay C, Cole J.R, Ding Y, Dugan S, Field 
D, Garrity G.M,Gibbs R, Graves T, Han C.S, Harrison S.H, Highlander 
S, Hugenholtz P, Khouri H.M, Kodira C.D, Kolker E, Kyrpides NC, Lang 
D, Lapidus A, Malfatti S.A, Markowitz V, Metha T, Nelson KE, Parkhill 
J, Pitluck S, Qin X, Read T.D, Schmutz J, Sozhamannan S, Sterk P, Strausberg 
Chien A, R.L, Sutton G, Thomson N.R, Tiedje J.M,Weinstock G, Wollam 
A, Detter J,C, Genomics. Genome project standards in a new era of 
sequencing
, Science, 2009 Oct 9;326(5950):236-7 

4.  Maxam AM, Gilbert W, A new method for sequencing DNA, Proceeding 

of the National Academy of Sciences of the United States of America, 
1977 Feb;74(2): 560-564 

5.  Sanger F, Nicklen S, Coulson AR., DNA sequencing with chain-terminating 

inhibitors, Proceeding of the National Academy of Sciences of the United 
States of America, 1977 Dec;74(12):5463-5467 

6.  Franca LT, Carrilho E, Kist TB, A review of DNA sequencing techniques

Quarterly Reviews of Biophysics, 2002 May;35(2):169-200 

background image

 
 

Karol Nowosad, Piotr Stępień, Paula Musiał 

 

152 

7.  Pettersson E, Lundeberg J, Ahmadian A, Generations of sequencing 

technologies, Genomics, 2009 Feb;(2):105-111 

8.  Prober JM, Trainor GL, Dam RJ, Hobbs FW, Robertson CW, Zagursky RJ, 

Cocuzza AJ, Jensen MA, Baumeister K, A system for rapid DNA sequencing 
with fluorescent chain-terminating dideoxnucleotides
, Science, 1987 Oct 
16;238(4825)336-341 

9.  Roe BA, Johnston-Dow L, Mardis E, Use of a chemically modified T7 DNA 

polymerase for manual and automated sequencing of supercoiled DNA
Biotechniques, 1988 Jun;6(6);520 

10.  Ansorge WJ, Next-generation DNA sequencing techniques, New 

Biotechnology, 2009 Apr;25(4):195-203 

11.  Ahmadian A, Ehn M, Hober S, Pyrosequencing: history, biochemistry 

and future, Clinica Chimica Acta, 2006 Jan;363(1-2):83-94 

12.  Klenow H, Overgaard-Hansen K, Patkar SA, Proteolytic cleaage of native 

DNA polymerase into two different catalytic fragments. Influence of assay 
conditions on the change of exonuclease activity and polymerase activity 
accompanying cleavage
, European Journal of Biochemistry, 1971;22:371-381 

13.  Segel IH, Renosto F, Seubert PA, Sulfate-activating enzymes, Methods in 

Enzymology, 1987;143:334-349 

14.  Deluca M, Firefly luciferase, Advances in Enzymology and Related Areas 

of Molecular Biology, 1976;44:37-68 

15.  Komoszyński M, Wojtczak A, Apyrases (ATP diphosphohydrolases, EC 

3.6.1.5): function and relationship to ATPases, Biochimica et Biophysica 
Acta, 1996 Feb2;1310(2):233-241 

16.  Mardis ER, Next-generation DNA sequencing methods, Annual Review 

of Genomics and Human Genetics, 2008;9:387-402 

17.  Kircher M, Kelso J, High-throughput DNA sequencing-concepts and 

limitations, Bioessays, 2010 Jun;32(6):524-536 

18.  Mardis ER, The impact of next-generation sequencing technology on genetics

Trends in Genetics, 2008 Mar;24(3):133-141 

19.  Voelkerding KV, Dames są, Durtschi JD, Next-generation sequencing: from 

basic research to diagnostics, Clinical Chemistry, 2009 Apr;55(4):641-658 

20.  Hurd PJ, Nelson CJ, Advantages of next-generation sequencing versus 

the microarray in epigenetic research, Briefings in Functional Genomics, 
2009 May;8(3):174-183 

21.  Zhu Z, Waggoner AS, Molecular mechanism controlling the incorporation of 

 fluorescent nucleotides into DNA by PCR, Cytometry, 1997 Jul 1;28(3):206-211 

22.  Bowers J, Mitchell J, Beer E, Buzby PR, Causey M, Efcavitch JW, Jarosz M, 

Krzymanska-Olejnik E, Kung L, Lipson D, Lowman GM, Marappan S, 
Mclnerney P, Platt A, Roy A, Siddigi SM, Steinmann K, Thompson JF, 
Virtual terminator nucleotides for next-generation DNA sequencing, Nature 
Methods, 2009 Aug;6(8):593-595 

23.  Pushkarev D, Neff NF, Quake SR, Single-molecule sequencing of an individual 

human genome, Nature Biotechnology, 2009 Sep;27(9):847-850 

24.  Korlach J, Bjornson KP, Chaudhuri BP, Cicero RL, Flusberg BA, Gray JJ, 

Holden D, Saxena R, Wegener J, Turner SW, Real-time DNA sequencing from 
single polymerase molecules
, Methods in Enzymology, 2010;472:431-455 

background image

 
 

Sekwencjonowanie DNA – przegląd metod 

 

153 

Sekwencjonowanie DNA- przegląd metod 

Streszczenie 
Pojęcie sekwencjonowanie DNA definiowane jest jako technika prowadząca do odczytania 
kolejności par nukleotydów w cząsteczkach kwasów nukleinowych. Opublikowane w 1977 
roku dwóch różnych metod sekwencjonowania, umożliwiło poznanie pierwszych sekwencji 
DNA  dając  początek  nowej  dziedzinie  zwanej  genomiką  strukturalną.  Wspólną  ideą  obu 
metod  jest  uzyskanie  zbioru  fragmentów  DNA  zakończonych  określonym  nukleotydem, 
różniących  się  o  jeden  nukleotyd.  Metoda  Maxama-Gilberta  oparta  jest  na  chemicznej 
degradacji  łańcucha,  natomiast  metoda  Sangera  opiera  się  na  syntezie  nowej  nici  DNA. 
Metodą  obecnie  najczęściej  stosowaną  jest  metoda  Sangera,  która  swą  popularność 
zawdzięcza  łatwemu  zautomatyzowaniu.  W  kontekście  uzyskiwania  sekwencji  całych 
genomów  organizmów  złożonych  w  jak  najkrótszym  czasie,  dotychczasowe  metody  nie 
spełniały w pełni oczekiwań naukowców, co przyczyniło się do opracowania metod NGS II 
generacji (ang. New Generation Sequencing). Należy zwrócić uwagę że, uzyskane metody 
oprócz  obniżenia  długości  czasu  prowadzonych  badań,  znacznie  obniżyły  ich  koszt. 
Atrakcyjność tych metoda przyczyniła się do wzrostu zainteresowania badaniem sekwencji 
DNA.  Powstałe  systemy  trzeciej  generacji  umożliwiają  sekwencjonowanie  pojedynczych 
cząstek  DNA,  bez  konieczności  wcześniejszej  reakcji  PCR  (ang.  Polymerase  Chain 
Reaction). 
Słowa  kluczowe:  sekwencjonowanie  DNA,  metoda  Sangera,  NGS  II  generacji,  NGS 
III generacji