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Secuenciación de un solo cromosoma
En los últimos tres años, la cantidad de genomas humanos que se han secuenciado (su ADN leído letra por letra) ha aumentado de un puñado a cientos, con miles más en progreso. Pero todas esas lecturas del genoma carecen de información crucial. Una persona hereda dos copias de cada cromosoma, una materna y otra paterna. Los métodos de secuenciación existentes no indican si las variaciones genéticas cercanas entre sí en el mapa genómico fueron heredadas del mismo padre y, por lo tanto, provienen del mismo cromosoma, o si algunas se encuentran en el cromosoma materno y otras en el paterno. Saber esto tiene una variedad de usos, desde secuenciar el ADN fetal hasta detectar más fácilmente los genes responsables de diferentes enfermedades para rastrear mejor la evolución humana.
Captura de cromosomas: Un dispositivo de microfluidos diseñado por Stephen Quake y sus colaboradores puede capturar un solo cromosoma, lo que facilita el análisis de genomas individuales.
Ahora, dos equipos han ideado formas de determinar estas agrupaciones, conocidas como haplotipo, en un individuo. Stephen Quake y colaboradores de la Universidad de Stanford desarrollaron una forma de separar físicamente los pares de cromosomas y secuenciar cada hebra de ADN individualmente. Jay Shendure y sus colegas de la Universidad de Washington en Seattle secuenciaron el ADN de cromosomas individuales en grupos especialmente seleccionados y usaron esta información para reconstruir el genoma. Ambos proyectos fueron publicados esta semana en Biotecnología de la naturaleza .
Fue una falla técnica real en los genomas [secuencias] que se han publicado hasta la fecha, dice Quake, un bioingeniero de Stanford que fue uno de los Revisión de tecnología Principales innovadores menores de 35 años en 2002. Cada genoma que vamos a hacer a partir de ahora se registrará con el haplotipo.
El equipo de Quake capitalizó la tecnología de microfluidos que han desarrollado para separar y analizar células individuales. Primero, los investigadores atraparon células individuales durante una fase específica del ciclo celular en la que las dos copias de sus cromosomas se separan. Luego abrieron la célula, dividieron aleatoriamente los cromosomas en diferentes cámaras en un chip de microfluidos, y copiaron, o amplificaron y analizaron el ADN en cada cámara.
Shendure, ganador de TR35 en 2006, y su equipo amplificaron 40.000 tramos de letras de ADN extraídos aleatoriamente de cromosomas individuales. Debido a que cada fragmento de ADN proviene de la mitad de un par de cromosomas, los investigadores saben que todas las variantes genéticas dentro de su secuencia se encuentran en el mismo cromosoma.
Shendure y Quake dicen que tener información sobre haplotipos tendrá un impacto enorme en la genética humana, ayudando no solo a diagnosticar y comprender la base genética de algunas enfermedades, sino también a rastrear la evolución de nuestra especie a partir de los antepasados primates.
Si alguien tiene dos mutaciones relacionadas con la enfermedad dentro de un solo gen, es difícil determinar con los métodos actuales de secuenciación del genoma si hay un error genético en la copia materna y otro en la copia paterna o si ambas variaciones se encuentran dentro de la misma copia del gen. . En el primer caso, la persona tiene dos genes defectuosos, que probablemente causen problemas de salud. En este último, la persona tiene una copia buena del gen y una copia mala. En muchos casos, tener una buena copia puede compensar la defectuosa.
División celular: Un dispositivo de microfluidos especializado primero aísla una sola célula (izquierda). Los productos químicos digieren la membrana celular, liberando los cromosomas (centro) y los cromosomas individuales se capturan (derecha) en una cámara, donde se amplifican y analizan.
El haplotipado también permite determinar el tipo de antígeno leucocitario humano (HLA) de una persona, a partir de genes inmunes que deben coincidir estrechamente entre el donante y el receptor en los casos de trasplante de médula ósea o de órganos. Es una de las partes [variables] más polimórficas del genoma humano, dice Quake. Los métodos actuales para determinar el tipo de HLA generan una lista de variaciones pero no dan información sobre cuál de ellas se encuentra en qué cromosoma. Si no realiza un seguimiento de esto, es posible que no pueda obtener una combinación perfecta, dice Quake. Demostramos que puede medir [el haplotipo] y obtener información que, en principio, puede usarse para una mejor compatibilidad para los trasplantes de médula ósea.
La tecnología también podría usarse para secuenciar genomas fetales a partir del ADN recolectado de la sangre de la madre, con el fin de detectar anomalías genéticas. (El ADN de la sangre fetal es una mezcla del de la madre y el del niño, lo que dificulta la generación de una secuencia completa del genoma).
Más allá de la medicina, dicen los investigadores, la información de haplotipos ayudará a la investigación en genética de poblaciones, como estimar el tamaño y el momento de las expansiones y migraciones humanas. Puede capturar la diversidad a una resolución más alta si tiene cromosomas individuales, dice Nicolás Schork , un genetista del Instituto de Investigación Scripps que no participó en ninguno de los proyectos y escribió un comentario sobre la investigación para Biotecnología de la naturaleza . Pierdes mucha información si miras las cosas a nivel de genotipo versus a nivel de haplotipo.
Los investigadores han podido inferir estadísticamente el haplotipo para las poblaciones europeas, gracias al hecho de que los europeos pasaron por un cuello de botella genético hace miles de años. (Los haplotipos se acortan muy gradualmente, a medida que los pares de cromosomas se rompen y se vuelven a ensamblar con cada generación. Los europeos tienen haplotipos largos que aún no se han descompuesto, lo que los hace más fáciles de analizar). Pero las técnicas estadísticas no han funcionado para las poblaciones africanas, lo que significa que la genética la información de este grupo es mucho más escasa. Por esta razón, la mayoría de los estudios de asociación de todo el genoma realizados hasta la fecha se han centrado en poblaciones europeas.
Ambos enfoques aumentan el costo de la secuenciación del genoma, por lo que no está claro qué tan rápido se pondrán al día, dice Schork. El enfoque de Shendure es uno que la gente probablemente podría implementar en los laboratorios ahora, dice. El enfoque de Quake genera datos mucho más completos, un haplotipo que tiene la longitud de un cromosoma completo, pero es técnicamente más desafiante y requiere chips especializados para analizar las células individuales. La secuenciación unicelular y la capacidad de separar cromosomas en un plato es complicada, dice Schork. A menos que alguien cree un ensayo asequible, no se utilizará de forma rutinaria. Quake dice que los chips que usan su laboratorio y colaboradores cercanos se están construyendo actualmente en una fundición académica en Stanford. Él dice, quizás haya una solución comercial en algún momento.