معلومة

كيف يمكنني الحفاظ على الشعر أو اللعاب لتسلسل الجينوم في المستقبل؟


لنفترض أنني أريد أن أحافظ على نفسي حتى أتمكن من إعادة إنتاجي بأفضل شكل ممكن ، في المستقبل أو أن يتم محاكاتي في المستقبل. في الوقت الحالي ، يعد تسلسل الجينوم البشري الكامل مكلفًا بعض الشيء.

يمكن للمرء الحصول على بعض من شعري أو لعابي ، لكن ما الذي يمكنني فعله به للحفاظ عليه على أفضل وجه؟

هل يجب وضعها في الفريزر؟

ما هي مدة الاحتفاظ بالحمض النووي للشعر أو اللعاب في ثلاجة المطبخ العادية؟

ما هي المدة التي سيتم فيها الحفاظ على الحمض النووي إذا لم يكن الشعر أو اللعاب في المجمد؟

هل هناك أي قضايا تلوث؟

أيضًا ، بمجرد الانتهاء من تسلسل الجينوم الكامل ، هل هذه كل المعلومات التي يمكن الحصول عليها منه وراثيًا؟ هل يمكن التخلص من الشعر / اللعاب ، أم أنه من الممكن أن يسحب تسلسل الجينوم البشري المستقبلي مزيدًا من المعلومات من العينة؟


تسلسل الجينوم الكامل هو واحد فقط من العديد من الأساليب التجريبية. إنه مهم في مجال علم الجينوم ومفيد في علم النسخ والبروتيوميات.

من الأفضل استخراج الحمض النووي بمجرد إزالة العينة من الكائن الحي لأن جميع أنواع العمليات الفسيولوجية تبدأ في تكسير الحمض النووي في الأنسجة الميتة. لا تعد ثلاجات المطبخ مثالية لتخزين الحمض النووي المستخرج لأنها تعمل عند حوالي أربع درجات مئوية. في المختبر ، يتم استخدام مجمدات أقل من ثمانين درجة. كلما انخفضت درجة الحرارة ، كان ذلك أفضل. ومع ذلك ، فإن سالب ثمانين درجة كافية.

يعد التلوث مشكلة كبيرة ، لذا فكلما أجريت عمليات التكرار التقنية ، وكلما زاد عدد التكرارات البيولوجية لديك ، كانت فرصك في الحصول على نتائج موثوقة أفضل. تشير التكرارات البيولوجية ، على سبيل المثال ، إلى أخذ ثلاث خصلات من شعرك لتحليلها ، بينما تشير التكرارات التقنية ، على سبيل المثال ، إلى إجراء ثلاث تجارب PCR على مادة من نفس خصلة الشعر. بمجرد استخدام الأنسجة لاستخراج الحمض النووي ، لا تحتفظ بالأنسجة المتبقية لأنها تتلوث أثناء التحضير التجريبي. لهذا السبب قد ترغب في الحصول على تكرارات بيولوجية. من المهم أيضًا توخي الحذر عند إزالة العينة من الكائن الحي. وهذا يعني ارتداء قفازات من اللاتكس وحتى استخدام الإيثانول المخفف لتعقيم العينة قبل وضعها في حاوية معقمة. المشكلة هي أن الإيثانول يمكن أن يتداخل مع استخراج الحمض النووي ويكون ملوثًا بحد ذاته. يعد تحقيق التوازن بين منع التلوث ونتائج الجودة أمرًا مهمًا في المختبر.

هناك معلومات بيولوجية إضافية مثل أحداث مثيلة الحمض النووي التي تحدث بشكل متقطع على الجينوم وتكون قابلة للوراثة. لا يمكن التنبؤ بهذه المعلومات من تكوين تسلسل الجينوم الخاص بك ، ولكن هناك تجارب مخصصة لتوضيح أنماط المثيلة التي يمكن إجراؤها باستخدام عينات بيولوجية غير ملوثة (مثل الشعر واللعاب) مخزنة في أنابيب إبندورف عند درجة حرارة أقل من ثمانين درجة مئوية.


كقاعدة عامة ، قد ترغب في الاحتفاظ بالعينة باردة وجافة قدر الإمكان. إذا كانت العينة مبللة ، فإن دورات الحرارة / الذوبان يمكن أن تلحق الضرر بسلامة الأنسجة بسبب تكوين بلورات الثلج.

في المستقبل ، من المحتمل أن تكون عينة صغيرة من الشعر قادرة فقط على إعادة تكوين جزء صغير مما كنت عليه ، لأنها تستبعد العوامل اللاجينية (يمكن أن تختلف المثيلة في أجزاء مختلفة من الجسم) والميكروبيوم بأكمله.


بالإضافة إلى المجمد -20 ، فإن الاحتفاظ بالعينات في إيثانول بنسبة 100٪ سيساعد في الحفاظ على عينتك.

تساعد درجات الحرارة الباردة ، لأن القواعد (ATGC) الموجودة في الحمض النووي يمكن أن تتلف (تتعطل) وحتى يتم التخلص منها (تنقيتها) تاركةً مواقع قاسية (وبمجرد فقدان ذلك لا يمكن استعادة أي معلومات) ويمكن تقسيم شريط الحمض النووي إلى أقصر وقطع أقصر.

ما هي المدة التي ستبقى فيها عينة الحمض النووي في الثلاجة -20 دون أي حماية أخرى؟ سنوات. عقود إذا كنت محظوظا. لكن من المحتمل أن تمر سنوات.

إلى متى سيبقى الحمض النووي في العينة غير موجود في المجمد؟ يعتمد على درجة الحرارة المحيطة والرطوبة والنشاط الميكروبي. في أي مكان من أيام إلى سنوات ،

التلوث مشكلة كبيرة ضخمة. ستكون عينة اللعاب ملوثة للغاية وستتحلل بسرعة. عينة الشعر ستكون على ما يرام. ولكن هناك حيلة معينة لشد الشعر للحصول على الخلايا الجريبية. خزعة ، بعض الأنسجة البشرية اللطيفة أفضل.

يعتبر استخراج الحمض النووي من العينة عملية مدمرة. بمجرد الانتهاء من عملية الاستخراج ، تختفي العينة.


هل يمكن إجراء الاختبارات الجينية على شعر والدتي؟

هل هناك اختبار DNA يمكن إجراؤه على الشعر يؤدي إلى نفس نتائج اختبار السلالة الجينية مثل تلك المشتقة من اللعاب؟ لدي شعر من والدتي المتوفاة أرغب في تحليله لهذا الغرض. —جويندولين نوتس

أنت لست القارئ الوحيد لهذا العمود الذي تساءل عن هذا الاحتمال. لقد غطيت سابقًا في هذا العمود كيفية جمع عينة من الحمض النووي من شخص مات مؤخرًا ، ولكن للإجابة على سؤالك بالتحديد حول الشعر ، لجأت إلى اختصاصية الأنساب الجينية CeCe Moore للحصول على أفكارها. ردها:

لسوء الحظ ، في هذا الوقت لا توجد شركة تقدم اختبار الحمض النووي للأنساب من عينة شعر. تقبل 23andMe و AncestryDNA حصريًا اللعاب في اختبارات الحمض النووي الخاصة بهم والعينة الوحيدة التي تقبلها FamilyTreeDNA كبديل لمسحة الخد هي عينة الدم.

إذا كان شعرك من والدتك المتوفاة له جذور ملتصقة ، فهناك احتمال جيد أن تتمكن من استخدامه في المستقبل. يرجى تخزينه في مكان بارد وجاف في مظروف ورقي (وليس بلاستيك) والامتناع عن التعامل معه لتجنب التلوث. إذا كان يتم قص الشعر فقط ، فمن المرجح أن تظل فائدته في اختبار الحمض النووي لعلم الأنساب محدودة للغاية ، على الأقل في المستقبل المنظور.

شعاري عندما يتعلق الأمر بالحمض النووي هو "لا تقل أبدًا أبدًا" ، لذا تمسك به في كلتا الحالتين ، فقط في حالة.

كانت هناك تطورات مذهلة في الاختبارات الجينية في السنوات الأخيرة ، لذلك أتفق مع مور: احفظ خصلة الشعر هذه بعناية وافحصها بشكل دوري مع خدمات الاختبار التي ذكرتها.

هنري لويس جيتس جونيور هو أستاذ بجامعة ألفونس فليتشر والمدير المؤسس لمركز هتشينز للأبحاث الأفريقية والأمريكية في جامعة هارفارد. وهو أيضا رئيس الجذر. اتبعه تويتر و موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك .


مقدمة

تم توسيع علم الطب الشرعي اليوم مع العديد من التطورات التكنولوجية المبتكرة والاكتشافات الجزيئية. بعد الصقل والاختبار الصارم ، تم اعتماد العديد من الطرق / التقنيات من قبل مختبرات الطب الشرعي ، بما في ذلك تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) [1 ، 2] ، أدوات التفريغ الكهربي الشعري (المحللون الوراثي) [3 ، 4] ، معالجة السوائل الآلية (أجهزة ميكروفلويديك) [5-7] ، وأنظمة البرمجيات الخبيرة [8-11]. إن إدخال عمليات تحقق قوية له تأثير طويل المدى لاختبار عينات الأدلة التي سيتم تقديمها إلى محكمة القانون. على سبيل المثال ، أدت مصداقية الحمض النووي إلى أن أصبح الحمض النووي المعيار الذهبي للطب الشرعي وأداة مكافحة الجريمة الأكثر فاعلية المتاحة لإنفاذ القانون [12].

لقد أحدث التطور من التسلسل من نوع سانجر (STS) باستخدام ثلاثي فوسفات ثنائي أوكسينوكليوتيد (ddNTPs) إلى تسلسل الجيل التالي (NGS) تأثيرًا إضافيًا في مجال الطب الشرعي ، بخلاف مجالات صحة الإنسان مثل الطب التجديدي أو الشخصي [13 ، 14]. اليوم ، تسلسل الميتوكوندريا (mtDNA) هو بالفعل أداة معتمدة ومقبولة ومستخدمة على نطاق واسع تساعد في حل العديد من الحالات المعقدة [15 ، 16]. التقدم في علم الأحياء الشرعي ، من خلال إدخال أنظمة الجيل التالي في التحليلات الفوتوغرافية والبيولوجية والمصلية والجينية ، هي الطرق الوحيدة التي يمكن من خلالها جمع المزيد من الأدلة المباشرة أو غير المباشرة أو المؤيدة أو الإضافية لتقديمها في المحكمة. من المتوقع أن تنتقل مختبرات الطب الشرعي في المستقبل القريب من الأساليب الحالية الحالية إلى منصات تكنولوجية أكثر تقدمًا وكفاءة (الشكل 1). بالإضافة إلى ذلك ، فإن مرافق الطب الشرعي التي تقدم اختبارات متخصصة للأشخاص المفقودين وتحديد ضحايا الكوارث الجماعية ستكتسب قدرات كبيرة للاستفادة من أنظمة الاختبار من الجيل التالي. فيما يلي قائمة بالتقنيات المتقدمة التي تقدم لحل العديد من الحالات الحرجة وغير المفهومة والمتمردة والحرجة دون أي شك.


تسخير تسلسل الجيل التالي لاكتشاف SARS-CoV-2 ... والاستعداد للوباء القادم

صمم الباحثون في Vienna BioCenter بروتوكول اختبار لـ SARS-CoV-2 يمكنه معالجة عشرات الآلاف من العينات في أقل من 48 ساعة. الطريقة ، المسماة SARSeq ، منشورة في المجلة اتصالات الطبيعة ويمكن أن تتكيف مع العديد من مسببات الأمراض.

استمر وباء COVID-19 لأكثر من عام ولا يزال يؤثر على حياتنا بشكل هائل. على الرغم من أن بعض البلدان قد أطلقت حملات تطعيم سريعة ، لا يزال العديد ينتظرون خطط تحصين واسعة النطاق وعلاجات فعالة مضادة للفيروسات - قبل حدوث ذلك ، يحتاج العالم بشكل عاجل إلى استعادة ما يشبه الحياة الطبيعية.

إحدى الطرق لتقريبنا من هذه النقطة هي إجراء اختبارات موازية ضخمة. أصبحت الاختبارات الجزيئية التي تكشف عن وجود SARS-CoV-2 أفضل طريقة لعزل الحالات الإيجابية واحتواء انتشار الفيروس. ظهرت عدة طرق ، بعضها يكتشف البروتينات الفيروسية من مسحات البلعوم الأنفي (مثل اختبارات المستضد) ، والبعض الآخر يكتشف وجود الحمض النووي الريبي الفيروسي من المسحات أو عينات الغرغرة أو عينات اللعاب (مثل النسخ العكسي واختبارات تفاعل البوليميراز المتسلسل ، أو RT-PCR).

على الرغم من أن اختبارات المستضد تسهل بعض الجوانب اللوجستية للاختبار الشامل ، إلا أن قدرتها على الكشف ضعيفة نسبيًا - فالأفراد المصابون الذين يحملون كميات منخفضة من الفيروس يظلون غير مكتشفين ويمكن أن يستمروا في إصابة أشخاص آخرين. من ناحية أخرى ، تعد اختبارات تفاعل البوليميراز المتسلسل أكثر حساسية لأنها تضاعف شظايا الجينوم الفيروسي قبل فحص عينات الفيروس. ومع ذلك ، فهم يعتمدون على اكتشاف ملصقات الفلورسنت التي تحدد التسلسلات الفيروسية ، مما يعني أن تجميع العينات القادمة من أشخاص مختلفين يجعل العملية غير فعالة إلى حد ما: إذا كانت نتيجة اختبار المسبح إيجابية ، فيجب اختبار جميع العينات داخل البركة مرة أخرى بشكل فردي لتحديد مصدر إشارة الفلورسنت. هناك حاجة إلى عدد كبير جدًا من الآلات ، باهظة الثمن ، وبطيئة جدًا.

أثناء الإغلاق الأول ، كان العلماء في مركز فيينا الحيوي يفكرون في الموقف: كان لابد من وجود طريقة لتوسيع نطاق الاختبارات. قرر أولريش إلينج ، قائد المجموعة في معهد التكنولوجيا الحيوية الجزيئية التابع للأكاديمية النمساوية للعلوم (IMBA) ، ولويزا كوتشيلا ، قائدة المجموعة في معهد أبحاث علم الأمراض الجزيئية (IMP) ، توجيه إحباطهم إلى حل مبتكر. انضم ألكسندر ستارك ، زعيم مجموعة IMP و IMBA لما بعد الدكتوراة راميش يلانجاندولا ، إلى جهودهما ، وانطلق المشروع.

من خلال الجمع بين خبرتهم في علم الجينوم والكيمياء الحيوية RNA وتحليل البيانات ، طوروا طريقة يمكن أن تمكن مجموعات كبيرة من اختبار SARS-CoV-2 بنفس حساسية اختبارات PCR العادية. SARSeq ، أو & # 8216Saliva Analysis بواسطة تسلسل RNA & # 8217 ، يحقق حساسية عالية وخصوصية وقدرة على معالجة ما يصل إلى 36000 عينة في أقل من 48 ساعة. تم نشر الطريقة الآن في المجلة اتصالات الطبيعة.

مبدأ الاختبار بسيط من الناحية المفاهيمية: يتم جمع عينات المرضى الفردية في آبار لوحة الاختبار - بئر واحد لكل عينة. بعد ذلك ، يتم تحويل جزء من الحمض النووي الريبي الفيروسي الخاص بـ SARS-CoV-2 - الجين nucleocapsid - بشكل انتقائي إلى DNA و PCR تضخيمه في أي بئر يحتوي عليه.

& # 8220 تضخيم المادة الفيروسية من العينات الفردية إلى الحد الأقصى يجانس الكمية عبر العينات الإيجابية ، مما يجعل SARSeq شديد الحساسية ، & # 8221 توضح Luisa Cochella. & # 8220 ضمن آلاف العينات التي يمكننا اختبارها في وقت واحد ، قد يحتوي بعضها على ما يصل إلى 10 ملايين مرة من جسيمات فيروس كورونا أكثر من غيرها - إذا قمنا بتجميع هذه العينات قبل التضخيم ، فإن تلك التي تحتوي على كميات كبيرة من المواد الفيروسية يمكن أن تخفي حالات إيجابية أخرى. & # 8221

ما يميز هذه الخطوة الأولى لاختبار PCR المعتاد هو أن كل عينة تتلقى مجموعة فريدة من تسلسلات الحمض النووي القصيرة - أو الرموز الشريطية - التي ترتبط بالحمض النووي الفيروسي المضخم. في خطوة التضخيم الثانية ، يتم تجميع جميع العينات من لوحة واحدة في بئر واحد ، والذي يتلقى مجموعة ثانية من أكواد DNA الشريطية الفريدة. يمكن تجميع محتويات اللوحات المتعددة مرة أخرى ، حيث تحمل جزيئات الحمض النووي من كل عينة مزيجًا فريدًا من مجموعتين من الرموز الشريطية. استراتيجية التجميع والترميز الشريطي هذه تجعل SARSeq محددًا للغاية وقابل للتطوير.

& # 8220 نحن نجمع بين حساسية PCR والإنتاجية العالية لتقنية تسلسل الجيل التالي ، أو NGS ، وهي نفسها المستخدمة في تسلسل الجينوم البشري. تعالج آلة NGS العينات المجمعة وتخبرنا العينات التي تحتوي على أي مادة SARS-CoV-2. تسمح لنا الرموز الشريطية بتمييز كل عينة إيجابية عن الأخرى ، وتتبعها مرة أخرى إلى المريض ، & # 8221 يقول راميش يلاجاندولا ، المؤلف الأول للدراسة. علاوة على ذلك ، تسمح الطريقة المستندة إلى NGS باختبار العديد من RNAs بالتوازي ، بما في ذلك RNAs التي تتحكم في جودة العينة أو RNAs من مسببات الأمراض الأخرى للتشخيص التفاضلي.

& # 8220 مرفق تسلسل الجيل التالي وزملاء آخرين في مركز فيينا الحيوي ساعدوا بشكل كبير في تطوير الطريقة وتحسينها ، & # 8221 يقول ألكسندر ستارك. & # 8220 مع أجهزتنا ، والإنزيمات محلية الصنع ، وخط أنابيب التحليل ، نتوقع أن يكلف كل اختبار أقل من خمسة يورو. & # 8221

يمكن إجراء الاختبار بالتوازي مع التشخيصات الحالية ، مع الاستقلالية عن الاختناقات في سلاسل التوريد. لذلك ، لا تتنافس مع طرق الاختبار الأخرى للكواشف أو المعدات.

& # 8220 قمنا بتطوير SARSeq لمحاولة التحايل على قيود الاختبارات الأخرى ، ومعالجة آلاف العينات بالتوازي. إنها ليست فقط طريقة ممتازة للكشف عن SARS-CoV-2 ، ولكن يمكن أيضًا تطبيقها على مسببات الأمراض التنفسية الأخرى مثل فيروس الأنفلونزا ، وفيروسات الأنف الباردة الشائعة ، وربما العديد من الفيروسات الأخرى ، & # 8221 يقول Ulrich Elling.

المبادئ الكامنة وراء SARSeq بسيطة وقابلة للتكيف مع أي مسببات أمراض الجهاز التنفسي. نظرًا لارتفاع عدد سكان العالم والرقم 8217s جنبًا إلى جنب مع قربنا من الحيوانات ، فإن طرق التشخيص المتطورة مثل SARSeq ستكون ضرورية لمنع الأمراض المستقبلية من الانتشار مثل حرائق الغابات.

المرجع: & # 8220 الكشف المتعدد عن SARS-CoV-2 والتهابات الجهاز التنفسي الأخرى ذات الإنتاجية العالية بواسطة SARSeq & # 8221 بواسطة راميش يلاجاندولا ، ألكسندر بيكوف ، ألكسندر فوجت ، روبرت هاينن ، إزجي أوزكان ، ماركوس مارتن ستروبل ، جوليان كريستينا بار ، كريستينا أوزونوفا ، بنس هاجدوسيتس ، دارجا كورديتش ، إرنا سوليتش ​​، أمينة كورتوفيتش-كوزاريك ، سيبيا عزت بيغوفيتش ، جوستين شيفر ، بيتر هوفناغل ، ألكسندر زوفالي ، تمارا سيتز ، في سي دي آي ، مانويلا فودينجر ، فرانز أليربيرغر ، ألكسندر ستارك ، لويزا كوتشيلا ، 25 وماييرلنغ اتصالات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-22664-5


محتويات

كانت طرق تسلسل الحمض النووي المستخدمة في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي يدوية ، على سبيل المثال تسلسل ماكسام جيلبرت وتسلسل سانجر. تم ترتيب العديد من الجينوم البكتيري والفيروسي الحيواني بالكامل من خلال هذه التقنيات ، ولكن التحول إلى طرق التسلسل الآلي الأكثر سرعة في التسعينيات سهّل تسلسل الجينومات البكتيرية وحقيقية النواة الأكبر حجمًا. [10]

كان الكائن الحي الأول الذي حصل على تسلسل الجينوم بأكمله المستدمية النزلية في عام 1995. [11] بعد ذلك ، تم تسلسل جينومات البكتيريا الأخرى وبعض العتائق لأول مرة ، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى صغر حجم جينومها. المستدمية النزلية يحتوي على جينوم مكون من 1،830،140 زوجًا أساسيًا من الحمض النووي. [11] في المقابل ، حقيقيات النوى ، أحادية الخلية ومتعددة الخلايا مثل الأميبا الدوبيا والبشر (الانسان العاقل) على التوالي ، لديها جينومات أكبر بكثير (انظر مفارقة القيمة C). [12] الأميبا الدوبيا يحتوي على جينوم مكون من 700 مليار زوج نيوكليوتيد منتشر عبر آلاف الكروموسومات. [13] يحتوي البشر على عدد أقل من أزواج النوكليوتيدات (حوالي 3.2 مليار في كل خلية جرثومية - لاحظ أن الحجم الدقيق للجينوم البشري لا يزال قيد المراجعة) من أ.دوبيا لكن حجم الجينوم الخاص بها يفوق بكثير حجم الجينوم للبكتيريا الفردية. [14]

أول جينومات بكتيرية وأثرية ، بما في ذلك جينوم المستدمية النزلية، من خلال تسلسل البندقية. [11] في عام 1996 ، ظهر أول جينوم حقيقي النواة (خميرة الخميرة) تم تسلسله. S. cerevisiae، وهو كائن حي نموذجي في علم الأحياء يحتوي على جينوم يتكون من حوالي 12 مليون زوج من النوكليوتيدات فقط ، [15] وكان أول وحيدة الخلية حقيقيات النوى يكون لها تسلسل الجينوم الكامل. الأول متعدد الخلايا حقيقيات النوى ، والحيوان ، لتسلسل الجينوم الكامل كان دودة الديدان الخيطية: أنواع معينة انيقة في عام 1998. [16] يتم تسلسل الجينومات حقيقية النواة بعدة طرق بما في ذلك تسلسل البندقية لشظايا الحمض النووي القصيرة وتسلسل استنساخ الحمض النووي الأكبر حجمًا من مكتبات الحمض النووي مثل الكروموسومات الاصطناعية البكتيرية (BACs) والكروموسومات الاصطناعية للخميرة (YACs). [17]

في عام 1999 ، تم نشر تسلسل الحمض النووي الكامل للكروموسوم البشري 22 ، وهو أقصر جسيم جسمي بشري. [18] بحلول عام 2000 ، تم وضع تسلسل جينوم للحيوان الثاني والثاني من اللافقاريات (لكن الحشرة الأولى) - وهو جينوم ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطن - اختيار شائع للكائن الحي في البحث التجريبي. [19] أول جينوم نباتي - جينوم الكائن الحي نبات الأرابيدوبسيس thaliana - تم أيضًا تسلسله بالكامل بحلول عام 2000. [20] بحلول عام 2001 ، تم نشر مسودة لتسلسل الجينوم البشري بأكمله. [21] جينوم فأر المختبر موس العضلات اكتمل في عام 2002. [22]

في عام 2004 ، نشر مشروع الجينوم البشري نسخة غير كاملة من الجينوم البشري. [23] في عام 2008 ، أبلغت مجموعة من لايدن بهولندا عن تسلسل أول جينوم بشري أنثوي (مارجولين كريك).

الخلايا المستخدمة في تحرير التسلسل

يمكن لأي عينة بيولوجية تحتوي على نسخة كاملة من الحمض النووي - حتى كمية صغيرة جدًا من الحمض النووي أو الحمض النووي القديم - أن توفر المادة الجينية اللازمة لتسلسل الجينوم الكامل. قد تشمل هذه العينات اللعاب أو الخلايا الظهارية أو نخاع العظام أو الشعر (طالما أن الشعر يحتوي على بصيلات الشعر) أو البذور أو أوراق النبات أو أي شيء آخر يحتوي على خلايا تحتوي على الحمض النووي.

يمكن تحديد تسلسل الجينوم لخلية واحدة مختارة من مجموعة مختلطة من الخلايا باستخدام تقنيات تسلسل جينوم الخلية الواحدة. هذا له مزايا مهمة في علم الأحياء الدقيقة البيئي في الحالات التي يمكن فيها عزل خلية واحدة من نوع معين من الكائنات الحية الدقيقة عن مجموعة مختلطة عن طريق الفحص المجهري على أساس خصائصها المورفولوجية أو غيرها من الخصائص المميزة. في مثل هذه الحالات ، قد يتم حذف الخطوات الضرورية عادة لعزل ونمو الكائن الحي في الثقافة ، مما يسمح بتسلسل طيف أكبر بكثير من جينومات الكائن الحي. [24]

يتم اختبار تسلسل الجينوم أحادي الخلية كطريقة للتشخيص الجيني قبل الانغراس ، حيث يتم أخذ خلية من الجنين الذي تم إنشاؤه عن طريق الإخصاب في المختبر وتحليلها قبل نقل الجنين إلى الرحم. [25] بعد الزرع ، يمكن أخذ الحمض النووي للجنين الخالي من الخلايا عن طريق بزل الوريد البسيط من الأم واستخدامه في تسلسل الجينوم الكامل للجنين. [26]

تقنيات مبكرة تحرير

تم إنجاز تسلسل جينوم بشري كامل تقريبًا لأول مرة في عام 2000 جزئيًا من خلال استخدام تقنية تسلسل البنادق. في حين أن التسلسل الكامل لبندقية الجينوم للجينوم الصغير (4000-7000 زوج أساسي) كان قيد الاستخدام بالفعل في عام 1979 ، [27] استفاد التطبيق الأوسع من تسلسل النهاية الزوجي ، المعروف بالعامية باسم تسلسل بندقية مزدوجة الماسورة. عندما بدأت مشاريع التسلسل في أخذ جينومات أطول وأكثر تعقيدًا ، بدأت مجموعات متعددة في إدراك أنه يمكن الحصول على معلومات مفيدة من خلال تسلسل طرفي جزء من الحمض النووي. على الرغم من أن تسلسل طرفي نفس الجزء وتتبع البيانات المقترنة كان أكثر تعقيدًا من تسلسل نهاية واحدة من جزأين مختلفين ، إلا أن معرفة أن التسلسلين تم توجيههما في اتجاهين متعاكسين وكانا بطول الجزء بعيدًا عن كل منهما. الآخر كان ذا قيمة في إعادة بناء تسلسل جزء الهدف الأصلي.

كان أول وصف منشور لاستخدام النهايات المزدوجة في عام 1990 كجزء من تسلسل موضع HPRT البشري ، [28] على الرغم من أن استخدام الأطراف المزدوجة كان مقصورًا على سد الفجوات بعد تطبيق نهج تسلسل البندقية التقليدي. كان أول وصف نظري لاستراتيجية التسلسل النهائي الزوجي الخالص ، بافتراض أجزاء ذات طول ثابت ، في عام 1991. [29] في عام 1995 تم تقديم ابتكار استخدام أجزاء ذات أحجام مختلفة ، [30] وأثبت أن التسلسل النهائي الزوجي الخالص ستكون الاستراتيجية ممكنة على أهداف كبيرة. تم اعتماد الاستراتيجية لاحقًا من قبل معهد الأبحاث الجينومية (TIGR) لتسلسل الجينوم الكامل للبكتيريا المستدمية النزلية في عام 1995 ، [31] ثم بواسطة شركة Celera Genomics لتسلسل جينوم ذبابة الفاكهة بالكامل في عام 2000 ، [32] وبالتالي الجينوم البشري بأكمله. قامت شركة Applied Biosystems ، التي تسمى الآن Life Technologies ، بتصنيع أجهزة التسلسل الشعري الآلي التي يستخدمها كل من Celera Genomics و The Human Genome Project.

تحرير التقنيات الحالية

بينما كان التسلسل الشعري هو النهج الأول لتسلسل جينوم بشري كامل تقريبًا بنجاح ، إلا أنه لا يزال مكلفًا للغاية ويستغرق وقتًا طويلاً للأغراض التجارية. منذ عام 2005 تم إزاحة التسلسل الشعري تدريجياً عن طريق تقنيات التسلسل عالية الإنتاجية ("الجيل التالي" سابقًا) مثل تسلسل صبغة Illumina ، والتسلسل الحراري ، وتسلسل SMRT. [33] تستمر كل هذه التقنيات في استخدام استراتيجية البندقية الأساسية ، وهي الموازاة وتوليد القوالب عبر تجزئة الجينوم.

تقنيات أخرى آخذة في الظهور ، بما في ذلك تكنولوجيا النانو. على الرغم من أن تقنية تسلسل النانو لا تزال قيد التطوير ، إلا أن قابليتها للنقل وقدرتها المحتملة على توليد قراءات طويلة ذات صلة بتطبيقات تسلسل الجينوم الكامل. [34]

تحرير التحليل

من حيث المبدأ ، يمكن أن يوفر تسلسل الجينوم الكامل تسلسل النيوكليوتيدات الخام للحمض النووي للكائن الحي. ومع ذلك ، يجب إجراء مزيد من التحليل لتوفير المعنى البيولوجي أو الطبي لهذا التسلسل ، مثل كيفية استخدام هذه المعرفة للمساعدة في منع المرض. طرق لتحليل تسلسل البيانات يجري تطويرها وصقلها.

نظرًا لأن التسلسل يولد الكثير من البيانات (على سبيل المثال ، هناك ما يقرب من ستة مليارات زوج أساسي في كل جينوم ثنائي الصبغة البشري) ، يتم تخزين مخرجاته إلكترونيًا ويتطلب قدرًا كبيرًا من طاقة الحوسبة وسعة التخزين.

بينما يمكن أن يكون تحليل بيانات WGS بطيئًا ، فمن الممكن تسريع هذه الخطوة باستخدام أجهزة مخصصة. [35]

يتنافس عدد من الشركات العامة والخاصة لتطوير منصة كاملة لتسلسل الجينوم تكون قوية تجاريًا لكل من البحث والاستخدام السريري ، [36] بما في ذلك Illumina ، [37] Knome ، [38] Sequenom ، [39] 454 Life Sciences ، [40] Pacific Biosciences ، [41] علم الجينوم الكامل ، [42] Helicos Biosciences ، [43] GE Global Research (General Electric) ، Affymetrix ، IBM ، Intelligent Bio-Systems ، [44] Life Technologies ، Oxford Nanopore Technologies ، [45] ] ومعهد بكين لعلم الجينوم. [46] [47] [48] يتم تمويل هذه الشركات ودعمها بشكل كبير من قبل أصحاب رؤوس الأموال ، وصناديق التحوط ، والبنوك الاستثمارية. [49] [50]

كان الهدف التجاري المشهور لتكلفة التسلسل حتى أواخر عام 2010 هو 1000 دولار ، ومع ذلك ، تعمل الشركات الخاصة للوصول إلى هدف جديد بقيمة 100 دولار فقط. [51]

تحرير الحوافز

في أكتوبر 2006 ، أنشأت مؤسسة X Prize ، بالتعاون مع مؤسسة J. Craig Venter Science Foundation ، جائزة Archon X لعلم الجينوم ، [52] بهدف منح 10 ملايين دولار "للفريق الأول الذي يمكنه بناء جهاز واستخدامه لتسلسل 100 جينوم بشري في غضون 10 أيام أو أقل ، بدقة لا تزيد عن خطأ واحد في كل 1000000 قاعدة متسلسلة ، مع تسلسل يغطي بدقة ما لا يقل عن 98٪ من الجينوم ، وبتكلفة متكررة لا تزيد عن 1000 دولار لكل جينوم ". [53] ألغيت جائزة Archon X لعلم الجينوم في عام 2013 ، قبل تاريخ بدايتها الرسمي. [54] [55]

تحرير التاريخ

في عام 2007 ، بدأت شركة Applied Biosystems في بيع نوع جديد من أجهزة التسلسل يسمى نظام SOLiD. [56] سمحت التكنولوجيا للمستخدمين بتسلسل 60 جيجا بايت في كل شوط. [57]

في يونيو 2009 ، أعلنت شركة Illumina أنها تطلق خدمة تسلسل الجينوم الكامل الشخصية الخاصة بها على عمق 30 × مقابل 48000 دولار لكل جينوم. [58] [59] في أغسطس ، صرح ستيفن كويك ، مؤسس شركة Helicos Biosciences ، أنه باستخدام جهاز تسلسل الجزيء الأحادي التابع للشركة ، قام بتسلسل الجينوم الكامل الخاص به بأقل من 50000 دولار. [60] في نوفمبر ، نشرت شركة Complete Genomics ورقة تمت مراجعتها من قبل الزملاء في علم يوضح قدرته على تسلسل جينوم بشري كامل مقابل 1700 دولار. [61] [62]

في مايو 2011 ، خفضت شركة Illumina خدمة تسلسل الجينوم الكامل إلى 5000 دولار لكل جينوم بشري ، أو 4000 دولار إذا طلبت 50 أو أكثر. [63] يبدو أن Helicos Biosciences و Pacific Biosciences و Complete Genomics و Illumina و Sequenom و ION Torrent Systems و Halcyon Molecular و NABsys و IBM و GE Global يتنافسون جميعًا في السباق لتسويق تسلسل الجينوم الكامل. [33] [64]

مع انخفاض تكاليف التسلسل ، بدأ عدد من الشركات في الادعاء بأن أجهزتها ستحقق قريبًا الجينوم 1000 دولار: تضمنت هذه الشركات Life Technologies في يناير 2012 ، [65] Oxford Nanopore Technologies في فبراير 2012 ، [66] و Illumina في فبراير 2014. [ 67] [68] في عام 2015 ، قدرت المؤسسة الوطنية لحقوق الإنسان تكلفة الحصول على تسلسل الجينوم الكامل بحوالي 1500 دولار. [69] في عام 2016 ، بدأت شركة Veritas Genetics في بيع تسلسل الجينوم الكامل ، بما في ذلك تقرير عن بعض المعلومات في التسلسل مقابل 999 دولارًا. [70] في صيف عام 2019 خفضت شركة Veritas Genetics تكلفة WGS إلى 599 دولارًا. [71] في عام 2017 ، بدأت BGI في تقديم WGS مقابل 600 دولار. [72]

ومع ذلك ، في عام 2015 ، لاحظ البعض أن الاستخدام الفعال لتسلسل الجينات الكامل يمكن أن يكلف أكثر من 1000 دولار. [73] أيضًا ، ورد أنه لا تزال هناك أجزاء من الجينوم البشري لم يتم تسلسلها بالكامل بحلول عام 2017. [74] [75] [76]

المصفوفات الدقيقة للحمض النووي

يوفر التسلسل الكامل للجينوم معلومات عن جينوم أكبر بأضعاف من مصفوفات الحمض النووي ، الرائد السابق في تقنية التنميط الجيني.

بالنسبة للبشر ، توفر مصفوفات الحمض النووي حاليًا معلومات عن النمط الجيني لما يصل إلى مليون متغير جيني ، [77] [78] [79] بينما يوفر تسلسل الجينوم الكامل معلومات عن جميع القواعد الستة مليارات في الجينوم البشري ، أو 3000 مرة أكثر من البيانات. لهذا السبب ، يعتبر تسلسل الجينوم الكامل ابتكارًا معرقلاً لأسواق مجموعة الحمض النووي حيث تتراوح دقة كلاهما من 99.98٪ إلى 99.999٪ (في مناطق الحمض النووي غير المتكررة) وتكلفة المواد الاستهلاكية التي تبلغ 5000 دولار لكل 6 مليارات زوج أساسي تنافسي (لبعض التطبيقات) مع مصفوفات الحمض النووي (500 دولار لكل مليون زوج أساسي). [40]

ترددات الطفرات تحرير

حدد تسلسل الجينوم الكامل وتيرة الطفرة للجينوم البشري بأكمله. يبلغ تواتر الطفرة في الجينوم بأكمله بين الأجيال للبشر (من الوالدين إلى الطفل) حوالي 70 طفرة جديدة لكل جيل. [80] [81] تم العثور على مستوى أقل من الاختلاف لمقارنة تسلسل الجينوم الكامل في خلايا الدم لزوج من التوائم أحادية الزيجوت (التوائم المتماثلة) الذين يبلغون من العمر 100 عام. [82] تم العثور على 8 اختلافات جسدية فقط ، على الرغم من أن التغيرات الجسدية التي تحدث في أقل من 20٪ من خلايا الدم لن يتم اكتشافها.

في مناطق ترميز البروتين على وجه التحديد في الجينوم البشري ، يقدر أن هناك حوالي 0.35 طفرة من شأنها أن تغير تسلسل البروتين بين الأجيال الأم / الطفل (أقل من بروتين واحد متحور لكل جيل). [83]

في السرطان ، تكون ترددات الطفرات أعلى بكثير بسبب عدم استقرار الجينوم. يمكن أن يعتمد هذا التردد أيضًا على عمر المريض ، والتعرض للعوامل الضارة بالحمض النووي (مثل الأشعة فوق البنفسجية أو مكونات دخان التبغ) ونشاط / عدم نشاط آليات إصلاح الحمض النووي. [ بحاجة لمصدر ] علاوة على ذلك ، يمكن أن يختلف تكرار الطفرات بين أنواع السرطان: في الخلايا الجرثومية ، تحدث معدلات الطفرات عند حوالي 0.023 طفرة لكل قاعدة ميجا ، ولكن هذا الرقم أعلى بكثير في سرطان الثدي (1.18-1.66 طفرة جسدية لكل ميجا بايت) ، في سرطان الرئة (17.7) أو في الأورام الميلانينية (≈33). [84] نظرًا لأن الجينوم البشري أحادي الصيغة الصبغية يتكون من حوالي 3200 ميجا قاعدة ، [85] فإن هذا يترجم إلى حوالي 74 طفرة (معظمها في المناطق غير المشفرة) في دنا السلالة الجرثومية لكل جيل ، ولكن 3776-5312 طفرة جسدية لكل جينوم أحادي في سرطان الثدي ، 56640 في سرطان الرئة و 105600 في الأورام الميلانينية.

إن توزيع الطفرات الجسدية عبر الجينوم البشري غير متساوٍ للغاية ، [86] مثل أن المناطق الغنية بالجينات والتي تتكاثر مبكرًا تتلقى طفرات أقل من تلك التي تفتقر إلى الجينات والمتأخرة في التكاثر ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى نشاط إصلاح الحمض النووي التفاضلي. [87] على وجه الخصوص ، يرتبط تعديل هيستون H3K9me3 بالترددات العالية [88] و H3K36me3 مع ترددات طفرة منخفضة. [89]

دراسات الارتباط على مستوى الجينوم تحرير

في البحث ، يمكن استخدام تسلسل الجينوم الكامل في دراسة ارتباط الجينوم على نطاق واسع (GWAS) - وهو مشروع يهدف إلى تحديد المتغير الجيني أو المتغيرات المرتبطة بمرض أو بعض النمط الظاهري الآخر. [90]

تحرير الاستخدام التشخيصي

في عام 2009 ، أصدرت شركة Illumina أول متسلسلات جينوم كاملة تمت الموافقة عليها للاستخدام السريري على عكس الاستخدام البحثي فقط ، وبدأ الأطباء في المراكز الطبية الأكاديمية في استخدامها بهدوء لمحاولة تشخيص الخطأ مع الأشخاص الذين فشلت الأساليب القياسية في مساعدتهم. [91] في عام 2009 ، أجرى فريق من ستانفورد بقيادة إيوان آشلي تفسيرًا سريريًا لجينوم بشري كامل ، وهو جينوم المهندس الحيوي ستيفن كويك. [92] في عام 2010 ، أبلغ فريق آشلي عن تشريح جزيئي كامل للجينوم [93] وفي عام 2011 ، وسع إطار التفسير لعائلة متسلسلة بالكامل ، عائلة ويست ، التي كانت أول عائلة يتم تسلسلها على منصة Illumina. [94] كان سعر تسلسل الجينوم في ذلك الوقت هو 19500 دولار أمريكي ، والذي تم دفعه للمريض ولكن تم دفعه عادةً من منحة بحث قام شخص واحد في ذلك الوقت بتقديم طلب للحصول على تعويض من شركة التأمين الخاصة به. [91] على سبيل المثال ، احتاج طفل واحد إلى حوالي 100 عملية جراحية في الوقت الذي كان فيه في الثالثة من عمره ، وتحول طبيبه إلى تسلسل الجينوم الكامل لتحديد المشكلة التي استغرقها فريق من حوالي 30 شخصًا من بينهم 12 خبيرًا في المعلوماتية الحيوية ، وثلاثة خبراء في التسلسل فنيين وخمسة أطباء ومستشارين وراثيين واثنين من علماء الأخلاق لتحديد الطفرة النادرة في XIAP التي كانت تسبب مشاكل واسعة النطاق. [91] [95] [96]

بسبب التخفيضات الأخيرة في التكلفة (انظر أعلاه) أصبح تسلسل الجينوم الكامل تطبيقًا واقعيًا في تشخيصات الحمض النووي. في عام 2013 ، حصل اتحاد 3Gb-TEST على تمويل من الاتحاد الأوروبي لإعداد نظام الرعاية الصحية لهذه الابتكارات في تشخيص الحمض النووي. [97] [98] يجب أن تكون خطط تقييم الجودة ، وتقييم التكنولوجيا الصحية والمبادئ التوجيهية في مكانها الصحيح. حدد اتحاد 3Gb-TEST تحليل وتفسير بيانات التسلسل باعتباره الخطوة الأكثر تعقيدًا في عملية التشخيص. [99] في اجتماع الكونسورتيوم في أثينا في سبتمبر 2014 ، صاغ الكونسورتيوم الكلمة الترجمة الجينية لهذه الخطوة الحاسمة. هذه الخطوة تؤدي إلى ما يسمى ب جينوريبورت. هناك حاجة إلى إرشادات لتحديد المحتوى المطلوب لهذه التقارير.

تم إنشاء Genomes2People (G2P) ، وهي مبادرة من مستشفى بريغهام والنساء وكلية الطب بجامعة هارفارد في عام 2011 لفحص دمج التسلسل الجيني في الرعاية السريرية للبالغين والأطفال. [100] G2P's director, Robert C. Green, had previously led the REVEAL study — Risk EValuation and Education for Alzheimer's Disease – a series of clinical trials exploring patient reactions to the knowledge of their genetic risk for Alzheimer's. [101] [102]

In 2018, researchers at Rady Children's Institute for Genomic Medicine in San Diego, CA determined that rapid whole-genome sequencing (rWGS) can diagnose genetic disorders in time to change acute medical or surgical management (clinical utility) and improve outcomes in acutely ill infants. The researchers reported a retrospective cohort study of acutely ill inpatient infants in a regional children's hospital from July 2016-March 2017. Forty-two families received rWGS for etiologic diagnosis of genetic disorders. The diagnostic sensitivity of rWGS was 43% (eighteen of 42 infants) and 10% (four of 42 infants) for standard genetic tests (P = .0005). The rate of clinical utility of rWGS (31%, thirteen of 42 infants) was significantly greater than for standard genetic tests (2%, one of 42 P = .0015). Eleven (26%) infants with diagnostic rWGS avoided morbidity, one had a 43% reduction in likelihood of mortality, and one started palliative care. In six of the eleven infants, the changes in management reduced inpatient cost by $800,000-$2,000,000. These findings replicate a prior study of the clinical utility of rWGS in acutely ill inpatient infants, and demonstrate improved outcomes and net healthcare savings. rWGS merits consideration as a first tier test in this setting. [103]

Rare variant association study Edit

Whole genome sequencing studies enable the assessment of associations between complex traits and both coding and noncoding rare variants (minor allele frequency (MAF) < 1%) across the genome. Single-variant analyses typically have low power to identify associations with rare variants, and variant set tests have been proposed to jointly test the effects of given sets of multiple rare variants. [104] SNP annotations help to prioritize rare functional variants, and incorporating these annotations can effectively boost the power of genetic association of rare variants analysis of whole genome sequencing studies. [105]

The introduction of whole genome sequencing may have ethical implications. [106] On one hand, genetic testing can potentially diagnose preventable diseases, both in the individual undergoing genetic testing and in their relatives. [106] On the other hand, genetic testing has potential downsides such as genetic discrimination, loss of anonymity, and psychological impacts such as discovery of non-paternity. [107]

Some ethicists insist that the privacy of individuals undergoing genetic testing must be protected. [106] Indeed, privacy issues can be of particular concern when minors undergo genetic testing. [108] Illumina's CEO, Jay Flatley, claimed in February 2009 that "by 2019 it will have become routine to map infants' genes when they are born". [109] This potential use of genome sequencing is highly controversial, as it runs counter to established ethical norms for predictive genetic testing of asymptomatic minors that have been well established in the fields of medical genetics and genetic counseling. [110] [111] [112] [113] The traditional guidelines for genetic testing have been developed over the course of several decades since it first became possible to test for genetic markers associated with disease, prior to the advent of cost-effective, comprehensive genetic screening.

When an individual undergoes whole genome sequencing, they reveal information about not only their own DNA sequences, but also about probable DNA sequences of their close genetic relatives. [106] This information can further reveal useful predictive information about relatives' present and future health risks. [114] Hence, there are important questions about what obligations, if any, are owed to the family members of the individuals who are undergoing genetic testing. In Western/European society, tested individuals are usually encouraged to share important information on any genetic diagnoses with their close relatives, since the importance of the genetic diagnosis for offspring and other close relatives is usually one of the reasons for seeking a genetic testing in the first place. [106] Nevertheless, a major ethical dilemma can develop when the patients refuse to share information on a diagnosis that is made for serious genetic disorder that is highly preventable and where there is a high risk to relatives carrying the same disease mutation. Under such circumstances, the clinician may suspect that the relatives would rather know of the diagnosis and hence the clinician can face a conflict of interest with respect to patient-doctor confidentiality. [106]

Privacy concerns can also arise when whole genome sequencing is used in scientific research studies. Researchers often need to put information on patient's genotypes and phenotypes into public scientific databases, such as locus specific databases. [106] Although only anonymous patient data are submitted to locus specific databases, patients might still be identifiable by their relatives in the case of finding a rare disease or a rare missense mutation. [106] Public discussion around the introduction of advanced forensic techniques (such as advanced familial searching using public DNA ancestry websites and DNA phenotyping approaches) has been limited, disjointed, and unfocused. As forensic genetics and medical genetics converge toward genome sequencing, issues surrounding genetic data become increasingly connected, and additional legal protections may need to be established. [115]

The first nearly complete human genomes sequenced were two Americans of predominantly Northwestern European ancestry in 2007 (J. Craig Venter at 7.5-fold coverage, [116] [117] [118] and James Watson at 7.4-fold). [119] [120] [121] This was followed in 2008 by sequencing of an anonymous Han Chinese man (at 36-fold), [122] a Yoruban man from Nigeria (at 30-fold), [123] a female clinical geneticist (Marjolein Kriek) from the Netherlands (at 7 to 8-fold), and a female caucasian Leukemia patient (at 33 and 14-fold coverage for tumor and normal tissues). [124] Steve Jobs was among the first 20 people to have their whole genome sequenced, reportedly for the cost of $100,000. [125] As of June 2012 [update] , there were 69 nearly complete human genomes publicly available. [126] In November 2013, a Spanish family made their personal genomics data publicly available under a Creative Commons public domain license. The work was led by Manuel Corpas and the data obtained by direct-to-consumer genetic testing with 23andMe and the Beijing Genomics Institute). This is believed to be the first such Public Genomics dataset for a whole family. [127]


Advances in portable DNA analysis bring us closer to a future with medical tricorders

An international team of scientists led by Dr Niranjan Nagarajan, from A*STAR's Genome Institute of Singapore (GIS), has released an updated version of GraphMap, a software specifically designed to analyse data from nanopore sequencing, which has been lauded for its potential to revolutionise genomics in being rapid, cheap and portable, and able to provide results in real-time. Reported in the scientific journal اتصالات الطبيعة, the updated software makes more than 90% of the information coming out of an Oxford Nanopore Technologies (ONT) system usable.

The analysis of the DNA code of all life forms has been rapidly advancing due to the availability of new sequencing technologies to read DNA. Applications are widespread – from monitoring the spread of deadly infectious diseases, to improving crops and livestock, to sequencing human DNA for precision medicine that could improve clinical-decision making and improve healthcare outcomes.

Until recently, DNA sequencing machines have been expensive, bulky and cumbersome, rooting their use to a few research centres around the world. With the arrival of low-cost, portable sequencing technologies in early 2014, the field is transforming rapidly and may soon go the way of the revolution in personal computing.

It may not be too far in the future before multifunction hand-held devices can be used to scan, analyse and record data, effectively allowing us to measure and monitor the genetic make-up of daily life. There are currently ongoing efforts to develop such "tricorders", first described in the fictional universe of Star Trek, which can sense and intuitively visualise a diverse array of phenomena. For example, saliva and blood samples could be used to diagnose and prevent the spread of infections at home and at work.

However, while DNA analysis has become easier, it is still error-prone and could be made more robust. Analytical tools such as GraphMap help compensate for this using sophisticated algorithms. Furthermore, recent advances in DNA preparation techniques and sequencing hardware improvements are also rapidly moving us forward. A glimpse of the future was recently reported in a ground-breaking work, where the authors described the use of nanopore sequencers for real-time surveillance of Ebola in a field setting during the 2015 epidemic in Guinea.

Expressing his excitement for the future of genomics, Dr Nagarajan, lead author of the study and Principal Investigator of Computational & Systems Biology at the GIS noted, "Advances in DNA technologies have been truly mind-boggling and we are delighted to play a part in this revolution. GraphMap resulted from a wonderful trans-national collaboration with Ivan Sovic and Mile Sikic. Together, we hope that GraphMap will serve as a valuable addition to the toolbox for nanopore sequence analysis."

"GraphMap is a great contribution to the nanopore sequencing community. As MinION read lengths get longer and sequencing throughput increases, optimised tools like GraphMap will facilitate fast and accurate data analysis," added Prof Mark Akeson from the UC Santa Cruz Genomics Institute & Biomolecular Engineering Department, who was not involved in the research.

GIS Executive Director Prof Ng Huck Hui said, "I am delighted to learn of this novel algorithm successfully developed by GIS and our scientific collaborators. In order to keep up with the rapid advances in the sequencing field, it is imperative that we constantly innovate to maximise the utility of genomic technologies available to us. I am positive that GraphMap's ability to mitigate sequencing errors will significantly advance our efforts in the field of consumer genomics."


Woolly Mammoth genome sequencing makes cloning a lot more doable

A team at University of Chicago made the most comprehensive woolly mammoth genome sequencing ever. By comparing its genome with that of its distant cousins, the Asian and African elephants, the researchers were able to determine which are the mammoth’s specific genes. These were ran with libraries and repositories to identify what these do. We now know which of mammoth’s gene shaped its uncanny skull and small ears, how it got hair to cover all its body or how the mammoth adapted a special fat metabolism and cold coping mechanism. To test their findings, the researchers transplanted a mammoth gene into a human cell. The kidney cell produced new proteins which were tolerant to heat or cold, as suspected showing their other genetic determinations are also likely correct.

This isn’t the first time a mammoth’s genome was sequenced, of course. However, these previous efforts were error-prone and yielded only limited results .This is natural after all, since we’re working with DNA from a creature which went extinct some 10,000 years ago. The last ice most likely killed off the mammoth which roamed the frigid tundra steppes of northern Asia, Europe and North America. On the bright side, the ice age helped keep mammoth specimens in the “freezer” helping preserve whole tissue and even mammoth blood. The cold, however, damages DNA and sequencing the genomic data can be a lot like retrieving data from a hard drive with “bad” sectors. You can fill in the gaps, but only so much.

Vincent Lynch, PhD, assistant professor of human genetics at the University of Chicago used new techniques to sequence the whole genomes of two woolly mammoths and three Asian elephants, which are the closest living relatives of the mammoth. The two genomes were then compared against each other. The genome of the African elephant, a more evolutionary distant relative of both species, was also added to the mix.

The researchers identified 1.4 million genetic variants unique to woolly mammoths, which caused changes in the proteins produced by 1,600 genes. Proteins are basically what signal physical growth, change and function. Thus, mammoth genes were identified that are involved in fat metabolism (including brown fat regulation), insulin signaling, skin and hair development (including genes associated with lighter hair color), temperature sensation and circadian clock biology. These are all highly important in helping the mammoth adapt to Arctic temperatures.

“This is by far the most comprehensive study to look at the genetic changes that make a woolly mammoth a woolly mammoth,” said study author Vincent Lynch, PhD, assistant professor of human genetics at the University of Chicago. “They are an excellent model to understand how morphological evolution works, because mammoths are so closely related to living elephants, which have none of the traits they had.”

To make sure they did their job right, the researchers used ancestral sequence reconstruction techniques to “resurrect” the mammoth version of one of these genes, TRPV3, then implanted it into a human kidney cell. The TRPV3 gene produced a protein that was less responsive to temperature than the modern elephant ancestral version. So it seems likely that TRPV3 was also important for mammoth cold tolerance. Findings appeared in تقارير الخلية.

Resurrecting a fallen beast

Naturally, the better the genome sequencing, the better the chances of a mammoth cloning working well. Some researchers think this is total nonsense and won’t even happen, but there are research groups around the world that are working on making the very first ancient creature resurrection. The scientific challenges are quite difficult to overcome, though. For instance, Harvard University researchers are now filling the gaps in poor mammoth genome sequences with elephant DNA. The better the genome, the better the odds that a live, functional mammoth might be born alive. But will it be a mammoth in the first place? It’s hard to tell.

“We can’t know with absolute certainty the effects of these genes unless someone resurrects a complete woolly mammoth, but we can try to infer by doing experiments in the laboratory,” Lynch said.

“Eventually we’ll be technically able to do it. But the question is: if you’re technically able to do something, should you do it?” he said. “I personally think no. Mammoths are extinct and the environment in which they lived has changed. There are many animals on the edge of extinction that we should be helping instead.”


Get it off, but keep it: Efficient cleaning of hair shafts with parallel DNA extraction of the surface stain

The analysis of hair samples is a common task in forensic investigations. Material transferred to the surface of a hair during a crime challenges the analysis as it has to be removed efficiently. However, the removal of the stain can also lead to a loss of information on stain contributors. DNA analysis of the stain itself might thus be helpful for the forensic investigation. The aim of this study was the examination of different methods to remove common biological surface stains completely from human hair shafts without hampering the parallel DNA extraction of the cleaned hair shaft and the isolated surface stain (blood, saliva, vaginal secretion, semen, and skin flocks). Four different methods of cleaning (water, lysis buffer, swabbing, NaClO) were compared to their cleaning efficiency as well as their success of mtDNA analysis of three hair donors and the original five stains on the hair. In order to test the suitability of this procedure for future analysis methods, a selection of samples were also sequenced with MPS. Additionally, nuclear DNA analysis of the stain DNA was performed using a screening STR assay to test the potential success for detection of a STR profile. The most efficient removal of the stain was achieved using NaClO, however compromising further analysis of the stain DNA. The best results for cleaning and parallel stain analysis were obtained using a swab moistened with 0.5 % SDS for surface cleaning. Especially water failed to remove stains efficiently, leading to a high amount of mixed mtDNA in the DNA extracts. MPS showed an increased sensitivity for detection of minute mixtures.

الكلمات الدالة: Cleaning methods Hair analysis Massive parallel sequencing Sanger sequencing mtDNA analysis.


Will It Sequence: Bruce!

Dogs are hugely diverse. They can be as big as great danes or as small as chihuahuas. Their fur can be brown, white, or even dark blue, and they can be anywhere on the spectrum of short-haired to massive fluffball. What's going on inside their cells that gives them such a range of shapes and sizes? We went to gene sequencing company Illumina to find out. In this first edition of Will It Sequence, we're trying to decode the genome of Bruce the black lab puppy.

Ursula - Hello this is Ursula Arndt, I’m a scientist at Illumina. And what's your name?

Amelia - I’m Amelia and I own Bruce, the young puppy we’ve got here.

Ursula - Excellent, so Bruce… obviously an incredibly adorable black Labrador puppy. We’re going to take DNA from the inside of its mouth. And what we have is a swab. So we’re going to see if we can get him to keep it in his mouth and we’re going to rub it around his cheek for a couple of minutes.

Amelia - What are you picking up from inside of the mouth with that swab?

Ursula - Mostly saliva, but what we should be getting is a lot of dog cells as well. And what we're hoping for actually, that we’re not just getting dog, but we might be getting some of the bacteria that might be in his mouth as well.

Amelia - And what will you do with those?

Ursula - Sequence them on one of our sequencers, and then we can tell you a lot more about Bruce.

Ursula - Bruce! Nom nom nom. So right now I'm trying to swab the inside of his cheek and not just his teeth, without him eating the entire tube. And right now he’s really trying to chew on my hand as well. Okay, I think we’re good Bruce. So I’ve now turned the swab around, and so the piece that looks like a Q-tip is now inside of the liquid, and that’s gonna take the DNA from the swab and hopefully preserve it.

Amelia - And what happens next?

Ursula - So tomorrow morning we’re gonna take this liquid that contains his cells. We’re gonna break up the cell, and we’re gonna keep the DNA and throw away everything that's protein or that’s cell parts, cell walls, everything that's not DNA. We’re gonna sequence all of his genome and then we’re gonna, actually, our biostaticians are going to look at how much wolf is in the dog, I think that's one of our main questions. Then we see what else we can find.

Amelia - How big is the DNA code of a dog?

Ursula - I think it's essentially the same size as human, almost.

Amelia - How long will it take to sequence the DNA of him?

Ursula - So we plan to do the DNA extraction, and then the library - we call it library prep, that makes the DNA ready for sequencing - we’re gonna take just under a day, and then the sequencing is going to take a day and a half. OK, so we’re gonna take a couple of hair samples now. I know you’re really. OK. OK, so I’m trying to get the dog to not wiggle, because I don’t want to cut him while he's moving. But I’m gonna take some hair just from the back of his neck. Can you hold on to your dog for me? Yeah, that should be plenty of hair here. That should be more than enough dog in this tube. Thank you so much Bruce!


100,000 genomes project: how the NHS collects genetic data

What is the project?
The 100,000 Genomes Project is an NHS initiative, run by Genomics England, and is the largest national genome sequencing project in the world. On entering, patients have their entire genome, of more than 3bn base pairs, sequenced. This is different from commercially available genetic testing kits, such as those from 23andMe, which only look at very small stretches of DNA in a process called genotyping. The hope of the NHS is that having so much genetic information, from so many different people, will allow “groundbreaking discoveries about how diseases work, who could be susceptible to them, how we can treat them, and what treatments might work”.

Whose genomes are being sequenced?
The only patients having their genome sequenced are those with certain cancers or rare diseases. In some cases, family members may also be asked to participate. To take part, a patient must first be referred by a consultant, before being taken through an extensive consent process to ensure they know what participation in the project means. As well as the genome sequence, Genomics England asks for access to a patient’s lifetime medical records so that links can be made between their genetics and their individual disease. The NHS has made it very clear that, for many participants, taking part in this project won’t help them treat their disease. But it is hoped that the information they provide will go on to help treat others in the future.

Where does the data go?
Each patient’s genome sequence and their medical records are kept in an NHS data centre in pseudonymised form. Researchers from commercial and not-for-profit organisations can get access to the data at the centre if they can prove that they are using it for studies that will further medical science.

What information do the patients get back?
Although the project states that most participants won’t receive any useful information, patients will be told if something is found in their genome that is relevant to the treatment, explanation or diagnosis of their condition. They can also choose to learn if they have a genetic risk factor for another disease, such as the BRCA1 gene mutation that can cause breast cancer. Genomics England will only look for risk factors that are linked to a disease that can be treated or prevented. Untreatable conditions, such as Alzheimer’s, are not looked for.

Why 100,000 genomes?
The NHS believes that sequencing 100,000 genomes will provide enough information on these diseases while also being cost-effective. In the future, as the price of whole genome sequencing goes down, it hopes to involve more patients and even more diseases.


شاهد الفيديو: كيف نقرأ شفرة الحياة ـ مستقبل مشروع الجينوم البشري ـ Riccardo Sabatini (كانون الثاني 2022).