Phân tích trình tự DNA thực sự tính toán những gì?
DNA là một chuỗi bốn chữ cái với hai đặc tính khó chịu: hai mạch chạy ngược chiều nhau, và thông điệp chỉ đọc được theo khối ba. Gần như mọi khung trên trang này tồn tại để xử lý một trong hai sự thật đó — định hướng mạch (bổ sung ngược, phiên mã) hoặc mã bộ ba (dịch mã, khung đọc). Các khung còn lại đo các tính chất vật lý (hàm lượng GC, nhiệt độ nóng chảy, khối lượng phân tử) được suy ra trực tiếp từ các chữ cái.
Con số duy nhất cần nhớ: mã di truyền có 64 codon (4×4×4) nhưng chỉ 20 amino acid cộng với tín hiệu dừng — mã này suy biến, nên nhiều codon khác nhau (ví dụ CTT, CTC, CTA, CTG đều đọc là Leucine) cùng mã hóa một residue. Sự dư thừa này là lý do một đột biến im lặng có thể thay đổi trình tự mà không thay đổi protein.
Bổ sung ngược: đọc mạch còn lại
Hai mạch DNA đối song song và A bắt cặp với T, C với G. Nếu trình tự của bạn nằm trên mạch trên, mọi thứ hoạt động trên mạch dưới (một gen, vị trí gắn primer, vị trí giới hạn) sẽ hiện ra dưới dạng bổ sung ngược: lật chuỗi từ đầu đến cuối và thay mỗi base bằng đối tác của nó. Ví dụ: trình tự 5′→3′ ATGCGT có bổ sung ngược là ACGCAT — và áp dụng phép toán hai lần luôn trả về bản gốc.
Phiên mã và dịch mã
Phiên mã sao chép một gen thành RNA, thay thymine bằng uracil. Dịch mã sau đó đọc RNA (hoặc mạch mã hóa DNA) theo codon gồm ba base: ATG mở đầu một protein (Methionine), TAA/TAG/TGA kết thúc nó. Vì khung đọc có thể bắt đầu ở vị trí 1, 2 hoặc 3 trên một trong hai mạch, bất kỳ DNA sợi kép nào cũng có sáu khung khả dĩ — và thường chỉ một khung mã hóa một ORF (khung đọc mở) thực sự dài. Khung dịch mã hiển thị cả sáu khung để gen thật tự lộ ra là khung có một đoạn sạch từ điểm bắt đầu đến điểm dừng. Vì polymerase đọc mạch khuôn, mRNA cuối cùng khớp với mạch mã hóa với U thay cho T.
Hàm lượng GC, Tm và khối lượng phân tử
Cặp GC chia sẻ ba liên kết hydro so với hai của AT, nên DNA giàu GC bền hơn: nó nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn (Tm cao hơn), giữ các nếp gấp chặt hơn, và trong toàn bộ bộ gen, tỷ lệ GC là dấu hiệu đặc trưng của loài, dao động từ khoảng 25% đến 75% giữa các vi khuẩn. Khối lượng phân tử là tổng khối lượng của từng nucleotide (khoảng 330 Da trung bình cho DNA sợi đơn, gấp đôi cho DNA sợi kép có mạch bổ sung). Khung Sử dụng codon đếm xem một gen ưa dùng codon đồng nghĩa nào — cách dùng thiên lệch mạnh có thể làm lộ các gen biểu hiện cao.
Những hiểu lầm thường gặp
- “Bổ sung ngược chỉ là bổ sung.” Chỉ bổ sung thì được một chuỗi 3′→5′; chỉ khi đảo ngược sau đó mới khôi phục được hướng 5′→3′ quy ước mà polymerase và sách giáo khoa dùng.
- “Một codon dừng nghĩa là kết thúc gen.” Trong một khung đọc ngẫu nhiên, codon dừng xuất hiện tình cờ khoảng mỗi ~21 codon; một ORF thực sự được đánh giá theo độ dài và điểm bắt đầu phù hợp, không phải theo một codon dừng riêng lẻ.
- “Hàm lượng GC chỉ là một tỷ lệ phần trăm.” Nó còn dự đoán hành vi bắt cặp: thiết kế primer PCR, thiết kế probe và độ nghiêm ngặt lai đều dựa vào nó (xem Thiết kế primer).
Công cụ liên quan: Thiết kế primer (Tm, dimer, kiểm tra cặp), Enzyme giới hạn (vị trí cắt nằm ở đâu trên cùng trình tự), và Máy tính sinh học (khối lượng, nồng độ mol và số bản sao từ các kết quả MW này).
