Eρευνητές δημιουργούν την πρώτη πλήρη, χωρίς κενά αλληλουχία ανθρώπινου γονιδιώματος
Επιστήμονες δημοσίευσαν την πρώτη πλήρη, χωρίς κενά αλληλουχία ανθρώπινου γονιδιώματος, δύο δεκαετίες αφότου το Πρόγραμμα Ανθρώπινου Γονιδιώματος παρήγαγε το πρώτο σχέδιο ακολουθίας ανθρώπινου γονιδιώματος.
Σύμφωνα με ερευνητές, η ύπαρξη μιας πλήρους, χωρίς κενά αλληλουχία των περίπου 3 δισεκατομμυρίων βάσεων (ή «γραμμάτων») στο DNA μας είναι κρίσιμη για την κατανόηση του πλήρους φάσματος της ανθρώπινης γονιδιωματικής παραλλαγής και για την κατανόηση της γενετικής συμβολής σε ορισμένες ασθένειες. Η εργασία έγινε από την κοινοπραξία Telomere to Telomere (T2T), η οποία περιλάμβανε την ηγεσία από ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Έρευνας Ανθρώπινου Γονιδιώματος (NHGRI), μέρος των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας. Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Κρουζ; και Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, Σιάτλ. Το NHGRI ήταν ο κύριος χρηματοδότης της μελέτης.
Οι αναλύσεις της πλήρους αλληλουχίας του γονιδιώματος θα προσθέσουν σημαντικά τις γνώσεις μας για τα χρωμοσώματα, συμπεριλαμβανομένων πιο ακριβών χαρτών για πέντε σκέλη χρωμοσωμάτων, κάτι που ανοίγει νέες γραμμές έρευνας. Αυτό βοηθά να απαντηθούν βασικές ερωτήσεις βιολογίας σχετικά με το πώς τα χρωμοσώματα διαχωρίζονται και διαιρούνται σωστά.
Η κοινοπραξία T2T χρησιμοποίησε την ολοκληρωμένη πλέον αλληλουχία γονιδιώματος ως αναφορά για να ανακαλύψει περισσότερες από 2 εκατομμύρια επιπλέον παραλλαγές στο ανθρώπινο γονιδίωμα. Αυτές οι μελέτες παρέχουν πιο ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τις γονιδιωματικές παραλλαγές σε 622 ιατρικά σχετικά γονίδια.
«Η δημιουργία μιας πραγματικά ολοκληρωμένης αλληλουχίας ανθρώπινου γονιδιώματος αντιπροσωπεύει ένα απίστευτο επιστημονικό επίτευγμα, παρέχοντας την πρώτη ολοκληρωμένη άποψη του σχεδιαγράμματος του DNA μας», δήλωσε ο Eric Green, M.D., Ph.D., διευθυντής του NHGRI. «Αυτές οι θεμελιώδεις πληροφορίες θα ενισχύσουν τις πολλές συνεχιζόμενες προσπάθειες για την κατανόηση όλων των λειτουργικών αποχρώσεων του ανθρώπινου γονιδιώματος, οι οποίες με τη σειρά τους θα ενισχύσουν τις γενετικές μελέτες για τις ανθρώπινες ασθένειες».
Η πλέον πλήρης αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος θα είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για μελέτες που στοχεύουν να δημιουργήσουν ολοκληρωμένες απόψεις για την ποικιλία του ανθρώπινου γονιδιώματος ή πώς διαφέρει το DNA των ανθρώπων. Τέτοιες ιδέες είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της γενετικής συνεισφοράς σε ορισμένες ασθένειες και για τη χρήση της αλληλουχίας του γονιδιώματος ως ρουτίνας της κλινικής φροντίδας στο μέλλον. Πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν ήδη αρχίσει να χρησιμοποιούν μια έκδοση πριν από την κυκλοφορία της πλήρους αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος για την έρευνά τους.
Η πλήρης αλληλουχία βασίζεται στο έργο του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος, το οποίο χαρτογράφησε περίπου το 92% του γονιδιώματος, και την έρευνα που έγινε από τότε. Χιλιάδες ερευνητές έχουν αναπτύξει καλύτερα εργαστηριακά εργαλεία, υπολογιστικές μεθόδους και στρατηγικές προσεγγίσεις για την αποκρυπτογράφηση της πολύπλοκης ακολουθίας. Έξι εργασίες που περιλαμβάνουν την ολοκληρωμένη ακολουθία εμφανίζονται στο Science (ο σύνδεσμος είναι εξωτερικός), μαζί με συνοδευτικές εργασίες σε πολλά άλλα περιοδικά.
Αυτό το τελευταίο 8% περιλαμβάνει πολλά γονίδια και επαναλαμβανόμενο DNA και είναι συγκρίσιμο σε μέγεθος με ένα ολόκληρο χρωμόσωμα. Οι ερευνητές δημιούργησαν την πλήρη αλληλουχία γονιδιώματος χρησιμοποιώντας μια ειδική κυτταρική σειρά που έχει δύο πανομοιότυπα αντίγραφα κάθε χρωμοσώματος, σε αντίθεση με τα περισσότερα ανθρώπινα κύτταρα, τα οποία φέρουν δύο ελαφρώς διαφορετικά αντίγραφα. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι περισσότερες από τις πρόσφατα προστιθέμενες αλληλουχίες DNA ήταν κοντά στα επαναλαμβανόμενα τελομερή (μακριά, υστερούντα άκρα κάθε χρωμοσώματος) και κεντρομερή (πυκνά μεσαία τμήματα κάθε χρωμοσώματος).
«Από τότε που είχαμε το πρώτο σχέδιο αλληλουχίας ανθρώπινου γονιδιώματος, ο προσδιορισμός της ακριβούς αλληλουχίας σύνθετων γονιδιωματικών περιοχών ήταν δύσκολος», δήλωσε ο Evan Eichler, Ph.D., ερευνητής στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον και συμπρόεδρος της κοινοπραξίας T2T. «Είμαι ενθουσιασμένος που ολοκληρώσαμε τη δουλειά. Το πλήρες σχέδιο πρόκειται να φέρει επανάσταση στον τρόπο που σκεφτόμαστε την ανθρώπινη γονιδιωματική παραλλαγή, τις ασθένειες και την εξέλιξη».
Το κόστος προσδιορισμού της αλληλουχίας ενός ανθρώπινου γονιδιώματος χρησιμοποιώντας τεχνολογίες «σύντομης ανάγνωσης», οι οποίες παρέχουν αρκετές εκατοντάδες βάσεις αλληλουχίας DNA κάθε φορά, είναι μόνο μερικές εκατοντάδες δολάρια, έχοντας μειωθεί σημαντικά από το τέλος του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος. Ωστόσο, η χρήση αυτών των μεθόδων σύντομης ανάγνωσης από μόνη της εξακολουθεί να αφήνει ορισμένα κενά στις συναρμολογημένες αλληλουχίες γονιδιώματος.
Η τεράστια μείωση του κόστους προσδιορισμού αλληλουχίας DNA έρχεται χέρι-χέρι με αυξημένες επενδύσεις σε νέες τεχνολογίες προσδιορισμού αλληλουχίας DNA για τη δημιουργία μεγαλύτερων αναγνώσεων αλληλουχίας DNA χωρίς να διακυβεύεται η ακρίβεια.
Την τελευταία δεκαετία, εμφανίστηκαν δύο νέες τεχνολογίες αλληλουχίας DNA που παρήγαγαν πολύ μεγαλύτερες αναγνώσεις αλληλουχίας. Η μέθοδος αλληλουχίας DNA Nanopore της Oxford μπορεί να διαβάσει έως και 1 εκατομμύριο γράμματα DNA σε μία ανάγνωση με μέτρια ακρίβεια, ενώ η μέθοδος αλληλουχίας DNA PacBio HiFi μπορεί να διαβάσει περίπου 20.000 γράμματα με σχεδόν τέλεια ακρίβεια. Οι ερευνητές στην κοινοπραξία T2T χρησιμοποίησαν και τις δύο μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας DNA για να δημιουργήσουν την πλήρη αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος.
«Χρησιμοποιώντας μακροχρόνιες μεθόδους, έχουμε κάνει ανακαλύψεις στην κατανόησή μας για τα πιο δύσκολα, πλούσια σε επαναλαμβανόμενα μέρη του ανθρώπινου γονιδιώματος», λέει η Karen Miga, Ph.D., συμπρόεδρος της κοινοπραξίας T2T της οποίας η ερευνητική ομάδα στο το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz χρηματοδοτείται από το NHGRI. «Αυτή η πλήρης αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος έχει ήδη δώσει νέα εικόνα για τη βιολογία του γονιδιώματος και ανυπομονώ την επόμενη δεκαετία ανακαλύψεων σχετικά με αυτές τις πρόσφατα αποκαλυφθείσες περιοχές».
Σύμφωνα με τον συμπρόεδρο της κοινοπραξίας Adam Phillippy, Ph.D., του οποίου η ερευνητική ομάδα στο NHGRI ηγήθηκε της τελικής προσπάθειας, η αλληλούχιση ολόκληρου του γονιδιώματος ενός ατόμου θα πρέπει να γίνει λιγότερο δαπανηρή και πιο απλή τα επόμενα χρόνια.
"Στο μέλλον, όταν κάποιος έχει την αλληλουχία του γονιδιώματός του, θα είμαστε σε θέση να αναγνωρίσουμε όλες τις παραλλαγές στο DNA του και να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις πληροφορίες για να καθοδηγήσουμε καλύτερα την υγειονομική περίθαλψή του", είπε ο Phillippy. ένα νέο ζευγάρι γυαλιά. Τώρα που μπορούμε να δούμε τα πάντα καθαρά, είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να καταλάβουμε τι σημαίνει όλο αυτό."
Πολλοί ερευνητές και εκπαιδευόμενοι στην αρχή της σταδιοδρομίας έπαιξαν καθοριστικούς ρόλους, συμπεριλαμβανομένων ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins της Βαλτιμόρης, Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ, Στορς Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis Howard Hughes Medical Institute, Chevy Chase, Maryland και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, Gaithersburg, Maryland. Το πακέτο των έξι εργασιών που αναφέρουν αυτό το επίτευγμα εμφανίζεται στο σημερινό τεύχος του Science, μαζί με συνοδευτικές εργασίες σε πολλά άλλα περιοδικά."
Οι αναλύσεις της πλήρους αλληλουχίας του γονιδιώματος θα προσθέσουν σημαντικά τις γνώσεις μας για τα χρωμοσώματα, συμπεριλαμβανομένων πιο ακριβών χαρτών για πέντε σκέλη χρωμοσωμάτων, κάτι που ανοίγει νέες γραμμές έρευνας. Αυτό βοηθά να απαντηθούν βασικές ερωτήσεις βιολογίας σχετικά με το πώς τα χρωμοσώματα διαχωρίζονται και διαιρούνται σωστά.
Η κοινοπραξία T2T χρησιμοποίησε την ολοκληρωμένη πλέον αλληλουχία γονιδιώματος ως αναφορά για να ανακαλύψει περισσότερες από 2 εκατομμύρια επιπλέον παραλλαγές στο ανθρώπινο γονιδίωμα. Αυτές οι μελέτες παρέχουν πιο ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τις γονιδιωματικές παραλλαγές σε 622 ιατρικά σχετικά γονίδια.
«Η δημιουργία μιας πραγματικά ολοκληρωμένης αλληλουχίας ανθρώπινου γονιδιώματος αντιπροσωπεύει ένα απίστευτο επιστημονικό επίτευγμα, παρέχοντας την πρώτη ολοκληρωμένη άποψη του σχεδιαγράμματος του DNA μας», δήλωσε ο Eric Green, M.D., Ph.D., διευθυντής του NHGRI. «Αυτές οι θεμελιώδεις πληροφορίες θα ενισχύσουν τις πολλές συνεχιζόμενες προσπάθειες για την κατανόηση όλων των λειτουργικών αποχρώσεων του ανθρώπινου γονιδιώματος, οι οποίες με τη σειρά τους θα ενισχύσουν τις γενετικές μελέτες για τις ανθρώπινες ασθένειες».
Η πλέον πλήρης αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος θα είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για μελέτες που στοχεύουν να δημιουργήσουν ολοκληρωμένες απόψεις για την ποικιλία του ανθρώπινου γονιδιώματος ή πώς διαφέρει το DNA των ανθρώπων. Τέτοιες ιδέες είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της γενετικής συνεισφοράς σε ορισμένες ασθένειες και για τη χρήση της αλληλουχίας του γονιδιώματος ως ρουτίνας της κλινικής φροντίδας στο μέλλον. Πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν ήδη αρχίσει να χρησιμοποιούν μια έκδοση πριν από την κυκλοφορία της πλήρους αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος για την έρευνά τους.
Η πλήρης αλληλουχία βασίζεται στο έργο του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος, το οποίο χαρτογράφησε περίπου το 92% του γονιδιώματος, και την έρευνα που έγινε από τότε. Χιλιάδες ερευνητές έχουν αναπτύξει καλύτερα εργαστηριακά εργαλεία, υπολογιστικές μεθόδους και στρατηγικές προσεγγίσεις για την αποκρυπτογράφηση της πολύπλοκης ακολουθίας. Έξι εργασίες που περιλαμβάνουν την ολοκληρωμένη ακολουθία εμφανίζονται στο Science (ο σύνδεσμος είναι εξωτερικός), μαζί με συνοδευτικές εργασίες σε πολλά άλλα περιοδικά.
Αυτό το τελευταίο 8% περιλαμβάνει πολλά γονίδια και επαναλαμβανόμενο DNA και είναι συγκρίσιμο σε μέγεθος με ένα ολόκληρο χρωμόσωμα. Οι ερευνητές δημιούργησαν την πλήρη αλληλουχία γονιδιώματος χρησιμοποιώντας μια ειδική κυτταρική σειρά που έχει δύο πανομοιότυπα αντίγραφα κάθε χρωμοσώματος, σε αντίθεση με τα περισσότερα ανθρώπινα κύτταρα, τα οποία φέρουν δύο ελαφρώς διαφορετικά αντίγραφα. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι οι περισσότερες από τις πρόσφατα προστιθέμενες αλληλουχίες DNA ήταν κοντά στα επαναλαμβανόμενα τελομερή (μακριά, υστερούντα άκρα κάθε χρωμοσώματος) και κεντρομερή (πυκνά μεσαία τμήματα κάθε χρωμοσώματος).
«Από τότε που είχαμε το πρώτο σχέδιο αλληλουχίας ανθρώπινου γονιδιώματος, ο προσδιορισμός της ακριβούς αλληλουχίας σύνθετων γονιδιωματικών περιοχών ήταν δύσκολος», δήλωσε ο Evan Eichler, Ph.D., ερευνητής στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον και συμπρόεδρος της κοινοπραξίας T2T. «Είμαι ενθουσιασμένος που ολοκληρώσαμε τη δουλειά. Το πλήρες σχέδιο πρόκειται να φέρει επανάσταση στον τρόπο που σκεφτόμαστε την ανθρώπινη γονιδιωματική παραλλαγή, τις ασθένειες και την εξέλιξη».
Το κόστος προσδιορισμού της αλληλουχίας ενός ανθρώπινου γονιδιώματος χρησιμοποιώντας τεχνολογίες «σύντομης ανάγνωσης», οι οποίες παρέχουν αρκετές εκατοντάδες βάσεις αλληλουχίας DNA κάθε φορά, είναι μόνο μερικές εκατοντάδες δολάρια, έχοντας μειωθεί σημαντικά από το τέλος του Έργου Ανθρώπινου Γονιδιώματος. Ωστόσο, η χρήση αυτών των μεθόδων σύντομης ανάγνωσης από μόνη της εξακολουθεί να αφήνει ορισμένα κενά στις συναρμολογημένες αλληλουχίες γονιδιώματος.
Η τεράστια μείωση του κόστους προσδιορισμού αλληλουχίας DNA έρχεται χέρι-χέρι με αυξημένες επενδύσεις σε νέες τεχνολογίες προσδιορισμού αλληλουχίας DNA για τη δημιουργία μεγαλύτερων αναγνώσεων αλληλουχίας DNA χωρίς να διακυβεύεται η ακρίβεια.
Την τελευταία δεκαετία, εμφανίστηκαν δύο νέες τεχνολογίες αλληλουχίας DNA που παρήγαγαν πολύ μεγαλύτερες αναγνώσεις αλληλουχίας. Η μέθοδος αλληλουχίας DNA Nanopore της Oxford μπορεί να διαβάσει έως και 1 εκατομμύριο γράμματα DNA σε μία ανάγνωση με μέτρια ακρίβεια, ενώ η μέθοδος αλληλουχίας DNA PacBio HiFi μπορεί να διαβάσει περίπου 20.000 γράμματα με σχεδόν τέλεια ακρίβεια. Οι ερευνητές στην κοινοπραξία T2T χρησιμοποίησαν και τις δύο μεθόδους προσδιορισμού αλληλουχίας DNA για να δημιουργήσουν την πλήρη αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος.
«Χρησιμοποιώντας μακροχρόνιες μεθόδους, έχουμε κάνει ανακαλύψεις στην κατανόησή μας για τα πιο δύσκολα, πλούσια σε επαναλαμβανόμενα μέρη του ανθρώπινου γονιδιώματος», λέει η Karen Miga, Ph.D., συμπρόεδρος της κοινοπραξίας T2T της οποίας η ερευνητική ομάδα στο το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz χρηματοδοτείται από το NHGRI. «Αυτή η πλήρης αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος έχει ήδη δώσει νέα εικόνα για τη βιολογία του γονιδιώματος και ανυπομονώ την επόμενη δεκαετία ανακαλύψεων σχετικά με αυτές τις πρόσφατα αποκαλυφθείσες περιοχές».
Σύμφωνα με τον συμπρόεδρο της κοινοπραξίας Adam Phillippy, Ph.D., του οποίου η ερευνητική ομάδα στο NHGRI ηγήθηκε της τελικής προσπάθειας, η αλληλούχιση ολόκληρου του γονιδιώματος ενός ατόμου θα πρέπει να γίνει λιγότερο δαπανηρή και πιο απλή τα επόμενα χρόνια.
"Στο μέλλον, όταν κάποιος έχει την αλληλουχία του γονιδιώματός του, θα είμαστε σε θέση να αναγνωρίσουμε όλες τις παραλλαγές στο DNA του και να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις πληροφορίες για να καθοδηγήσουμε καλύτερα την υγειονομική περίθαλψή του", είπε ο Phillippy. ένα νέο ζευγάρι γυαλιά. Τώρα που μπορούμε να δούμε τα πάντα καθαρά, είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να καταλάβουμε τι σημαίνει όλο αυτό."
Πολλοί ερευνητές και εκπαιδευόμενοι στην αρχή της σταδιοδρομίας έπαιξαν καθοριστικούς ρόλους, συμπεριλαμβανομένων ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins της Βαλτιμόρης, Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ, Στορς Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis Howard Hughes Medical Institute, Chevy Chase, Maryland και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, Gaithersburg, Maryland. Το πακέτο των έξι εργασιών που αναφέρουν αυτό το επίτευγμα εμφανίζεται στο σημερινό τεύχος του Science, μαζί με συνοδευτικές εργασίες σε πολλά άλλα περιοδικά."
Πηγή: nih.gov
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου