Een interdisciplinair team van onderzoekers van de University of California San Diego heeft een technologie ontwikkeld voor zeer nauwkeurige sequencing en haplotypering van genomen van afzonderlijke menselijke cellen. Hun bevindingen werden online gepubliceerd voorafgaand aan de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) gedrukte uitgave.

"Nauwkeurige sequentiebepaling van afzonderlijke cellen zal de identificatie mogelijk maken van mutaties die kanker en genetische ziekten veroorzaken, " zei senior auteur Kun Zhang, een professor in bio-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Tegelijkertijd, nauwkeurige haplotypering zal de genotypering van haplotypes mogelijk maken, combinaties van verschillende genen of allelen als een groep van beide ouders."

Zhang's co-auteurs van de afdeling Bioengineering zijn onder meer professor Xiaohua Huang en postdoctoraal onderzoeker en alumnus Wai Keung Chu (M.S., doctoraat '11, '16), wie is de eerste auteur van het PNAS-artikel. Medewerkers aan het onderzoek van het Department of Computer Science and Engineering (CSE) zijn onder meer professor Vineet Bafna, die een bio-informatica-expert is in het Center for Microbiome Innovation en het CHO Systems Biology Center, beide aan UC San Diego, doctoraat student Peter Rand, en CSE-alumnus Vikas Bansal (Ph.D. '08), nu een faculteitsfiliaal in CSE en hoogleraar kindergeneeskunde aan de UC San Diego School of Medicine. Toevoeging aan de interdisciplinaire wortels van het project is Ho Suk Lee, alumnus van de afdeling Electrical and Computer Engineering (ECE), doctoraat '11, '15), nu bij Broadcom, die zijn expertise in microfluïdische apparaten voor eencellige analyse ter beschikking stelde, evenals jarenlang werken in de bio-engineeringlaboratoria van zowel professoren Zhang als Huang.

Klinische toepassingen van genoomsequencing vereisen een hoge nauwkeurigheid bij DNA-sequencing. Volgens CSE's Bafna, tot nu, veel toepassingen waren verboden terrein omdat de huidige technologieën niet nauwkeurig genoeg waren om op het niveau van de enkele menselijke cel te worden uitgevoerd.

"Veel individuen dragen allelen die genetische ziekten veroorzaken of vatbaar maken voor kanker, " zei Bafna. "Elk gen heeft twee allelen, één van elke ouder. Een van de allelen kan ziekteverwekkende mutaties bevatten. De dragers kunnen asymptomatisch zijn, maar hun nakomelingen kunnen symptomen vertonen door de combinatie van slechte allelen of haplotypes van beide ouders."

Neem het geval van paren die hopen zwanger te worden via in-vitrofertilisatie (IVF). "Voor genetische diagnostiek voorafgaand aan IVF-implantatie, er is een mensenleven bij betrokken, dus uiterste nauwkeurigheid is vereist, " verklaarde professor bio-engineering Xiaohua Huang. "Met onze technologie, we kunnen zeer nauwkeurige sequencing en haplotypering van het genoom doen op basis van een biopsie van een enkele cel uit vroege embryo's."

Naast IVF pre-implantatie diagnostiek en vroege opsporing van kanker, andere mogelijke toepassingen van de door UC San Diego ontwikkelde technologie omvatten hoogwaardige controle van genoom-bewerkte menselijke cellen voor therapeutische doeleinden. "Met de explosie in het gebruik van CRISPR/Cas9 en andere gerichte technieken voor genoombewerking, nieuwe behandelingen kunnen aangepaste versies van de eigen cellen van de patiënt zijn, "Zei eerste auteur en bio-engineering doctoraatsstudent Wai Keung Chu. "De technologie maakt het mogelijk om een ​​enkele cel van het 'bewerkte' gen te gebruiken en resultaten terug te geven die net zo nauwkeurig zijn alsof we veel cellen zouden hebben gesequenced."

De technologie in kwestie heeft twee nieuwe aspecten:een microfluïdische processor waarmee afzonderlijke cellen kunnen worden gemanipuleerd en chromosomale strengen in verschillende kamers kunnen worden gescheiden; en computationele methoden die de strenginformatie exploiteren voor haplotypering en foutcorrectie. De wetenschappers van UC San Diego hebben het "Single-Stranded Sequencing using micrOfluidic Reactors" (SISSOR) genoemd.

"In wezen maakt het de gelijktijdige sequentiebepaling mogelijk van zeer lange fragmenten van alle vier de strengen van het chromosomale DNA van beide ouders, " verklaarde CSE bioinformatica promovendus Peter Edge, die werkt in het Genome Information Science-lab van professor Vikas Bansal, hoogleraar kindergeneeskunde. "Hierdoor kunnen we vergelijkingen maken en fouten corrigeren."

De SISSOR-techniek doorbreekt ook wat de 'vloek van polymerasen' wordt genoemd, die fouten introduceren bij het maken van kopieën van DNA. Helaas, merkte Bafna van CSE op, "we kunnen geen genoominformatie van afzonderlijke cellen lezen zonder polymerasen, dus moesten we een oplossing bedenken die die fouten oplost."

Op basis van hun bevindingen, de co-auteurs van de PNAS-paper waren in staat om "de meest nauwkeurige eencellige genoomsequencing tot nu toe" aan te tonen.

Senior auteur Kun Zhang zegt dat het interdisciplinaire karakter van de onderzoekssamenwerking van cruciaal belang was voor het vinden van een preciezere manier om DNA uit afzonderlijke cellen te sequensen. "Onze aanpak kan tegelijkertijd hogere nauwkeurigheid en langere haplotypes bieden dan andere bestaande benaderingen, " concludeerde Zhang. "Deze innovatie vereiste expertise die verder gaat dan wat normaal op één afdeling aanwezig is, en deze zaak is een bewijs van de groeiende interdisciplinaire onderzoekscultuur van UC San Diego die ons in staat stelde om medewerkers van andere afdelingen binnen te halen die cruciaal waren voor een technologie waarvan de uitbetaling hopelijk zal worden gemeten in geredde levens - en misschien meer gezonde kinderen geboren via in-vitro bevruchting."