211service.com
Sequentie van een enkel chromosoom
In de afgelopen drie jaar is het aantal menselijke genomen waarvan de sequentie is bepaald (hun DNA letter voor letter gelezen) gestegen van een handvol naar honderden, en er volgen er nog duizenden. Maar al die genoommetingen missen cruciale informatie. Een persoon erft twee exemplaren van elk chromosoom, één moederlijk en één vaderlijk. Bestaande sequentiemethoden geven niet aan of genetische variaties die dicht bij elkaar liggen op de genomische kaart, van dezelfde ouder zijn geërfd en daarom van hetzelfde chromosoom komen, of dat sommige op het maternale chromosoom en andere op het vaderlijke chromosoom liggen. Dit wetende heeft verschillende toepassingen, van het sequencen van foetaal DNA tot het gemakkelijker detecteren van de genen die verantwoordelijk zijn voor verschillende ziekten tot het beter volgen van de menselijke evolutie.
Het vastleggen van chromosomen: Een microfluïdica-apparaat ontworpen door Stephen Quake en medewerkers kan een enkel chromosoom vastleggen, waardoor het gemakkelijker wordt om individuele genomen te analyseren.
Nu hebben twee teams manieren bedacht om deze groeperingen - bekend als het haplotype - in een individu te bepalen. Stephen Quake en medewerkers van Stanford University ontwikkelden een manier om de chromosoomparen fysiek te scheiden en elke DNA-streng afzonderlijk te rangschikken. Jay Shendure en collega's van de Universiteit van Washington in Seattle bepaalden DNA van enkele chromosomen in speciaal geselecteerde pools en gebruikten deze informatie om het genoom samen te stellen. Beide projecten zijn deze week gepubliceerd in Natuur Biotechnologie .
Het was een echte technische fout in de genomen [sequenties] die tot nu toe zijn gepubliceerd, zegt Quake, een bio-ingenieur aan Stanford die een van de Technologie beoordeling 's top vernieuwers onder de 35 jaar in 2002. Elk genoom dat we vanaf nu gaan doen, wordt vastgelegd met het haplotype.
Quake's team profiteerde van de microfluïdische technologie die ze hebben ontwikkeld voor het scheiden en analyseren van afzonderlijke cellen. Ten eerste vingen de onderzoekers afzonderlijke cellen op tijdens een specifieke fase van de celcyclus waarin de twee kopieën van de chromosomen uit elkaar worden gehaald. Daarna barsten ze de cel open, verdeelden de chromosomen willekeurig in verschillende kamers op een microfluïdische chip, en kopieerden, of versterkten, en analyseerden het DNA in elke kamer.
Shendure, een TR35-winnaar in 2006, en zijn team versterkten 40.000 letterstukken van DNA die willekeurig waren bemonsterd van individuele chromosomen. Omdat elk stukje DNA afkomstig is van de helft van een chromosoompaar, weten onderzoekers dat alle genetische varianten binnen de sequentie op hetzelfde chromosoom liggen.
Shendure en Quake zeggen dat het hebben van haplotype-informatie een enorme impact zal hebben op de menselijke genetica, niet alleen om de genetische basis van sommige ziekten te diagnosticeren en te begrijpen, maar ook om de evolutie van onze soort van voorouders van primaten te volgen.
Als iemand twee ziektegerelateerde mutaties heeft binnen een enkel gen, is het moeilijk om met de huidige methoden voor genoomsequencing te bepalen of er één genetische fout is op de maternale kopie en één op de vaderlijke kopie of dat beide variaties binnen dezelfde kopie van het gen liggen . In het eerste geval heeft de persoon twee defecte genen, die waarschijnlijk gezondheidsproblemen veroorzaken. In het laatste geval heeft de persoon één goede kopie van het gen en één slechte kopie. In veel gevallen kan het hebben van een goed exemplaar het defecte exemplaar compenseren.
Celverdeling: Een gespecialiseerd microfluïdica-apparaat isoleert eerst een enkele cel (links). Chemicaliën verteren het celmembraan, waardoor de chromosomen (midden) vrijkomen en individuele chromosomen worden gevangen (rechts) in een kamer, waar ze worden versterkt en geanalyseerd.
Haplotypering maakt het ook mogelijk om het type humaan leukocytenantigeen (HLA) van een persoon te bepalen, uit immuungenen die nauw op elkaar afgestemd moeten zijn tussen donor en ontvanger in geval van beenmerg- of orgaantransplantatie. Het is een van de meest polymorfe [variabele] delen van het menselijk genoom, zegt Quake. De huidige methoden om het HLA-type te bepalen, genereren een lijst met variaties, maar geven geen informatie over welke ervan op welk chromosoom liggen. Als je dit niet bijhoudt, kun je misschien geen perfecte match krijgen, zegt Quake. We hebben laten zien dat je [het haplotype] kunt meten en informatie kunt krijgen die in principe kan worden gebruikt voor een betere afstemming voor beenmergtransplantaties.
De technologie kan ook worden gebruikt om foetale genomen te sequensen uit DNA dat is verzameld uit het bloed van de moeder, om genetische afwijkingen op te sporen. (Het DNA in het foetale bloed is een mix van dat van de moeder en het kind, waardoor het bijzonder moeilijk is om een volledige genoomsequentie te genereren.)
Naast de geneeskunde, zeggen onderzoekers, zal haplotype-informatie helpen bij het onderzoek naar populatiegenetica, zoals het schatten van de omvang en timing van menselijke uitbreidingen en migraties. Je kunt diversiteit vastleggen in een hogere resolutie als je individuele chromosomen hebt, zegt Nicholas Schork , een geneticus bij het Scripps Research Institute die bij geen van beide projecten betrokken was en een commentaar op het onderzoek schreef voor Natuur Biotechnologie . Je verliest veel informatie als je naar dingen kijkt op genotype-niveau versus een haplotype-niveau.
Onderzoekers hebben het haplotype voor Europese populaties statistisch kunnen afleiden, dankzij het feit dat Europeanen duizenden jaren geleden door een genetisch knelpunt gingen. (Haplotypes worden heel geleidelijk korter, omdat de chromosoomparen bij elke generatie breken en weer samenkomen. Europeanen hebben lange haplotypes die nog niet zijn afgebroken, waardoor ze gemakkelijker te analyseren zijn.) Maar statistische technieken hebben niet gewerkt voor Afrikaanse populaties, wat betekent dat genetische informatie voor deze groep is veel schaarser. Om deze reden zijn de meeste genoombrede associatiestudies die tot nu toe zijn gedaan, gericht op Europese populaties.
Beide benaderingen dragen bij aan de kosten van genoomsequencing, dus het is niet duidelijk hoe snel ze zullen aanslaan, zegt Schork. De benadering van Shendure is een aanpak die mensen nu waarschijnlijk in laboratoria kunnen implementeren, zegt hij. De benadering van Quake genereert veel completere gegevens - een haplotype dat de lengte heeft van een heel chromosoom - maar het is technisch uitdagender en vereist gespecialiseerde chips om de afzonderlijke cellen te analyseren. Single cell sequencing en het vermogen om chromosomen in een schaaltje te scheiden is ingewikkeld, zegt Schork. Tenzij iemand een betaalbare test bouwt, zal deze niet routinematig worden gebruikt. Quake zegt dat de chips die zijn lab en naaste medewerkers gebruiken momenteel worden gebouwd in een academische gieterij in Stanford. Hij zegt: Misschien komt er ooit een commerciële oplossing.