Onderzoekers beweren het hele menselijke genoom te hebben gesequenced

eenEen internationaal team van wetenschappers zegt dat het het hele menselijke genoom heeft gesequenced, inclusief delen die twee decennia geleden niet werden gevonden in de eerste menselijke genoomsequenties.

Deze bewering gaat, indien bevestigd, verder dan de prestatie die de leiders van het Human Genome Project en Celera Genomics in 2000 op het gazon van het Witte Huis hebben neergezet, toen ze de sequentiëring van de eerste versie van het menselijk genoom aankondigden. Dit historische ontwerp, en de daaropvolgende sequentiebepaling van menselijk DNA, misten allemaal ongeveer 8% van het genoom.

Nieuwe genoomsequencing vult deze hiaten op met behulp van nieuwe technologie. Het heeft echter verschillende beperkingen, waaronder het type cellijn dat de onderzoekers gebruikten om hun inspanningen te versnellen.

Advertenties

werk was Gedetailleerd 27 mei in prepress, wat betekent dat het nog niet door vakgenoten is beoordeeld.

“Je probeert gewoon deze laatste onbekende van het menselijk genoom te onderzoeken”, zegt Karen Mega, een onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, die mede-leider was van het internationale consortium dat de sequencing heeft gemaakt. “Het is nog niet eerder gedaan en de reden dat het nog niet eerder is gedaan, is omdat het moeilijk is.”

Advertenties

Mega bevestigde dat ze de aankondiging niet officieel zou beschouwen totdat het artikel was beoordeeld en gepubliceerd in een medisch tijdschrift.

De onderzoekers zeggen dat het nieuwe genoom een ​​sprong voorwaarts is, mogelijk gemaakt door nieuwe DNA-sequencingtechnologieën die zijn ontwikkeld door twee particuliere bedrijven: Pacific Biosciences in Menlo Park, Californië, ook bekend als BacBio, en Oxford Nanopore, uit Oxford Science Park, VK. Hun DNA-leestechnieken hebben zeer specifieke voordelen ten opzichte van tools die lange tijd als de gouden standaard voor onderzoekers werden beschouwd.

Euan Birney, adjunct-directeur-generaal van het European Molecular Biology Laboratory, beschreef het resultaat als een “sterke technische ronde”. Hij merkte op dat de originele genoompapieren zorgvuldig waren gemaakt omdat ze niet elk DNA-molecuul van het ene uiteinde naar het andere sequensen. “Wat deze groep heeft gedaan, is laten zien dat ze dit van begin tot eind kunnen doen.” Dit is belangrijk voor toekomstig onderzoek, zei hij, omdat het laat zien wat er mogelijk is.

George Church, een bioloog van Harvard en pionier op het gebied van sequencing, beschreef het werk als ‘zeer belangrijk’. Hij zei dat hij graag in zijn gesprekken opmerkt dat tot nu toe niemand het volledige genoom van gewervelde dieren heeft gesequenced – iets dat niet langer waar is, als het nieuwe werk wordt bevestigd.

Een belangrijke onbeantwoorde vraag: hoe belangrijk zijn deze ontbrekende stukjes van de menselijke puzzel? Het consortium zei dat het het aantal DNA-basen verhoogde van 2,92 miljard naar 3,05 miljard, een stijging van 4,5%. Maar het aantal genen nam met slechts 0,4% toe tot 19.669. Dat wil niet zeggen dat het werk niet ook tot andere nieuwe inzichten kan leiden, onder meer over hoe genen worden gereguleerd, benadrukten de onderzoekers.

De gebruikte DNA-sequentie was niet van een persoon, maar van een hydatidiforme moedervlek, een groei in de baarmoeder van een vrouw die optreedt wanneer een sperma een eicel bevrucht die geen kern bevat. Dit betekent dat het 23 chromosomen heeft, zoals een zaadcel of een eicel, en niet 46.

De onderzoekers kozen deze cellen, die in het laboratorium werden bewaard, omdat dit de rekeninspanning om de DNA-sequentie te creëren eenvoudiger maakte. Het oorspronkelijke Genome Project dat in 2003 werd opgericht, bevatte ook slechts 23 chromosomen, maar naarmate DNA-sequencing-technieken goedkoper en eenvoudiger werden, hadden onderzoekers de neiging om alle 46 chromosomen te sequensen.

Allen Mardis, mede-uitvoerend directeur van het Institute for Genomic Medicine in het Nationwide Children’s Hospital, is bezorgd dat nieuwe genetische informatie kan veranderen door het vasthouden van deze cellijnen in het laboratorium.”Voor een groot deel is het een residu dat zich ophoopt als een cellijn zich gedurende vele jaren in cultuur verspreidt.”

Mega zei dat studies van de cellijn aantoonden dat het op menselijke cellen leek en dat de onderzoekers cellen gebruikten die jarenlang waren ingevroren en niet in omloop waren. De volgende stap, stemde ze toe, was dat de groep probeerde alle 46 chromosomen te rangschikken, bekend als het diploïde genoom.

Waarom duurde het 20 jaar voordat de laatste 8% van het genoom werd gesequenced, terwijl de kosten voor het sequencen van de rest van het genoom daalden van $ 300 miljoen naar $ 300? Het antwoord heeft te maken met de manier waarop DNA-sequencingtechnologieën werken.

Huidige DNA-sequencers, gemaakt door Illumina, nemen kleine stukjes DNA, decoderen ze en zetten de resulterende puzzel weer in elkaar. Dit werkt goed voor de meeste genomen, maar niet in regio’s waar de DNA-code het resultaat is van lange herhalingspatronen. Als een supercomputer slechts kleine onderdelen bevat, hoe kan hij dan een DNA-sequentie samenstellen die “AGAGAGA” base op basen herhaalt? Zo zag 8% van het ontbrekende genoom eruit.

Onder deze “ongepaarde” gebieden bevindt zich een van de meest bekende structuren in de biologie. Als je ooit naar chromosomen hebt gekeken (denk terug aan de biologie van de middelbare school), ze zien eruit als touwtjes die bij elkaar worden gehouden. Deze knooppunten zijn centriolen, dit zijn bundels DNA die chromosomen met elkaar verbinden. Ze spelen een belangrijke rol bij de celdeling. Het zit vol herhalingen.

In feite waren het de planeten die Mega aantrokken om deze ontbrekende regio’s te willen zien.

“Waarom zijn regio’s die zo fundamenteel zijn voor het leven, zo fundamenteel voor hoe een cel werkt, over delen van ons genoom geplaatst die deze gigantische tandemzeeën herhalen?” Ze herinnert zich dat ze vroeg toen ze een eerstejaars was.

Het was deze vraag die haar, in een discussie met NIH-onderzoeker Adam Phillippe, ertoe bracht om hun huidige initiatief, genaamd Telomere 2 Telomere Consortium, te starten naar telomeren, die de uiteinden van het chromosoom zijn, in 2019. Ze ondertekenden Evan Eichler, een bioloog aan de Universiteit van Washington die zich als co-auteur al jaren zorgen maakt over ontbrekende delen van het genoom.

Het werk was mogelijk omdat de technologieën van Oxford Nanopore en PacBio DNA niet in kleine puzzelstukjes knippen. De Oxford Nanopore-technologie laat een DNA-molecuul door een klein gaatje lopen, wat resulteert in een zeer lange reeks. PacBio-technologie gebruikt lasers om dezelfde DNA-sequentie steeds opnieuw te scannen, wat resulteert in een uitlezing die zeer nauwkeurig kan zijn. Beide zijn duurder dan de huidige Illumina-technologie.

Bedrijven in een hete race. Voor dit project, zeggen de onderzoekers, bleek de nauwkeurigheid van PacBio’s technologie van onschatbare waarde, en ze gebruikten Oxford Nanopore om enkele van de gebieden af ​​te ronden. Maar Oxford Nanopore beloofde al een nieuwe, meer bruikbare technologie. “Voorlopig heeft PacBio het voordeel, maar het is niet duidelijk hoe lang ze het zullen kunnen behouden”, zegt Michael Schatz, assistent-professor aan de Johns Hopkins University.

Alle onderzoekers spraken over een toekomstvisie waarin ze in plaats van een enkel referentiegenoom te gebruiken, honderden verschillende, complete, onderling gerelateerde en etnisch diverse genomen zouden verzamelen die als referentie zouden kunnen worden gebruikt. Mega helpt ook dit bedrijf te leiden. Dit is slechts een stap in die richting.

Maar tot nu toe, zegt Schatz, zijn er altijd vragen geweest over wat er ontbreekt. Nu hebben we eindelijk de juiste gegevens. “We hebben de juiste technologie.”