DNA مکمل (Complementary DNA) چیست؟ تعریف و کاربردها

فهرست مطالب نمایش

مقدمه‌ای بر DNA مکمل

دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) مکمل، DNAای است که در آن توالی مولکول‌های درحال تشکیل در یک رشته از یک ساختار دو رشته‌ای، از نظر شیمیایی با توالی رشته دیگر مطابقت دارد.

یک کلید و یک قفل را تصور کنید. در حالی که انواع مختلفی از کلیدها وجود دارد، تنها یک طرح با شکل قفل مطابقت دارد و بنابراین در قفل قرار می‌گیرد. مولکول‌های شیمیایی مختلف که DNA را تشکیل می‌دهند نیز به صورت غیر اختصاصی جفت نمی‌شوند. تناسب «قفل و کلید» در سطح مولکولی نیز عمل می‌کند.

مولکول‌های شیمیایی که DNA را تشکیل می‌دهند به عنوان بازهای نوکلئوتیدی شناخته می‌شوند. چهار نوع رایج از بازها وجود دارد:

آدنین (A)
سیتوزین (C)
گوانین (G)
تیمین (T)

به طور معمول در ترکیب شیمیایی «قفل و کلید»، A در یک رشته با T در رشته دیگر جفت می‌شود. همچنین،C در یک رشته با G در رشته دیگر جفت می‌شود. این دو رشته مکمل یکدیگر هستند.

DNA مکمل (cDNA) کپی ناحیه‌ای از یک رشته DNA است. به عنوان مثال، اگر رشته الگو DNA اصلی که ساخت cDNA از روی آن انجام می‌شود دارای توالی ATT بود، توالی مکمل TAA خواهد بود. cDNA به محل مکمل در رشته DNA متصل می‌شود.

فقط ژن‌هایی که به RNA پیام رسان (mRNA) رونویسی می‌شوند، فعال هستند یا بیان می‌شوند. بنابراین، دانشمندان می‌توانند mRNA را از سلول‌ها استخراج کنند تا بیان ژن در سلول‌ها و بافت‌های مختلف را مطالعه کنند. آن‌هاmRNA را از طریق رونویسی معکوس به DNA مکمل (cDNA) تبدیل می‌کنند.

از آنجا که mRNA شامل اینترون (مناطق غیر کد کننده) و دیگر توالی های تنظیمی نیست، cDNA – برخلاف DNA ژنومی- به محققان این امکان را می‌دهد که توالی اسید آمینه پپتید ساخته شده توسط ژن را مستقیماً تعیین کنند.

تعریف DNA مکمل

cDNA،DNA دو رشته ای است که از روی RNA پیام رسان سنتز شده در واکنش کاتالیز شده‌ای توسط آنزیم‌های ترانس کریپتاز معکوس تولید می‌شود. DNA پلیمرازی که می تواند از DNA یا RNA به عنوان الگو استفاده کند cDNA (.یک DNA ژنومی نیست، زیرا RNA ژنومی که cDNA از روی آن ساخته می‌شود، پردازش شده و فاقد پروموتر (جایگاه شروع رونویسی) و اینترون است. DNA مکمل از روی یک mRNA بدون اینترون ایجاد می‌شود. به همین دلیل آن را کپی مکمل mRNA می‌نامند.

سنتز cDNA ژن‌هایی را نشان می‌دهد که در زمان ساخت در سلول، اندام یا کل ارگانیسم به طور فعال بیان شده اند که کتابخانه cDNA نامیده می‌شود.

DNA مکمل به طور طبیعی در ساخت نسخه‌های جدید DNA حائز اهمیت بوده و به یک ابزار تجربی مهم تبدیل شده است. در همانند سازیDNA ، دو رشته از یکدیگر باز می‌شوند. مولکولی به نام DNA پلیمراز در طول هر رشته حرکت کرده و یک کپی مکمل از هر رشته را می‌سازد. به عبارت دیگر‌، هر رشته به عنوان یک الگو برای ایجاد یک رشته مکمل عمل می‌کند. دو رشته جدید مکمل یکدیگر هستند و بنابراین می‌توانند در فرایندی به نام annealing (اتصال یا انفصال دو رشته در اثر گرم یا سرد کردن) به هم متصل شوند. رشته‌های قدیمی نیز در همین فرآیند به هم متصل می‌شوند. نتیجه دو نسخه کامل از DNA است.

از آنجا که اسید ریبونوکلئیک (RNA) با استفاده از DNA به عنوان الگو ساخته می‌شود، پدیده رشته‌های مکمل در RNA نیز وجود دارد. RNA از چهار باز تشکیل شده است:

آدنین (A)
سیتوزین (C)
گوانین (G)
یوراسیل (U)

که به جای تیمین موجود DNA در قرار می‌گیرد. در سناریوی قفل و کلیدی، A با U در رشته دیگر جفت می‌شود و C با .G یک RNA مکمل (cRNA) یک کپی از یک رشته RNA است که به ناحیه مناسب مولکول اصلی متصل می‌شود.

ارتباط یک رشته DNA یا RNA با مکمل آن، یکی از ابزارهای اصلی تحقیقاتی زیست شناسی مولکولی است. اتصال یک بخش مکمل می‌تواند مناطق هدف DNA یا RNA را شناسایی کند و برای ایجاد اختلال در روند ساخت DNA مورد استفاده قرار گیرد. اگر DNA مکمل با ترکیبی که فلورسنت دارد نشاندار شود، اتصال این پیوندهای فلورسنت با نواحی مکمل را می‌توان با استفاده از میکروسکوپ مشاهده کرد. این مسئله، امکان بررسی زنده سنتز DNA را به ما می‌دهد.

کاربردهای DNA مکمل

DNA مکمل در بیوانفورماتیک بسیار کاربردی است، زیرا از روی توالی mRNA رونویسی شده می‌توان توالی DNA مربوط به آن را بدست آورد. به علاوه، این مولکول در شبیه سازی ژن‌ها نیز استفاده می‌شود.

DNA مکمل برای توسعه تکنیک‌های تحقیقاتی و تولید محصولات تجاری تغییر یافته ژنتیکی مورد استفاده قرار گرفته است. یک استفاده قدیمی از cDNA تکنیک واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) است.PCR فرآیند سنتز DNA را در یک لوله آزمایش انجام می‌دهد. در مجموعه‌ای از واکنش‌ها، یک توالی هدف از DNA کپی می‌شود و خود این نسخه‌ها به عنوان الگوهایی برای نسخه‌های بیشتر عمل می‌کنند. توالی DNA اصلی به اندازه‌ای زیاد می‌شود که در عرض چند دقیقه یک میلیارد نسخه بوجود ‌آید.

cDNA اغلب برای شبیه سازی ژن‌های یوکاریوتی در پروکاریوت‌ها استفاده می شود. هنگامی که بخواهیم پروتئینی خاص را در یک سلول بیان کننم که به طور معمول در آن سلول بیان نمی‌شود،cDNA کد کننده آن پروتئین را به سلول گیرنده منتقل می کنند. cDNAهمچنین توسط رتروویروس‌ها (مانند HIV-1، HIV-2، ویروس نقص ایمنی Simian و غیره) تولید شده که یک پروویروس را در میزبان خود ایجاد می‌کند.

سنتز cDNA

cDNA را می‌توان با روش‌های متعددی تولید کرد اما یک روش معمول این است که ابتدا کل RNA را از سلول‌ها استخراج کرده و سپس mRNA را از انواع غالب تر آن‌ (RNA ناقل و ریبوزومی) جدا می‌کنند.

mRNA یوکاریوتی بالغ دارای یک دم پلی – Aرشته ای از نوکلئوتیدهای آدنین – بوده که به انتهای 3 پریم آن افزوده می‌شود، در حالی که سایر انواع RNA فاقد آن هستند. بنابراین می‌توان یک رشته از نوکلئوتید‌های تیمین را به عنوان یک ستون یا مهره‌ی مغناطیسی به آن متصل کرد تا به طور خاص با دم پلی ای mRNA جفت شود. در حالی که mRNA با دم پلی (A) به دام می‌افتد، انواع دیگر RNA جدا می‌شوند.

سپس، ترانس کریپتاز معکوس – یک آنزیم DNA پلیمراز از رتروویروس ها – برای تولید cDNA از mRNA استفاده می‌شود. از آنجا که مانند بسیاری از پلیمرازهایDNA ترانس کریپتاز معکوس نیز می‌تواند نوکلئوتیدها را فقط به انتهای 3 پریم زنجیره اضافه کند، یک آغازگر(پرایمر) پلی (T) اضافه می‌شود تا به دم پلی (A) متصل شده و نقطه شروع سنتز cDNA باشد. رشته cDNA به ساختار سنجاق سری ختم می شود. در نهایت RNA تخریب شده )معمولاً با تیمار قلیایی یا آنزیم های (RNase و cDNA تک رشته‌ای دست نخورده باقی می‌ماند.

سپس دومین رشته DNA مکمل cDNA توسط DNA پلیمراز سنتز می‌شود. (اغلب با استفاده از ساختار سنجاق سری اولین رشته cDNA یا یک قطعه کوچک از mRNA به عنوان آغازگر)

cDNA دو رشته‌ای حاصل را می‌توان در ناقل‌های باکتریایی یا ویروسی وارد و با استفاده از تکنیک های استاندارد زیست شناسی مولکولی کلون کرد. همچنین می‌توان یک کتابخانه cDNA (که تمام mRNA های موجود در سلول ها یا بافت مورد نظر را نشان می دهد.) نیز برای تحقیقات بیشتر ساخت.