211service.com
Sekventering af et enkelt kromosom
I de sidste tre år er antallet af menneskelige genomer, der er blevet sekventeret (deres DNA læst bogstav for bogstav) hoppet fra en håndfuld til hundredvis, med tusinder mere i gang. Men alle disse genomaflæsninger mangler nogle afgørende oplysninger. En person arver to kopier af hvert kromosom, en moderlig og en faderlig. Eksisterende sekventeringsmetoder indikerer ikke, om genetiske variationer, der ligger tæt på hinanden på det genomiske kort, er arvet fra den samme forælder, og derfor kommer fra det samme kromosom, eller om nogle ligger på det maternelle kromosom og nogle på det faderlige. At vide dette har en række anvendelser, fra sekventering af føtalt DNA til lettere at detektere generne, der er ansvarlige for forskellige sygdomme, til bedre sporing af menneskelig evolution.
Indfangning af kromosomer: En mikrofluidik-enhed designet af Stephen Quake og samarbejdspartnere kan fange et enkelt kromosom, hvilket gør det lettere at analysere individuelle genomer.
Nu har to hold udtænkt måder at bestemme disse grupperinger - kendt som haplotypen - hos en person. Stephen Quake og samarbejdspartnere ved Stanford University udviklede en måde at fysisk adskille kromosomparrene og sekventere hver DNA-streng individuelt. Jay Shendure og kolleger ved University of Washington i Seattle sekventerede DNA fra enkelte kromosomer i særligt udvalgte puljer og brugte denne information til at sammenstykke genomet. Begge projekter blev offentliggjort i denne uge i Natur bioteknologi .
Det var en reel teknisk fejl i genomerne [sekvenser], der er blevet offentliggjort til dato, siger Quake, en bioingeniør hos Stanford, som var en af Teknologigennemgang topinnovatører under 35 år i 2002. Hvert genom, vi skal lave fra nu af, vil blive registreret med haplotypen.
Quakes team udnyttede mikrofluidikteknologi, som de har udviklet til at adskille og analysere enkeltceller. For det første fangede forskerne enkelte celler i en bestemt fase af cellecyklussen, hvor de to kopier af dets kromosomer er splittet fra hinanden. Derefter åbnede de cellen, delte kromosomerne tilfældigt i forskellige kamre på en mikrofluidikchip og kopierede eller amplificerede og analyserede DNA'et i hvert kammer.
Shendure, en TR35-vinder i 2006, og hans team forstærkede 40.000 bogstavstrækninger af DNA tilfældigt udtaget fra individuelle kromosomer. Fordi hvert stykke DNA kommer fra den ene halvdel af et kromosompar, ved forskerne, at alle de genetiske varianter i dets sekvens ligger på det samme kromosom.
Shendure og Quake siger, at det at have haplotype-information vil have en enorm indvirkning på menneskets genetik, og det hjælper ikke kun med at diagnosticere og forstå det genetiske grundlag for nogle sygdomme, men også med at spore udviklingen af vores art fra primatforfædre.
Hvis nogen har to sygdomsbundne mutationer inden for et enkelt gen, er det svært at afgøre med de nuværende genomsekventeringsmetoder, om der er én genetisk fejl på moderkopi og én på faderkopi, eller om begge variationer ligger inden for samme kopi af genet . I førstnævnte tilfælde har personen to defekte gener, som sandsynligvis vil forårsage helbredsproblemer. I sidstnævnte har personen en god kopi af genet og en dårlig kopi. I mange tilfælde kan det at have den gode kopi kompensere for den defekte.
Celledeling: En specialiseret mikrofluidikanordning isolerer først en enkelt celle (venstre). Kemikalier fordøjer cellemembranen, frigiver kromosomerne (midten), og individuelle kromosomer fanges (til højre) i et kammer, hvor de amplificeres og analyseres.
Haplotyping gør det også muligt at bestemme en persons humane leukocytantigen (HLA) type ud fra immungener, der skal matches tæt mellem donor og modtager i tilfælde af knoglemarvs- eller organtransplantation. Det er en af de mest polymorfe [variable] dele af det menneskelige genom, siger Quake. Nuværende metoder til at bestemme HLA-typen genererer en liste over variationer, men giver ingen information om, hvilke af dem der ligger på hvilket kromosom. Hvis du ikke holder styr på dette, kan du muligvis ikke få et perfekt match, siger Quake. Vi viste, at du kan måle [haplotypen] og få information, der i princippet kan bruges til bedre matchning til knoglemarvstransplantationer.
Teknologien kan også bruges til at sekventere føtale genomer fra DNA indsamlet fra moderens blod for at påvise genetiske abnormiteter. (Dna'et i fosterblodet er en blanding af moderens og barnets, hvilket gør det særligt vanskeligt at generere en hel genomsekvens.)
Ud over medicin, siger forskere, vil haplotypeinformation hjælpe forskning i befolkningsgenetik, såsom estimering af størrelsen og timingen af menneskelige udvidelser og migrationer. Du kan fange diversitet til højere opløsning, hvis du har individuelle kromosomer, siger Nicholas Schork , en genetiker ved Scripps Research Institute, som ikke var involveret i nogen af projekterne og skrev en kommentar til forskningen for Natur bioteknologi . Du mister en masse information, hvis du ser på tingene på et genotype niveau versus et haplotype niveau.
Forskere har været i stand til statistisk at udlede haplotype for europæiske befolkninger, takket være det faktum, at europæere gik gennem en genetisk flaskehals for tusinder af år siden. (Haplotyper bliver meget gradvist kortere, efterhånden som kromosomparrene går i stykker og samles igen med hver generation. Europæere har lange haplotyper, der endnu ikke er nedbrudt, hvilket gør dem nemmere at analysere.) Men statistiske teknikker har ikke virket for afrikanske befolkninger, hvilket betyder, at genetiske oplysningerne for denne gruppe er meget sparsomme. Af denne grund har de fleste af de genom-dækkende associationsundersøgelser, der er udført til dato, fokuseret på europæiske befolkninger.
Begge tilgange øger omkostningerne ved genomsekventering, så det er ikke klart, hvor hurtigt de vil fange, siger Schork. Shendures tilgang er en, folk sandsynligvis kunne implementere i laboratorier nu, siger han. Quakes tilgang genererer meget mere komplette data - en haplotype, der er længden af et helt kromosom - men det er teknisk set mere udfordrende og kræver specialiserede chips til at analysere de enkelte celler. Enkeltcellesekvensering og evnen til at adskille kromosomer i en skål er kompliceret, siger Schork. Medmindre nogen bygger en overkommelig analyse, vil den ikke blive brugt rutinemæssigt. Quake siger, at de chips, som hans laboratorium og nære samarbejdspartnere bruger, i øjeblikket bliver bygget på et akademisk støberi i Stanford. Han siger, måske kommer der en kommerciel løsning på et tidspunkt.