211service.com
Sekvensering av en enda kromosom
Under de senaste tre åren har antalet mänskliga genom som har sekvenserats (deras DNA läses bokstav för bokstav) hoppat från en handfull till hundratals, med tusentals fler på gång. Men alla dessa genomavläsningar saknar viss viktig information. En person ärver två kopior av varje kromosom, en moderlig och en faderlig. Befintliga sekvenseringsmetoder indikerar inte om genetiska variationer som ligger nära varandra på den genomiska kartan ärvts från samma förälder, och därför kommer från samma kromosom, eller om vissa ligger på moderns kromosom och några på den faderliga. Att veta detta har en mängd olika användningsområden, från sekvensering av foster-DNA till att lättare upptäcka generna som är ansvariga för olika sjukdomar till bättre spårning av mänsklig evolution.
Fånga kromosomer: En mikrofluidikenhet designad av Stephen Quake och medarbetare kan fånga en enda kromosom, vilket gör det lättare att analysera individuella genom.
Nu har två team utarbetat sätt att bestämma dessa grupperingar – känd som haplotypen – hos en individ. Stephen Quake och medarbetare vid Stanford University utvecklade ett sätt att fysiskt separera kromosomparen och sekvensera varje DNA-sträng individuellt. Jay Shendure och kollegor vid University of Washington i Seattle sekvenserade DNA från enstaka kromosomer i speciellt utvalda pooler och använde denna information för att pussla ihop genomet. Båda projekten publicerades denna vecka i Naturens bioteknik .
Det var ett verkligt tekniskt fel i genomen [sekvenser] som har publicerats hittills, säger Quake, en bioingenjör vid Stanford som var en av Teknikgranskning bästa innovatörer under 35 år 2002 . Varje genom vi kommer att göra från och med nu kommer att registreras med haplotypen.
Quakes team utnyttjade mikrofluidikteknologi som de har utvecklat för att separera och analysera enstaka celler. Först fångade forskarna enstaka celler under en specifik fas av cellcykeln där de två kopiorna av dess kromosomer delas isär. Sedan sprack de upp cellen, fördelade kromosomerna slumpmässigt i olika kammare på ett mikrofluidikchip, och kopierade eller amplifierade och analyserade DNA:t i varje kammare.
Shendure, en TR35-vinnare 2006, och hans team förstärkte 40 000 bokstavsträckor av DNA slumpmässigt provtagna från individuella kromosomer. Eftersom varje bit av DNA kommer från ena halvan av ett kromosompar, vet forskarna att alla genetiska varianter inom dess sekvens ligger på samma kromosom.
Shendure och Quake säger att haplotypinformation kommer att ha en enorm inverkan på mänsklig genetik, vilket inte bara hjälper till att diagnostisera och förstå den genetiska grunden för vissa sjukdomar utan också att spåra utvecklingen av vår art från primaternas förfäder.
Om någon har två sjukdomslänkade mutationer inom en enda gen är det svårt att med nuvarande genomsekvenseringsmetoder avgöra om det finns ett genetiskt misstag på moderkopian och ett på faderkopian eller om båda variationerna ligger inom samma kopia av genen . I det förra fallet har personen två defekta gener, som sannolikt kan orsaka hälsoproblem. I den senare har personen en bra kopia av genen och en dålig kopia. I många fall kan ett bra exemplar kompensera för det defekta exemplaret.
Celldelning: En specialiserad mikrofluidikanordning isolerar först en enda cell (vänster). Kemikalier smälter cellmembranet, frigör kromosomerna (mitten) och individuella kromosomer fångas (till höger) i en kammare, där de förstärks och analyseras.
Haplotypning gör det också möjligt att bestämma en persons typ av humant leukocytantigen (HLA), från immungener som måste vara nära matchade mellan givare och mottagare vid benmärgs- eller organtransplantation. Det är en av de mest polymorfa [variabla] delarna av mänskligt genom, säger Quake. Nuvarande metoder för att bestämma HLA-typ genererar en lista med variationer men ger ingen information om vilken av dem som ligger på vilken kromosom. Om du inte håller reda på detta kanske du inte kan få en perfekt matchning, säger Quake. Vi visade att man kan mäta [haplotypen] och få information som i princip kan användas för bättre matchning för benmärgstransplantationer.
Tekniken kan också användas för att sekvensera fostrets genom från DNA som samlats in från moderns blod, för att upptäcka genetiska avvikelser. (DNA:t i fostrets blod är en blandning av moderns och barnets, vilket gör det särskilt svårt att generera en hel genomsekvens.)
Utöver medicin, säger forskare, kommer haplotypinformation att hjälpa forskning inom populationsgenetik, som att uppskatta storleken och tidpunkten för mänskliga expansioner och migrationer. Du kan fånga mångfald till högre upplösning om du har individuella kromosomer, säger Nicholas Schork , en genetiker vid Scripps Research Institute som inte var involverad i något av projekten och skrev en kommentar om forskningen för Naturens bioteknik . Du förlorar mycket information om du tittar på saker på genotypnivå kontra haplotypnivå.
Forskare har statistiskt kunnat sluta sig till haplotyp för europeiska populationer, tack vare det faktum att européer gick igenom en genetisk flaskhals för tusentals år sedan. (Haplotyper blir mycket gradvis kortare, eftersom kromosomparen går sönder och sätts samman med varje generation. Européer har långa haplotyper som ännu inte har brutits ner, vilket gör dem lättare att analysera.) Men statistiska tekniker har inte fungerat för afrikanska populationer, vilket betyder att genetiska informationen för denna grupp är mycket glesare. Av denna anledning har de flesta av de genomomfattande associationsstudierna som gjorts hittills fokuserat på europeiska populationer.
Båda tillvägagångssätten ökar kostnaden för genomsekvensering, så det är inte klart hur snabbt de kommer att komma ikapp, säger Schork. Shendures tillvägagångssätt är en som människor troligen skulle kunna implementera i laboratorier nu, säger han. Quakes tillvägagångssätt genererar mycket mer kompletta data - en haplotyp som är längden på en hel kromosom - men det är tekniskt sett mer utmanande och kräver specialiserade chip för att analysera de enskilda cellerna. Encellssekvensering och förmågan att separera kromosomer i en maträtt är komplicerad, säger Schork. Om inte någon bygger en prisvärd analys kommer den inte att användas rutinmässigt. Quake säger att chipsen som hans labb och nära medarbetare använder för närvarande byggs på ett akademiskt gjuteri i Stanford. Han säger att det kanske kommer en kommersiell lösning någon gång.