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Sequenziamento dei genomi cinesi e africani
Un maschio Yoruba dalla Nigeria e un uomo cinese Han si sono uniti ai luminari della genetica James Watson e Craig Venter mercoledì come le uniche persone a cui i loro genomi sono stati sequenziati e resi disponibili al pubblico. I due genomi anonimi servono come prova che le nuove tecnologie di sequenziamento, che sono ordini di grandezza più economiche dei metodi standard, sono in grado di leggere con precisione la sequenza di un genoma umano completo. Ciò significa che gli scienziati saranno in grado di sequenziare migliaia di persone, cosa che sperano consentirà finalmente una comprensione coerente delle basi genomiche della malattia.
Leggere il DNA: L'imballaggio denso di frammenti di DNA su questo chip delle dimensioni di una carta di credito di Illumina, chiamato cella a flusso, consente il sequenziamento ad alto rendimento. Circa 50 milioni di cluster di DNA, ciascuno contenente circa 1.000 copie dello stesso frammento, possono adattarsi a una cella a flusso. Attualmente sono necessarie circa 40 celle a flusso per sequenziare accuratamente un genoma umano.
Questo porta il tempo necessario per sequenziare un genoma umano da anni a mesi, afferma Samuel Levy , direttore della genetica umana presso il Craig Venter Institute, a Rockville, MD, che non è stato coinvolto nella ricerca. Questo è un enorme progresso tecnologico. Ci dà la capacità di fare i tipi di studi che vogliamo fare per associare le variazioni genetiche ai tratti umani.
Negli ultimi dieci anni, il costo del sequenziamento è diminuito drasticamente. Mentre la sequenza di riferimento generata durante lo Human Genome Project è costata 300 milioni di dollari, il genoma di Watson, pubblicato lo scorso anno e sequenziato utilizzando una tecnologia sviluppata da 454 Scienze della vita , a Branford, CT, è costato da 1 a 2 milioni di dollari. Il genoma Yoruba è costato circa $ 250.000 e ha richiesto solo due mesi per essere completato, utilizzando la tecnologia di Illumina , una società di tecnologia genetica con sede a San Diego.
Le nuove tecnologie di sequenziamento aumentano la velocità e riducono i costi sequenziando simultaneamente centinaia di migliaia di frammenti di DNA. Per ragioni tecniche, questo massiccio parallelismo riduce il numero di coppie di basi, le lettere del DNA, che possono essere lette da ciascun pezzo. I metodi di sequenziamento standard possono leggere da 400 a 800 coppie di basi, ma la tecnologia di Illumina può leggere solo da 35 a 50. Ciò rende più difficile assemblare una sequenza completa, che richiede la cucitura computazionale dei pezzi sovrapposti.
A causa di queste brevi lunghezze di lettura, non è chiaro con quanta precisione la tecnologia di Illumina e di altre società possa sequenziare un genoma umano. Nei nuovi studi, pubblicati oggi in Natura , i ricercatori di Illumina e del Beijing Genomics Institute, in Cina, mostrano che sequenziando i genomi dei loro soggetti circa 40 volte ciascuno, sono stati in grado di leggere il 99,9% della sequenza nel genoma di riferimento. Il maggior numero di passaggi di sequenziamento (il sequenziamento standard richiede solo da 6 a 10 passaggi circa) è necessario per compensare lunghezze di lettura più brevi. Ma anche con i pass extra, la nuova tecnologia è molto più economica.
Gli scienziati sono stati in grado di verificare l'accuratezza delle loro sequenze confrontandole con precedenti analisi genetiche degli stessi genomi. Il DNA Yoruba sequenziato da David Bentley e dai suoi colleghi di Illumina era stato utilizzato in studi precedenti che cercavano polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), o variazioni genetiche di una singola lettera alla volta, sparsi attraverso l'intero genoma. Jun Wang e i colleghi del Beijing Genomics Institute, che hanno sequenziato il genoma cinese, hanno confrontato i loro risultati con quelli di un microarray, progettato per rilevare migliaia di SNP comuni.
Le due nuove sequenze non rivelano sorprese genomiche. I ricercatori hanno trovato circa quattro milioni di SNP nel genoma Yoruba, di cui circa il 26% non era stato precedentemente identificato. Il genoma Yoruba ha mostrato un livello più elevato di diversità genetica rispetto ai singoli genomi precedentemente sequenziati, ma analisi precedenti del DNA africano avevano previsto altrettanto. Il genoma cinese, al contrario, aveva circa il 13,6% di SNP precedentemente non identificati.
Gli scienziati sperano che la capacità di identificare nuovi SNP sia un vantaggio nella ricerca delle basi genomiche della malattia. La maggior parte degli studi genomici fino ad oggi si è concentrata sulle variazioni genetiche comuni, quelle con una frequenza di almeno il 5%, perché erano le più facili da trovare. Ma la ricerca suggerisce che queste variazioni rappresentano solo una frazione del contributo genetico alle malattie comuni. La capacità di sequenziare molti genomi umani consentirà agli scienziati di trovare varianti più rare e di caratterizzare il ruolo potenzialmente importante che svolgono nella salute umana.
Tali studi sono già in corso. Il genoma Yoruba fa parte di una collaborazione internazionale nota come progetto 1,000 Genomes, che fungerà da banco di prova tecnologico per il sequenziamento umano ad alto volume. Non è possibile creare 1.000 genomi con le vecchie tecnologie, ma le nuove tecnologie lo stanno rendendo possibile, afferma Lisa Brooks , direttore del programma di variazione genetica presso il National Human Genome Research Institute, a Bethesda, MD. Gli scienziati coinvolti nel progetto mirano a catalogare tutte le variazioni umane che appaiono con una frequenza di circa lo 0,1 percento.
Illumina non è la sola nella sua ricerca di sequenziare a basso costo i genomi umani. Anche Applied Biosystems, la società che ha fornito molte delle macchine di sequenziamento per il Progetto Genoma Umano, ha sequenziato il genoma Yoruba ed è probabile che pubblicherà presto i suoi risultati. Anche due startup, Pacific Biosciences e Complete Genomics, sono sulla buona strada. Complete Genomics, ad esempio, promette un genoma di $ 5.000 entro il prossimo anno. Tuttavia, gli scienziati dell'azienda non hanno ancora pubblicato i loro risultati su riviste sottoposte a revisione paritaria, quindi la completezza e l'accuratezza del loro metodo devono ancora essere convalidate in modo indipendente. Con questi e altri dati del progetto 1.000 Genomi, saremo in una buona posizione per calibrare correttamente queste diverse tecnologie, afferma Richard Gibbs , direttore del Centro di sequenziamento del genoma umano presso il Baylor College of Medicine, a Houston, TX.
I due nuovi genomi sono anche i primi non caucasici ad essere aggiunti al database pubblico. Forniscono un trampolino di lancio per comprendere le differenze genetiche tra le etnie, afferma Levy, che ha scritto un commento che accompagna la pubblicazione dei due documenti.
Nello stesso numero di Natura , gli scienziati della Washington University School of Medicine, a St. Louis, descrivono l'uso della tecnologia di Illumina per sequenziare il primo genoma del cancro completo. Hanno trovato otto mutazioni precedentemente non identificate, che potrebbero far luce sulla malattia.
Nell'approccio di sequenziamento Illumina, il DNA viene frammentato in piccoli pezzi e attaccato a livello molecolare a un vetrino appositamente progettato noto come cella di flusso. Circa 50 milioni di frammenti si adattano a una singola cellula. Ogni frammento viene copiato 1.000 volte mentre è ancora attaccato alla cella a flusso. Alla cellula vengono quindi aggiunte basi marcate con fluorescenza, che rappresentano le quattro lettere che compongono il DNA e colorate di rosso, verde, blu e giallo. La base che corrisponde alla lettera nella prima posizione in un frammento di DNA si attaccherà a quel frammento. Una fotocamera scatta quindi un'immagine delle basi fluorescenti in ciascuna delle 50 milioni di posizioni sulla cella a flusso. La base viene quindi ritagliata e il ciclo viene ripetuto per ogni lettera del frammento di DNA. Le immagini risultanti vengono unite computazionalmente per generare una sequenza.