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Genomas chinos y africanos secuenciados
Un hombre yoruba de Nigeria y un chino han se unieron a las luminarias de la genética James Watson y Craig Venter el miércoles como las únicas personas cuyas genomas fueron secuenciados y puestos a disposición del público. Los dos genomas anónimos sirven como prueba de que las nuevas tecnologías de secuenciación, que son órdenes de magnitud más baratas que los métodos estándar, son capaces de leer con precisión la secuencia de un genoma humano completo. Eso significa que los científicos podrán secuenciar a miles de personas, lo que esperan que finalmente permita una comprensión coherente de la base genómica de la enfermedad.
Lectura de ADN: El empaquetado denso de fragmentos de ADN en este chip del tamaño de una tarjeta de crédito de Illumina, llamado celda de flujo, permite una secuenciación de alto rendimiento. Aproximadamente 50 millones de grupos de ADN, cada uno de los cuales contiene aproximadamente 1000 copias del mismo fragmento, pueden caber en una celda de flujo. Actualmente se necesitan alrededor de 40 células de flujo para secuenciar con precisión un genoma humano.
Esto lleva el tiempo que lleva secuenciar un genoma humano de años a meses, dice Samuel Levy , director de genética humana del Craig Venter Institute, en Rockville, MD, que no participó en la investigación. Ese es un gran avance tecnológico. Nos da la capacidad de realizar los tipos de estudios que queremos hacer para asociar las variaciones genéticas con los rasgos humanos.
Durante la última década, el costo de la secuenciación se redujo drásticamente. Si bien la secuencia de referencia generada durante el Proyecto Genoma Humano costó $ 300 millones, el genoma de Watson, lanzado el año pasado y secuenciado usando una tecnología desarrollada por 454 Ciencias de la vida , en Branford, CT, cuestan alrededor de $ 1 a 2 millones. El genoma de Yoruba costó aproximadamente $ 250,000 y tomó solo dos meses para completarse, utilizando tecnología de Iluminar , una empresa de tecnología genética con sede en San Diego.
Las nuevas tecnologías de secuenciación aumentan la velocidad y reducen los costos al secuenciar simultáneamente cientos de miles de piezas de ADN. Por razones técnicas, este paralelismo masivo reduce el número de pares de bases, las letras del ADN, que se pueden leer en cada pieza. Los métodos de secuenciación estándar pueden leer de 400 a 800 pares de bases, pero la tecnología de Illumina solo puede leer de 35 a 50. Eso hace que sea más difícil ensamblar una secuencia completa, que requiere coser computacionalmente las piezas superpuestas.
Debido a estas breves lecturas, no estaba claro con qué precisión la tecnología de Illumina y otras compañías podría secuenciar un genoma humano. En los nuevos estudios, publicados hoy en Naturaleza , investigadores de Illumina y del Instituto de Genómica de Beijing, en China, muestran que al secuenciar los genomas de sus sujetos aproximadamente 40 veces cada uno, pudieron leer el 99,9 por ciento de la secuencia en el genoma de referencia. El mayor número de pasadas de secuenciación (la secuenciación estándar requiere sólo entre 6 y 10 pasadas) es necesaria para compensar las longitudes de lectura más cortas. Pero incluso con los pases adicionales, la nueva tecnología es mucho más barata.
Los científicos pudieron verificar la precisión de sus secuencias comparándolas con análisis genéticos previos de los mismos genomas. El ADN de Yoruba secuenciado por David Bentley y sus colegas en Illumina se había utilizado en estudios anteriores que buscaban polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), o variaciones genéticas de una sola letra a la vez, repartidas por todo el genoma. Jun Wang y sus colegas del Instituto de Genómica de Beijing, que secuenciaron el genoma chino, compararon sus resultados con los de un microarray, que está diseñado para detectar miles de SNP comunes.
Las dos nuevas secuencias no revelan ninguna sorpresa genómica. Los investigadores encontraron aproximadamente cuatro millones de SNP en el genoma de Yoruba, aproximadamente el 26 por ciento de los cuales no habían sido identificados previamente. El genoma de Yoruba mostró un nivel más alto de diversidad genética que los genomas individuales secuenciados previamente, pero el análisis anterior del ADN africano lo había predicho. El genoma chino, por el contrario, tenía alrededor del 13,6 por ciento de SNP no identificados previamente.
Los científicos esperan que la capacidad de identificar nuevos SNP sea de gran ayuda en la búsqueda de la base genómica de la enfermedad. La mayoría de los grandes estudios genómicos hasta la fecha se han centrado en variaciones genéticas comunes, aquellas con una frecuencia de al menos el 5 por ciento, porque eran las más fáciles de encontrar. Pero la investigación sugiere que estas variaciones representan solo una fracción de la contribución genética a las enfermedades comunes. La capacidad de secuenciar muchos genomas humanos permitirá a los científicos encontrar variantes más raras y caracterizar el papel potencialmente importante que desempeñan en la salud humana.
Estos estudios ya están en marcha. El genoma de Yoruba es parte de una colaboración internacional conocida como el proyecto 1,000 Genomes, que servirá como banco de pruebas tecnológicas para la secuenciación humana de alto volumen. No se podrían hacer 1,000 genomas con tecnologías antiguas, pero las nuevas tecnologías lo están haciendo posible, dice Lisa Brooks , director del programa de variación genética del Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano, en Bethesda, MD. Los científicos involucrados en el proyecto tienen como objetivo catalogar todas las variaciones humanas que aparecen con una frecuencia de aproximadamente el 0,1 por ciento.
Illumina no está solo en su búsqueda por secuenciar genomas humanos a bajo costo. Applied Biosystems, la compañía que suministró muchas de las máquinas secuenciadoras para el Proyecto Genoma Humano, también ha secuenciado el genoma Yoruba y es probable que publique sus resultados pronto. Dos nuevas empresas, Pacific Biosciences y Complete Genomics, también están en el camino. Complete Genomics, por ejemplo, promete un genoma de $ 5,000 para el próximo año. Sin embargo, los científicos de la compañía aún no han publicado sus resultados en revistas revisadas por pares, por lo que la integridad y precisión de su método aún no se ha validado de forma independiente. Con estos y otros datos del proyecto 1,000 Genomes, estaremos en una buena posición para calibrar adecuadamente estas diferentes tecnologías, dice Richard Gibbs , director del Centro de Secuenciación del Genoma Humano del Baylor College of Medicine, en Houston, TX.
Los dos nuevos genomas también son los primeros no caucásicos que se agregan a la base de datos pública. Proporcionan un trampolín para comprender las diferencias genéticas entre las etnias, dice Levy, quien escribió un comentario que acompaña a la publicación de los dos artículos.
En el mismo número de Naturaleza , científicos de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, en St. Louis, describen el uso de la tecnología de Illumina para secuenciar el primer genoma completo del cáncer. Encontraron ocho mutaciones no identificadas previamente, que pueden arrojar luz sobre la enfermedad.
En el método de secuenciación de Illumina, el ADN se fragmenta en pequeños trozos y se une molecularmente a un portaobjetos especialmente diseñado conocido como celda de flujo. Aproximadamente 50 millones de fragmentos caben en una sola celda. Cada fragmento se copia 1000 veces mientras aún está adherido a la celda de flujo. Las bases etiquetadas con fluorescencia, que representan las cuatro letras que componen el ADN y de color rojo, verde, azul y amarillo, se agregan a la célula. La base que corresponde a la letra en la primera posición en un fragmento de ADN se adherirá a ese fragmento. Luego, una cámara toma una fotografía de las bases fluorescentes en cada uno de los 50 millones de ubicaciones en la celda de flujo. A continuación, se recorta la base y se repite el ciclo para cada letra del fragmento de ADN. Las imágenes resultantes se unen computacionalmente para generar una secuencia.