Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology 10 ноября 2013 г.«Наши предварительные данные показывают, что отдельные нейроны одного и того же мозга имеют разный генетический состав. Это относительно новая идея, и наш подход позволит исследователям более детально изучить геномные различия между отдельными клетками», — сказал Кун Чжан, профессор. на факультете биоинженерии инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс и автор статьи.
Исследователи сообщают, что последовательности генома отдельных клеток, созданные с использованием нового подхода, показали сравнительно небольшую «ошибку амплификации», которая была наиболее значительным технологическим препятствием, с которым столкнулось секвенирование одноклеточного генома за последнее десятилетие. Это смещение связано с тем фактом, что этап амплификации является неравномерным, при этом разные участки генома копируются разное количество раз.
Этот дисбаланс усложняет многие последующие геномные анализы, включая сборку геномов с нуля и выявление вариаций содержания ДНК среди клеток одного и того же человека.Секвенирование одноклеточного геномаСеквенирование геномов отдельных клеток представляет большой интерес для исследователей, работающих в самых разных областях.
Например, исследование генетического состава отдельных клеток поможет исследователям идентифицировать и понять широкий спектр организмов, которые нелегко выращивать в лаборатории, от бактерий, которые живут в наших пищеварительных трактах и на нашей коже, до микроскопических организмов, которые живут в океанской воде. Одноклеточные генетические исследования также используются для изучения раковых клеток, стволовых клеток и человеческого мозга, который состоит из клеток, которые все чаще демонстрируют значительное геномное разнообразие.«Теперь у нас есть прекрасная возможность взглянуть на геномы внутри отдельных клеток с более высоким разрешением, расширив наше понимание геномного мозаицизма в головном мозге до уровня последовательности ДНК, которая здесь выявила новые соматические изменения в геноме нейронов. Это могло бы обеспечить новые взгляды на нормальный и ненормальный мозг, например, при болезни Альцгеймера и Паркинсона или шизофрении », — сказал Джерольд Чун, соавтор и профессор Центра нейробиологии Дорриса в Исследовательском институте Скриппса.
Например, новый подход к секвенированию выявил прирост или потерю единичной копии ДНК всего на 1 миллион пар оснований, что на сегодняшний день является самым высоким разрешением для подходов к одноклеточному секвенированию. В недавних исследованиях секвенирования отдельных клеток использовались более старые методы, которые могут расшифровать только изменения копий ДНК, составляющие не менее трех-шести миллионов пар оснований.Усиление в лунках наномасштаба
Микролунки объемом 12 нанолитров (нл), в которых происходит амплификация, являются одними из лунок наименьшего объема, которые используются в опубликованных протоколах секвенирования генома одной клетки.«Уменьшая объем реакции амплификации в 1000 раз до нанолитрового уровня в тысячах микролунок, мы увеличили эффективную концентрацию матричного генома, что привело к повышению однородности амплификации и уменьшению загрязнения ДНК», — пояснил Джефф Голе, первый автор статьи. Голе работал над этим проектом как доктор философии. студент лаборатории биоинженерии Кун Чжана в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс. Сейчас Голе работает ученым в Good Start Genetics в Кембридже, штат Массачусетс.
По сравнению с наиболее полным ранее опубликованным набором данных о геноме E. coli, новый подход позволил восстановить на 50% больше генома E. coli с помощью данных секвенирования в 3–13 раз меньше.«Результаты показывают, что MIDAS обеспечивает гораздо более эффективный способ сборки целых бактериальных геномов из отдельных клеток без культивирования», — пишут авторы в статье Nature Biotechnology.
Междисциплинарные исследованияИсследователи геномики сотрудничали с аспирантом материаловедения Ю-Джуи (Роджер) Чиу над микротехнологией, необходимой для создания массивов микролунок.
Чиу работает над своей докторской диссертацией. в лаборатории профессора электротехники Калифорнийского университета в Сан-Диего Ю-Хва Ло, который также руководит лабораторией Nano3 в Институте Qualcomm Калифорнийского университета в Сан-Диего, где и происходило микротехническое производство.«Этот проект не увенчался бы успехом без поддержки изготовления и оснащения инструментами, доступной в Школе Джейкобса и Институте Qualcomm», — сказал Чжан. «Мы очень рады нашим первоначальным результатам, а также возможности того, что исследователи всего мира смогут использовать этот подход во многих различных контекстах».