Potente sistema di codici a barre genoma rivela variazione su larga scala nel DNA umano

anomalie genetiche sono più spesso discussi in termini di differenze così minuscoli sono effettivamente chiamato ‘snips’ – i cambiamenti in una singola unità lungo i 3 miliardi che compongono l’intera stringa del DNA umano.

‘C’è tutto un mondo al di là di SNP – polimorfismi di singoli nucleotidi – e abbiamo un passo in quel mondo,’ dice Brian Teague, un dottorando in genetica presso l’Università di Wisconsin-Madison. ‘Ci sono cambiamenti molto più grandi in là.’

Variazione dell’ordine di migliaia a centinaia di migliaia di DNA più piccoli pezzi – vaste aree di lunghezza variabile o luogo o addirittura apparire in ordine inverso – è apparso 4.205 volte in un confronto di DNA da appena quattro persone, secondo uno studio pubblicato 31 maggio negli Atti della National Academy of Sciences.

Queste differenze strutturali venuta in visione chiara attraverso l’analisi del computer di oltre 500 metri lineari di molecole di DNA analizzati dal potente sistema di mappatura del genoma sviluppate nel corso di quasi due decenni da David C. Schwartz, professore di chimica e genetica a UW-Madison.

‘Abbiamo probabilmente la visione più completa del genoma umano mai,’ ha detto Schwartz. ‘E la variazione che stiamo vedendo nel genoma umano è qualcosa che abbiamo conosciuto e importante era lì per molti anni, ma non siamo stati in grado di completamente lo studio.’

Per avere un quadro migliore di tali variazioni strutturali, Schwartz e il suo team ha sviluppato la Optical Mapping System, un tipo completamente nuovo di analisi del genoma che esamina direttamente milioni di molecole di DNA individuale.

sistemi comuni per l’analisi di genomi di solito tagliare molecole di DNA in frammenti lungo meno di un paio di migliaia di paia di basi a lungo e si moltiplicano in massa, come una macchina copia, a sviluppare un profilo chimico di ogni pezzo.

Leggendo queste piccole sezioni senza vedere il loro posto nel quadro più ampio di DNA tralascia comprensione critica. A peggiorare le cose, parti interessanti del genoma umano sono spesso scoperte all’interno del DNA tratti più difficili.

‘Pezzi brevi potrebbe davvero provenire da luoghi così diversi,’ Teague dice. ‘Una parte enorme del genoma è costituito da DNA ripetuto, e le differenze importanti sono spesso associate a zone che hanno un sacco di sezioni ripetute.’

E ‘un problema inerente al metodo che ha infastidito Schwartz per lungo tempo.

‘La nostra nuova tecnologia di analisi rapidamente enormi molecole di DNA, uno alla volta, che elimina il passaggio fotocopiatrice, riduce il numero di pezzi di DNA giga-taglio e aumenta la qualità uniche di ogni pezzo,’ ha detto Schwartz. ‘Questi vantaggi ci permettono di scoprire nuovi modelli genetici che sono altrimenti invisibili’.

Il sistema di mappatura del genoma in laboratorio Schwartz ‘prende in pezzi molto più grande, almeno milioni di paia di basi alla volta. sezioni inferiore al millimetro di molecole di DNA singolo – filiforme e, per esteso, 4-5 centimetri di lunghezza in esseri umani – sono persuasi su superfici in vetro trattato.

I lunghi filamenti di DNA raddrizzare sul vetro, e sono tagliati in sezioni da enzimi e scansionato da microscopi automatici. Il motivo di questi tagli lungo ogni thread molecola produce un codice a barre univoco, identificando la molecola di DNA e rivelando cambiamenti genetici che porti.

I risultati di scansione vengono mandati alle banche dati per la memorizzazione e il recupero, e gestite da un software che collezioni punti di codice a barre molecole insieme ad altri di ricostituire il filamento di DNA e tutto rapidamente individuare i cambiamenti genetici.

‘Quello che abbiamo qui è una versione di Google Earth genetico,’ ha detto Schwartz. ‘Potrei sedermi con lei e inizia con l’cromosoma 1, e potremmo pan e zoom attraverso ciascuno ed effettivamente vedere le modifiche genetiche attraverso genoma di un individuo.’

Per Teague, l’ottica Mapping System fornisce accesso a un nuovo quadro di riferimento sulla variabilità genetica umana.

‘Ho un intera cartella di documenti sulle malattie che sono riconducibili a queste differenze strutturali,’ dice. ‘Se si può vedere la base genetica di tali malattie, è possibile capire le differenze molecolari nel loro sviluppo e pick bersagli farmacologici per curare o guarire o evitare del tutto. Si adatta alla trama che fino al fronte. ‘

E ‘stata una lunga storia.

‘Abbiamo pensato a queste grandi variazioni strutturali per decenni,’ dice Schwartz, il cui lavoro è finanziato dal National Institutes for Health e dalla National Science Foundation. ‘Il problema era che il sistema per discernere le varianti strutturali di grandi dimensioni non era disponibile. Così abbiamo dovuto costruirlo. ‘

Il processo di costruzione integrativo incluso lo studio del comportamento dei fluidi su scala microscopica, la manipolazione di molecole di DNA di grandi dimensioni e l’immissione di codici a barre su di essi, l’automazione di microscopi ad alta potenza per analizzare singole molecole, l’organizzazione della infrastruttura informatica per gestire i dati e gli algoritmi per analizzare intero genoma umano, e altro ancora.

E dopo notevoli giri analizzando il DNA di mais, parassiti, batteri e perfino la muffa che ha causato la carestia di patate del 19 ° secolo in Irlanda, Schwartz è arrivato al genoma umano, il suo obiettivo iniziale.

“E ‘come se passano anni fare un telescopio, e poi un giorno ti puntarlo verso il cielo e scoprire cose che nessun altro poteva vedere,’ dice. ‘Abbiamo integrato i problemi scientifici così tanti insieme in modo olistico, il che ci permette di risolvere problemi molto duro.’

Il risultato è un turnaround di 30 giorni per uno studente laureato di analizzare uno genoma umano, ma questo è solo un waypoint. team di Schwartz non è solo rivolto al cielo. Esse sono finalizzate per le stelle con la costruzione di nuovi sistemi per la genomica personale.

‘Questo andare anche oltre,’ dice Konstantinos Potamousis, innovatore strumentazione del laboratorio e co-autore dello studio, che comprendeva ricercatori provenienti da UW-Madison, Mississippi State University, l’Università di Pittsburgh, la University of Southern California e l’Università di Washington. ‘I nostri sistemi di scala piacevolmente verso il futuro perché abbiamo sperimentato tecnologie di singola molecola. I nuovi sistemi che stiamo costruendo fornirà informazioni più genetiche in molto meno tempo. ‘

Con lo sviluppo completo sui nuovi dispositivi molecolari, software e analisi, un grosso pezzo del sistema è già in vigore.

E la velocità di innovazione sarà sinergizzare il ritmo di analisi del genoma.

‘I nostri nuovi sistemi di analisi del genoma, se commercializzata, la promessa l’analisi del genoma in un’ora, a meno di 1.000 dollari,’ ha detto Schwartz. ‘E noi che richiedono alta velocità e basso costo per alimentare il nuovo campo della genomica personale.’

Fonte: University of Wisconsin-Madison

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