Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid University of California San Diego har utvecklat en teknik för mycket exakt sekvensering och haplotypning av genomer från enstaka mänskliga celler. Deras resultat publicerades online före Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) tryckutgåva.

"Noggrann sekvensering av enstaka celler möjliggör identifiering av mutationer som orsakar cancer och genetisk sjukdom, "sa seniorförfattaren Kun Zhang, professor i bioteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. "På samma gång, exakt haplotypning möjliggör genotypning av haplotyper, kombinationer av olika gener eller alleler som en grupp från endera föräldern. "

Zhangs medförfattare från Institutionen för bioingenjör inkluderar professor Xiaohua Huang och postdoktor och alumn Wai Keung Chu (MS, Ph.D. '11, '16), som är första författare till PNAS -artikeln. Medarbetare om forskningen från Institutionen för datavetenskap och teknik (CSE) inkluderar professor Vineet Bafna, som är expert på bioinformatik vid Center for Microbiome Innovation och CHO Systems Biology Center, båda vid UC San Diego, Ph.D. student Peter Edge, och CSE -alumnen Vikas Bansal (Ph.D. '08), nu en fakultetsanställd i CSE och professor i pediatri vid UC San Diego School of Medicine. Att lägga till projektets tvärvetenskapliga rötter är avdelningen för el- och datateknik (ECE) alumnus Ho Suk Lee (MS, Ph.D. '11, '15), nu på Broadcom, som lånade ut sin expertis inom mikrofluidiska enheter för encelliga analyser samt år av arbete i bioingenjörslaboratorierna hos både professorerna Zhang och Huang.

Kliniska tillämpningar av genom -sekvensering kräver hög noggrannhet vid DNA -sekvensering. Enligt CSE:s Bafna, tills nu, många applikationer var begränsade eftersom nuvarande teknik inte var tillräckligt noggrann för att kunna göras på nivån för den enda mänskliga cellen.

"Många individer bär alleler som orsakar genetisk sjukdom eller predisponerar dem för cancer, "sa Bafna." Varje gen har två alleler, en från varje förälder. En av allelerna kan innehålla sjukdomsframkallande mutationer. Bärarna kan vara asymptomatiska, men deras avkomma kan visa symptom på grund av kombinationen av dåliga alleler eller haplotyper från båda föräldrarna. "

Ta fallet med par som hoppas bli gravida via in vitro-fertilisering (IVF). "För genetisk diagnostik före IVF -implantation, ett mänskligt liv är inblandat, så största noggrannhet krävs, "förklarade bioingenjörsprofessor Xiaohua Huang." Med vår teknik, vi kan göra mycket exakt sekvensering och haplotypning av genomet baserat på en enda cell biopsierad från tidiga embryon. "

Förutom IVF pre-implantation diagnostik och tidig cancer upptäckt, andra potentiella tillämpningar av UC San Diego-utvecklad teknik inkluderar högkvalitativ kontroll av genomredigerade mänskliga celler för terapeutiska ändamål. "Med explosionen i användningen av CRISPR/Cas9 och andra riktade genomredigeringsmetoder, nya behandlingar kan vara justerade versioner av patientens egna celler, "sa förste författaren och bioingenjörsexamen Wai Keung Chu." Tekniken gör det möjligt att använda en enda cell av den "redigerade" genen och återge resultat som skulle vara lika exakta som om vi sekvenserade många celler. "

Tekniken i fråga har två nya aspekter:en mikrofluidprocessor som möjliggör manipulering av enstaka celler och separata kromosomsträngar i olika kamrar; och beräkningsmetoder som utnyttjar stränginformationen för haplotypning och felkorrigering. UC San Diego-forskarna har kallat det "Single-Stranded Sequencing using micrOfluidic Reactors" (SISSOR).

"I huvudsak möjliggör det samtidig sekvensering av mycket långa fragment av alla fyra strängarna i kromosomalt DNA från båda föräldrarna, "förklarade CSE bioinformatik doktorand Peter Edge, som arbetar i pediatrikprofessorn Vikas Bansal's Genome Information Science lab. "Detta gör att vi kan göra jämförelser och korrigera för fel."

SISSOR -tekniken bryter också mot det som har kallats 'förbannelse för polymeraser', som introducerar fel vid kopiering av DNA. Tyvärr, noterade CSE:s Bafna, "vi kan inte läsa genominformation från enstaka celler utan polymeraser, så vi var tvungna att hitta en lösning som blir av med dessa fel. "

Baserat på deras resultat, PNAS-papperets medförfattare kunde visa "den mest exakta encelliga genom-sekvensering hittills."

Seniorförfattaren Kun Zhang säger att forskningssamarbetets tvärvetenskapliga karaktär var avgörande för att hitta ett mer exakt sätt att sekvensera DNA från enstaka celler. "Vår metod kan samtidigt ge högre noggrannhet och längre haplotyper än andra befintliga tillvägagångssätt, "avslutade Zhang." Denna innovation krävde expertis som går utöver vad som normalt finns på en enda avdelning, och det här fallet är ett bevis på UC San Diego växande tvärvetenskapliga forskningskultur som gjorde det möjligt för oss att dra in samarbetspartners från andra avdelningar som var kritiska till en teknik vars utbetalning förhoppningsvis kommer att mätas i liv räddade-och kanske fler friska barn födda via in vitro befruktning."