Sekwencjonowanie pojedynczego chromosomu

W ciągu ostatnich trzech lat liczba ludzkich genomów, które zostały zsekwencjonowane (ich DNA czytane litera po literze) wzrosła z kilku do setek, a kolejne są w toku. Ale wszystkim tym odczytom genomu brakuje pewnych kluczowych informacji. Osoba dziedziczy dwie kopie każdego chromosomu, jedną po matce, a drugą po ojcu. Istniejące metody sekwencjonowania nie wskazują, czy wariacje genetyczne, które leżą blisko siebie na mapie genomowej, zostały odziedziczone od tego samego rodzica, a zatem pochodzą z tego samego chromosomu, czy też niektóre leżą na chromosomie matczynym, a inne ojcowskim. Wiedza o tym ma wiele zastosowań, od sekwencjonowania płodowego DNA, przez łatwiejsze wykrywanie genów odpowiedzialnych za różne choroby, po lepsze śledzenie ewolucji człowieka.

Wychwytywanie chromosomów: Urządzenie mikroprzepływowe zaprojektowane przez Stephena Quake'a i współpracowników może przechwycić pojedynczy chromosom, ułatwiając analizę poszczególnych genomów.

Teraz dwa zespoły opracowały sposoby określenia tych grup – znanych jako haplotyp – u osoby. Stephen Quake a współpracownicy z Uniwersytetu Stanforda opracowali sposób na fizyczne oddzielenie par chromosomów i sekwencjonowanie każdej nici DNA z osobna. Jay Shendure wraz z kolegami z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle zsekwencjonowali DNA z pojedynczych chromosomów w specjalnie dobranych pulach i wykorzystali te informacje do poskładania genomu. Oba projekty zostały opublikowane w tym tygodniu w Biotechnologia Przyrody .

To była prawdziwa techniczna usterka w genomach [sekwencjach], które zostały do ​​tej pory opublikowane, mówi Quake, bioinżynier ze Stanford, który był jednym z Przegląd technologii najlepsi innowatorzy w wieku poniżej 35 lat w 2002 roku. Każdy genom, który będziemy od teraz robić, będzie rejestrowany z haplotypem.

Zespół firmy Quake wykorzystał technologię mikroprzepływową, którą opracowali do oddzielania i analizowania pojedynczych komórek. Po pierwsze, naukowcy uwięzili pojedyncze komórki podczas określonej fazy cyklu komórkowego, w której dwie kopie chromosomów są rozdzielone. Następnie rozrywają komórkę, losowo rozdzielają chromosomy do różnych komór na chipie mikroprzepływowym, kopiują lub amplifikują i analizują DNA w każdej komorze.

Shendure, zwycięzca TR35 w 2006 roku, wraz ze swoim zespołem powielił 40 000 odcinków liter DNA losowo pobranych z poszczególnych chromosomów. Ponieważ każdy kawałek DNA pochodzi z połowy pary chromosomów, naukowcy wiedzą, że wszystkie warianty genetyczne w jego sekwencji leżą na tym samym chromosomie.

Shendure i Quake twierdzą, że posiadanie informacji o haplotypach będzie miało ogromny wpływ na genetykę człowieka, pomagając nie tylko diagnozować i rozumieć genetyczne podstawy niektórych chorób, ale także śledzić ewolucję naszego gatunku od przodków naczelnych.

Jeśli ktoś ma dwie mutacje związane z chorobą w jednym genie, trudno jest określić za pomocą obecnych metod sekwencjonowania genomu, czy występuje jeden błąd genetyczny w kopii matczynej i jeden w kopii ojcowskiej, czy też obie wariacje leżą w tej samej kopii genu . W pierwszym przypadku osoba ma dwa wadliwe geny, które mogą powodować problemy zdrowotne. W tym ostatnim osoba ma jedną dobrą kopię genu i jedną złą kopię. W wielu przypadkach posiadanie dobrej kopii może zrekompensować wadliwą.

Podział komórek: Specjalistyczne urządzenie mikroprzepływowe najpierw izoluje pojedynczą komórkę (po lewej). Substancje chemiczne trawią błonę komórkową, uwalniając chromosomy (pośrodku), a poszczególne chromosomy są wychwytywane (po prawej) w komorze, gdzie są amplifikowane i analizowane.

Haplotypowanie umożliwia również określenie typu ludzkiego antygenu leukocytowego (HLA) danej osoby na podstawie genów odpornościowych, które muszą być ściśle dopasowane między dawcą a biorcą w przypadku przeszczepu szpiku kostnego lub narządu. To jedna z najbardziej polimorficznych [zmiennych] części ludzkiego genomu, mówi Quake. Obecne metody określania typu HLA generują listę wariacji, ale nie dają informacji o tym, które z nich leżą na którym chromosomie. Jeśli tego nie śledzisz, możesz nie być w stanie uzyskać idealnego dopasowania, mówi Quake. Pokazaliśmy, że można zmierzyć [haplotyp] i uzyskać informacje, które w zasadzie można wykorzystać do lepszego dopasowania do przeszczepów szpiku kostnego.

Technologia może być również wykorzystana do sekwencjonowania genomów płodowych z DNA pobranego z krwi matki w celu wykrycia nieprawidłowości genetycznych. (DNA we krwi płodu jest mieszanką DNA matki i dziecka, co szczególnie utrudnia wygenerowanie sekwencji całego genomu).

Naukowcy twierdzą, że poza medycyną informacje o haplotypach pomogą w badaniach genetyki populacji, takich jak szacowanie rozmiaru i czasu ekspansji i migracji człowieka. Możesz uchwycić różnorodność w wyższej rozdzielczości, jeśli masz pojedyncze chromosomy, mówi Mikołaj Schork , genetyk z Scripps Research Institute, który nie był zaangażowany w żaden projekt i napisał komentarz do badań dla Biotechnologia Przyrody . Tracisz wiele informacji, jeśli spojrzysz na rzeczy na poziomie genotypu w porównaniu z poziomem haplotypu.

Naukowcy byli w stanie statystycznie wywnioskować haplotyp dla populacji europejskich dzięki temu, że Europejczycy przeszli przez genetyczne wąskie gardło tysiące lat temu. (Haplotypy bardzo stopniowo stają się krótsze, ponieważ pary chromosomów pękają i ponownie łączą się z każdym pokoleniem. Europejczycy mają długie haplotypy, które jeszcze się nie rozpadły, co ułatwia ich analizę.) Jednak techniki statystyczne nie sprawdziły się w populacjach afrykańskich, co oznacza, że informacje dla tej grupy są znacznie rzadsze. Z tego powodu większość przeprowadzonych do tej pory badań asocjacyjnych całego genomu koncentrowała się na populacjach europejskich.

Oba podejścia zwiększają koszty sekwencjonowania genomu, więc nie jest jasne, jak szybko się przyjmą, mówi Schork. Podejście Shendure jest jednym z tych, które ludzie mogliby teraz prawdopodobnie wdrożyć w laboratoriach, mówi. Podejście Quake'a generuje znacznie bardziej kompletne dane — haplotyp, który jest długością całego chromosomu — ale jest technicznie trudniejsze i wymaga wyspecjalizowanych chipów do analizy pojedynczych komórek. Sekwencjonowanie pojedynczych komórek i zdolność do oddzielania chromosomów w naczyniu są skomplikowane, mówi Schork. O ile ktoś nie zbuduje niedrogiego testu, nie będzie on używany rutynowo. Quake mówi, że chipy, z których korzysta jego laboratorium i bliscy współpracownicy, są obecnie budowane w odlewni akademickiej w Stanford. Mówi: Być może w którymś momencie pojawi się rozwiązanie komercyjne.

ukryć