211service.com
Kinesiske, afrikanske genomer sekventeret
En mandlig yoruba fra Nigeria og en han-kineser sluttede sig onsdag til genetik-armaturerne James Watson og Craig Venter som de eneste mennesker, der fik sekventeret deres genomer og gjort offentligt tilgængelige. De to anonyme genomer tjener som bevis på, at nye sekventeringsteknologier, som er størrelsesordener billigere end standardmetoder, er i stand til nøjagtigt at aflæse sekvensen af et komplet menneskeligt genom. Det betyder, at forskere vil være i stand til at sekventere tusindvis af mennesker, som de håber endelig vil muliggøre en sammenhængende forståelse af det genomiske grundlag for sygdom.
Læser DNA: Tæt pakning af DNA-fragmenter på denne chip i kreditkortstørrelse fra Illumina, kaldet en flowcelle, muliggør sekventering med høj gennemstrømning. Omkring 50 millioner klynger af DNA, som hver indeholder cirka 1.000 kopier af det samme fragment, kan passe på en flowcelle. Det tager i øjeblikket omkring 40 flowceller at sekventere et menneskeligt genom nøjagtigt.
Dette bringer den tid, det tager at sekventere et menneskeligt genom, fra år til måneder, siger Samuel Levy , direktør for human genetik ved Craig Venter Institute, i Rockville, MD, som ikke var involveret i forskningen. Det er et stort teknologisk fremskridt. Det giver os muligheden for at lave den slags undersøgelser, vi ønsker at gøre for at forbinde genetiske variationer med menneskelige egenskaber.
I løbet af det seneste årti er omkostningerne ved sekventering faldet dramatisk. Mens referencesekvensen genereret under Human Genome Project kostede 300 millioner dollars, blev Watsons genom, udgivet sidste år og sekventeret ved hjælp af en teknologi udviklet af 454 Livsvidenskab , i Branford, CT, kostede omkring 1 til 2 millioner dollars. Yoruba-genomet kostede anslået 250.000 $ og tog kun to måneder at færdiggøre ved hjælp af teknologi fra Belyse , en genteknologivirksomhed med hovedkontor i San Diego.
Nye sekventeringsteknologier øger hastigheden og reducerer omkostningerne ved samtidig at sekventere hundredtusindvis af stykker DNA. Af tekniske årsager reducerer denne massive parallelitet antallet af basepar - DNA-bogstaverne - der kan læses fra hvert stykke. Standard sekventeringsmetoder kan læse 400 til 800 basepar, men Illuminas teknologi kan kun læse 35 til 50. Det gør det sværere at samle en komplet sekvens, hvilket kræver beregningsmæssig syning af de overlappende stykker sammen.
På grund af disse korte læselængder har det været uklart, hvor nøjagtigt teknologi fra Illumina og andre virksomheder kunne sekvensere et menneskeligt genom. I de nye undersøgelser, offentliggjort i dag i Natur , viser forskere fra Illumina og fra Beijing Genomics Institute i Kina, at ved at sekventere deres forsøgspersoners genomer omkring 40 gange hver, var de i stand til at læse 99,9 procent af sekvensen i referencegenomet. Det større antal sekventeringsgennemgange – standardsekventering kræver kun omkring 6 til 10 gennemløb – er nødvendigt for at kompensere for kortere læselængder. Men selv med de ekstra gennemløb er den nye teknologi meget billigere.
Forskerne var i stand til at verificere nøjagtigheden af deres sekvenser ved at sammenligne dem med tidligere genetiske analyser af de samme genomer. Yoruba-DNA'et sekventeret af David Bentley og hans kolleger hos Illumina var blevet brugt i tidligere undersøgelser, der ledte efter single-nucleotid polymorphisms (SNP'er), eller genetiske variationer af et enkelt bogstav ad gangen, spredt ud gennem hele genomet. Jun Wang og kolleger ved Beijing Genomics Institute, som sekventerede det kinesiske genom, kontrollerede deres resultater mod resultaterne fra et mikroarray, som er designet til at opdage tusindvis af almindelige SNP'er.
De to nye sekvenser afslører ingen genomiske overraskelser. Forskere fandt omkring fire millioner SNP'er i Yoruba-genomet, hvoraf omkring 26 procent ikke tidligere var blevet identificeret. Yoruba-genomet udviste et højere niveau af genetisk diversitet end tidligere sekventerede enkeltgenomer, men tidligere analyse af afrikansk DNA havde forudsagt så meget. Det kinesiske genom havde derimod omkring 13,6 procent tidligere uidentificerede SNP'er.
Forskere håber, at evnen til at identificere nye SNP'er vil være en velsignelse i jagten på det genomiske grundlag for sygdom. De fleste store genomiske undersøgelser til dato har fokuseret på almindelige genetiske variationer - dem med en frekvens på mindst 5 procent - fordi de var de nemmeste at finde. Men forskning tyder på, at disse variationer kun tegner sig for en brøkdel af det genetiske bidrag til almindelige sygdomme. Evnen til at sekventere mange menneskelige genomer vil gøre det muligt for forskere at finde mere sjældne varianter og at karakterisere den potentielt store rolle, de spiller for menneskers sundhed.
Sådanne undersøgelser er allerede i gang. Yoruba-genomet er en del af et internationalt samarbejde kendt som 1.000 Genomes-projektet, som vil fungere som et teknologisk testleje for højvolumen human sekventering. Man kunne ikke lave 1.000 genomer med gamle teknologier, men de nye teknologier gør det muligt, siger Lisa Brooks , direktør for programmet for genetisk variation ved National Human Genome Research Institute, i Bethesda, MD. Forskere involveret i projektet sigter mod at katalogisere alle menneskelige variationer, der vises med en frekvens på omkring 0,1 procent.
Illumina er ikke alene i sin søgen efter billigt at sekventere menneskelige genomer. Applied Biosystems, firmaet, der leverede mange af sekventeringsmaskinerne til Human Genome Project, har også sekventeret Yoruba-genomet og vil sandsynligvis snart offentliggøre dets resultater. To startups, Pacific Biosciences og Complete Genomics, er også varme på sporet. Complete Genomics lover for eksempel et genom på 5.000 dollars til næste år. Virksomhedens videnskabsmænd har endnu ikke offentliggjort deres resultater i peer-reviewede tidsskrifter, så fuldstændigheden og nøjagtigheden af deres metode er endnu ikke uafhængigt valideret. Med denne og andre data fra 1.000 Genomes-projektet vil vi være i god position til korrekt at kalibrere disse forskellige teknologier, siger Richard Gibbs , direktør for Human Genome Sequencing Center ved Baylor College of Medicine i Houston, TX.
De to nye genomer er også de første ikke-kaukasiske genomer, der føjes til den offentlige database. De er et springbræt til at forstå genetiske forskelle mellem etniciteter, siger Levy, der skrev en kommentar, der ledsagede udgivelsen af de to papirer.
I samme nummer af Natur , beskriver forskere fra Washington University School of Medicine, i St. Louis, at bruge Illuminas teknologi til at sekventere det første komplette cancergenom. De fandt otte hidtil uidentificerede mutationer, som kan kaste lys over sygdommen.
I Illumina-sekventeringstilgangen fragmenteres DNA i små stykker og molekylært knyttet til et specielt designet objektglas kendt som en flowcelle. Omkring 50 millioner fragmenter passer på en enkelt celle. Hvert fragment kopieres 1.000 gange, mens det stadig sidder fast i flowcellen. Fluorescensmærkede baser, der repræsenterer de fire bogstaver, der udgør DNA og farvet rød, grøn, blå og gul, føjes derefter til cellen. Basen, der svarer til bogstavet i den første position i et fragment af DNA, vil binde sig til det fragment. Et kamera tager derefter et billede af de fluorescerende baser på hver af de 50 millioner steder på flowcellen. Basen klippes derefter af, og cyklussen gentages for hvert bogstav i DNA-fragmentet. De resulterende billeder er beregningsmæssigt syet sammen for at generere en sekvens.