211service.com
Chinese, Afrikaanse genomen gesequenced
Een mannelijke Yoruba uit Nigeria en een Han-Chinese man voegden zich woensdag bij de genetica James Watson en Craig Venter als de enige mensen waarvan de sequentie werd bepaald en openbaar werd gemaakt. De twee anonieme genomen dienen als bewijs dat nieuwe sequencing-technologieën, die orden van grootte goedkoper zijn dan standaardmethoden, in staat zijn om de sequentie van een volledig menselijk genoom nauwkeurig te lezen. Dat betekent dat wetenschappers in staat zullen zijn om duizenden mensen te sequensen, waarvan ze hopen dat ze eindelijk een coherent begrip van de genomische basis van ziekte mogelijk zullen maken.
DNA lezen: Door DNA-fragmenten dicht op elkaar te pakken op deze creditcard-chip van Illumina, een zogenaamde flowcel, is sequencing met hoge doorvoer mogelijk. Op een stroomcel passen ongeveer 50 miljoen DNA-clusters, die elk ongeveer 1.000 kopieën van hetzelfde fragment bevatten. Er zijn momenteel ongeveer 40 stroomcellen nodig om een menselijk genoom nauwkeurig te sequensen.
Dit brengt de tijd die nodig is om een menselijk genoom te sequensen van jaren naar maanden, zegt Samuel Levy , directeur menselijke genetica aan het Craig Venter Institute, in Rockville, MD, die niet betrokken was bij het onderzoek. Dat is een enorme technologische vooruitgang. Het geeft ons de mogelijkheid om het soort onderzoek te doen dat we willen doen om genetische variaties te associëren met menselijke eigenschappen.
In de afgelopen tien jaar zijn de kosten van sequencing drastisch gedaald. Terwijl de referentiesequentie die tijdens het Human Genome Project werd gegenereerd $ 300 miljoen kostte, werd het genoom van Watson vorig jaar vrijgegeven en gesequenced met behulp van een technologie die is ontwikkeld door 454 Levenswetenschappen , in Branford, CT, kostte ongeveer $ 1 tot 2 miljoen. Het Yoruba-genoom kostte naar schatting $ 250.000 en duurde slechts twee maanden om te voltooien, met behulp van technologie van Verlichten , een genetisch technologiebedrijf met hoofdkantoor in San Diego.
Nieuwe sequencing-technologieën verhogen de snelheid en verlagen de kosten door honderdduizenden stukjes DNA tegelijkertijd te sequencen. Om technische redenen vermindert dit enorme parallellisme het aantal basenparen - de DNA-letters - dat van elk stuk kan worden afgelezen. Standaard sequencing-methoden kunnen 400 tot 800 basenparen lezen, maar de technologie van Illumina kan slechts 35 tot 50 lezen. Dat maakt het moeilijker om een volledige reeks samen te stellen, waarvoor de overlappende stukken rekenkundig aan elkaar moeten worden genaaid.
Vanwege deze korte leeslengtes was het onduidelijk hoe nauwkeurig technologie van Illumina en andere bedrijven een menselijk genoom kon sequencen. In de nieuwe studies, vandaag gepubliceerd in Natuur , laten onderzoekers van Illumina en van het Beijing Genomics Institute in China zien dat ze, door de genomen van hun proefpersonen ongeveer 40 keer elk te sequencen, 99,9 procent van de sequentie in het referentiegenoom konden lezen. Het grotere aantal sequencing-passages - standaard sequencing vereist slechts ongeveer 6 tot 10 passes - is nodig om te compenseren voor kortere leeslengtes. Maar zelfs met de extra passen is de nieuwe techniek veel goedkoper.
De wetenschappers waren in staat om de nauwkeurigheid van hun sequenties te verifiëren door ze te vergelijken met eerdere genetische analyses van dezelfde genomen. Het Yoruba-DNA waarvan de sequentie werd bepaald door David Bentley en zijn collega's bij Illumina, was gebruikt in eerdere studies die zochten naar single-nucleotide polymorphisms (SNP's), of genetische variaties van een enkele letter tegelijk, verspreid over het hele genoom. Jun Wang en collega's van het Beijing Genomics Institute, die het Chinese genoom hebben gesequenced, vergeleken hun resultaten met die van een microarray, die is ontworpen om duizenden veelvoorkomende SNP's te detecteren.
De twee nieuwe sequenties onthullen geen genomische verrassingen. Onderzoekers vonden ongeveer vier miljoen SNP's in het Yoruba-genoom, waarvan ongeveer 26 procent niet eerder was geïdentificeerd. Het Yoruba-genoom vertoonde een hoger niveau van genetische diversiteit dan eerder gesequenced enkelvoudige genomen, maar eerdere analyse van Afrikaans DNA had evenveel voorspeld. Het Chinese genoom had daarentegen ongeveer 13,6 procent niet-geïdentificeerde SNP's.
Wetenschappers hopen dat het vermogen om nieuwe SNP's te identificeren een zegen zal zijn in de jacht op de genomische basis van ziekten. De meeste grote genomische onderzoeken tot nu toe waren gericht op veelvoorkomende genetische variaties - die met een frequentie van ten minste 5 procent - omdat ze het gemakkelijkst te vinden waren. Maar onderzoek suggereert dat deze variaties slechts een fractie uitmaken van de genetische bijdrage aan veel voorkomende ziekten. Het vermogen om veel menselijke genomen te sequensen zal wetenschappers in staat stellen om meer zeldzame varianten te vinden en de potentieel grote rol die ze spelen in de menselijke gezondheid te karakteriseren.
Dergelijke onderzoeken zijn al aan de gang. Het Yoruba-genoom maakt deel uit van een internationale samenwerking die bekend staat als het 1.000 Genomes-project, dat zal dienen als een technologisch testbed voor grootschalige menselijke sequencing. Je zou geen 1000 genomen kunnen maken met oude technologieën, maar de nieuwe technologieën maken het mogelijk, zegt Lisa Brooks , directeur van het programma voor genetische variatie bij het National Human Genome Research Institute, in Bethesda, MD. Wetenschappers die bij het project betrokken zijn, willen alle menselijke variaties catalogiseren die met een frequentie van ongeveer 0,1 procent voorkomen.
Illumina is niet de enige die op zoek is naar goedkope sequenties van menselijke genomen. Applied Biosystems, het bedrijf dat veel van de sequencing-machines voor het Human Genome Project heeft geleverd, heeft ook het Yoruba-genoom gesequenced en zal waarschijnlijk binnenkort de resultaten publiceren. Twee startups, Pacific Biosciences en Complete Genomics, zijn ook goed op weg. Complete Genomics belooft bijvoorbeeld volgend jaar een genoom van $ 5.000. De wetenschappers van het bedrijf hebben hun resultaten echter nog niet gepubliceerd in peer-reviewed tijdschriften, dus de volledigheid en nauwkeurigheid van hun methode moet nog onafhankelijk worden gevalideerd. Met deze en andere gegevens van het 1.000 Genomes-project zullen we in een goede positie verkeren om deze verschillende technologieën goed te kalibreren, zegt Richard Gibbs , directeur van het Human Genome Sequencing Center aan het Baylor College of Medicine, in Houston, TX.
De twee nieuwe genomen zijn ook de eerste niet-Kaukasische die aan de openbare database zijn toegevoegd. Ze vormen een opstap naar het begrijpen van genetische verschillen tussen etniciteiten, zegt Levy, die een commentaar schreef bij de publicatie van de twee artikelen.
In hetzelfde nummer van Natuur , beschrijven wetenschappers van de Washington University School of Medicine, in St. Louis, het gebruik van Illumina's technologie om het eerste volledige kankergenoom te sequensen. Ze vonden acht voorheen niet-geïdentificeerde mutaties, die licht kunnen werpen op de ziekte.
Bij de Illumina-sequencingbenadering wordt DNA gefragmenteerd in kleine stukjes en moleculair bevestigd aan een speciaal ontworpen glaasje dat bekend staat als een stroomcel. Op een enkele cel passen ongeveer 50 miljoen fragmenten. Elk fragment wordt 1000 keer gekopieerd terwijl het nog aan de stroomcel vastzit. Fluorescerend gelabelde basen, die de vier letters vertegenwoordigen waaruit DNA bestaat en rood, groen, blauw en geel gekleurd zijn, worden vervolgens aan de cel toegevoegd. De base die overeenkomt met de letter op de eerste positie in een DNA-fragment zal aan dat fragment hechten. Een camera maakt vervolgens een foto van de fluorescerende basen op elk van de 50 miljoen locaties op de stroomcel. De base wordt vervolgens afgeknipt en de cyclus wordt herhaald voor elke letter van het DNA-fragment. De resulterende afbeeldingen worden computationeel aan elkaar genaaid om een reeks te genereren.