211service.com
Sekwencjonowanie chińskich, afrykańskich genomów
Mężczyzna Joruba z Nigerii i Chińczyk Han dołączyli w środę do luminarzy genetyki Jamesa Watsona i Craiga Ventera jako jedyni, którzy zsekwencjonowali swoje genomy i udostępnili je publicznie. Dwa anonimowe genomy służą jako dowód na to, że nowe technologie sekwencjonowania, które są o rząd wielkości tańsze niż metody standardowe, są w stanie dokładnie odczytać sekwencję całego genomu ludzkiego. Oznacza to, że naukowcy będą w stanie zsekwencjonować tysiące ludzi, co, jak mają nadzieję, w końcu umożliwi spójne zrozumienie genomowych podstaw choroby.
Czytanie DNA: Gęste upakowanie fragmentów DNA na chipie wielkości karty kredytowej firmy Illumina, zwanym komórką przepływową, umożliwia sekwencjonowanie o wysokiej przepustowości. Około 50 milionów klastrów DNA, z których każdy zawiera około 1000 kopii tego samego fragmentu, może zmieścić się w komórce przepływowej. Dokładne zsekwencjonowanie ludzkiego genomu wymaga obecnie około 40 komórek przepływowych.
To oznacza, że sekwencjonowanie ludzkiego genomu zajmuje kilka lat, mówi Samuel Levy , dyrektor genetyki człowieka w Craig Venter Institute w Rockville, MD, który nie był zaangażowany w badania. To ogromny postęp technologiczny. Daje nam możliwość prowadzenia badań, które chcemy przeprowadzić, aby powiązać zmienność genetyczną z cechami człowieka.
W ciągu ostatniej dekady koszt sekwencjonowania dramatycznie spadł. Podczas gdy sekwencja referencyjna wygenerowana podczas Human Genome Project kosztowała 300 milionów dolarów, genom Watsona, wydany w zeszłym roku i zsekwencjonowany przy użyciu technologii opracowanej przez 454 Nauki o życiu , w Branford, CT, kosztował około 1 do 2 milionów dolarów. Genom Yoruba kosztował około 250 000 $, a jego ukończenie zajęło tylko dwa miesiące, przy użyciu technologii z Oświetlać , firma zajmująca się technologią genetyczną z siedzibą w San Diego.
Nowe technologie sekwencjonowania przyspieszają i zmniejszają koszty dzięki jednoczesnemu sekwencjonowaniu setek tysięcy fragmentów DNA. Z przyczyn technicznych ten masywny równoległość zmniejsza liczbę par zasad – liter DNA – które można odczytać z każdego kawałka. Standardowe metody sekwencjonowania mogą odczytać od 400 do 800 par zasad, ale technologia Illumina może odczytać tylko od 35 do 50. To utrudnia złożenie kompletnej sekwencji, co wymaga obliczeniowego zszycia nakładających się elementów.
Ze względu na te krótkie długości odczytu nie było jasne, jak dokładnie technologia firmy Illumina i innych firm może zsekwencjonować ludzki genom. W nowych opracowaniach opublikowanych dzisiaj w Natura , naukowcy z Illumina i Pekińskiego Instytutu Genomiki w Chinach pokazują, że sekwencjonując genomy swoich pacjentów około 40 razy każdy, byli w stanie odczytać 99,9% sekwencji w genomie referencyjnym. Większa liczba przebiegów sekwencjonowania – standardowe sekwencjonowanie wymaga tylko około 6 do 10 przebiegów – jest konieczna, aby skompensować krótsze długości odczytu. Ale nawet z dodatkowymi karnetami nowa technologia jest znacznie tańsza.
Naukowcom udało się zweryfikować dokładność swoich sekwencji, porównując je z wcześniejszymi analizami genetycznymi tych samych genomów. DNA Yoruba zsekwencjonowane przez Davida Bentleya i jego współpracowników z Illumina zostało wykorzystane w poprzednich badaniach, które szukały polimorfizmów pojedynczego nukleotydu (SNP) lub wariacji genetycznych pojedynczej litery na raz, rozsianych po całym genomie. Jun Wang i współpracownicy z Pekińskiego Instytutu Genomiki, którzy zsekwencjonowali chiński genom, porównali swoje wyniki z wynikami uzyskanymi z mikromacierzy, zaprojektowanej do wykrywania tysięcy powszechnych SNP.
Dwie nowe sekwencje nie ujawniają żadnych niespodzianek genomicznych. Naukowcy odkryli około czterech milionów SNP w genomie Yoruba, z których około 26 procent nie zostało wcześniej zidentyfikowanych. Genom Yoruba wykazywał wyższy poziom różnorodności genetycznej niż wcześniej zsekwencjonowane pojedyncze genomy, ale wcześniejsza analiza afrykańskiego DNA przewidywała taki sam poziom. Z kolei chiński genom zawierał około 13,6 procent wcześniej niezidentyfikowanych SNP.
Naukowcy mają nadzieję, że zdolność do identyfikacji nowych SNP będzie dobrodziejstwem w poszukiwaniach genomowych podstaw choroby. Większość dużych badań genomicznych do tej pory koncentrowała się na powszechnych wariacjach genetycznych – tych z częstością co najmniej 5 procent – ponieważ były najłatwiejsze do znalezienia. Jednak badania sugerują, że te różnice stanowią tylko ułamek wkładu genetycznego w powszechne choroby. Zdolność do sekwencjonowania wielu ludzkich genomów pozwoli naukowcom znaleźć rzadsze warianty i scharakteryzować potencjalnie dużą rolę, jaką odgrywają one w ludzkim zdrowiu.
Takie badania już trwają. Genom Yoruba jest częścią międzynarodowej współpracy znanej jako projekt 1000 genomów, która posłuży jako technologiczne stanowisko testowe do sekwencjonowania ludzi na dużą skalę. Nie można zrobić 1000 genomów za pomocą starych technologii, ale nowe technologie to umożliwiają, mówi Lisa Brooks , dyrektor programu zmienności genetycznej w National Human Genome Research Institute w Bethesda, MD. Naukowcy zaangażowani w projekt mają na celu skatalogowanie wszystkich ludzkich odmian, które pojawiają się z częstotliwością około 0,1%.
Illumina nie jest osamotniona w swoim dążeniu do taniej sekwencjonowania ludzkich genomów. Applied Biosystems, firma, która dostarczyła wiele maszyn do sekwencjonowania dla Projektu Genomu Ludzkiego, również zsekwencjonowała genom Yoruba i prawdopodobnie wkrótce opublikuje wyniki. Dwa startupy, Pacific Biosciences i Complete Genomics, również są na tropie. Na przykład Complete Genomics obiecuje genom o wartości 5000 dolarów do przyszłego roku. Naukowcy firmy nie opublikowali jednak jeszcze swoich wyników w recenzowanych czasopismach, więc kompletność i dokładność ich metody nie została jeszcze zweryfikowana niezależnie. Dzięki tym i innym danym z projektu 1000 genomów będziemy w dobrej pozycji, aby właściwie skalibrować te różne technologie, mówi Richard Gibbs , dyrektor Centrum Sekwencjonowania Genomu Ludzkiego w Baylor College of Medicine w Houston w Teksasie.
Dwa nowe genomy są również pierwszymi niekaukaskimi, które zostały dodane do publicznej bazy danych. Stanowią odskocznię do zrozumienia różnic genetycznych między grupami etnicznymi, mówi Levy, który napisał komentarz towarzyszący publikacji obu artykułów.
W tym samym numerze Natura , naukowcy z Washington University School of Medicine w St. Louis opisują wykorzystanie technologii Illumina do sekwencjonowania pierwszego kompletnego genomu raka. Znaleźli osiem niezidentyfikowanych wcześniej mutacji, które mogą rzucić światło na chorobę.
W metodzie sekwencjonowania Illumina DNA jest fragmentowane na małe kawałki i molekularnie przyłączane do specjalnie zaprojektowanego szkiełka znanego jako komórka przepływowa. W jednej komórce mieści się około 50 milionów fragmentów. Każdy fragment jest kopiowany 1000 razy, wciąż przyklejony do kuwety przepływowej. Następnie do komórki dodaje się zasady znakowane fluorescencyjnie, reprezentujące cztery litery tworzące DNA io kolorach czerwonym, zielonym, niebieskim i żółtym. Zasada odpowiadająca literze na pierwszej pozycji we fragmencie DNA zostanie dołączona do tego fragmentu. Następnie kamera robi zdjęcie zasad fluorescencyjnych w każdym z 50 milionów miejsc w komorze przepływowej. Zasada jest następnie odcinana i cykl jest powtarzany dla każdej litery fragmentu DNA. Uzyskane obrazy są połączone obliczeniowo w celu wygenerowania sekwencji.