Cea mai bună hartă a genomului uman aruncă lumină asupra „genelor de sărituri”, „ADN-ul gunoi” și multe altele

La douăzeci și doi de ani de la finalizarea proiectului genomului uman, oamenii de știință au dezvăluit cel mai expansiv catalog al variației genetice umane compilate vreodată.

Pe parcursul a două noi lucrări publicate miercuri (23 iulie) în revista Nature, oamenii de știință au secvențiat ADN -ul a 1.084 de oameni din întreaga lume. Aceștia au susținut avansările tehnologice recente pentru a analiza întinderi lungi de material genetic de la fiecare persoană, au cusut aceste fragmente împreună și au comparat genomii rezultați în detalii fine.

Rezultatele ne aprofundă înțelegerea „variantelor structurale” din genomul uman. În loc să afecteze o singură „literă” în codul ADN -ului, astfel de variații afectează bucăți mari ale codului – acestea pot fi șterse sau adăugate la genom sau cuprind locuri în care ADN -ul a fost răsturnat sau mutat într -o altă locație.

Studiile au relevat caracteristici „ascunse” ale genomului uman care au fost anterior prea dificile din punct de vedere tehnologic pentru a studia, a spus Jan Korbelcapul interimar al Laboratorul european de biologie moleculară (EMMB) Heidelbergcare este coautor al ambelor lucrări noi. De exemplu, porțiuni mari ale genomului conțin coduri care se repetă de mai multe ori, iar acestea s -au crezut că sunt nefuncționale.

„În urmă cu aproximativ 20 de ani, ne -am gândit la acest lucru ca la„ ADN -ul Junk ” – i -am oferit un termen foarte rău”, a spus Korbel pentru Live Science. „Există din ce în ce mai multe realizarea faptului că aceste secvențe nu sunt junk”, iar noua lucrare aruncă lumină asupra acestor secvențe de ADN cu malignuri lungi.

În plus, toate datele generate în noile studii sunt acces deschis, astfel încât alții din domeniu pot lua acum „rezultatele, unele dintre instrumentele pe care le -am dezvoltat și le folosesc în scopurile lor pentru a înțelege baza genetică a bolii”, a spus Korbel pentru Live Science. “Cred în detaliu că progresele pe care le publicăm în Nature astăzi, un subset dintre acestea îl vor face și în diagnostic.”

Înrudite: Identitățile rasiale și etnice ale oamenilor nu reflectă strămoșii lor genetici

Peste 1.000 de genomi

Când a fost publicat primul proiect al unui genom uman „complet” în 2003, acesta lipsea de fapt aproximativ 15% din secvența sa din cauza limitărilor tehnologice ale vremii. În 2013, oamenii de știință au reușit să închidă acest decalaj cu aproximativ jumătate. Și în sfârșit, în 2022, Primul genom uman „fără gol” a fost publicat.

În 2023, cercetătorii au publicat Primul proiect al unui pangenom umancare a încorporat ADN -ul de la 47 de oameni din întreaga lume, mai degrabă decât predominant bazat pe ADN -ul unei persoane. Și în același an, cercetătorii au publicat primul y cromozom care a fost vreodată secvențiat de la capăt la sfârșitpentru că genomul anterior „fără gol” lipsea încă cromozomul sexual masculin.

În ultimii ani, domeniul a continuat să avanseze, datorită noilor tehnologii și eforturi pentru extinderea eșantionării ADN -ului dincolo de populațiile de origine europeană în mare parte. Aceste progrese au prezentat cele două lucrări publicate în Nature în această săptămână.

În primul studiu, cercetătorii a secvențiat ADN -ul a 1.019 de persoane reprezentând 26 de populații de pe cinci continente. Pentru a analiza ADN -ul, cercetătorii au colectat „citiri lungi”, fiecare compus din zeci de mii de perechi de baze; O pereche de baze corespunde cu o treaptă în scara spirală a unei molecule de ADN.

„Cu citiri scurte din aproximativ 100 de perechi de baze, este dificil să distingem între regiunile genomice care arată la fel”, a explicat coautorul studiului Isus Emiliano Sotelo-Fonsecastudent la doctorat la Centrul pentru Reglarea Genomică (CGR) din Barcelona, Spania. Acest lucru este valabil mai ales în regiunile repetitive ale genomului. “Cu lecturi mai lungi, de aproximativ 20 de perechi de baze, alocarea fiecărei citiri într -o poziție unică în genom devine mult mai ușoară”, a spus el pentru Live Science într -un e -mail.

Mai mult de jumătate din noua variație genomică descoperită în studiu a fost găsită în acele regiuni repetitive complicate, inclusiv în transpozoni, cunoscute și sub denumirea de gene de sărituri. Transposonii pot sări în diferite locații din genom, copiere și lipirea codului lor. Uneori, în funcție de locul în care aterizează, pot destabiliza genomul, pot introduce mutații nocive și pot contribui la boli precum cancerul.

„Studiul nostru dezvăluie că unii dintre acești transpozoni pot deturna secvențe de reglementare pentru a-și spori activitatea, contribuind la înțelegerea mecanismelor biologice din spatele mutagenității lor” sau a capacității de a declanșa mutații, de a studia coautorul de studiu Bernardo Rodríguez-Martína declarat un coleg independent la CGR și un fost postdoc în Laboratorul EMBL al lui Korbel, Live Science într -un e -mail.

Genele de sărituri pot, în esență, să se plimbe cu anumite molecule de reglementare – ARN -uri lungi care nu codifică – și să folosească acest truc pentru a face mult mai multe copii ale lor decât ar fi de obicei. “Acesta este un mecanism foarte surprinzător pentru noi”, a spus Korbel.

Înrudite: Oamenii de știință au descoperit doar un mod nou mod celulele își controlează genele

De la 95% la 99%

Al doilea studiu a prezentat mult mai puțini genomi – doar 65 în total – dar a secvențiat acei genomi mai cuprinzători decât a făcut primul studiu. Primul studiu a capturat aproximativ 95% din fiecare genom analizat, în timp ce al doilea studiu a generat genomuri complete de 99%.

“S -ar putea să pară o mică diferență, dar este uriaș de fapt din perspectiva omului de știință al genomului”, a spus Korbel. “Pentru a obține ultimele procente, este o realizare majoră.”

Acest salt a necesitat diferite tehnici de secvențiere, precum și noi abordări analitice. “Acest proiect a folosit un software de ultimă oră pentru a asambla genomii și pentru a identifica variația genetică, o mare parte din care pur și simplu nu existau acum câțiva ani”, coautor Charles Leea spus un profesor la Laboratorul Jackson pentru Medicină Genomică, a spus Live Science într -un e -mail.

Tehnicile de secvențiere au inclus una care a generat lecturi lungi cu foarte puține erori și una care a generat lecturi ultralong care au fost puțin mai predispuse la erori. În detrimentul analizării mai puțini genomi, această abordare a permis totuși celui de-al doilea studiu să surprindă întinderi de ADN care au fost total ratate în primul, a spus Rodríguez-Martín.

Aceste regiuni „ascunse” includeau centromerestructuri importante la centrele din cromozomi Acestea sunt esențiale pentru diviziunea celulară. Pe măsură ce o celulă se pregătește să se împartă, fibrele se atașează de centromere și apoi trag cromozomul în două. Studiul a descoperit că, în aproximativ 7% din centromere, există probabil două locuri în care aceste fibre se pot atașa, în loc de unul.

„Ar putea însemna că acei cromozomi sunt mai instabili? Pentru că dacă fusul [fiber] Se atașează la două puncte, s -ar putea să se confunde “, a spus Korbel. Aceasta este o idee pur speculativă, a adăugat el, dar este una care poate fi explorată acum. Următorul pas va fi studierea efectelor acestor variații centromere experimental, a fost de acord.

Problemele cu divizarea cromozomilor pot duce la diferite condiții. De exemplu, „Sindromul Down este rezultatul unei greșeli de segregare a cromozomilor în timpul divizării celulare în meioză”, când celulele se împart pentru a forma spermă și ouă, coautor Dr. Miriam Konkela spus un profesor asistent la Centrul Universității Clemson pentru Genetică Umană, Live Science într -un e -mail.

Ca și primul studiu, al doilea studiu a oferit, de asemenea, o privire fără precedent asupra genelor de sărituri, catalogând mai mult de 12.900. Dincolo de cancer, genele de sărituri pot declanșa și diverse boli genetice Prin provocarea mutațiilor, precum și modificări mai subtile ale modului în care genele sunt pornite și oprite, a menționat Konkel. O mai bună înțelegere a diversității genelor de sărituri poate ajuta la eliminarea funcției lor în sănătatea și bolile umane.

Privind ambele studii, oamenii de știință pot compara acum genomii nou secvențiați cu alte seturi de date care includ atât date despre genom, cât și date de sănătate, a menționat Korbel. Acesta ar fi primul pas către conectarea noilor variații structurale la rezultatele tangibile de sănătate și, în cele din urmă, la încorporarea acestor informații despre practica medicală.

„Anumite studii clinice nu vor putea să le ignore [sequencing] Tehnici pentru că le vor oferi o sensibilitate mai mare pentru a identifica variația “, a spus Korbel.” Nu vrei să ratezi variantele. “

Lee a adăugat încă mai multe lucrări pentru îmbunătățirea datelor genomice. Mai mult ADN ar putea fi încorporat din populațiile subreprezentate, iar tehnicile și software -ul de secvențiere ar putea fi perfecționate în continuare pentru a face procesul mai eficient și mai precis. Între timp, perechea de noi studii marchează o fază tehnologică majoră.

“Aceste instrumente avansate au fost dezvoltate recent pentru a gestiona cantitățile uriașe de date de citire lungă pe care le folosim acum pentru fiecare genom”, a spus Lee. “Câțiva ani în urmă, asamblarea unui cromozom uman complet de la capăt la sfârșit, în special inclusiv centromere, a fost practic de neatins, deoarece software -ul și algoritmii nu erau încă maturi.”

Nicoletta Lanese este redactorul canalului de sănătate la Live Science și a fost anterior redactor de știri și scriitor de personal pe site. Ea deține un certificat de absolvire în comunicare științifică de la UC Santa Cruz și diplome în neuroștiință și dans de la Universitatea din Florida. Opera ei a apărut în The Scientist, Science News, The Mercury News, Mongabay și Stanford Medicine Magazine, printre alte puncte de vânzare. Cu sediul în New York, ea rămâne, de asemenea, puternic implicată în dans și concertează în activitatea coregrafilor locali.