211service.com
Kinesiska, afrikanska genom sekvenserade
En manlig Yoruba från Nigeria och en Han-kines anslöt sig till genetikarbetarna James Watson och Craig Venter på onsdagen som de enda personerna som fick sina genom sekvenserade och offentligt tillgängliga. De två anonyma genomen tjänar som bevis på att nya sekvenseringstekniker, som är storleksordningar billigare än standardmetoder, är kapabla att exakt läsa sekvensen av ett fullständigt mänskligt genom. Det betyder att forskare kommer att kunna sekvensera tusentals människor, vilket de hoppas äntligen kommer att möjliggöra en sammanhängande förståelse av sjukdomens genomiska grund.
Läser DNA: Tät packning av DNA-fragment på detta kreditkortschip från Illumina, som kallas en flödescell, möjliggör sekvensering med hög genomströmning. Cirka 50 miljoner kluster av DNA, som var och en innehåller cirka 1 000 kopior av samma fragment, kan passa på en flödescell. Det krävs för närvarande cirka 40 flödesceller för att korrekt sekvensera ett mänskligt genom.
Detta tar den tid det tar att sekvensera ett mänskligt genom från år till månader, säger Samuel Levy , chef för mänsklig genetik vid Craig Venter Institute, i Rockville, MD, som inte var involverad i forskningen. Det är ett enormt tekniskt framsteg. Det ger oss möjligheten att göra de typer av studier vi vill göra för att associera genetiska variationer med mänskliga egenskaper.
Under det senaste decenniet har kostnaden för sekvensering sjunkit dramatiskt. Medan referenssekvensen som genererades under Human Genome Project kostade 300 miljoner dollar, släpptes Watsons genom förra året och sekvenserades med hjälp av en teknologi utvecklad av 454 Livsvetenskap , i Branford, CT, kostade cirka 1 till 2 miljoner dollar. Yoruba-genomet kostade uppskattningsvis 250 000 $ och tog bara två månader att färdigställa, med hjälp av teknik från Belysa , ett genetikteknologiföretag med huvudkontor i San Diego.
Ny sekvenseringsteknik ökar hastigheten och minskar kostnaderna genom att samtidigt sekvensera hundratusentals bitar av DNA. Av tekniska skäl minskar denna massiva parallellitet antalet baspar – DNA-bokstäverna – som kan läsas från varje del. Standardsekvenseringsmetoder kan läsa 400 till 800 baspar, men Illuminas teknologi kan bara läsa 35 till 50. Det gör det svårare att sätta ihop en komplett sekvens, vilket kräver beräkningsmässig sömnad av de överlappande delarna.
På grund av dessa korta läslängder har det varit oklart hur exakt teknik från Illumina och andra företag kunde sekvensera ett mänskligt genom. I de nya studierna, publicerade idag i Natur , forskare från Illumina och från Beijing Genomics Institute, i Kina, visar att genom att sekvensera sina försökspersoners genom ungefär 40 gånger vardera kunde de läsa 99,9 procent av sekvensen i referensgenomet. Det större antalet sekvenseringspass – standardsekvensering kräver bara cirka 6 till 10 pass – är nödvändigt för att kompensera för kortare läslängder. Men även med extrapassen är den nya tekniken mycket billigare.
Forskarna kunde verifiera riktigheten av deras sekvenser genom att jämföra dem med tidigare genetiska analyser av samma genom. Yoruba-DNA:t sekvenserat av David Bentley och hans kollegor på Illumina hade använts i tidigare studier som letade efter single-nucleotide polymorphisms (SNPs), eller genetiska variationer av en enda bokstav i taget, spridda ut genom hela genomet. Jun Wang och kollegor vid Beijing Genomics Institute, som sekvenserade det kinesiska genomet, kontrollerade deras resultat mot de från en mikroarray, som är utformad för att upptäcka tusentals vanliga SNP: er.
De två nya sekvenserna avslöjar inga genomiska överraskningar. Forskare fann cirka fyra miljoner SNP i Yoruba-genomet, varav cirka 26 procent inte tidigare hade identifierats. Yoruba-genomet visade en högre nivå av genetisk mångfald än tidigare sekvenserade enstaka genom, men tidigare analys av afrikanskt DNA hade förutspått lika mycket. Det kinesiska genomet hade däremot cirka 13,6 procent tidigare oidentifierade SNP.
Forskare hoppas att förmågan att identifiera nya SNP:er kommer att vara en välsignelse i jakten på den genomiska grunden för sjukdomar. De flesta stora genomiska studier hittills har fokuserat på vanliga genetiska variationer - de med en frekvens på minst 5 procent - eftersom de var lättast att hitta. Men forskning tyder på att dessa variationer bara står för en bråkdel av det genetiska bidraget till vanliga sjukdomar. Förmågan att sekvensera många mänskliga genom kommer att göra det möjligt för forskare att hitta mer sällsynta varianter och att karakterisera den potentiellt stora roll som de spelar för människors hälsa.
Sådana studier pågår redan. Yoruba-genomet är en del av ett internationellt samarbete känt som 1 000 Genomes-projektet, som kommer att fungera som en teknisk testbädd för högvolyms sekvensering av människor. Du kan inte göra 1 000 genom med gammal teknik, men den nya tekniken gör det möjligt, säger Lisa Brooks , chef för det genetiska variationsprogrammet vid National Human Genome Research Institute, i Bethesda, MD. Forskare som är involverade i projektet strävar efter att katalogisera alla mänskliga variationer som uppträder med cirka 0,1 procents frekvens.
Illumina är inte ensam i sin strävan att billigt sekvensera mänskliga genom. Applied Biosystems, företaget som levererade många av sekvenseringsmaskinerna till Human Genome Project, har också sekvenserat Yoruba-genomet och kommer sannolikt att publicera sina resultat snart. Två startups, Pacific Biosciences och Complete Genomics, är också heta på spåren. Complete Genomics, till exempel, lovar ett genom på $5 000 till nästa år. Företagets forskare har ännu inte publicerat sina resultat i peer-reviewade tidskrifter, så fullständigheten och riktigheten av deras metod har ännu inte validerats oberoende. Med denna och andra data från 1 000 Genomes-projektet kommer vi att ha goda förutsättningar att korrekt kalibrera dessa olika teknologier, säger Richard Gibbs , chef för Human Genome Sequencing Center vid Baylor College of Medicine, i Houston, TX.
De två nya genomen är också de första icke-kaukasiska som läggs till i den offentliga databasen. De utgör ett språngbräde för att förstå genetiska skillnader mellan etniciteter, säger Levy, som skrev en kommentar som åtföljde publiceringen av de två tidningarna.
I samma nummer av Natur , beskriver forskare från Washington University School of Medicine, i St. Louis, hur man använder Illuminas teknologi för att sekvensera det första kompletta cancergenomet. De hittade åtta tidigare oidentifierade mutationer, som kan kasta ljus över sjukdomen.
I Illumina-sekvenseringsmetoden fragmenteras DNA i små bitar och fästs molekylärt till en specialdesignad bild som kallas en flödescell. Cirka 50 miljoner fragment får plats i en enda cell. Varje fragment kopieras 1 000 gånger medan det fortfarande sitter fast vid flödescellen. Fluorescensmärkta baser, som representerar de fyra bokstäverna som utgör DNA och färgade rött, grönt, blått och gult, läggs sedan till cellen. Basen som motsvarar bokstaven i den första positionen i ett DNA-fragment kommer att fästa vid det fragmentet. En kamera tar sedan en bild av de fluorescerande baserna på var och en av de 50 miljoner platserna på flödescellen. Basen klipps sedan av och cykeln upprepas för varje bokstav i DNA-fragmentet. De resulterande bilderna är beräkningsmässigt sammanfogade för att generera en sekvens.