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Sequenziamento di un singolo cromosoma
Negli ultimi tre anni, il numero di genomi umani che sono stati sequenziati (il loro DNA letto lettera per lettera) è balzato da una manciata a centinaia, con altre migliaia in corso. Ma tutte quelle letture del genoma mancano di alcune informazioni cruciali. Una persona eredita due copie di ciascun cromosoma, una materna e una paterna. I metodi di sequenziamento esistenti non indicano se variazioni genetiche vicine tra loro sulla mappa genomica siano state ereditate dallo stesso genitore, e quindi provengano dallo stesso cromosoma, o se alcune risiedano sul cromosoma materno e altre su quello paterno. Sapere questo ha una varietà di usi, dal sequenziamento del DNA fetale al rilevamento più facile dei geni responsabili di diverse malattie al monitoraggio migliore dell'evoluzione umana.
Catturare i cromosomi: Un dispositivo di microfluidica progettato da Stephen Quake e collaboratori può catturare un singolo cromosoma, facilitando l'analisi dei singoli genomi.
Ora due squadre hanno escogitato modi per determinare questi raggruppamenti, noti come aplotipi, in un individuo. Stefano Quake e i collaboratori della Stanford University hanno sviluppato un modo per separare fisicamente le coppie di cromosomi e sequenziare singolarmente ogni filamento di DNA. Jay Shendure e colleghi dell'Università di Washington a Seattle hanno sequenziato il DNA di singoli cromosomi in pool appositamente selezionati e hanno usato queste informazioni per mettere insieme il genoma. Entrambi i progetti sono stati pubblicati questa settimana in Biotecnologie naturali .
Era un vero difetto tecnico nei genomi [sequenze] che sono stati pubblicati fino ad oggi, dice Quake, un bioingegnere a Stanford che è stato uno dei Revisione della tecnologia principali innovatori under 35 nel 2002 . Ogni genoma che faremo d'ora in poi sarà registrato con l'aplotipo.
Il team di Quake ha sfruttato la tecnologia della microfluidica sviluppata per separare e analizzare le singole cellule. In primo luogo, i ricercatori hanno intrappolato singole cellule durante una fase specifica del ciclo cellulare in cui le due copie dei suoi cromosomi vengono divise. Quindi hanno aperto la cellula, hanno suddiviso casualmente i cromosomi in diverse camere su un chip microfluidico e hanno copiato o amplificato e analizzato il DNA in ciascuna camera.
Shendure, un vincitore del TR35 nel 2006, e il suo team hanno amplificato 40.000 tratti di DNA campionati casualmente da singoli cromosomi. Poiché ogni pezzo di DNA proviene da metà di una coppia di cromosomi, i ricercatori sanno che tutte le varianti genetiche all'interno della sua sequenza si trovano sullo stesso cromosoma.
Shendure e Quake affermano che avere informazioni sugli aplotipi avrà un enorme impatto sulla genetica umana, aiutando non solo a diagnosticare e comprendere le basi genetiche di alcune malattie, ma anche a tracciare l'evoluzione della nostra specie dagli antenati dei primati.
Se qualcuno ha due mutazioni legate alla malattia all'interno di un singolo gene, è difficile determinare con gli attuali metodi di sequenziamento del genoma se c'è un errore genetico sulla copia materna e uno sulla copia paterna o se entrambe le variazioni si trovano all'interno della stessa copia del gene . Nel primo caso, la persona ha due geni difettosi, che possono causare problemi di salute. In quest'ultimo, la persona ha una buona copia del gene e una cattiva copia. In molti casi, avere la buona copia può compensare quella difettosa.
Divisione cellulare: Un dispositivo di microfluidica specializzato isola prima una singola cellula (a sinistra). I prodotti chimici digeriscono la membrana cellulare, rilasciando i cromosomi (al centro) e i singoli cromosomi vengono catturati (a destra) in una camera, dove vengono amplificati e analizzati.
L'aplotipizzazione consente anche di determinare il tipo di antigene leucocitario umano (HLA) di una persona, da geni immunitari che devono essere strettamente abbinati tra donatore e ricevente in caso di trapianto di midollo osseo o di organi. È una delle parti [variabili] più polimorfiche del genoma umano, afferma Quake. I metodi attuali per determinare il tipo di HLA generano un elenco di variazioni ma non forniscono informazioni su quali di esse si trovano su quale cromosoma. Se non tieni traccia di questo, potresti non essere in grado di ottenere una corrispondenza perfetta, afferma Quake. Abbiamo mostrato che puoi misurare [l'aplotipo] e ottenere informazioni che in linea di principio possono essere utilizzate per una migliore corrispondenza per i trapianti di midollo osseo.
La tecnologia potrebbe anche essere utilizzata per sequenziare i genomi fetali dal DNA raccolto dal sangue della madre, al fine di rilevare anomalie genetiche. (Il DNA nel sangue fetale è un mix di quello della madre e del bambino, il che rende particolarmente difficile generare un'intera sequenza del genoma.)
Oltre alla medicina, affermano i ricercatori, le informazioni sugli aplotipi aiuteranno la ricerca sulla genetica delle popolazioni, come la stima delle dimensioni e dei tempi delle espansioni e delle migrazioni umane. Puoi catturare la diversità a una risoluzione più alta se hai cromosomi individuali, dice Nicholas Schork , un genetista dello Scripps Research Institute che non era coinvolto in nessuno dei due progetti e ha scritto un commento sulla ricerca per Biotecnologie naturali . Perdi molte informazioni se guardi le cose a livello di genotipo rispetto a un livello di aplotipo.
I ricercatori sono stati in grado di dedurre statisticamente l'aplotipo per le popolazioni europee, grazie al fatto che gli europei hanno attraversato un collo di bottiglia genetico migliaia di anni fa. (Gli aplotipi si accorciano molto gradualmente, poiché le coppie di cromosomi si rompono e si riassemblano ad ogni generazione. Gli europei hanno lunghi aplotipi che non si sono ancora scomposti, il che li rende più facili da analizzare.) Ma le tecniche statistiche non hanno funzionato per le popolazioni africane, il che significa che la genetica le informazioni per questo gruppo sono molto più scarse. Per questo motivo, la maggior parte degli studi di associazione sull'intero genoma condotti fino ad oggi si sono concentrati sulle popolazioni europee.
Entrambi gli approcci aumentano il costo del sequenziamento del genoma, quindi non è chiaro quanto velocemente prenderanno piede, dice Schork. L'approccio di Shendure è uno che le persone potrebbero probabilmente implementare nei laboratori ora, dice. L'approccio di Quake genera dati molto più completi, un aplotipo che è la lunghezza di un intero cromosoma, ma è tecnicamente più impegnativo, poiché richiede chip specializzati per analizzare le singole cellule. Il sequenziamento di singole cellule e la capacità di separare i cromosomi in un piatto sono complicati, afferma Schork. A meno che qualcuno non crei un test conveniente, non verrà utilizzato di routine. Quake afferma che i chip utilizzati dal suo laboratorio e dai suoi stretti collaboratori sono attualmente in costruzione presso una fonderia accademica a Stanford. Dice: Forse a un certo punto ci sarà una soluzione commerciale.