SECUENCIACIÓN DEL ADN

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SECUENCIACIÓN DEL ADN
  1. MAXAM & GILBERT
    1. GENERALIDADES
      1. Es un método de secuenciación que depende de la degradación química específica del ADN que describieron Maxam y Gilbert, en 1977.
        1. La fragmentación específica del ADN es la base de este método, desarrollado en cinco pasos, que a grandes rasgos implican el marcaje radiactivo del extremo 5’ con 32P
          1. La modificación de una base, la eliminación de la base modificada, rotura de la cadena de ADN en la desoxirribosa modificada y el análisis de la secuencia fragmentada por electroforesis en gel de poliacrilamida.
            1. La modificación de una base, la eliminación de la base modificada, rotura de la cadena de ADN en la desoxirribosa modificada y el análisis de la secuencia fragmentada por electroforesis en gel de poliacrilamida.
      2. FUNDAMENTO
        1. Este método tiene la ventaja de que puede emplear ADN de doble hebra, pero requiere una separación de hebras o fraccionamiento equivalente por cada fragmento de restricción estudiado, lo cual lo hace laborioso.
          1. Un fragmento de ADN se marca radiactivamente en sus extremos con gamma 32P ó gamma 32S dATP por acción de la polinucleótido quinasa. La técnica consiste en romper estas moléculas marcadas con reacciones químicas específicas para cada una de las cuatro bases.
            1. El fragmento de ADN que se desea secuenciar se desnaturaliza, se marca el extremo 5' con radiactividad, la muestra se divide en cuatro alícuotas que son tratadas con diferentes reactivos químicos que cortan al ADN en bases específicas (A, t, C, G).
              1. En cada alícuota, queda una colección de fragmentos de ADN de diferente tamaño que termina en una base específica.
        2. APLICACIONES
          1. El método de Maxam y Gilbert es óptimo para ADN que no puede secuenciarse de forma adecuada mediante otros métodos (por ejemplo, oligonucleótidos pequeños y secuencias de ADN que producen terminación prematura debida a estructuras secundarias fuertes).
            1. Puede usarse para mapear modifi caciones de ADN, como alquilaciones y roturas producidas por carcinógenos, antineoplásicos y otros agentes que tienen como blanco el ADN.
              1. En ensayos de huella digital química o enzimática, la técnica permite la identificación precisa de secuencias específi cas de ADN que se unen a moléculas pequeñas y proteínas.
          2. IMPORTANCIA
            1. La secuenciación química tiene ventajas específicas. En primer lugar, los tratamientos químicos son sencillos de controlar; el ataque químico ideal, una base eliminada por hebra, produce una buena distribución de materiales marcados a través de la secuencia.
              1. En segundo lugar, cada base es atacada, tal que en un corrimiento se desplegará cada base individual. La distinción química entre cada base es clara y la secuencia de ambas hebras permite un chequeo más adecuado.
                1. La distinción química entre cada base es clara y la secuencia de ambas hebras permite un chequeo más adecuado. Estas reacciones específi cas fueron elegidas para proveer información más que sufi ciente para la secuenciación.
          3. SANGER
            1. GENERALIDADES
              1. Sanger también desarrolló otro método, el cual emplea análogos de dNTP específicos de terminación de cadena. Los análogos más utilizados son los didesoxinucleótidos trifosfatados (ddNTP), iguales que los dNTP pero sin el grupo hidroxilo en el carbono 3’ de la desoxirribosa.
                1. Este método es más rápido y acertado que el método químico de Maxam y Gilbert, por lo que es el utilizado en la actualidad de manera rutinaria en los laboratorios.
                  1. Este sistema separa las cadenas de ADN de acuerdo con su longitud; así, las más pequeñas migrarán más rápido y las más grandes, más lento.
              2. FUNDAMENTO
                1. El principio del método “didesoxi” es el siguiente: se aísla y se clona el ADN que se desea secuenciar; este ADN se desnaturaliza y se emplea una sola hebra en la secuenciación.
                  1. En la secuenciación se utiliza un iniciador o primer marcado radiactivamente, el cual usualmente es un fragmento de restricción, que suministra el extremo 3’ OH que necesita la ADN polimerasa para continuar la adición de nucleótidos.
                    1. El iniciador y el molde de ADN se alinean para formar un complejo iniciador-molde y la mezcla resultante se divide en cuatro partes. Con estas mezclas se preparan cuatro tubos de reacción, cada uno con el ADN molde de hebra sencilla que se desea secuenciar, la ADN polimerasa, el iniciador marcado radiactivamente y los cuatro dNTP.
                      1. La reacción requiere la hebra molde de ADN de cadena sencilla marcada radiactivamente, un iniciador, ADN polimerasa y cuatro dNTP. La reacción es dividida en cuatro alícuotas, uno para cada base, cada tubo contendrá uno solo de los ddNTP marcados y los otros tres dNTP y se continúa con la polimerización incorporando los nucleótidos en sentido 5’ → 3’. Cuando se marcan con fl urocromos la reacción total se puede hacer en un solo tubo, ya que el color emitido servirá para diferenciar las cadenas.
                        1. Para realizarlo se obtienen fragmentos de ADN de la hebra molde de interés, se marcan los cuatro nucleótidos con fluorocromo de distinto color, se realiza el ciclo de secuenciación mediante PCR, se eliminan NTP sobrantes.
                          1. Los fragmentos son sometidos a electroforesis en gel y mediante el sistema automatizado; el láser emitirá la luz que el detector interpreta diferencialmente de acuerdo con el fluorocromo que pase por el haz de luz para generar un patrón de curvas de acuerdo a la longitud de onda diferente para cada base, a fin de poder leer la secuencia obtenida.
                2. APLICACIONES
                  1. En general, secuencias de entre 15 a 200 nucleótidos desde el sitio del iniciador pueden determinarse con precisión mediante un solo iniciador e inclusive es posible leer hasta 300 nucleótidos.
                    1. El problema más grave es el apilamiento de bandas, causado por las asas de apareamiento de bases que se forman en el ADN en las condiciones de la electroforesis del gel de acrilamida y que se observan como un número de bandas en la misma posición o inusualmente muy cercanas unas a otras en la electroforesis.
                      1. La secuenciación de Sanger arroja secuencias de alta calidad para segmentos relativamente largos de ADN (de hasta aproximadamente 900900900 pares de bases). La técnica suele utilizarse para secuenciar fragmentos individuales de ADN, como plásmidos bacterianos o ADN copiado en la PCR.
                  2. IMPORTANCIA
                    1. Los procedimientos de secuenciación automatizada están basados en el método enzimático de Sanger, que suple el marcaje radiactivo con métodos quimioluminiscentes con el uso de fluorocromos.
                      1. Actualmente los genomas se secuencian con otros métodos que son más rápidos y menos costosos, la secuenciación de Sanger todavía se usa ampliamente para secuenciar piezas individuales de ADN, como los fragmentos utilizados en la clonación de ADN o los generados a través de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR).
                        1. La secuenciación de Sanger es costosa e ineficiente para proyectos a gran escala, como la secuenciación de un genoma completo o un metagenoma (el "genoma colectivo" de una comunidad microbiana). Para tareas como estas, las nuevas técnicas de secuenciación a gran escala son más rápidas y menos costosas.
                  3. TERMINADOR FLUORESCENTE
                    1. GENERALIDADES
                      1. En estos sistemas automatizados el fragmento de ADN fluorescente pasa por el punto de tensión del secuenciador automático, y estas señales se envían a una computadora con un programa especial.
                        1. Para realizarlo se obtienen fragmentos de ADN de la hebra molde de interés, se marcan los cuatro nucleótidos con fluorocromo de distinto color, se realiza el ciclo de secuenciación mediante PCR, se eliminan NTP sobrantes.
                          1. Los fragmentos son sometidos a electroforesis en gel y mediante el sistema automatizado; el láser emitirá la luz que el detector interpreta diferencialmente de acuerdo con el fluorocromo que pase por el haz de luz para generar un patrón de curvas de acuerdo a la longitud de onda diferente para cada base, a fin de poder leer la secuencia obtenida.
                      2. FUNDAMENTO
                        1. Cuando el fluoróforo se agrega en la terminación de la cadena, se tiene la ventaja de que este último método puede llevarse a cabo en una sola reacción en lugar de en cuatro, como en el método en que se marca el iniciador.
                          1. En esta reacción los ddNTP se marcan con fluorocromos de diferente color para cada base, con lo cual la terminación de cada cadena determinará el color y, por ende, el NTP respectivo
                            1. Esto hará que al fluorescer a diferentes longitudes de onda, el sistema óptico del equipo identifi que directamente en un gráfi co las señales de fluorescencia de cada una de las bases
                        2. APLICACIONES
                          1. La secuenciación por terminación fluorescente es un método para el análisis de la secuencia del ADN mediante automatización parcial.
                            1. Es una variante modificada en la cual el marcaje se realiza con un fluoróforo unido de forma covalente en el oligonucleótido iniciador utilizado.
                          2. IMPORTANCIA
                            1. Es una alternativa al método de Sanger. Consiste en marcar el oligo cebador o los terminadores con un compuesto fluorescente y activar la reacción de secuencia. Los productos de la reacción se detectan directamente durante la electroforésis al pasar por delante de un láser que al excitar los fluoróforos permite detectar la fluorescencia emitida.
                              1. La mayor ventaja de este método es que la secuenciación se puede llevar a cabo en una sola reacción, en lugar de en cuatro reacciones como en el método del cebador marcado.
                                1. El método de secuenciado por terminador fluorescente junto con analizadores de secuencia de ADN de alto rendimiento se utiliza ahora para la inmensa mayoría de los proyectos de secuenciación, puesto que es más fácil de llevar a cabo y tiene un coste menor que los anteriores métodos de secuenciación.
                          3. HIBRIDACIÓN
                            1. GENRALIDADES
                              1. La hibridación es la construcción artificial de ácidos nucleicos bicatenarios a partir de dos monocatenarios usando la complementariedad de bases. Se trata, por tanto, de un proceso de unión de dos cadenas complementarias de ADN, ARN o de ADN y ARN para formar una molécula de ácido nucleico de doble cadena
                                1. La hibridación puede llevarse a cabo en solución, en soporte sólido o in situ. Las técnicas en soporte sólido más usadas son el Southern blot, el Northem blot y el dot blot. Las técnicas de hibridación in situ también se utilizan bastante. Existen diferentes tipos de soportes sólidos como el papel de nitrocelulosa, las membranas de nailon y los filtros Whatman No 541.
                              2. FUNDAMENTO Y APLICACIONES
                                1. Blotting
                                  1. Southern blot
                                    1. El método tipo Southern o Southern blot fue desarrollado por E. M. Southern para la detección de genes específicos en el ADN celular. El ADN es digerido con una enzima de restricción y los fragmentos son separados por tamaños mediante una electroforesis en un gel.
                                      1. La sonda unida al fragmento de ADN complementario se puede visualizar en el filtro de una forma sencilla mediante una exposición a una película de rayos X para el caso de sondas radiactivas o con una película sensible a la luz, para el caso de sondas con fluorocromo.
                                        1. Tanto la técnica de Southern como de Northern blot se usan poco hoy en día al haber sido sustituidas por técnicas derivadas de la PCR.
                                    2. Northern blot
                                      1. Es esencialmente idéntica al método de Southern blot, salvo que las moléculas de ácido nucleico de la muestra, en este caso de ARN (total, mensajero, vírico, etc.), se separan por electroforesis en condiciones desnaturalizantes (en presencia de formaldehído, que forma parte de la composición del gel).
                                        1. Esto es debido a que, a pesar de ser una molécula de una sola cadena, se forman complejas estructuras secundarias que dificultan la migración. Al igual que en el Southern blot, el ARN se transfiere a la membrana de filtro y se hibridan con sondas de ADN marcada. Durante la electroforesis se pueden observan grandes cantidades de ARNm correspondiente a ribosomal
                                    3. CGH (hibridación genómica comparada)
                                      1. La hibridación genómica comparada es una técnica citogenética para detectar regiones cromosómicas que están amplificadas o delecionadas en una muestra, especialmente en tumores.
                                        1. En la CGH, dos muestras de DNA genómico (una tumoral y una normal) se marcan con diferentes fluorocromos y se hibridan simultáneamente sobre una extensión de cromosomas metafásicos.
                                          1. La relación de intensidad entre las dos señales fluorescentes proporciona una medida de la relación entre el número de copias de las dos muestras de DNA genómico.
                                            1. La alta resolución de esta técnica permite la detección de desequilibrios genómicos submicroscópicos
                                      2. Microarrays de ADN
                                        1. Los microarreglos constituyen una distribución ordenada de más de 10 mil genes por cm2 en una pequeña superfi cie, del tamaño de un portaobjetos, en el cual pueden estudiarse simultáneamente mediante hibridación y puede obtenerse una interpretación instantánea de la expresión de múltiples genes (distinguibles unos de otros) en un solo análisis.
                                          1. El fundamento de la técnica de microarreglos se basa en la hibridación de ácidos nucleicos y su detección por fluorescencia mediante análisis de imagen, de tal manera que, como en otras técnicas, sólo se obtendrá señal fluorescente en los puntos (genes) donde haya habido hibridación.
                                            1. La intensidad de fluorescencia será directamente proporcional al nivel de expresión del gen
                                              1. El tipo de ensayo de microarreglos dependerá de la sonda utilizada. Entre los más comunes se encuentran los empleados para determinar cambios en los niveles de expresión de genes o análisis de mutaciones o polimorfi smos. En el caso de las sondas, los oligonucleótidos son ADN sintético de cadena sencilla (15 a 25 o 50 a 120 nucleótidos)
                                          2. Un microarreglo es una distribución ordenada de genes en una pequeña superficie, y mediante hibridación con el ADN problema se puede obtener respuesta instantánea de la actividad o expresión de múltiples genes en un solo análisis. La intensidad de fl uorescencia es directamente proporcional al nivel de expresión del gen. La interpretación de los marcajes indicará un patrón de colores; así, cada punto en el soporte del microarreglo se asocia con el gen localizado según su color.
                                          3. Hibridación in situ
                                            1. Es una técnica de hibridación que se realiza directamente sobre tejido, células o cromosomas localizados sobre un soporte sólido, habitualmente un portaobjetos.
                                              1. La visualización puede realizarse por medios isotópicos , enzimáticos o con fluorescencia , siendo evaluada en un microscopio. Su gran virtud es que permite identificar las células donde se produce la hibridación que detecta la alteración genómica o transcripcional.
                                                1. La visualización de resultados puede realizarse por marcaje con fluorescencia de la sonda (FISH) o cromogénico (CISH, SISH). Este último tiene la ventaja de poder realizarse en microscopio de campo claro y poder almacenarse casi indefinidamente las preparaciones
                                                  1. Los usos más frecuentes en Patología molecular son la detección de amplificaciones (Ej. Her2 en cáncer de mama c-myc en linfoma de Burkitt), traslocaciones ( linfoma folicular, linfoma del manto, sarcomas) y presencia de virus (Epstein-Barr, HPV).
                                          4. IMPORTANCIA
                                            1. Es un método muy versátil que permite estudiar el grado de relación genética entre dos ácidos nucleicos. También permite la detección de fragmentos de DNA que son complementarios a fragmentos monocatenarios de secuencia conocida (sondas).
                                          5. PIROSECUENCIACIÓN
                                            1. IMPORTANCIA
                                              1. Entre las ventajas de la pirosecuenciación, podemos decir, que es un método rápido y en tiempo real. Por otra parte, la secuenciación comienza con la primera base a un lado del primer, de tal modo, que el diseño del primer es más flexible. Otras ventajas, refieren la rapidez en la preparación de la muestra y los costos bajos de reactivos.
                                                1. La pirosecuenciación, es la primera alternativa al método de Sanger convencional y se basa en la detección de pirofosfato durante la síntesis de ADN. Cuenta con ventajas de precisión, flexibilidad, procesamiento en paralelo y fácil automatización. Además, la técnica no tiene necesidad de utilizar primers y nucleótidos marcados, y de electroforesis en gel.
                                              2. APLICACIONES
                                                1. Es un sistema útil para analizar tanto secuencias cortas de ADN como polimorfismos de nucleótido simple (SNP) y genotipificación. La longitud de lectura tendrá que seguir mejorando para dar aplicaciones más precisas y más amplias a esta alternativa.
                                                  1. Las aplicaciones de la pirosecuenciación son variadas, ya que dicho método se ha estado utilizando en análisis de Polimorfismos de Nucleótido Único (SNP), identificación de bacterias y tipificación de hongos y virus. La técnica, ha demostrado también, capacidad para realizar secuenciación de librerías de cDNA y de genomas completos.
                                                2. FUNDAMENTO
                                                  1. El método consta de la unión de hebras únicas de DNA a una esfera (una hebra por esfera), por medio de un adaptador, tras lo cual, son sometidas a clonamiento in vitro. Luego de que las esferas son cargadas, ocurre la adición de las enzimas DNA polimerasa, sulfurilasa, ATP luciferasa y apirasa, y de los sustratos APS y luciferin.
                                                    1. Durante la preparación de la librería, el ADN se fragmenta enzimáticamente por sonicación; después se incorporan adaptadores de doble cadena a los extremos de los fragmentos de longitud de 400-700 pb, mediante la acción de una ADN ligasa.
                                                      1. Cada uno de estos fragmentos tendrá un adaptador complementario flanqueado en la perla del andamiaje. El adaptador localizado en el extremo opuesto servirá de anclaje de la ADN polimerasa y de inicio de la replicación.
                                                  2. GENERALIDADES
                                                    1. La pirosecuenciación es un sistema basado en el método enzimático, que aprovecha la liberación de pirofosfato cuando un nucleótido se incorpora en la hebra de ADN en crecimiento, mediante bioluminiscencia.
                                                      1. Aprovecha el trifosfato que se libera cuando el dNTP se une a la cadena, en forma de pirofosfato (PPi). Requiere de tres enzimas adicionales: ATP-sulfurilasa, luciferasa y apirasa
                                                        1. Requiere de dos sustratos adicionales: adenosin-fosfosulfato (APS) y luciferina. Con estas enzimas vamos a tener reacciones que de manera natural generan señales luminosas, ahorrándonos las marcas fluorescentes, y haciendo el proceso más rápido y barato
                                                  Show full summary Hide full summary

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