تسلسل الحمض النووي

بينما تُمثل الأحرف A وT وC وG نيوكليوتيدًا مُحددًا في موضعٍ ما، توجد أيضًا أحرفٌ تُشير إلى الغموض، وتُستخدم عندما يُمكن أن يوجد أكثر من نوعٍ واحدٍ من النيوكليوتيدات في ذلك الموضع. قواعد الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية ( IUPAC ) هي كما يلي: ^{[ 1 ]}

على سبيل المثال، يشير الحرف W إلى أنه يمكن أن يحدث الأدينين أو الثايمين في ذلك الموضع دون التأثير على وظائف التسلسل.

هذه الرموز صالحة أيضًا للحمض النووي الريبي (RNA)، باستثناء استبدال الثايمين (T) باليوراسيل (U). ^{[ 1 ]}

إلى جانب الأدينين (A) والسيتوزين (C) والجوانين (G) والثايمين (T) واليوراسيل (U)، يحتوي كل من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبوزي (RNA) على قواعد خضعت لتعديلات بعد تكوين سلسلة الحمض النووي. في الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين، تُعد قاعدة 5-ميثيل سيتيدين (m5C) أكثر القواعد المعدلة شيوعًا. أما في الحمض النووي الريبوزي، فتوجد العديد من القواعد المعدلة، بما في ذلك السودويوريدين (Ψ) وثنائي هيدرويوريدين (D) والإينوزين (I) والريبوثيميدين (rT) و7-ميثيل جوانوزين ( m7G). ^{[ 3 ] [ 4 ]} يُعد كل من الهيبوكسانثين والزانثين من بين العديد من القواعد التي تتكون نتيجة وجود المطفرات ، وكلاهما ينتج عن نزع الأمين (استبدال مجموعة الأمين بمجموعة الكربونيل). يُنتج الهيبوكسانثين من الأدينين ، بينما يُنتج الزانثين من الجوانين . ^{[ 5 ]} وبالمثل، ينتج اليوراسيل عن نزع الأمين من السيتوزين .

مثال على مقارنة وتحديد النسبة  المئوية للاختلاف بين سلسلتين من النيوكليوتيدات

• AA T CC GC TAG
• AA A CC CT TAG

بفرض وجود سلسلتين من عشرة نيوكليوتيدات، قم بمحاذاتهما وقارن الاختلافات بينهما. احسب النسبة المئوية للاختلاف بقسمة عدد الاختلافات بين قواعد الحمض النووي على العدد الإجمالي للنيوكليوتيدات. في هذه الحالة، توجد ثلاثة اختلافات في سلسلة العشرة نيوكليوتيدات، وبالتالي فإن الاختلاف هو 30%.

بمجرد الحصول على تسلسل الحمض النووي من كائن حي، يتم تخزينه رقميًا في نظام حاسوبي. يمكن تخزين التسلسلات الجينية الرقمية في قواعد بيانات التسلسل ، وتحليلها (انظر تحليل التسلسل أدناه)، وتعديلها رقميًا، واستخدامها كقوالب لإنشاء حمض نووي حقيقي جديد باستخدام التخليق الجيني الاصطناعي .

يمكن تحليل الحمض النووي في جينوم الكائن الحي لتشخيص قابلية الإصابة بالأمراض الوراثية ، كما يمكن استخدامه لتحديد نسب الطفل (الأب البيولوجي) أو أصل الشخص . عادةً، يحمل كل شخص نسختين مختلفتين من كل جين ، إحداهما موروثة من الأم والأخرى من الأب. يُعتقد أن الجينوم البشري يحتوي على ما بين 20,000 و25,000 جين. بالإضافة إلى دراسة الكروموسومات على مستوى الجينات الفردية، يشمل الاختبار الجيني، بمعناه الأوسع، اختبارات كيميائية حيوية للكشف عن احتمالية وجود أمراض وراثية ، أو طفرات جينية مرتبطة بزيادة خطر الإصابة باضطرابات وراثية.

يكشف الفحص الجيني عن التغيرات في الكروموسومات أو الجينات أو البروتينات. ^{[ 6 ]} ويُستخدم عادةً للكشف عن التغيرات المرتبطة بالاضطرابات الوراثية. ويمكن لنتائج الفحص الجيني تأكيد أو استبعاد حالة وراثية مشتبه بها، أو المساعدة في تحديد احتمالية إصابة الشخص باضطراب وراثي أو نقله لأبنائه. ويُستخدم حاليًا مئات من الفحوصات الجينية، ويجري تطوير المزيد منها. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

في المعلوماتية الحيوية، يُعدّ محاذاة التسلسل طريقةً لترتيب تسلسلات الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبوزي (RNA ) أو البروتين لتحديد مناطق التشابه التي قد تعود إلى علاقات وظيفية أو بنيوية أو تطورية بين التسلسلات. ^{[ 9 ]} إذا اشترك تسلسلان في محاذاة ما في سلف مشترك، يُمكن تفسير عدم التطابق على أنه طفرات نقطية ، والفجوات على أنها طفرات إدخال أو حذف ( indels ) حدثت في أحد السلالتين أو كلتيهما منذ تباعدهما. في محاذاة تسلسلات البروتينات، يُمكن تفسير درجة التشابه بين الأحماض الأمينية التي تشغل موقعًا معينًا في التسلسل على أنها مقياس تقريبي لمدى حفظ منطقة أو نمط تسلسلي معين بين السلالات. يشير غياب الاستبدالات، أو وجود استبدالات محافظة للغاية فقط (أي استبدال الأحماض الأمينية التي تمتلك سلاسلها الجانبية خصائص كيميائية حيوية متشابهة) في منطقة معينة من التسلسل، ^{[ 10 ]} إلى أن هذه المنطقة ذات أهمية بنيوية أو وظيفية. على الرغم من أن قواعد النيوكليوتيدات في الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA أكثر تشابهاً مع بعضها البعض من الأحماض الأمينية، إلا أن الحفاظ على أزواج القواعد يمكن أن يشير إلى دور وظيفي أو بنيوي مماثل. ^{[ 11 ]}

يعتمد علم الوراثة الحاسوبي بشكل كبير على محاذاة التسلسلات في بناء وتفسير الأشجار التطورية ، التي تُستخدم لتصنيف العلاقات التطورية بين الجينات المتماثلة الموجودة في جينومات الأنواع المتباينة. ترتبط درجة اختلاف التسلسلات في مجموعة الاستعلام نوعيًا بالمسافة التطورية بينها. وبشكل عام، تشير نسبة التطابق العالية في التسلسلات إلى أن التسلسلات المعنية تشترك في سلف مشترك حديث نسبيًا ، بينما تشير نسبة التطابق المنخفضة إلى أن التباعد أقدم. هذا التقريب، الذي يعكس فرضية " الساعة الجزيئية " التي تفترض إمكانية استخدام معدل ثابت تقريبًا للتغير التطوري لاستقراء الوقت المنقضي منذ تباعد جينين لأول مرة (أي وقت الاندماج )، يفترض أن تأثيرات الطفرة والانتقاء ثابتة عبر سلالات التسلسل. لذلك، فهو لا يأخذ في الحسبان الاختلافات المحتملة بين الكائنات الحية أو الأنواع في معدلات إصلاح الحمض النووي أو الحفاظ الوظيفي المحتمل لمناطق محددة في التسلسل. (في حالة تسلسلات النيوكليوتيدات، فإن فرضية الساعة الجزيئية في أبسط صورها تتجاهل أيضًا الفرق في معدلات القبول بين الطفرات الصامتة التي لا تغير معنى كودون معين والطفرات الأخرى التي تؤدي إلى دمج حمض أميني مختلف في البروتين.) تسمح الطرق الأكثر دقة إحصائيًا بتغير معدل التطور على كل فرع من فروع الشجرة التطورية، مما ينتج عنه تقديرات أفضل لأوقات اندماج الجينات.

غالباً ما تحتوي البنية الأولية على أنماط ذات أهمية وظيفية. ومن أمثلة هذه الأنماط التسلسلية: صندوقا C/D ^{[ 12 ]} وH/ACA ^{[ 13 ]} في جزيئات snoRNA ، وموقع ارتباط Sm الموجود في جزيئات RNA الخاصة بالجسيمات الرابطة مثل U1 و U2 و U4 و U5 و U6 و U12 و U3 ، وتسلسل Shine-Dalgarno ^{[ 14 ]} ، وتسلسل Kozak المتفق عليه ^{[ 15 ]} ، ومنهي بوليميراز RNA III ^{[ 16 ]} .

في المعلوماتية الحيوية ، يُعرف إنتروبيا التسلسل، أو تعقيد التسلسل، أو ملف تعريف المعلومات، ^{[ 17 ]} بأنه تسلسل رقمي يوفر مقياسًا كميًا للتعقيد الموضعي لتسلسل الحمض النووي، بغض النظر عن اتجاه المعالجة. تُمكّن معالجة ملفات تعريف المعلومات من تحليل التسلسلات باستخدام تقنيات لا تعتمد على المحاذاة، كما هو الحال في الكشف عن الأنماط وإعادة الترتيب. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}