Двадцать один год назад исследователи объявили о первом «проекте» секвенирования полного генома человека. Это было грандиозное достижение, но в последовательности все еще отсутствовало около 8 процентов генома. Теперь ученые, работающие вместе по всему миру, говорят, что они наконец заполнили эти 8 недостающих процентов.
Если их работа выдержит экспертную оценку и окажется, что они действительно секвенировали и собрали геном человека целиком, это может изменить будущее медицины.
Что такое секвенирование генома?
Секвенирование генома человека уже давно является масштабным проектом с амбициозными целями. В чем его значение? Поскольку люди лучше понимают свой генетический код, они могут создавать более качественные и индивидуализированные лекарства, например, генно-ориентированные средства, которые послужили основой для первых эффективных вакцин против COVID-19.
У человека 46 хромосом в 23 парах, которые представляют десятки тысяч отдельных генов. Каждый ген состоит из некоторого количества пар оснований, состоящих из аденина (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). В геноме человека миллиарды пар оснований.
В июне 2000 года проект «Геном человека» (HGP) и частная компания Celera Genomics объявили об этом первом «черновике» генома человека. Это стало результатом многолетней работы, которая набирала обороты, поскольку люди продолжали создавать более совершенные компьютеры и алгоритмы для обработки генома. В то время ученые были удивлены, что из более чем 3 миллиардов отдельных «букв» пар оснований, по их оценкам, у людей всего от 30 000 до 35 000 генов.
Три года спустя HGP завершила свою миссию по картированию всего генома человека и так определила его термины:
Завершенная последовательность» - это технический термин, означающий, что последовательность является высокоточной (с менее чем одной ошибкой на 10 000 букв) и очень смежной (с единственными оставшимися пробелами, соответствующими областям, последовательность которых не может быть надежно разрешена с помощью современных технологий).
«Современные технологии» делают здесь очень тяжелую работу. В то время HGP использовал процесс, называемый бактериальной искусственной хромосомой (BAC), при котором ученые использовали бактерии для клонирования каждой части генома, а затем изучали их в меньших группах. Полная «библиотека ВАС» - это 20 000 тщательно подготовленных бактерий с клонированными генами внутри.
Но этот процесс BAC по своей сути пропускает некоторые части всего генома.
Прорыв в секвенировании.
Что скрывается в секретных 8 процентах генома, которые не затронули «черновик» генома 2000 года? Пары оснований в этом разделе состоят из множества повторяющихся паттернов, которые просто делали его слишком громоздким для изучения с помощью метода клонирования бактерий.
BAC и другие подходы просто не подходили для оставшихся 8% генома с большим количеством повторов. «Современные секвенаторы ДНК, созданные компанией Illumina, берут маленькие фрагменты ДНК, декодируют их и собирают полученную головоломку», - сообщает Мэтью Херпер из Stat. «Это хорошо работает для большей части генома, но не в тех областях, где код ДНК является результатом длинных повторяющихся паттернов».
Это имеет интуитивный смысл; представьте себе подсчет от 1 до 50 вместо простого подсчета 1, 2, 1, 2,. . . снова и снова. Частично успеха добились ученые, которые постарались минимизировать и согласовать перекрытия, которые стали практически невозможными в неизученной части генома, где много повторов.
Итак, чем же отличаются новые подходы? Давайте сначала посмотрим, что они из себя представляют. Калифорнийская компания Pacific Biosciences (PacBio) и Oxford Nanopore из Великобритании используют разные технологии, но стремятся к одной и той же цели.
PacBio использует систему под названием HiFi, в которой пары оснований циркулируют буквально в виде кружков, пока они не будут прочитаны полностью и с высокой точностью - отсюда и название. Система появилась всего несколько лет назад и представляет собой большой шаг вперед как по длине, так и по точности для этих более длинных последовательностей.
В то же время Oxford Nanopore использует электрический ток в своих запатентованных устройствах. Нити пар оснований проталкиваются через микроскопические нанопоры - по одной молекуле за раз - где ток захватывает их и наблюдает, что это за молекулы. Обращая внимание на каждую молекулу, ученые могут идентифицировать всю цепочку.
В новом исследовании, опубликованном на сервере биологических препринтов bioRxiv, международный консорциум из примерно 100 ученых использовал технологии PacBio и Oxford Nanopore для поиска некоторых из оставшихся неизвестных участков генома человека.
Объем работы, выполненной консорциумом, ошеломляет. «Консорциум заявил, что увеличил количество оснований ДНК с 2,92 миллиарда до 3,05 миллиарда, что на 4,5% больше. Но количество генов увеличилось всего на 0,4% до 19 969 », - сообщает Stat. Это показывает, насколько велики сильно повторяющиеся последовательности пар оснований в этой зоне по сравнению с генами, которые они представляют.
Потерянные звенья
Крестный отец секвенирования Джордж Черч, биолог из Гарвардского университета, сказал Stat, если эта работа будет успешно пройдет экспертную оценку, это будет первый раз, когда какой-либо геном позвоночных будет полностью картирован.
Почему так важна отсутствующая информация о генах? Например, упущенные из виду гены содержат множество ключевых механизмов, вызывающих заболевания.
