مصفوفة التجانب

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
مقارنة طرق التغطية الجينومية ضمن تطبيقات المصفوفات المتجانبة.

تُعدّ المصفوفات المتراصة نوعًا فرعيًا من رقائق المصفوفات الدقيقة . ومثل المصفوفات الدقيقة التقليدية، تعمل هذه المصفوفات عن طريق تهجين جزيئات الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA) المستهدفة والموسومة بمجسات مثبتة على سطح صلب.

تختلف المصفوفات المتجانبة عن المصفوفات الدقيقة التقليدية في طبيعة المجسات. فبدلاً من البحث عن تسلسلات جينات معروفة أو متوقعة قد تكون منتشرة في جميع أنحاء الجينوم ، تبحث المصفوفات المتجانبة بشكل مكثف عن تسلسلات معروفة بوجودها في منطقة متجاورة. وهذا مفيد لتوصيف المناطق التي تم تسلسلها، ولكن وظائفها المحلية غير معروفة إلى حد كبير. تساعد المصفوفات المتجانبة في رسم خرائط النسخ الجيني ، وكذلك في اكتشاف مواقع تفاعل الحمض النووي/ البروتين ( ChIP-chip ، DamID )، ومواقع مثيلة الحمض النووي (MeDIP-chip)، ومواقع الحساسية لإنزيم DNase (DNase Chip) وتقنية CGH المصفوفية. [ 1 ] بالإضافة إلى الكشف عن الجينات والتسلسلات التنظيمية غير المعروفة سابقًا، يُمكن تحسين قياس كمية نواتج النسخ. توجد مجسات محددة بملايين النسخ (بدلاً من بضع نسخ فقط في المصفوفات التقليدية) ضمن وحدة مصفوفة تُسمى "ميزة"، حيث يتراوح عدد الميزات المختلفة لكل مصفوفة من 10,000 إلى أكثر من 6,000,000 ميزة. [ ٢ ] يمكن الحصول على دقة رسم خرائط متغيرة عن طريق ضبط مقدار تداخل التسلسل بين المجسات، أو عدد أزواج القواعد المعروفة بين تسلسلات المجسات، بالإضافة إلى طول المجس. بالنسبة للجينومات الأصغر حجمًا مثل نبات الرشاد ، يمكن فحص الجينومات بأكملها. [ ٣ ] تُعد المصفوفات المتداخلة أداة مفيدة في دراسات الارتباط على مستوى الجينوم .

التركيب والمصنعون

الطريقتان الرئيسيتان لتصنيع مصفوفات البلاط هما التصنيع الضوئي والطباعة أو التحديد الميكانيكي.

تعتمد الطريقة الأولى على التخليق الموضعي حيث تُبنى المجسات، التي يبلغ طولها حوالي 25 زوجًا قاعديًا، على سطح الشريحة. ويمكن لهذه المصفوفات أن تحتوي على ما يصل إلى 6 ملايين عنصر منفصل، يحتوي كل منها على ملايين النسخ من مجس واحد.

تتمثل الطريقة الأخرى لتصنيع رقائق المصفوفات المتجانبة في الطباعة الميكانيكية للمجسات على الرقاقة. ويتم ذلك باستخدام آلات مؤتمتة مزودة بدبابيس تقوم بوضع المجسات المصنعة مسبقًا على السطح. ونظرًا لمحدودية حجم الدبابيس، يمكن لهذه الرقائق استيعاب ما يقارب 400,000 عنصر. [ 4 ] ومن بين الشركات المصنعة للمصفوفات المتجانبة: أفيمتريكس ، ونيمبلجين، وأجيلنت . وتختلف منتجاتها في طول المجسات والمسافة بينها. ويُعد موقع ArrayExplorer.com خادم ويب مجانيًا لمقارنة المصفوفات المتجانبة.

التطبيقات والأنواع

نظرة عامة على إجراء ChIP-chip.

رقاقة رقاقة

تُعدّ تقنية ChIP-chip من أكثر استخدامات المصفوفات المتراصة شيوعًا. تسمح عملية الترسيب المناعي للكروماتين بتحديد مواقع ارتباط البروتينات . ويُعرف أحد أشكال هذه التقنية، الذي يُطبّق على مستوى الجينوم، باسم ChIP-on-chip. يتم ربط البروتينات المرتبطة بالكروماتين بروابط متقاطعة داخل الكائن الحي ، عادةً عن طريق التثبيت بالفورمالديهايد . بعد ذلك، يُجزّأ الكروماتين ويُعرّض لأجسام مضادة مُخصصة للبروتين المطلوب. ثم تُرسّب هذه المركبات. بعد ذلك، يُعزل الحمض النووي ويُنقّى. في المصفوفات الدقيقة التقليدية للحمض النووي، يُهجّن الحمض النووي المُرسب مناعيًا مع الشريحة، التي تحتوي على مجسات مُصممة لتغطية مناطق جينومية تمثيلية. يُمكن استخدام مجسات متداخلة أو مجسات متقاربة جدًا. يُتيح ذلك تحليلًا غير متحيز بدقة عالية. إلى جانب هذه المزايا، تُظهر المصفوفات المتراصة قابلية عالية للتكرار، ومع وجود مجسات متداخلة تُغطي أجزاءً كبيرة من الجينوم، يُمكن للمصفوفات المتراصة فحص مواقع ارتباط البروتينات التي تحتوي على تكرارات. تمكنت تجارب ChIP-chip من تحديد مواقع ارتباط عوامل النسخ عبر الجينوم في الخميرة وذبابة الفاكهة وبعض أنواع الثدييات. [ 5 ]

نظرة عامة على إجراءات رسم خرائط النسخ الجيني.

رسم خرائط النسخ الجيني

يُستخدم التجانب المصفوفي أيضًا على نطاق واسع في تحديد الجينات المُعبَّر عنها. وقد واجهت الطرق التقليدية للتنبؤ بالجينات ، المستخدمة في ترميز التسلسلات الجينومية، مشاكل عند استخدامها لرسم خريطة النسخ الجيني، مثل عدم إنتاج بنية دقيقة للجينات، بالإضافة إلى فقدان بعض النسخ تمامًا. كما أن طريقة تسلسل الحمض النووي التكميلي (cDNA) لتحديد الجينات المنسوخة تعاني من مشاكل أخرى، مثل عدم القدرة على اكتشاف جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) النادرة أو القصيرة جدًا، وبالتالي عدم اكتشاف الجينات النشطة فقط استجابةً لإشارات معينة أو المرتبطة بإطار زمني محدد. يُمكن للتجانب المصفوفي حل هذه المشاكل. فبفضل دقته العالية وحساسيته الفائقة، يُمكن اكتشاف حتى الجزيئات الصغيرة والنادرة. كما تسمح طبيعة التداخل بين المجسات بالكشف عن الحمض النووي الريبوزي غير متعدد الأدينين، مما يُتيح الحصول على صورة أكثر دقة لبنية الجينات . [ 6 ] وقد أظهرت دراسات سابقة على الكروموسومين 21 و22 فعالية التجانب المصفوفي في تحديد وحدات النسخ. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] استخدم الباحثون مجسات مكونة من 25 نيوكليوتيدًا، تفصل بينها مسافة 35 زوجًا قاعديًا، وتغطي الكروموسومات بأكملها. صُنعت الأهداف الموسومة من الحمض النووي الريبوزي متعدد الأدينين. ووجدوا عددًا أكبر بكثير من النسخ مما كان متوقعًا، وكان 90% منها خارج الإكسونات المحددة. وفي دراسة أخرى على نبات الرشاد، استُخدمت مصفوفات قليلة النيوكليوتيدات عالية الكثافة تغطي الجينوم بأكمله. ووُجدت نسخ أكثر من عشرة أضعاف مما كان متوقعًا بواسطة تسلسلات التعبير الجيني المعبر عنها (ESTs) وأدوات التنبؤ الأخرى. [ 3 ] [ 10 ] كما وُجدت نسخ جديدة في المناطق السنتروميرية ، حيث كان يُعتقد أنه لا توجد جينات مُعبر عنها بنشاط. وقد حُددت العديد من الحمض النووي الريبوزي غير المشفر والحمض النووي الريبوزي المضاد الطبيعي باستخدام مصفوفات التجانب. [ 9 ]

نظرة عامة على إجراء شريحة MeDIP.

شريحة MeDIP

يُتيح ترسيب الحمض النووي الميثيلي المناعي، متبوعًا بتقنية المصفوفات المتجانبة، رسم خرائط مثيلة الحمض النووي وقياسها عبر الجينوم. يُلاحظ مثيلة الحمض النووي على السيتوزين في ثنائيات النوكليوتيدات CG في العديد من المواقع في الجينوم. يُعد هذا التعديل من أكثر التغيرات فوق الجينية الموروثة فهمًا ، وقد ثبت تأثيره على التعبير الجيني. يُمكن أن يُساهم رسم خرائط هذه المواقع في تعزيز معرفتنا بالجينات المُعبر عنها، وكذلك التنظيم فوق الجيني على مستوى الجينوم بأكمله. وقد أنتجت دراسات المصفوفات المتجانبة خرائط مثيلة عالية الدقة لجينوم نبات الرشاد، مما أدى إلى إنشاء أول "ميثيلوم".

نظرة عامة على إجراء رقاقة DNase.

رقاقة DNase

تُعدّ شريحة DNase تطبيقًا للمصفوفات المتراصة لتحديد المواقع شديدة الحساسية، وهي أجزاء من الكروماتين المفتوح التي يسهل قطعها بواسطة إنزيم DNaseI. ينتج عن قطع DNaseI شظايا أكبر حجمًا، يبلغ طولها حوالي 1.2 كيلوبايت. وقد ثبت أن هذه المواقع شديدة الحساسية تتنبأ بدقة بالعناصر التنظيمية مثل مناطق المحفزات والمعززات والمثبطات. [ 11 ] تاريخيًا، تستخدم هذه الطريقة تقنية ساوثرن بلوت للعثور على الشظايا المهضومة. وقد أتاحت المصفوفات المتراصة للباحثين تطبيق هذه التقنية على نطاق الجينوم بأكمله.

التهجين الجينومي المقارن (CGH)

تقنية التهجين الجينومي المقارن القائم على المصفوفات هي تقنية شائعة الاستخدام في التشخيص لمقارنة الاختلافات بين أنواع الحمض النووي، مثل الخلايا الطبيعية مقابل الخلايا السرطانية. يُستخدم نوعان من المصفوفات المتراصة في هذه التقنية: مصفوفة الجينوم الكامل ومصفوفة الجينوم الدقيق. تُفيد مصفوفة الجينوم الكامل في تحديد اختلافات عدد النسخ بدقة عالية. في المقابل، تُنتج مصفوفة الجينوم الدقيق دقة فائقة لاكتشاف تشوهات أخرى، مثل نقاط الانقطاع. [ 12 ]

إجراء

سير عمل إجراء تبليط المصفوفة.

توجد عدة طرق مختلفة لتقسيم المصفوفة. إحدى هذه الطرق لتحليل التعبير الجيني تتضمن أولاً عزل الحمض النووي الريبوزي الكلي (RNA)، ثم تنقيته من جزيئات الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA). يُنسخ الحمض النووي الريبوزي إلى حمض نووي مزدوج السلسلة (DNA)، والذي يُضخّم لاحقًا ويُنسخ في المختبر إلى حمض نووي ريبوزي تكميلي (cRNA). يُقسّم الناتج إلى ثلاث نسخ لإنتاج حمض نووي مزدوج السلسلة (dsDNA)، والذي يُجزّأ ويُوسم. أخيرًا، تُهجّن العينات مع شريحة مصفوفة التقسيم. تُفحص الإشارات الصادرة من الشريحة وتُفسّر بواسطة الحواسيب.

تتوفر برامج وخوارزميات متنوعة لتحليل البيانات، وتختلف فوائدها باختلاف الشركة المصنعة للشريحة. بالنسبة لشرائح Affymetrix، يُعد تحليل المصفوفات المتجانبة القائم على النموذج (MAT) أو التحليل الهندسي الفائق للمصفوفات المتجانبة (HAT [ 13 ] ) من الخوارزميات الفعالة لتحديد القمم. أما بالنسبة لشرائح NimbleGen، فإن TAMAL أنسب لتحديد مواقع الارتباط. تشمل الخوارزميات البديلة MA2C وTileScope، وهي أقل تعقيدًا في التشغيل. تُستخدم خوارزمية فك تشفير الارتباط المشترك بشكل شائع لشرائح Agilent. في حال تطلب الأمر تحليل تسلسل موقع الارتباط أو شرح الجينوم، تُستخدم برامج مثل MEME وGibbs Motif Sampler ونظام شرح العناصر التنظيمية cis و Galaxy . [ 4 ]

المزايا والعيوب

توفر المصفوفات المتداخلة أداةً غير متحيزة لدراسة ارتباط البروتينات، والتعبير الجيني، وبنية الجينات على نطاق الجينوم بأكمله. وتتيح هذه المصفوفات مستوىً جديدًا من الفهم في دراسة النسخ الجيني والميثيلوم.

تشمل العيوب تكلفة مجموعات مصفوفات التجانب. على الرغم من انخفاض الأسعار في السنوات الأخيرة، إلا أن السعر يجعل استخدام مصفوفات التجانب على مستوى الجينوم غير عملي للثدييات وغيرها من الجينومات الكبيرة. ومن المشكلات الأخرى "التشويش النسخي" الناتج عن قدرتها الفائقة على الكشف. [ 2 ] علاوة على ذلك، لا توفر هذه الطريقة بداية أو نهاية محددة بوضوح للمناطق المهمة التي تحددها المصفوفة. وأخيرًا، عادةً ما توفر المصفوفات أرقام الكروموسوم والموقع فقط، مما يستلزم غالبًا إجراء التسلسل كخطوة منفصلة (مع أن بعض المصفوفات الحديثة توفر معلومات التسلسل. [ 14 ] ).

مراجع

  1. ↑ يازاكي، ج؛ غريغوري، ب.د؛ إيكر، ج.ر (أكتوبر 2007). "رسم خريطة الجينوم باستخدام تقنية المصفوفات المتجانبة" . الرأي الحالي في بيولوجيا النبات . 10 (5): 534-42 . doi : 10.1016/j.pbi.2007.07.006 . PMC 2665186. PMID 17703988 .  
  2. موكلر ، تي سي؛ تشان، إس؛ سونداريسان، إيه؛ تشين، إتش؛ جاكوبسن، إس إي؛ إيكر، جيه آر (يناير 2005). "تطبيقات مصفوفات تجانب الحمض النووي لتحليل الجينوم الكامل". علم الجينوم . 85 (1): 1-15 . doi : 10.1016 /j.ygeno.2004.10.005 . PMID 15607417 . 
  3. 1 2 يامادا، ك؛ ليم، ج؛ ديل، ج م؛ تشين، هـ؛ شين، ب؛ بالم، س ج؛ ساوثويك، أ م؛ وو، هـ س؛ كيم، س؛ نغوين، م؛ فام، ب؛ تشيوك، ر؛ وآخرون . (31 أكتوبر 2003). "تحليل تجريبي للنشاط النسخي في جينوم نبات الرشاد". مجلة ساينس . 302 (5646): 842-846 . Bibcode : 2003Sci...302..842Y . doi : 10.1126 /science.1088305 . PMID 14593172. S2CID 7076927 .   
  4. 1 2 ليو، إكس إس (أكتوبر 2007). "البدء في تحليل المصفوفات الدقيقة المتجانبة" . مجلة PLOS لعلم الأحياء الحاسوبي . 3 (10): 1842-1844 . رمز Bibcode : 2007PLSCB...3..183L . doi : 10.1371/journal.pcbi.0030183 . PMC 2041964. PMID 17967045 .  
  5. ↑ أوجين، هـ؛ سكوازو، س.ل؛ إيينجار، س؛ بلاهنيك، ك؛ رين، ج.ل؛ تشانغ، هـ.ي؛ غرين، ر؛ فارنهام، ب.ج (يونيو 2007). "تحليل على مستوى الجينوم لارتباط KAP1 يشير إلى التنظيم الذاتي لـ KRAB-ZNFs" . PLOS Genetics . 3 (6): e89. doi : 10.1371/journal.pgen.0030089 . PMC 1885280. PMID 17542650 .  
  6. ↑ بيرتون، ب؛ جيرستين، م؛ سنايدر، م (2005). "تطبيقات مصفوفات تجانب الحمض النووي في توصيف الجينوم التجريبي واكتشاف المسارات التنظيمية". أبحاث الكروموسوم . 13 (3): 259-274 . doi : 10.1007/s10577-005-2165-0 . PMID 15868420. S2CID 24058431 .  
  7. ^ كاولي، س. بيكيرانوف ، س . نانوغرام، سمو. كابرانوف ، ف. سيكينجر، EA؛ كامبا، د؛ بيكولبوني، أ؛ سيمينتشينكو ، ف. تشنغ، J. ويليامز، AJ. ويلر، ر. وونغ، ب؛ درينكو ، ج. ياماناكا، م؛ باتيل، س؛ بروبكر، س. تمانا، ح؛ هيلت ، جي. ستروهل ، ك. جينجيراس، تي آر (20 فبراير 2004). "رسم الخرائط غير المتحيزة لمواقع ربط عامل النسخ على طول الكروموسومات البشرية 21 و 22 يشير إلى تنظيم واسع النطاق للـ RNA غير المشفر" . خلية . 116 (4): 499-509 . دوى : 10.1016 / S0092-8674 (04)00127-8 . بميد 14980218 . S2CID 7793221 .  
  8. ↑ كابرانوف، ب؛ كولي، س. إي؛ درينكو، ج؛ بيكيرانوف، س؛ ستراوسبرغ، ر. ل؛ فودور، س. ب؛ جينجيراس، ت. ر (3 مايو 2002). "نشاط نسخ واسع النطاق في الكروموسومات 21 و22". مجلة ساينس . 296 (5569): 916-919 . Bibcode : 2002Sci...296..916K . doi : 10.1126/science.1068597 . PMID 11988577. S2CID 18336536 .  
  9. 1 2 كامبا، د؛ تشنغ، J. كابرانوف ، ف. ياماناكا، م؛ بروبكر، س. كاولي، س؛ درينكو ، ج. بيكولبوني، أ؛ بيكيرانوف ، س . هيلت ، جي. تمانا، ح؛ جينجيراس، TR (مارس 2004). "تم تحديد RNAs الجديدة من خلال تحليل متعمق لنسخة الكروموسومات البشرية 21 و 22" . أبحاث الجينوم . 14 (3): 331-42 . دوى : 10.1101 / gr.2094104 . بمك 353210 . بميد 14993201 .  
  10. ↑ ستولك، ف؛ سامانتا، م ب؛ تونغبراسيت، و؛ سيثي، هـ؛ ليانغ، س؛ نيلسون، د س؛ هيغمان، أ؛ نيلسون، س؛ رانكور، د؛ بيدناريك، س؛ أولريش، إ ل؛ تشاو، ك؛ وروبل، ر ل؛ نيومان، س س؛ فوكس، ب ج؛ فيليبس، ج ن الابن؛ ماركلي، ج ل؛ سوسمان، م ر (22 مارس 2005). "تحديد التسلسلات المنسوخة في نبات رشاد أذن الفأر باستخدام مصفوفات تجانب الجينوم عالية الدقة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 102 (12): 4453-4458 . Bibcode : 2005PNAS..102.4453S . doi : 10.1073/ pnas.0408203102 . PMC 555476. PMID 15755812 .  
  11. ↑ كروفورد، غريغوري إي؛ ديفيس، شون؛ سكاشيري، بيتر سي؛ رينو، غابرييل؛ حلاوي، محمد جيه؛ إردوس، مايكل آر؛ غرين، رولاند؛ ميلتزر، بول إس؛ وولفسبيرغ، تاير جي ؛ كولينز، فرانسيس إس (21 يونيو 2006). "شريحة DNase: طريقة عالية الدقة لتحديد المواقع شديدة الحساسية لإنزيم DNase I باستخدام المصفوفات الدقيقة المتراصة" . Nature Methods . 3 (7): 503-509 . doi : 10.1038/nmeth888 . PMC 2698431. PMID 16791207 .  
  12. ↑ هايدنبلاد، م؛ ليندغرين، د؛ جونسون، ت؛ ليدبيرغ، ف؛ فيرلا، س؛ شيبيل، ج؛ غودجونسون، س؛ بورغ، أ؛ مانسون، و؛ هوغلوند، م (31 يناير 2008). "تحديد مناطق التضخيم الجيني والجينات المستهدفة المرشحة الخاصة بالأورام المتقدمة باستخدام تقنية التهجين الجينومي المقارن عالي الدقة وتحليل التعبير الجيني عالي الكثافة لسرطانات الظهارة البولية" . مجلة BMC Medical Genomics . 1 : 3. doi : 10.1186/1755-8794-1-3 . PMC 2227947. PMID 18237450 .  
  13. ^ تاسكيسن، أردوغان؛ بيكمان، رينيه. دي ريدر، جيروين؛ ووترز ، باس جي ؛ بيترز ، جوستين ك. تو ، إيفو بي . ريندرز، مارسيل ج.ت. ديلويل ، رود (2010). "HAT: التحليل الهندسي الفائق لمصفوفات التبليط مع التطبيق على بيانات مروج GeneChip" . بي إم سي للمعلوماتية الحيوية . 11 (1): 275. دوى : 10.1186/1471-2105-11-275 . بمك 2892465 . بميد 20492700 .  
  14. ↑ موكلر، تود سي؛ إيكر، جوزيف آر. (يناير 2005). "تطبيقات مصفوفات تجانب الحمض النووي لتحليل الجينوم الكامل". علم الجينوم . 85 (1): 1-15 . doi : 10.1016/j.ygeno.2004.10.005 . PMID 15607417 .