Séquençage d'un seul chromosome

Au cours des trois dernières années, le nombre de génomes humains qui ont été séquencés (leur ADN lu lettre par lettre) est passé d'une poignée à des centaines, avec des milliers d'autres en cours. Mais toutes ces lectures du génome manquent d'informations cruciales. Une personne hérite de deux copies de chaque chromosome, une maternelle et une paternelle. Les méthodes de séquençage existantes n'indiquent pas si les variations génétiques proches les unes des autres sur la carte génomique ont été héritées du même parent, et proviennent donc du même chromosome, ou si certaines se trouvent sur le chromosome maternel et d'autres sur le paternel. Sachant cela a une variété d'utilisations, du séquençage de l'ADN fœtal à la détection plus facile des gènes responsables de différentes maladies en passant par un meilleur suivi de l'évolution humaine.

Capture des chromosomes : Un dispositif microfluidique conçu par Stephen Quake et ses collaborateurs peut capturer un seul chromosome, ce qui facilite l'analyse des génomes individuels.

Maintenant, deux équipes ont mis au point des moyens de déterminer ces groupements – connus sous le nom d'haplotype – chez un individu. Stephen Séisme et des collaborateurs de l'Université de Stanford ont développé un moyen de séparer physiquement les paires de chromosomes et de séquencer chaque brin d'ADN individuellement. Jay Shendure et ses collègues de l'Université de Washington à Seattle ont séquencé l'ADN de chromosomes uniques dans des pools spécialement sélectionnés et ont utilisé ces informations pour reconstituer le génome. Les deux projets ont été publiés cette semaine dans Biotechnologie naturelle .

C'était un vrai défaut technique dans les génomes [séquences] qui ont été publiés à ce jour, explique Quake, un bio-ingénieur à Stanford qui était l'un des Examen de la technologie les plus grands innovateurs de moins de 35 ans en 2002 . Chaque génome que nous allons faire à partir de maintenant sera enregistré avec l'haplotype.

L'équipe de Quake a capitalisé sur la technologie microfluidique qu'elle a développée pour séparer et analyser des cellules individuelles. Premièrement, les chercheurs ont piégé des cellules individuelles au cours d'une phase spécifique du cycle cellulaire au cours de laquelle les deux copies de ses chromosomes sont séparées. Ensuite, ils ont ouvert la cellule par éclatement, partitionné de manière aléatoire les chromosomes dans différentes chambres sur une puce microfluidique, puis copié ou amplifié et analysé l'ADN dans chaque chambre.

Shendure, un gagnant du TR35 en 2006, et son équipe ont amplifié 40 000 séquences de lettres d'ADN échantillonnées au hasard à partir de chromosomes individuels. Parce que chaque morceau d'ADN provient d'une moitié d'une paire de chromosomes, les chercheurs savent que toutes les variantes génétiques de sa séquence se trouvent sur le même chromosome.

Shendure et Quake affirment que le fait d'avoir des informations sur les haplotypes aura un impact énorme sur la génétique humaine, aidant non seulement à diagnostiquer et à comprendre la base génétique de certaines maladies, mais aussi à suivre l'évolution de notre espèce depuis les ancêtres primates.

Si quelqu'un a deux mutations liées à la maladie dans un même gène, il est difficile de déterminer avec les méthodes actuelles de séquençage du génome s'il y a une erreur génétique sur la copie maternelle et une sur la copie paternelle ou si les deux variations se trouvent dans la même copie du gène . Dans le premier cas, la personne a deux gènes défectueux, susceptibles de causer des problèmes de santé. Dans ce dernier cas, la personne a une bonne copie du gène et une mauvaise copie. Dans de nombreux cas, avoir la bonne copie peut compenser la défectueuse.

La division cellulaire: Un dispositif microfluidique spécialisé isole d'abord une seule cellule (à gauche). Les produits chimiques digèrent la membrane cellulaire, libérant les chromosomes (au milieu) et les chromosomes individuels sont capturés (à droite) dans une chambre, où ils sont amplifiés et analysés.

L'haplotypage permet également de déterminer le type d'antigène leucocytaire humain (HLA) d'une personne, à partir de gènes immunitaires qui doivent être étroitement appariés entre donneur et receveur en cas de greffe de moelle osseuse ou d'organe. C'est l'une des parties [variables] les plus polymorphes du génome humain, dit Quake. Les méthodes actuelles pour déterminer le type HLA génèrent une liste de variations mais ne donnent aucune information sur lesquelles d'entre elles se situent sur quel chromosome. Si vous ne gardez pas une trace de cela, vous ne pourrez peut-être pas obtenir une correspondance parfaite, explique Quake. Nous avons montré que vous pouvez mesurer [l'haplotype] et obtenir des informations qui, en principe, peuvent être utilisées pour une meilleure correspondance pour les greffes de moelle osseuse.

La technologie pourrait également être utilisée pour séquencer des génomes fœtaux à partir d'ADN prélevé dans le sang de la mère, afin de détecter des anomalies génétiques. (L'ADN dans le sang fœtal est un mélange de celui de la mère et de l'enfant, ce qui rend particulièrement difficile la génération d'une séquence génomique complète.)

Au-delà de la médecine, disent les chercheurs, les informations sur les haplotypes aideront la recherche en génétique des populations, comme l'estimation de la taille et du calendrier des expansions et des migrations humaines. Vous pouvez capturer la diversité à une résolution plus élevée si vous avez des chromosomes individuels, dit Nicolas Schork , un généticien au Scripps Research Institute qui n'était impliqué dans aucun des deux projets et a écrit un commentaire sur la recherche pour Biotechnologie naturelle . Vous perdez beaucoup d'informations si vous regardez les choses au niveau du génotype par rapport au niveau de l'haplotype.

Les chercheurs ont pu déduire statistiquement l'haplotype des populations européennes, grâce au fait que les Européens ont traversé un goulot d'étranglement génétique il y a des milliers d'années. (Les haplotypes raccourcissent très progressivement, à mesure que les paires de chromosomes se brisent et se rassemblent à chaque génération. Les Européens ont de longs haplotypes qui ne se sont pas encore dégradés, ce qui les rend plus faciles à analyser.) Mais les techniques statistiques n'ont pas fonctionné pour les populations africaines, ce qui signifie que la génétique l'information pour ce groupe est beaucoup plus clairsemée. Pour cette raison, la plupart des études d'association à l'échelle du génome réalisées à ce jour se sont concentrées sur les populations européennes.

Les deux approches ajoutent au coût du séquençage du génome, il n'est donc pas clair à quelle vitesse elles vont se généraliser, dit Schork. L'approche de Shendure est celle que les gens pourraient probablement mettre en œuvre dans les laboratoires maintenant, dit-il. L'approche de Quake génère des données beaucoup plus complètes - un haplotype qui correspond à la longueur d'un chromosome entier - mais elle est techniquement plus difficile, nécessitant des puces spécialisées pour analyser les cellules individuelles. Le séquençage d'une seule cellule et la capacité de séparer les chromosomes dans une boîte sont compliqués, explique Schork. À moins que quelqu'un ne construise un test abordable, il ne sera pas utilisé de manière routinière. Quake dit que les puces utilisées par son laboratoire et ses proches collaborateurs sont actuellement en cours de construction dans une fonderie universitaire à Stanford. Il dit : Peut-être qu'il y aura une solution commerciale à un moment donné.

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