Картирование генома

Для множества различных организмов — людей, мышей и даже нескольких экзотических существ, таких как морские коньки, — мы выяснили весь геном. Мы знаем, на каких хромосомах расположены определенные гены, а также знаем порядок миллионов оснований, составляющих каждую хромосому. Мы организуем эту информацию в «карту» каждого генома.
Геном содержит все инструкции по созданию и функционированию организма. Наличие карты генома помогает нам делать такие вещи, как диагностировать и лечить болезни, улучшать урожай, отслеживать основу унаследованных признаков и многое другое.
Читайте дальше, чтобы узнать больше о том, что нужно для создания карты генома.

Карты генома и последовательности ДНК используются во многих областях биологии. Посетите следующие страницы, чтобы узнать больше: Прецизионная медицина Генетические нарушения Микробиом человека

Геном — это вся ДНК организма, включая полный набор его генов. Он содержит огромные объемы информации, часто многие миллионы или даже миллиарды нуклеотидов.

Составление карты генома вида в первый раз требует большой работы. Но как только вы это сделали, у вас есть эталонная последовательность, которую вы можете использовать в качестве основы для сравнения.
Геном человека — отличный пример. На создание первой карты ушло двадцать лет. Второй был опубликован всего через три года, а еще четыре — в следующем году. Одной из причин увеличения скорости является огромный прогресс в области технологий. Но еще один фактор заключается в том, что любой вновь секвенированный геном человека собирается с использованием другого генома человека в качестве эталона. Как только вы узнаете порядок и последовательность всех генов, вам просто нужно выяснить 1 из 1000 или около того нуклеотидов, в которых различаются гены этого человека.
Ученые очень часто делают свои эталонные геномы общедоступными в Интернете. Там он может помочь исследователям всего мира провести любые генетические исследования этого организма.

Сегодня геном человека можно секвенировать за день. Чтобы узнать больше о достижениях, которые делают это возможным, посетите страницу «Почему сейчас самое время».

Геном — это вся ДНК организма, включая полный набор его генов. Он содержит огромные объемы информации, часто многие миллионы или даже миллиарды нуклеотидов.

Составление карты генома в первый раз — большая работа. Одна из проблем заключается в том, что геномы содержат огромное количество информации — миллиарды пар оснований в сложных организмах, таких как сельскохозяйственные культуры, домашние животные и люди. Другая проблема заключается в том, что современная технология секвенирования ДНК ограничивает нашу способность считывать только от нескольких сотен до нескольких тысяч оснований за раз. Вы не можете просто поместить хромосому в машину и прочитать всю ее последовательность.
Чтобы обойти ограничения технологии, мы разбиваем геном на миллионы частей, достаточно коротких для секвенирования. Как только мы узнаем последовательность частей, мы сшиваем их вместе, чтобы создать полный геном. Другими словами, технология секвенирования может предоставить подробную информацию об отдельных частях головоломки, но требуется еще один шаг, чтобы выяснить, как эти части соединяются вместе, чтобы составить целые хромосомы. Последняя задача — понять, что означают все последовательности: какие части являются генами и что эти гены делают.

Чтобы секвенировать длинный участок ДНК, вам сначала понадобится несколько его копий. Если разбить их на более мелкие части, каждую копию в разных местах, получится серия перекрывающихся фрагментов, каждый из которых достаточно короток, чтобы его можно было прочесть. Когда у вас есть последовательности, компьютерная программа может найти все места перекрытия и сшить фрагменты вместе в более длинные последовательности ДНК, называемые контигами, сокращенно от смежных.

Само по себе секвенирование и сборка коротких фрагментов ДНК обычно не дает достаточно информации для картирования всего генома. Например, если геном содержит много повторяющихся последовательностей ДНК или множество копий очень похожих генов (оба случая очень распространены), просто сопоставить короткие перекрывающиеся последовательности ДНК не получится — будет слишком много возможных решений для головоломка.
Чтобы составить карту генома, исследователи обычно объединяют информацию, полученную с помощью нескольких методов, некоторые из которых описаны ниже. С помощью компьютерного программного обеспечения фрагменты генома, созданные в результате различных видов картирования, могут быть сшиты вместе с помощью вычислений.

Окрашивание хромосом
Используя определенные последовательности ДНК, на которые нанесены флуоресцентные красители, можно визуализировать положение генов на хромосомах. Целые, конденсированные хромосомы видны под микроскопом. Благодаря комплементарному спариванию оснований отдельные нити ДНК будут связываться с определенными последовательностями в хромосомах. А флуоресцентные красители заставляют эти участки светиться под микроскопом.

Оптическое картографирование
Исследователи используют оптическое картирование для измерения расстояний между конкретными короткими последовательностями ДНК (или маркерами). В этом методе используются фрагменты ДНК, которые в 100–150 раз длиннее, чем можно прочитать с помощью секвенирования ДНК, часто предоставляя достаточно информации для чтения повторяющихся или дублированных сегментов ДНК. Чтобы узнать больше об этом методе, посетите страницу Physical Mapping.

Глубина охвата относится к степени, в которой отдельные секвенированные «прочтения» перекрывают друг друга в геноме. Отдельные чтения секвенирования ДНК часто имеют небольшие ошибки, вроде опечаток, и области, где последовательность немного неясна. Например, может быть трудно сказать, 3 или 4 Т в ряду.
Просматривая несколько перекрывающихся считываний, покрывающих одну и ту же область, можно обнаружить ошибки и устранить двусмысленность. И чем больше у вас перекрывающихся прочтений — скажем, 2 из 3 прочтений совпадают или 4 из 5 — тем легче найти и проигнорировать ошибки.
Большая глубина охвата также позволяет определить разницу между ошибками и генетической изменчивостью. Для организмов с двумя родителями у каждого человека есть две копии каждой хромосомы. Эти две копии почти идентичны, но не совсем. Если половина прочтений показывает A в определенной позиции, а половина показывает G, то оба, вероятно, верны — они просто считываются с разных хромосом.
Для первого секвенирования нового генома исследователи обычно стремятся к 50-кратному охвату (то есть 50 перекрывающихся фрагментов в каждой позиции). Для обнаружения генетической изменчивости человека по сравнению с эталонным геномом охвата от 10 до 30 раз обычно достаточно.

Мы можем быть более уверены в точности карты генома в областях генома, которые имеют наибольшую глубину охвата, или в информации, перекрывающейся между несколькими фрагментами последовательности ДНК.