ژنوم انسان برای اولین بار به طور کامل توالی‌یابی شد

فرارو- بیست سال پس از آنکه دانشمندان پروژه ژنوم انسانی، موفق شدند اولین پیش نویس توالی ژنوم انسانی را تولید کنند، گروه دیگری از این دانشمندان در کنسرسیوم تلومر تو تلومر (T2T) اکنون نسخه کامل آن را معرفی کرده اند. نسخه‌ای که اولین توالی یابی کامل ژنوم انسان محسوب می‌شود.

به گزارش فرارو، به گفته محققان T2T، داشتن یک توالی کامل و بدون شکاف از تقریباً سه میلیارد جفت باز در DNA ما برای درک طیف کامل تنوع ژنومی انسان و برای درک نقش ژنتیکی در برخی بیماری‌ها ضروری است. آن‌ها قبلاً بیش از دو میلیون نوع دیگر را در ژنوم انسان کشف کرده اند و اطلاعات دقیق تری در مورد انواع ژنومی در ۶۲۲ ژن مرتبط با پزشکی ارائه کرده اند.

ژنوم انسان از بیش از ۶ میلیارد حرف DNA تشکیل شده است، تقریباً به همان تعداد پستانداران دیگر مانند شامپانزه‌ها که در بین ۲۳ جفت کروموزوم پخش شده است. برای خواندن یک ژنوم، دانشمندان ابتدا تمام آن DNA را به قطعاتی به طول صد‌ها تا هزاران حرف خرد می‌کنند. سپس ماشین‌های توالی یابی حروف جداگانه هر قطعه را می‌خوانند و محققان سعی می‌کنند قطعات را به ترتیب درستی مانند کنار هم قرار دادن یک پازل پیچیده جمع کنند.

یک چالش بزرگ در این مسیر این است که برخی از مناطق ژنوم حروف یکسان را بار‌ها و بار‌ها تکرار می‌کنند. نواحی تکرار شونده شامل سانترومر‌ها که دو رشته کروموزوم را در کنار هم نگه می‌دارند و نقش مهمی در تقسیم سلولی دارند، و DNA ریبوزومی است که دستورالعمل‌هایی را برای کارخانه‌های پروتئین سلول ارائه می‌دهد. البته بخش‌های تکراری دیگر هنوز شامل ژن‌های جدیدی است که ممکن است به گونه‌ها کمک کند تا سازگار شوند.

در گذشته، این همه تکرار باعث می‌شد که نتوان برخی از قطعات خرد شده را به ترتیب صحیح جمع آوری کرد. زیرا این امر مانند داشتن تعداد زیاد قطعات پازل یکسان است و دانشمندان نمی‌دانستند کدام یک به کجا می‌رسد و هم شکاف‌های بزرگی در تصویر ژنومی ایجاد می‌کرد. مشکل دیگر این بود که بیشتر سلول‌ها حاوی دو ژنوم هستند؛ یکی از پدر و دیگری از مادر. هنگامی که دانشمندان سعی می‌کنند همه قطعات را جمع آوری کنند، توالی‌های هر یک از والدین می‌توانند با هم ترکیب شوند و تنوع واقعی در هر ژنوم فردی را پنهان کنند.

دکتر اریک گرین، مدیر مؤسسه ملی تحقیقات ژنوم انسانی، گفت: «تولید یک توالی ژنوم انسانی واقعاً یک دستاورد علمی باورنکردنی است که اولین نمای جامع از طرح DNA ما را ارائه می‌دهد. این اطلاعات بنیادی تلاش‌های مداوم بسیاری را برای درک تمام تفاوت‌های عملکردی ژنوم انسان تقویت می‌کند، که به نوبه خود مطالعات ژنتیکی بیماری‌های انسانی را توسعه می‌دهد. توالی ژنوم انسانی که اکنون کامل شده است، به ویژه برای مطالعاتی که با هدف ایجاد دیدگاه‌های جامع از تنوع ژنومی انسان، یا چگونگی تفاوت DNA افراد انجام می‌شود، ارزشمند خواهد بود. چنین بینش‌هایی برای درک نقش ژنتیکی در برخی بیماری‌ها و برای استفاده از توالی ژنوم به عنوان بخشی از مراقبت‌های بالینی در آینده حیاتی است.»

توالی کامل بر اساس کار پروژه ژنوم انسانی، که حدود ۹۲ درصد از ژنوم را ترسیم کرده است، و تحقیقاتی که از آن زمان انجام شده است، ساخته شده است. هزاران محقق ابزار‌های آزمایشگاهی، روش‌های محاسباتی و رویکرد‌های استراتژیک بهتری را برای رمزگشایی توالی پیچیده توسعه داده اند. این ۸ درصد باقی مانده نیز شامل ژن‌های متعدد و DNA تکراری است که از نظر اندازه با کل کروموزوم قابل مقایسه است.

محققان T2T توالی کامل ژنوم را با استفاده از یک رده سلولی انسانی با تنها یک کپی از هر کروموزوم، برخلاف اکثر سلول‌های انسانی که دو نسخه از هر کروموزوم را حمل می‌کنند، تولید کردند. آن‌ها اشاره کردند که بیشتر توالی‌های DNA تازه اضافه شده در نزدیکی تلومر‌های تکراری (انت‌های طولانی و انتهایی هر کروموزوم) و سانترومر‌ها (قطعات میانی متراکم هر کروموزوم) قرار دارند. دکتر ایوان آیشلر، محقق دانشگاه واشنگتن و رئیس مشترک کنسرسیوم T2T، گفت: «از زمانی که اولین پیش نویس توالی ژنوم انسانی را داشتیم، تعیین توالی دقیق مناطق پیچیده ژنومی چالش برانگیز بود. من خوشحالم که این کار را انجام دادیم. این طرح کامل، طرز تفکر ما در مورد تنوع ژنومی، بیماری و تکامل انسان را متحول خواهد کرد.»

هزینه تعیین توالی یک ژنوم انسانی با استفاده از فناوری‌های خواندن کوتاه، که چندین صد پایه توالی DNA را در یک زمان ارائه می‌کند، تنها چند صد دلار است که از زمان پایان پروژه ژنوم انسانی به طور قابل توجهی کاهش یافته است. با این حال، استفاده از این روش‌های کوتاه‌خوان به تنهایی هنوز هم شکاف‌هایی در توالی‌های ژنوم مونتاژ شده باقی می‌گذارد. روش توالی یابی DNA نانوپور آکسفورد می‌تواند تا ۱ میلیون حرف DNA را در یک خواندن با دقت متوسط بخواند، در حالی که روش توالی یابی DNA PacBio HiFi می‌تواند حدود ۲۰۰۰۰ حرف را با دقت تقریباً کامل بخواند. تیم T2T از هر دو روش توالی یابی DNA برای تولید توالی کامل ژنوم انسانی استفاده کرد.

دکتر آدام فیلیپی، محقق در مرکز تحقیقات ملی ژنوم انسانی، می‌گوید: «در آینده، زمانی که فردی توالی ژنوم خود را تعیین می‌کند، ما قادر خواهیم بود تمام گونه‌های موجود در DNA او را شناسایی کرده و از آن اطلاعات برای راهنمایی بهتر مراقبت‌های بهداشتی او استفاده کنیم. تکمیل توالی ژنوم انسان واقعاً مانند گذاشتن یک عینک جدید بود. اکنون که می‌توانیم همه چیز را به وضوح ببینیم، یک قدم به درک معنای همه آن رمز و راز‌ها نزدیک‌تر شده‌ایم.»

منبع: sci-news

ترجمه: مصطفی جرفی-فرارو