Od czasu pierwszej kompletnej charakterystyki ludzkiego genomu w 2003 roku, nasze zrozumienie DNA stało się znacznie lepsze. Jednak mimo to istniało wiele luk w tej wiedzy. Teraz naukowcy poinformowali o poznaniu w pełni ludzkiego chromosomu X.
W 2003 roku po raz pierwszy zsekwencjonowano ludzki genom. Od tego czasu udoskonalenia technologiczne pozwoliły na dokładniejsze jego poznanie, dzięki czemu ludzki genom jest najbardziej kompletnym genomem kręgowców, jaki kiedykolwiek zsekwencjonowano. Niemniej jednak w wiedzy tej pozostawały pewne luki. Teraz, po raz pierwszy, genetycy uzupełnili niektóre z tych luk, dając nam pierwszą kompletną (od telomeru do telomeru) sekwencję ludzkiego chromosomu X.
Za przełomowym osiągnięciem stoją naukowcy z University of California w Santa Cruz, National Human Genome Research Institute (NHGRI) oraz z wielu innych instytucji naukowych z całego świata. Opis ich wysiłków ukazał się na łamach pisma „Nature”.
Całe życie na Ziemi jest zbudowane na tych samych podstawach. W dużym uproszczeniu tworzą je cztery zasady azotowe, które są budulcem DNA. Dwie purynowe – adenina i guanina oraz dwie pirymidynowe – cytozyna i tymina. Każdą z tych substancji, dla ułatwienia, oznacza się jedną literką. I tak odpowiednio A – to adenina, T – tymina, C – cytozyna i G, którą oznacza się guaninę. Ludzki genom zawiera około 6 milinów par takich zasad - zasady A, C, T i G tworzą pary w podwójnej helisie DNA i kodują informację genetyczną w swojej sekwencji.
W nowych badaniach naukowcy uzyskali pełny obraz chromosomu X. Chromosom z obu stron zakończony jest sekwencją tworzącą telomery. Trzeba zaznaczyć, że każdy z nas ma dwa zestawy chromosomów – jeden po ojcu, jeden po matce. Jednak do swoich badań uczeni wykorzystali specjalne komórki z dwoma identycznymi chromosomami X.
Osiągnięcie to było możliwe dzięki nowej technice zwanej sekwencjonowaniem nanoporowym, która umożliwia odczytywanie bardzo długich sekwencji DNA.
Powtarzające się sekwencje DNA są powszechne w całym genomie i zawsze stanowiły wyzwanie dla sekwencjonowania. Większość dotychczasowych technologii pozwalała na odczytywanie krótkich fragmentów, by następnie łączyć je w całość. Składanie tych małych fragmentów w całość przypomina nieco układanie niemal identycznie wyglądających puzzli przedstawiających czyste, bezchmurne niebo. Bez żadnych wskazówek, jak te elementy mogą do siebie pasować.
Choć naukowcy wyspecjalizowali się w składaniu tych genetycznych puzzli i stali się w tym całkiem dobrzy, to niektóre fragmenty mogą wyglądać niemal identycznie, więc bardzo trudno jest określić, czy dobrze układa się sekwencje i nie chodzi ty tylko o właściwą kolejność, ale też ile powtórzeń jest w sekwencji.
- Te bogate w powtórzenia sekwencje były kiedyś uważane za niemożliwe do ułożenia, ale teraz dokonaliśmy skoku w technologii sekwencjonowania – powiedziała Karen Miga z UC Santa Cruz, główna autorka publikacji. - Dzięki sekwencjonowaniu nanoporowym uzyskujemy bardzo długie odczyty setek tysięcy par zasad, które mogą obejmować cały region powtórzeń, co pozwala ominąć niektóre wyzwania – dodała.
Wypełnienie luk w sekwencji ludzkiego genomu otwiera nowe możliwości przed badaczami. Naukowcy będą mogli teraz szukać powiązań między zmianami sekwencji a konkretną chorobą. Być może pojawią się też inne wskazówki, które pomogą odpowiedzieć na kilka ważnych pytań dotyczących biologii i ewolucji człowieka.
Miga i Adam Phillippy z National Human Genome Research Institute założyli dwa lata temu konsorcjum Telomere-to-Telomere (T2T), którego celem było przeprowadzenia pełnego sekwencjonowania ludzkiego genomu. Technologię sekwnecjonowania nanoporowego, która pozwoliła na to osiągnięcie, zademonstrowali w publikacji w "Nature Biotechnology" z 2018 roku.
Nowe badania opierały się na tych wcześniejszych wysiłkach. Uczeni wykorzystali sekwencer MinION firmy Oxford Nanopore Technologies, który sekwencjonuje DNA, wykrywając zmianę w natężeniu prądu, gdy pojedyncze cząsteczki DNA przechodzą przez maleńki otwór (nanopor) w błonie. Każdy z czterech nukleotydów powoduje inną zmianę natężenia prądu (rzędu pikoamperów). Zmiany te rejestrowane są przez wyjątkowo czuły amperomierz.
Dzięki połączeniu sekwencjonowania nanoporowego z innymi technologiami, zespół naukowców opracował pełny obraz ludzkiego chromosomu X. Nowe badania przewyższają wszystkie wcześniejsze osiągnięcia na tym polu. - Zastosowaliśmy iteracyjny proces na trzech różnych platformach sekwencjonowania, aby dopracować sekwencję i osiągnąć wysoki poziom dokładności – wyjaśniła Miga.
Sekwencjonowanie nanoporowe, oprócz umożliwienia odczytów bardzo długich sekwencji, może również wykrywać zasady, które zostały zmodyfikowane przez metylację, czyli zmianę epigenetyczną, która nie zmienia sekwencji, ale ma istotny wpływ na strukturę DNA i ekspresję genów.
