Возглавляемая Национальным исследовательским институтом генома человека (NHGRI) группа исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST) и многих других организаций использовала передовые технологии секвенирования для считывания полной последовательности ДНК Y-хромосомы — области генома, которая обычно определяет репродуктивное развитие мужчин.
Результаты исследования, опубликованные в Nature, демонстрируют, что это усовершенствование повышает точность секвенирования ДНК для хромосомы, что может помочь выявить определенные генетические нарушения и потенциально раскрыть генетические корни других.
Секвенирование ДНК не так просто, как считывание генетического материала от начала генома до его конца. ДНК измельчается при извлечении из клеток, плюс даже самое лучшее оборудование для секвенирования может обрабатывать только относительно небольшие фрагменты ДНК за один раз.
Таким образом, исследователи и клиницисты полагаются на специальное программное обеспечение, чтобы собрать фрагменты секвенированного кода в правильном порядке, как головоломку.
Эталонный геном — это отдельный, уже собранный по кусочкам геном, который служит ориентиром, подобно картинкам на лицевой стороне коробок с головоломками. И поскольку 99,9% генетического кода нашего вида являются общими, любой человеческий геном будет точно соответствовать эталонному.
В прошлом году команда консорциума «Теломера к теломере» (T2T), в состав которого входят эксперты из десятков организаций, таких как NIST, создала наиболее полный эталонный геном на тот момент, используя новые технологии секвенирования для взлома ранее не поддающихся расшифровке участков генома. Но клетки, использованные в этой работе, не содержали самой загадочной из всех — Y-хромосомы.
«Все хромосомы содержат участки очень повторяющейся ДНК, но более половины Y-хромосомы похожи на эту», — сказал соавтор исследования Джастин Зук, который возглавляет консорциум NIST «Геном в бутылке» (GIAB). «Если использовать аналогию с головоломкой, большая часть Y-хромосомы выглядит так же, как часто бывает на заднем плане, где все части выглядят действительно похожими».
В этом новом исследовании T2T не начинался с нуля, поскольку GIAB уже запустил процесс.
Миссия GIAB заключается в производстве тестовых материалов, или эталонов, которые могут быть использованы для оценки технологий или методов секвенирования. Сами материалы представляют собой высокоточные считывания конкретных генов, которые могут служить ключом к ответу при проверке результатов конкретного метода секвенирования.
NIST тщательно проанализировал несколько индивидуальных геномов человека, чтобы создать свои эталоны. Хотя GIAB еще не подготовила эталонный тест конкретно для Y-хромосомы, консорциум тщательно изучил один геном, собрав самую большую коллекцию данных по Y-хромосоме перед новым исследованием.
Эти данные послужили отправной точкой для авторов нового исследования, которые сосредоточили свой анализ на наиболее изученной Y-хромосоме GIAB. Они исследовали образец с использованием комбинации передовых технологий, а именно секвенирования с высокой точностью и нанопорами, которые делают фрагменты головоломки ДНК крупнее и, следовательно, их легче собирать.
Инструмент анализа машинного обучения и ряд других передовых программ помогли команде идентифицировать и собрать фрагменты хромосомы. Более 62 миллионов букв генетического кода позже авторы изложили Y-хромосому GIAB спереди назад.
Исследователи сопоставили свою полную последовательность Y-хромосомы, названную T2T-Y, с наиболее широко используемыми частями Y-хромосомы эталонного генома, которые пронизаны участками отсутствующего кода. Используя их оба в качестве руководства для секвенирования разнообразной группы из более чем 1200 отдельных геномов, они обнаружили, что T2T-Y значительно улучшил результаты.
T2T-Y в сочетании с предыдущим эталонным геномом группы, T2T-CHM13, представляет собой первый в мире полный геном для половины населения с Y-хромосомой.
Новейшее дополнение может быть полезным для выявления и диагностики нескольких известных состояний, связанных с генами в Y-хромосоме. Но более того, новый эталонный метод может пролить свет на новые гены и их функции.
«Безусловно, существуют аспекты фертильности и некоторые генетические нарушения, которые связаны с генами в Y-хромосоме», — сказал Зук. «Но поскольку до этого момента было так трудно анализировать, мы, возможно, даже еще не знаем, насколько важна Y-хромосома».
В NIST Зук и его коллеги-исследователи из GIAB разработали новый эталон, основанный на X и Y-хромосомах, собранных T2T, чтобы помочь воплотить потенциальное влияние нового эталонного материала в реальность.