Borna66
04-15-2009, 11:42 PM
مارکرهای مولکولی: اطلاعات کلی
امروزه از مارکرهای مولکولی و به ویژه مارکرهای مبتنی بر DNA به طور گسترده ای در بسیاری زمینه ها از قبیل نقشه یابی و ردیابی ژن ها، تعیین جنسیت، بررسی تنوع ژنتیکی یا روابط ژنتیکی به کار می روند. در ژنتیک جمعیت مارکهای مبتنی بر پروتئین (آلوزایم ها) اولین مارکرهایی بودند که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. روشهای مبتنی بر DNA امروزه بهترین روش هایی هستند که برای تمایز بین موجودات بسیار نزدیک به هم انتخاب می شوند. استفاده از مارکر های مبتنی بر DNA حتی امکان مقایسه های کارآمدی را نیز فراهم می نماید.
1- 1 تعریف ها
بر اساس تعریفی که استنزفلد در 1986 ارایه داد، واژه مارکر معمولاً برای مارکر لوکاس به کار می رود. هر ژنی جایی در طول کروموزوم به نام لوکاس دارد. ژن ها می توانند از طریق جهش به چندین شکل متفاوت تبدیل شوند که آلل (یا شکل های آللی) نامیده می شوند. تمامی شکل های آللی یک ژن در یک جایگاه در کروموزوم های هومولوگ قرار می گیرند. هنگامی که شکلهای آللی یک لوکاس یکسان باشند، گفته می شود که ژنوتیپ، هوموزایگوت (در این لوکاس) است، در حالی که شکلهای آللی متفاوت، هتروزایگوت را ایجاد می نمایند. در موجودات دیپلویید، ژنوتایپ با دو شکل آللی کروموزوم های هومولوگ ایجاد می گردد. بنابراین مارکرهای مولکولی عبارتند از تمامی مارکرهای لوکاس های مربوط به DNA (مارکرها میتوانند بیوشیمایی یا مورفولوژیک نیز باشند).
1-2 مارکر مولکولی مناسب برای ژنتیک جمعیت کدام است؟
یک مارکر مولکولی مناسب باید:
1-1. توارث مندلی داشته باشد: یعنی از نسلی به نسل دیگر منتقل شود.
1-2. پلی مورفیک باشد: یعنی آلل های متعددی را در لوکاس مورد بررسی نشان دهد.
1-3. هم بارز باشد: یعنی بتوان هوموزایگوت و هتروزایگوت را از هم تشخیص داد.
1-4. خنثی باشد: یعنی همه آلل ها شایستگی یکسانی داشته باشند.
1-5. اپیستازی نداشته باشد: یعنی بتوان بدون توجه به سایر لوکاسها ژنوتیپ هر فنوتیپی را تعیین نمود.
1-6. مستقل از محیط باشد: یعنی فنوتایپ از محیط تأثیری نپذیرد.
1-7. در طول ژنوم زیاد تکرار شود.
1-8. تکرارپذیری بالایی داشته باشد.
مارکرهای پرکاربرد در ژنتیک جمعیت عبارتند از: آلوزایم ها، RAPD، RFLP، AFLP، انگشت نگاری مینی ستلایت ها، مایکروستلایت ها و SSR.
انتخاب یک مارکر مولکولی به مناسب بودن آن برای پاسخ دادن به یک پرسش اکولوژیک بستگی دارد. بنابراین آنها برای تخمین جریان ژنها بین جمعیت ها مثلاً به منظور بررسی تنوع مناسبترند یا ترجیح داده می شوند. از طرف دیگر مارکرهای غالب می توانند ژنوتیپ را تخمین بزنند اما نمی توانند فراوانی های آللی را تخمین بزنند. مارکرهای غالب ترجیحاً برای انگشت نگاری به کار رفته و می توانند در شناسایی کلون ها مفید باشند.
برای بررسی تنوع ژنتیکی Cirsium arense از مارکر جدیدی به نام AFLP استفاده شد. این مارکر تمامی ویژگی های یک مارکر های مولکولی مناسب را غیر از همبارز بودن دارد. مارکرهای AFLP مارکرهای غالب هستند. با این حال به علت پلی مورفیسم بالایی که مارکرهای AFLP تشخیص می دهند کارآمدترین مارکر هستند. به خصوص در جایی که روابط نزدیکی وجود دارد. به علاوه از نگاه تکنیکی هیچ اطلاعاتی از توالی DNA نیاز نیست، مارکرهای زیادی را می توان در مدت کوتاهی بررسی نموده و تنها مقدار کمی DNA لازم است.
2. AFLP
پلی مورفیسم طول قطعات تکثیر شده تکنیک جدیدی در انگشت نگاری DNA است که توسط زابیو و ووس (1993) ابداع شد البته به ووس و همکاران (1995) و ووس و کویپر (1997) نیز مراجعه کنید. این روش مبتنی بر تکثیر قطعات برش یافته انتخابی حاصل از هضم کلی DNA ژنومی با PCR است. محصولات تکثیر که قبلاً نشاندار شده اند از طریق الکتروفورز از هم تفکیک می شوند. طول قطعات DNA حاصل بین 60 تا 500 جفت باز است. برای قابل مشاهده نمودن پلی مورفیسم DNA که معمولاً از قطعات کوچک چند جفت بازی DNA (حداکثر تا 500) تشکیل شده ابتدا این قطعات باید تکثیر یابند. این تکثیر اغلب از طریق PCR انجام می گیرد. روش PCR می تواند قطعات خاصی از DNA را طی آغاز دقیق واکنش پلی مریزاسیون که در دو انتهای DNA مورد نظر اتفاق می افتد تکثیر یابد. این آغاز دقیق توسط توالی های الیگونوکلئوتیدی کوتاهی (پرایمرها) انجام می شود که می تواند DNA الگو را در ناحیه مورد نظر ذوب نماید. پرایمرها بین 18 تا 24 جفت باز طول داشته و در آزمایشگاه و مطابق توالی DNA مکمل خود که در ناحیه باز شده رشته سنگین DNA مورد نظر سنتز می شود. PCR ابتدا با یک فاز حرارتی بالا (واسرشت سازی) آغاز می شود که طی آن DNA تک رشته ای تولید می شود. آنزیم تک پلی مراز هر یک از رشته های DNA دو رشته ای را به صورت نقطه آغازی برای سنتز شناسایی کرده و با رسیدن دما به 72 درجه سانتیگراد واکنش پلمریزاسیون را در جهت 5' 3' ادامه می دهد (دمای بهینه طویل شدن). بنابر این برای طراحی پرایمرهای اختصاصی باید توالی های نواحی بازشدگی DNA مورد نظر را بدانیم. در نتیجه اطلاعات ما درباره ژنوم بیشتر شده و مطالعات بسیار دقیق تری می توان انجام داد. این مرحله نیاز به تجهیزات کامل آزمایشگاهی داشته و اغلب بسیار وقت گیر است. اساس روش AFLP طراحی و سنتز پرایمرهای اختیاری و سپس اتصال آنها به قطعاتDNA هدف است. پرایمرهای اختیاری AFLP آداپتور نامیده شده و از توالیهای 20 نوکلئوتیدی شناخته شده ای تشکیل شده اند. توالی های DNA هدف، قطعات DNA حاصل از آنزیم های برشی هستند. این قطعات از هضم کلی DNA ژنومی از اثر ترکیبی دو آنزیم برشی ایجاد می گردند. سپس آداپتورها با کمک آنزیم لیگاز به دو سر قطعات برش یافته متصل می شوند. سرانجام طی یک مرحله PCR آداپتورها به عنوان جایگاه های آغاز تکثیر قطعات برش یافته به کار می روند. مارکرهای AFLPپلی مورفیسم جایگاه برش را آشکار نموده و باید به عنوان مارکرهای غالب در نظر گرفته شوند. زیرا نمی توان هوموزایگوت ها و هتروزایگوت ها را از هم تشخیص داد، مگر این که مطالعات اصلاح نژادی و شجره ای انجام شود تا الگوهای توارث هر قطعه مشخص شود. اما بسیاری از قطعات تخمین هایی از تنوع را در سراسر ژنوم نشان می دهند. بنابراین نمایی کلی از سطح تنوع ژنتیکی موجود مورد مطالعه را نشان نشان می دهند.
2-2- مراحل اصلی انگشت نگاری با AFLP
2-2-1- استخراج DNA
DNA خالص و با وزن مولکولی بالا برای AFLP ضروری است. در اینجا DNA با روش دایل و دایل استخراج شده است(Doyle and Doyle, 1988). این روش بر اساس فرآیند CTAB انجام می شود. برای جزئیات بیشتر به بخش های پروتوکل (3-3) و عیب یابی (4-3) مراجعه نمایید.
2-2-2- هضم با آنزیم های برشی
قطعات برش یافته DNA ژنومی با استفاده از دو آنزیم برشی مختلف به دست آمده اند: یک آنزیم برشی فراوان (آنزیم برشی چهار بازی MseI) و یک آنزیم برشی نادر (آنزیم برشی شش بازی EcoRI). آنزیم رایج تر برای ایجاد قطعات کوچک که به خوبی تکثیر شده و برای تفکیک روی ژل الکتروفورز مناسب ترند در حالی که آنزیم نادرتر تعداد قطعاتی را که را باید تکثیر شوند محدود می نماید.
2-2-3- اتصال آداپتورهای الیگونوکلئوتیدی
آداپتورهای دو رشته ای از یک توالی مرکز و یک توالی اختصاصی برای هر آنزیم تشکیل شده اند. بنابراین آداپتورها برای جایگاه برش هر یک از آنزیم های EcoRI و MseI اختصاصی عمل می کنند. معمولاً مراحل برش آنزیمی و اتصال به آداپتورها در یک مرحله صورت می گیرد. اتصال آداپتور به DNA برش یافته جایگاه برش را دچار تغییر می کند تا از برش ثانویه پس از اتصال آداپتورها جلوگیری نماید. توالی مرکزی آداپتورها از یک توالی شناخته شده 20 نوکلئوتیدی تشکیل شده که بعداً در PCR به عنوان پرایمر به کار می رود.
2-2-4- تکثیر اولیه
این مرحله یک PCRمعمولی است که در آن از آداپتورها به عنوان پرایمر استفاده شده است. این PCR اولیه تکثیر اولیه نیز نامیده می شود که امکان انتخاب اولیه قطعات را از طریق تکثیر قطعات برش یافته DNA که به دو انتهای آن آداپتور متصل است فراهم می نماید. علاوه بر توالی های آداپتورها، پرایمرهای به کار رفته برای تکثیر اولیه یک باز اضافی هم دارند. این باز اضافی امکان یک گزینش مضاعف را از طریق تکثیر یک چهارم از قطعاتی که یک آداپتور به هر یک از دو سر آن متصل است مقدور می نماید. این سه مرحله (استخراج DNA، هضم آنزیمی / اتصال آداپتورها و تکثیر اولیه) را می توان روی یک ژل آگاروز 6/1% الکتروفورز و قابل مشاهده نمود.
2-2-5- تکثیر انتخابی
هدف از انجام این مرحله محدود کردن سطح پلی مورفیسم و نشاندار کردن DNA است. برای انجام این تکثیر، سه نوکلئوتید به انتهای َ3 توالی پرایمر به کار رفته در تکثیر اولیه (= توالی آداپتور + 3 نوکلئوتید). این دو نوکلئوتید اضافی تکثیر را گزینشی تر نموده و تعداد قطعات برش یافته ای که تکثیر می شوند (پلی مورفیسم) را کاهش می دهد. به علاوه یکی از پرایمرها (معمولاً پرایمر EcoRI) با یک ماده فلورسانت نشاندار شده و می توان حرکت DNA را در الکتروفورز ردیابی نمود.
امروزه از مارکرهای مولکولی و به ویژه مارکرهای مبتنی بر DNA به طور گسترده ای در بسیاری زمینه ها از قبیل نقشه یابی و ردیابی ژن ها، تعیین جنسیت، بررسی تنوع ژنتیکی یا روابط ژنتیکی به کار می روند. در ژنتیک جمعیت مارکهای مبتنی بر پروتئین (آلوزایم ها) اولین مارکرهایی بودند که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. روشهای مبتنی بر DNA امروزه بهترین روش هایی هستند که برای تمایز بین موجودات بسیار نزدیک به هم انتخاب می شوند. استفاده از مارکر های مبتنی بر DNA حتی امکان مقایسه های کارآمدی را نیز فراهم می نماید.
1- 1 تعریف ها
بر اساس تعریفی که استنزفلد در 1986 ارایه داد، واژه مارکر معمولاً برای مارکر لوکاس به کار می رود. هر ژنی جایی در طول کروموزوم به نام لوکاس دارد. ژن ها می توانند از طریق جهش به چندین شکل متفاوت تبدیل شوند که آلل (یا شکل های آللی) نامیده می شوند. تمامی شکل های آللی یک ژن در یک جایگاه در کروموزوم های هومولوگ قرار می گیرند. هنگامی که شکلهای آللی یک لوکاس یکسان باشند، گفته می شود که ژنوتیپ، هوموزایگوت (در این لوکاس) است، در حالی که شکلهای آللی متفاوت، هتروزایگوت را ایجاد می نمایند. در موجودات دیپلویید، ژنوتایپ با دو شکل آللی کروموزوم های هومولوگ ایجاد می گردد. بنابراین مارکرهای مولکولی عبارتند از تمامی مارکرهای لوکاس های مربوط به DNA (مارکرها میتوانند بیوشیمایی یا مورفولوژیک نیز باشند).
1-2 مارکر مولکولی مناسب برای ژنتیک جمعیت کدام است؟
یک مارکر مولکولی مناسب باید:
1-1. توارث مندلی داشته باشد: یعنی از نسلی به نسل دیگر منتقل شود.
1-2. پلی مورفیک باشد: یعنی آلل های متعددی را در لوکاس مورد بررسی نشان دهد.
1-3. هم بارز باشد: یعنی بتوان هوموزایگوت و هتروزایگوت را از هم تشخیص داد.
1-4. خنثی باشد: یعنی همه آلل ها شایستگی یکسانی داشته باشند.
1-5. اپیستازی نداشته باشد: یعنی بتوان بدون توجه به سایر لوکاسها ژنوتیپ هر فنوتیپی را تعیین نمود.
1-6. مستقل از محیط باشد: یعنی فنوتایپ از محیط تأثیری نپذیرد.
1-7. در طول ژنوم زیاد تکرار شود.
1-8. تکرارپذیری بالایی داشته باشد.
مارکرهای پرکاربرد در ژنتیک جمعیت عبارتند از: آلوزایم ها، RAPD، RFLP، AFLP، انگشت نگاری مینی ستلایت ها، مایکروستلایت ها و SSR.
انتخاب یک مارکر مولکولی به مناسب بودن آن برای پاسخ دادن به یک پرسش اکولوژیک بستگی دارد. بنابراین آنها برای تخمین جریان ژنها بین جمعیت ها مثلاً به منظور بررسی تنوع مناسبترند یا ترجیح داده می شوند. از طرف دیگر مارکرهای غالب می توانند ژنوتیپ را تخمین بزنند اما نمی توانند فراوانی های آللی را تخمین بزنند. مارکرهای غالب ترجیحاً برای انگشت نگاری به کار رفته و می توانند در شناسایی کلون ها مفید باشند.
برای بررسی تنوع ژنتیکی Cirsium arense از مارکر جدیدی به نام AFLP استفاده شد. این مارکر تمامی ویژگی های یک مارکر های مولکولی مناسب را غیر از همبارز بودن دارد. مارکرهای AFLP مارکرهای غالب هستند. با این حال به علت پلی مورفیسم بالایی که مارکرهای AFLP تشخیص می دهند کارآمدترین مارکر هستند. به خصوص در جایی که روابط نزدیکی وجود دارد. به علاوه از نگاه تکنیکی هیچ اطلاعاتی از توالی DNA نیاز نیست، مارکرهای زیادی را می توان در مدت کوتاهی بررسی نموده و تنها مقدار کمی DNA لازم است.
2. AFLP
پلی مورفیسم طول قطعات تکثیر شده تکنیک جدیدی در انگشت نگاری DNA است که توسط زابیو و ووس (1993) ابداع شد البته به ووس و همکاران (1995) و ووس و کویپر (1997) نیز مراجعه کنید. این روش مبتنی بر تکثیر قطعات برش یافته انتخابی حاصل از هضم کلی DNA ژنومی با PCR است. محصولات تکثیر که قبلاً نشاندار شده اند از طریق الکتروفورز از هم تفکیک می شوند. طول قطعات DNA حاصل بین 60 تا 500 جفت باز است. برای قابل مشاهده نمودن پلی مورفیسم DNA که معمولاً از قطعات کوچک چند جفت بازی DNA (حداکثر تا 500) تشکیل شده ابتدا این قطعات باید تکثیر یابند. این تکثیر اغلب از طریق PCR انجام می گیرد. روش PCR می تواند قطعات خاصی از DNA را طی آغاز دقیق واکنش پلی مریزاسیون که در دو انتهای DNA مورد نظر اتفاق می افتد تکثیر یابد. این آغاز دقیق توسط توالی های الیگونوکلئوتیدی کوتاهی (پرایمرها) انجام می شود که می تواند DNA الگو را در ناحیه مورد نظر ذوب نماید. پرایمرها بین 18 تا 24 جفت باز طول داشته و در آزمایشگاه و مطابق توالی DNA مکمل خود که در ناحیه باز شده رشته سنگین DNA مورد نظر سنتز می شود. PCR ابتدا با یک فاز حرارتی بالا (واسرشت سازی) آغاز می شود که طی آن DNA تک رشته ای تولید می شود. آنزیم تک پلی مراز هر یک از رشته های DNA دو رشته ای را به صورت نقطه آغازی برای سنتز شناسایی کرده و با رسیدن دما به 72 درجه سانتیگراد واکنش پلمریزاسیون را در جهت 5' 3' ادامه می دهد (دمای بهینه طویل شدن). بنابر این برای طراحی پرایمرهای اختصاصی باید توالی های نواحی بازشدگی DNA مورد نظر را بدانیم. در نتیجه اطلاعات ما درباره ژنوم بیشتر شده و مطالعات بسیار دقیق تری می توان انجام داد. این مرحله نیاز به تجهیزات کامل آزمایشگاهی داشته و اغلب بسیار وقت گیر است. اساس روش AFLP طراحی و سنتز پرایمرهای اختیاری و سپس اتصال آنها به قطعاتDNA هدف است. پرایمرهای اختیاری AFLP آداپتور نامیده شده و از توالیهای 20 نوکلئوتیدی شناخته شده ای تشکیل شده اند. توالی های DNA هدف، قطعات DNA حاصل از آنزیم های برشی هستند. این قطعات از هضم کلی DNA ژنومی از اثر ترکیبی دو آنزیم برشی ایجاد می گردند. سپس آداپتورها با کمک آنزیم لیگاز به دو سر قطعات برش یافته متصل می شوند. سرانجام طی یک مرحله PCR آداپتورها به عنوان جایگاه های آغاز تکثیر قطعات برش یافته به کار می روند. مارکرهای AFLPپلی مورفیسم جایگاه برش را آشکار نموده و باید به عنوان مارکرهای غالب در نظر گرفته شوند. زیرا نمی توان هوموزایگوت ها و هتروزایگوت ها را از هم تشخیص داد، مگر این که مطالعات اصلاح نژادی و شجره ای انجام شود تا الگوهای توارث هر قطعه مشخص شود. اما بسیاری از قطعات تخمین هایی از تنوع را در سراسر ژنوم نشان می دهند. بنابراین نمایی کلی از سطح تنوع ژنتیکی موجود مورد مطالعه را نشان نشان می دهند.
2-2- مراحل اصلی انگشت نگاری با AFLP
2-2-1- استخراج DNA
DNA خالص و با وزن مولکولی بالا برای AFLP ضروری است. در اینجا DNA با روش دایل و دایل استخراج شده است(Doyle and Doyle, 1988). این روش بر اساس فرآیند CTAB انجام می شود. برای جزئیات بیشتر به بخش های پروتوکل (3-3) و عیب یابی (4-3) مراجعه نمایید.
2-2-2- هضم با آنزیم های برشی
قطعات برش یافته DNA ژنومی با استفاده از دو آنزیم برشی مختلف به دست آمده اند: یک آنزیم برشی فراوان (آنزیم برشی چهار بازی MseI) و یک آنزیم برشی نادر (آنزیم برشی شش بازی EcoRI). آنزیم رایج تر برای ایجاد قطعات کوچک که به خوبی تکثیر شده و برای تفکیک روی ژل الکتروفورز مناسب ترند در حالی که آنزیم نادرتر تعداد قطعاتی را که را باید تکثیر شوند محدود می نماید.
2-2-3- اتصال آداپتورهای الیگونوکلئوتیدی
آداپتورهای دو رشته ای از یک توالی مرکز و یک توالی اختصاصی برای هر آنزیم تشکیل شده اند. بنابراین آداپتورها برای جایگاه برش هر یک از آنزیم های EcoRI و MseI اختصاصی عمل می کنند. معمولاً مراحل برش آنزیمی و اتصال به آداپتورها در یک مرحله صورت می گیرد. اتصال آداپتور به DNA برش یافته جایگاه برش را دچار تغییر می کند تا از برش ثانویه پس از اتصال آداپتورها جلوگیری نماید. توالی مرکزی آداپتورها از یک توالی شناخته شده 20 نوکلئوتیدی تشکیل شده که بعداً در PCR به عنوان پرایمر به کار می رود.
2-2-4- تکثیر اولیه
این مرحله یک PCRمعمولی است که در آن از آداپتورها به عنوان پرایمر استفاده شده است. این PCR اولیه تکثیر اولیه نیز نامیده می شود که امکان انتخاب اولیه قطعات را از طریق تکثیر قطعات برش یافته DNA که به دو انتهای آن آداپتور متصل است فراهم می نماید. علاوه بر توالی های آداپتورها، پرایمرهای به کار رفته برای تکثیر اولیه یک باز اضافی هم دارند. این باز اضافی امکان یک گزینش مضاعف را از طریق تکثیر یک چهارم از قطعاتی که یک آداپتور به هر یک از دو سر آن متصل است مقدور می نماید. این سه مرحله (استخراج DNA، هضم آنزیمی / اتصال آداپتورها و تکثیر اولیه) را می توان روی یک ژل آگاروز 6/1% الکتروفورز و قابل مشاهده نمود.
2-2-5- تکثیر انتخابی
هدف از انجام این مرحله محدود کردن سطح پلی مورفیسم و نشاندار کردن DNA است. برای انجام این تکثیر، سه نوکلئوتید به انتهای َ3 توالی پرایمر به کار رفته در تکثیر اولیه (= توالی آداپتور + 3 نوکلئوتید). این دو نوکلئوتید اضافی تکثیر را گزینشی تر نموده و تعداد قطعات برش یافته ای که تکثیر می شوند (پلی مورفیسم) را کاهش می دهد. به علاوه یکی از پرایمرها (معمولاً پرایمر EcoRI) با یک ماده فلورسانت نشاندار شده و می توان حرکت DNA را در الکتروفورز ردیابی نمود.