Расшифровка человеческого генома — по одному длинному предложению за раз
Пятнадцать лет назад проект «Геном человека» объявил, что взломал код жизни. Тем не менее, опубликованная карта человеческого генома была неполной, и части нашей ДНК оставались нерасшифрованными. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Biotechnology, приближает нас к полной генетической схеме благодаря использованию технологии секвенирования на основе нанотехнологий.
Цель международного консорциума «Геном человека» — прочитать последовательность ДНК, состоящую из четырёх букв, или оснований: A, T, G и C. В 2003 году была представлена почти полная карта генома. Однако собранный геном представлял только 92% всех человеческих генов. Неуловимыми остались 8%.
Тёмная материя внутри нас
Немаппируемая часть генома связана с «гетерохроматином» (тёмная материя генома, сильно конденсированная), в отличие от «эухроматина» (светлая материя, менее плотно упакованная). Эухроматин богат генами, а гетерохроматин относится к молчащим, репрессированным областям нашей ДНК. Эухроматин состоит из уникальных последовательностей ДНК. Гетерохроматин же в основном локализован в районе центромеры (точки прикрепления хромосом) и на кончиках «рук» хромосом (теломерах). Центромера становится незаменимой при делении клеток, распределяя хромосомы по дочерним клеткам.
Технологии секвенирования ДНК работают, считывая каждое основание по одному и выдавая короткие «прочтения» (reads). Расшифровка уникального эухроматина проста. Проблема возникает при попытке прочесть гетерохроматин, состоящий из высокоповторяющихся последовательностей ДНК, которые выглядят одинаково. Эти повторы, организованные в тандемные массивы, после обычного секвенирования превращаются в неразборчивую тарабарщину. Центромеры человеческих хромосом, состоящие из миллионов повторяющихся оснований A,T,G,C, ускользали от биологов и объясняют пробелы в нашей текущей карте ДНК.
Протягивание генома через крошечную иглу
Новое исследование команды доктора Карен Миги из Калифорнийского университета (Санта-Крус) сумело раскрыть последовательность центромеры Y-хромосомы — мужской хромосомы, самой маленькой в нашем геноме.
Исследователи смогли вставить более длинный фрагмент ДНК в нанопору («как нитку, продетую в игольное ушко»), «что привело к полному, от начала до конца, покрытию последовательности всего вставленного фрагмента». Используя этот метод нанопорового секвенирования, исследователи теперь могут расшифровывать длинные, запутанные участки ДНК, полные повторов. Эта стратегия «длинного прочтения» позволила им собрать воедино более длинные фрагменты ДНК (состоящие из мономеров повторов переменной длины). Оказалось, что когда все эти фрагменты выложены в ряд, определённые подсказки помогают восстановить повторяющуюся последовательность.
Как аккуратно уложенный участок железной дороги, авторы собрали цепь смежных последовательностей ДНК и решили головоломку центромеры Y-хромосомы. Эта работа заполняет пробелы в существующей карте человеческой ДНК.
В будущем определение последовательностей ДНК, определяющих другие центромеры, позволит исследователям переписывать, манипулировать, изменять или дублировать эти ключевые структуры. Учитывая, что центромера необходима для деления клеток и распределения генетического материала следующим поколениям, сборка центромеры Y-хромосомы представляет собой важный шаг вперёд в современной биологии.