Команда, состоящая из Медицинского колледжа Бэйлора, Университета Райса, Детской больницы Техаса и Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, разработала новый способ секвенирования геномов, который может собрать геном организма полностью с нуля, радикально дешевле и быстрее. В то время как в медицине существует много ажиотажа по поводу так называемого «генома за 1000 долларов», когда врач заказывает последовательность ДНК пациента, тест просто сравнивает фрагменты ДНК пациента с эталонным геномом. Задача создания эталонного генома с нуля - совсем другое дело; например, первоначальный проект генома человека занял 10 лет и стоил 4 миллиарда долларов. Возможность быстро и легко генерировать эталонный геном с нуля откроет двери для создания эталонных геномов для всего, от пациентов до опухолей и всех видов на Земле. Сегодня в журнале Science межучрежденческая группа сообщает о методе, называемом трехмерной сборкой генома, который может создать эталонный геном человека полностью с нуля менее чем за 10 000 долларов США.
Чтобы проиллюстрировать мощь трехмерной сборки генома, исследователи собрали 1,2 миллиарда букв генома комара Aedes aegypti, переносчика вируса Зика, создав первую непрерывную сборку каждой из трех его хромосом.. Новый геном позволит ученым лучше бороться со вспышкой вируса Зика, выявляя уязвимые места в комарах, которые вирус использует для распространения.
Геном человека представляет собой последовательность из 6 миллиардов химических букв, называемых парами оснований, разделенных на 23 пары хромосом. Несмотря на снижение стоимости секвенирования ДНК, определение последовательности каждой хромосомы с нуля, процесс, называемый сборкой генома de novo, остается чрезвычайно дорогим, поскольку длина хромосом может составлять сотни миллионов пар оснований. Напротив, сегодняшние недорогие технологии секвенирования ДНК производят короткие чтения или фрагменты последовательности ДНК длиной в сто пар оснований, которые предназначены для сравнения с существующим эталонным геномом. На самом деле создание эталонного генома и сборка всех этих длинных хромосом требует объединения множества различных технологий и стоит сотни тысяч долларов. К сожалению, поскольку человеческие геномы отличаются друг от друга, использование эталонного генома, полученного от одного человека, в процессе диагностики другого человека может замаскировать истинные генетические изменения, ответственные за состояние пациента.
«Как врачи, мы иногда сталкиваемся с пациентами, которые, как мы знаем, должны нести какие-то генетические изменения, но мы не можем понять, что это такое», - сказал доктор Авива Прессер Эйден, врач-ученый из педиатрического отделения. Глобальная программа здравоохранения в Детской больнице Техаса и соавтор нового исследования. «Чтобы понять, что происходит, нам нужны технологии, которые могут сообщать о полном геноме пациента. Но мы также не можем позволить себе тратить миллионы долларов на геном каждого пациента».
Чтобы решить эту проблему, команда разработала новый подход, называемый трехмерной сборкой, который определяет последовательность каждой хромосомы путем изучения того, как хромосомы складываются внутри ядра клетки.
«Наш метод сильно отличается от традиционной сборки генома», - сказала Ольга Дудченко, научный сотрудник Центра архитектуры генома Медицинского колледжа Бейлора, которая руководила исследованием. «Несколько лет назад наша команда разработала экспериментальный подход, который позволяет нам определить, как геном человека длиной 2 метра сворачивается, чтобы поместиться внутри ядра человеческой клетки. Карты прослеживают контур генома по мере того, как он складывается внутри ядра, они также могут вести нас через саму последовательность».
Тщательно отслеживая геном по мере того, как он складывается, команда обнаружила, что они могут сшивать сотни миллионов коротких считываний ДНК в последовательности целых хромосом. Поскольку в этом методе используются только короткие чтения, он значительно снижает стоимость сборки генома de novo, что, вероятно, ускорит использование геномов de novo в клинике. «Секвенирование генома пациента с нуля с использованием 3D-сборки настолько недорого, что сопоставимо по стоимости с МРТ», - сказал Дудченко, который также является научным сотрудником Центра теоретической биологической физики Университета Райса. «Создание генома de novo для больного пациента стало реальным».
В отличие от генетических тестов, используемых сегодня в клинике, сборка генома пациента de novo не зависит от эталонного генома, созданного в рамках проекта «Геном человека». «Наш новый метод не зависит от предыдущих знаний об индивидууме или виде, секвенируемом», - сказал Дудченко. «Это все равно что иметь возможность выполнять проект генома человека на ком угодно и когда угодно».
«Или что хотите», - сказал доктор Эрез Либерман Эйден, директор Центра архитектуры генома в Бэйлоре и соответствующий автор новой работы.«Поскольку геном генерируется с нуля, 3D-сборка может быть применена к широкому спектру видов, от медведей гризли до томатов. И это довольно просто. Мотивированный старшеклассник, имеющий доступ к ближайшей биологической лаборатории, может собрать образец. -качественный геном реального вида, например, бабочки, по цене проекта научной ярмарки."
Усилия приобрели дополнительную срочность со вспышкой вируса Зика, который переносится комаром Aedes aegypti. Исследователи надеялись использовать геном комара для определения стратегии борьбы с болезнью, но геном Aedes не был хорошо охарактеризован, а его хромосомы намного длиннее, чем у человека.
«Мы обсуждали эти идеи в течение многих лет - пишем фрагмент кода здесь, выполняя сборку для доказательства принципа», - сказал Либерман Эйден, также доцент кафедры молекулярной и человеческой генетики в Бэйлоре, информатика. в Райс и старший научный сотрудник Центра теоретической биологической физики.«Итак, у нас были сборочные данные для Aedes aegypti, которые просто сидели на наших компьютерах. Внезапно произошла вспышка вируса Зика, и сообщество специалистов по геномике загорелось желанием начать работу с Aedes. Это был поворотный момент»..
«В связи со вспышкой вируса Зика мы знали, что должны сделать все, что в наших силах, чтобы как можно скорее поделиться сборкой генома Aedes и нашими методами», - сказал Дудченко. «Эта сборка генома de novo - лишь первый шаг в борьбе с вирусом Зика, но он может помочь в более широких усилиях сообщества».
Команда также собрала геном комара Culex quinquefasciatus, основного переносчика вируса Западного Нила. «Culex - это еще один важный геном, поскольку он отвечает за передачу очень многих заболеваний», - сказал Либерман Эйден. «Тем не менее, пытаться заранее угадать, какой геном будет иметь решающее значение, - не лучший план. Вместо этого мы должны иметь возможность быстро реагировать на неожиданные события. Будь то пациент с неотложной медицинской помощью или вспышка эпидемии, эти методы позволят нам собрать геномы de novo за дни, а не годы».