Naukowcy opublikowali pierwszą kompletną sekwencję ludzkiego genomu bez przerw, dwie dekady po tym, jak Human Genome Project wyprodukował pierwszy szkic sekwencji ludzkiego genomu. Według naukowców posiadanie kompletnej, pozbawionej przerw sekwencji około 3 miliardów zasad (lub „liter”) w naszym DNA ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia pełnego spektrum zmienności genomu człowieka i zrozumienia wkładu genetycznego w niektóre choroby. Prace wykonało konsorcjum Telomere to Telomere (T2T), w skład którego weszli naukowcy z Narodowego Instytutu Badań nad Genomem Człowieka (NHGRI), będącego częścią Narodowych Instytutów Zdrowia; Uniwersytet Kalifornijski w Santa Cruz; oraz University of Washington w Seattle. NHGRI była głównym fundatorem badania.
Analizy pełnej sekwencji genomu znacznie poszerzą naszą wiedzę na temat chromosomów, w tym dokładniejsze mapy pięciu ramion chromosomów, co otwiera nowe kierunki badań. Pomaga to znaleźć odpowiedzi na podstawowe pytania biologiczne o to, jak chromosomy prawidłowo segregują i dzielą się. Konsorcjum T2T wykorzystało kompletną już sekwencję genomu jako odniesienie do odkrycia ponad 2 milionów dodatkowych wariantów w ludzkim genomie. Badania te dostarczają dokładniejszych informacji o wariantach genomowych w 622 medycznie istotnych genach.
„Wygenerowanie naprawdę kompletnej sekwencji ludzkiego genomu stanowi niesamowite osiągnięcie naukowe, dostarczając pierwszego kompleksowego obrazu naszego planu DNA” – powiedział dr n. med. Eric Green, dyrektor NHGRI. „Te fundamentalne informacje wzmocnią wiele trwających wysiłków zmierzających do zrozumienia wszystkich funkcjonalnych niuansów ludzkiego genomu, co z kolei wzmocni badania genetyczne nad chorobami człowieka”.
Kompletna już sekwencja ludzkiego genomu będzie szczególnie cenna dla badań, których celem jest ustalenie wszechstronnego obrazu zmienności genomu człowieka lub różnic w ludzkim DNA. Takie spostrzeżenia mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia wkładu genetycznego w niektóre choroby i wykorzystania sekwencji genomu jako rutynowej części opieki klinicznej w przyszłości. Wiele grup badawczych zaczęło już wykorzystywać do swoich badań wersję przedpremierową pełnej sekwencji ludzkiego genomu.
Pełne sekwencjonowanie opiera się na pracach projektu Human Genome Project, który zmapował około 92% genomu i badaniach podjętych od tego czasu. Tysiące naukowców opracowało lepsze narzędzia laboratoryjne, metody obliczeniowe i strategiczne podejścia do rozszyfrowania złożonej sekwencji. Sześć artykułów obejmujących ukończoną sekwencję pojawia się w Science, wraz z artykułami towarzyszącymi w kilku innych czasopismach.
Te ostatnie 8% zawiera liczne geny i powtarzające się DNA i jest porównywalne pod względem wielkości do całego chromosomu. Naukowcy wygenerowali pełną sekwencję genomu przy użyciu specjalnej linii komórkowej, która ma dwie identyczne kopie każdego chromosomu, w przeciwieństwie do większości komórek ludzkich, które mają dwie nieco różne kopie. Naukowcy zauważyli, że większość nowo dodanych sekwencji DNA znajdowała się w pobliżu powtarzających się telomerów (długie końce każdego chromosomu) i centromerów (gęste środkowe sekcje każdego chromosomu).
„Odkąd mieliśmy pierwszy szkic sekwencji ludzkiego genomu, określenie dokładnej sekwencji złożonych regionów genomu było wyzwaniem” – powiedział dr Evan Eichler, naukowiec z University of Washington School of Medicine i współprzewodniczący konsorcjum T2T. „Jestem podekscytowany, że udało nam się wykonać zadanie. Kompletny plan zrewolucjonizuje sposób, w jaki myślimy o zmienności genomu człowieka, chorobach i ewolucji”.
Koszt sekwencjonowania ludzkiego genomu przy użyciu technologii “short-read”, które dostarczają kilkaset baz sekwencji DNA na raz, to zaledwie kilkaset dolarów, znacznie spadł od zakończenia Human Genome Project. Jednak samo stosowanie tych metod krótkiego odczytu nadal pozostawia pewne luki w zmontowanych sekwencjach genomu. Ogromny spadek kosztów sekwencjonowania DNA idzie w parze ze zwiększonymi inwestycjami w nowe technologie sekwencjonowania DNA w celu generowania dłuższych odczytów sekwencji DNA bez pogorszenia dokładności.
W ciągu ostatniej dekady pojawiły się dwie nowe technologie sekwencjonowania DNA, które dały znacznie dłuższe odczyty sekwencji. Metoda sekwencjonowania DNA Oxford Nanopore może odczytać do 1 miliona liter DNA w jednym odczycie z niewielką dokładnością, podczas gdy metoda sekwencjonowania PacBio HiFi DNA może odczytać około 20 000 liter z niemal idealną dokładnością. Naukowcy z konsorcjum T2T wykorzystali obie metody sekwencjonowania DNA do wygenerowania pełnej sekwencji genomu ludzkiego.
„Korzystając z od dawna czytanych metod, dokonaliśmy przełomu w zrozumieniu najtrudniejszych, bogatych w powtórzenia części ludzkiego genomu” – mówi dr Karen Miga, współprzewodnicząca konsorcjum T2T, którego grupa badawcza na Uniwersytet Kalifornijski w Santa Cruz jest finansowany przez NHGRI. „Ta kompletna sekwencja ludzkiego genomu już zapewniła nowy wgląd w biologię genomu i nie mogę się doczekać kolejnej dekady odkryć dotyczących tych nowo odkrytych regionów”.
Według współprzewodniczącego konsorcjum, dr Adama Phillippy, którego grupa badawcza w NHGRI kierowała pracami wykończeniowymi, sekwencjonowanie całego genomu osoby powinno stać się tańsze i prostsze w nadchodzących latach.
„W przyszłości, gdy ktoś zsekwencjonuje swój genom, będziemy w stanie zidentyfikować wszystkie warianty w jego DNA i wykorzystać te informacje, aby lepiej kierować ich opieką zdrowotną” – powiedział Phillippy. „Naprawdę ukończenie sekwencji ludzkiego genomu było jak założenie nowej pary okularów. Teraz, gdy wszystko widzimy wyraźnie, jesteśmy o krok bliżej zrozumienia, co to wszystko znaczy”.
Wielu początkujących badaczy i stażystów odegrało kluczową rolę, w tym badacze z Johns Hopkins University w Baltimore; Uniwersytet Connecticut, Storrs; Uniwersytet Kalifornijski, Davis; Instytut Medyczny Howarda Hughesa, Chevy Chase, Maryland; oraz Narodowy Instytut Standardów i Technologii, Gaithersburg, Maryland. Pakiet sześciu artykułów opisujących to osiągnięcie pojawia się w dzisiejszym wydaniu Science, wraz z artykułami towarzyszącymi w kilku innych czasopismach.
Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź Genome.gov/T2T i śledź @Genome_gov.