You are here

    • You are here:
    • Home > New genome mapper is like “upgrading from dial-up to fibre-optic”

New genome mapper is like “upgrading from dial-up to fibre-optic”

NEWS

28
Jul
Tue, 28/07/2020 - 11:11

New genome mapper is like “upgrading from dial-up to fibre-optic”

The same cell nucleus visualised with conventional fluorescent image tech (DAPI) compared to with OligoFISSEQ for 129 different loci.

EN CASTELLANO/EN CATALÀ

Researchers from Harvard university, the Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG) and the Centre for Genomic Regulation (CRG), describe the first technology able to visualize hundreds to potentially thousands of genes at the same time under the microscope. The tech images genomes more cheaply, more quickly and increases range of visibility compared to currently available methods. The technique is described in Nature Methods.

Each human cell has two metres of genome condensed down into 10 microns within the cell nucleus. This blueprint of life folds to help genes make physical contact with other genes that may be located quite a distance away along the chromosome. This three-dimensional organisation is crucial for cell function, but its complexity and constant dynamism make it incredibly difficult to visualize. Imaging more than a handful of genes at the same time has been impossible, limiting researchers’ ability to characterize how genomes function.

One of the most common ways of studying the genome is by using fluorescence in situ hybridization (FISH), which uses fluorescent probes to mark the presence or absence of specific DNA sequences on chromosomes. Scientists have made landmark discoveries such as how cells divide thanks to FISH, and still use it this day for medical applications or species identification, amongst other applications.

First developed in the 1980s, FISH is an ageing technology that can only visualise a handful of genes at the same time. Since then, new methods have been created that can image genomes at a high resolution, but map a very limited number of regions or chromosomes at a time.

Today authors of a a new study in Nature Methods describe OligoFISSEQ, a technology using new computational methods that overcomes these limitations. They used it to create three-dimensional maps of 66 genomic targets across six chromosomes in hundreds of cells, showcasing OligoFISSEQ’s potential to visualize the entire genome at a molecular resolution out of reach until now.

“Up to this moment, seeing a large number of different genes at the same time under the microscope was impossible,” says Marc A. Marti-Renom, co-lead author of the study and ICREA Professor at CNAG-CRG. “We combined existing sequencing technologies in a smart way so that we can see hundreds of genes by sequencing their targets under the microscope. Before OligoFISSEQ, reaching this number of genes at the same time was slow and expensive. It is like upgrading from a dial-up phoneline to fibre-optic internet and paying 40 times less for it.”

The researchers also tested OligoFISSEQ by mapping all of the 46 regions along the length of the human X chromosome. The higher resolution of the technology revealed new patterns in the way the genome organizes itself, including that the length of the chromosome’s arm is not correlated with its angle. The researchers hypothesise this may be indicative of cell type, cell state or cellular health or age.

“The resolution offered by OligoFISSEQ has huge potential to shed new light on patterns we could not see before”, concludes Marti-Renom. “Because of the coverage it provides to study the genome, it is well suited for spotting what may seem like a minor, seemingly inconsequential change in one part of the nucleus that may have a ‘butterfly effect’ elsewhere. What may have previously have been thought of as random may turn out to be anything but. That is the power of this tool.”

EN CASTELLANO

Herramienta para hacer mapas del genoma es como “progresar de dial-up a fibra óptica”

Investigadores de la Universidad de Harvard, el Centro Nacional de Análisis Genómico (CNAG) y el Centro de Regulación Genómica (CRG) describen la primera tecnología capaz de visualizar cientos y potencialmente miles de genes al mismo tiempo bajo el microscopio. Las imágenes salen más baratas, son más rápidas de hacer y aumentan la cobertura de visibilidad en comparación con los métodos disponibles actualmente. La técnica se describe hoy en Nature Methods.

Cada célula humana tiene dos metros de genoma condensados ​​en 10 micras dentro del núcleo celular. El genoma se pliega para ayudar a los genes a hacer contacto físico con otros genes que pueden estar ubicados a una gran distancia a lo largo del cromosoma. Esta organización tridimensional es crucial para la función celular, pero su complejidad y dinamismo constante hacen que sea increíblemente difícil de visualizar. Obtener imágenes 3-D de más de un puñado de genes al mismo tiempo ha sido imposible, limitando la capacidad de los investigadores para caracterizar cómo funcionan los genomas.

Una de las formas más comunes de estudiar el genoma es mediante el uso de hibridación fluorescente in situ (FISH), que utiliza sondas fluorescentes para marcar la presencia o ausencia de secuencias de ADN específicas en los cromosomas. Gracias a esta técnica, los científicos han hecho descubrimientos como entender como las células se dividen, y todavía se usa hoy en día para usos médicos o para la identificación de especies, entre otras aplicaciones.

Desarrollado por primera vez en la década de 1980, FISH es una tecnología antigua que permite visualizar unos pocos genes simultáneamente. Existen nuevos métodos que pueden generar imágenes de genomas en una resolución mas alta, pero mapean un número muy limitado de regiones o cromosomas a la vez.

Los autores de un nuevo estudio en Nature Methods describen OligoFISSEQ, una tecnología que utiliza nuevos métodos computacionales que supera estas limitaciones. Lo usaron para crear mapas tridimensionales de 66 objetivos genómicos a través de seis cromosomas en cientos de células, mostrando el potencial de OligoFISSEQ para visualizar todo el genoma a una resolución molecular fuera del alcance hasta ahora.

"Hasta este momento, era imposible ver una gran cantidad de genes diferentes al mismo tiempo bajo el microscopio", dice Marc A. Marti-Renom, coautor principal del estudio y profesor de ICREA en el CNAG-CRG. “Combinamos las tecnologías de secuenciación existentes de una manera inteligente para ver cientos de genes secuenciando sus objetivos bajo el microscopio. Antes de OligoFISSEQ, alcanzar este número de genes al mismo tiempo era lento y caro. Es como pasar de una velocidad ‘dial-up’ a internet de fibra óptica, y encima pagando 40 veces menos por ello”.

Los investigadores también validaron OligoFISSEQ mapeando todas las 46 regiones a lo largo del cromosoma X humano. La resolución más alta de la tecnología reveló nuevos patrones en la forma en que el genoma se, por ejemplo, que la longitud del brazo del cromosoma no está correlacionada con su ángulo. Los investigadores plantean que esto puede ser indicativo del tipo celular, el estado celular o la edad celular.

"La resolución ofrecida por OligoFISSEQ tiene un enorme potencial para arrojar nueva luz sobre patrones que no podíamos ver antes", concluye Marti-Renom. "Debido a la cobertura que proporciona para estudiar el genoma, es muy adecuado para detectar lo que puede parecer un cambio menor, aparentemente sin importancia en una parte del núcleo que puede tener un “efecto mariposa” en otro lugar. Lo que anteriormente se podría haber pensado como aleatorio puede resultar ser todo lo contrario. Ese es el poder de la herramienta.”

EN CATALÀ

Una nova eina per cartografiar el genoma és com "passar dels primers mòdems a la fibra òptica"

Investigadors de la Universitat de Harvard, el Centre Nacional d'Anàlisi Genòmica (CNAG-CRG) i el Centre de Regulació Genòmica (CRG) han descrit la primera tecnologia capaç de visualitzar centenars i potencialment milers de gens alhora sota el microscopi. Les imatges són més econòmiques, més ràpides i augmenten la cobertura de visibilitat en comparació amb els mètodes disponibles actualment. La tècnica es descriu avui a Nature Methods.

Cada cèl·lula humana té dos metres de genoma condensats en 10 micres dins el nucli cel·lular. El genoma es plega per ajudar els gens a contactar físicament amb altres gens que poden estar situats a una gran distància al llarg del cromosoma. Aquesta organització tridimensional és crucial per a la funció cel·lular, però la seva complexitat i dinamisme constant fa que sigui increïblement difícil de visualitzar. Obtenir imatges 3D de més d'un grapat degens alhora ha estat impossible, limitant la capacitat dels investigadors per caracteritzar com funcionen els genomes.

Una de les formes més comunes d'estudiar el genoma és mitjançant l'ús d'hibridació fluorescent in situ (FISH), que utilitza sondes fluorescents per marcar la presència o absència de seqüències d'ADN específiques en els cromosomes. Gràcies a aquesta tècnica, els científics han fet descobriments com entendre com les cèl·lules es divideixen i es fa servir amb finalitats mèdiques o per a la identificació d'espècies, entre altres aplicacions.

Desenvolupada per primera vegada a la dècada de 1980, FISH és una tecnologia antiga que permet visualitzar uns pocs gens simultàniament. Hi ha nous mètodes que poden generar imatges de genomes en una resolució més alta, però cartografien un nombre molt limitat de regions o cromosomes alhora.

Aquest nou estudi a Nature Methods presenta OligoFISSEQ, una tecnologia que utilitza nous mètodes computacionals que supera aquestes limitacions. L’han fet servir per crear mapes tridimensionals de 66 objectius genòmics a través de sis cromosomes en centenars de cèl·lules, mostrant el potencial d'OligoFISSEQ per visualitzar tot el genoma a una resolució molecular fora del'abast fins ara.

"Fins ara era impossible veure una gran quantitat de gens diferents alhora sota el microscopi", diu Marc A. Martí-Renom, coautor principal de l'estudi i professor ICREA al CNAG-CRG i al CRG. "Combinem les tecnologies deseqüenciació existents d'una manera intel·ligent per veure centenars de gens seqüenciant els seus objectius sota el microscopi. Abans d’OligoFISSEQ, assolir aquest nombre de gens al mateix temps era lent i car. És com passar de la velocitat dels antics mòdems de connexió a internet a la fibra òptica, i a sobre pagant 40 vegades menys".

Els investigadors també han validat OligoFISSEQ cartografiant les 46 regions al llarg del cromosoma X humà. La resolució més alta de la tecnologia va revelar nous patrons en la forma en què el genoma s'organitza, com per exemple, que la longitud del braç del cromosoma no està correlacionada amb el seu angle. Els investigadors plantegen que això pot ser indicatiu del tipus cel·lular, l'estat cel·lular o l'edat cel·lular.

"La resolució d’OligoFISSEQ té un enorme potencial per llançar nova llum sobre patrons que no podíem veure abans", conclou Martí-Renom. "A causa de la cobertura que proporciona per estudiar el genoma és molt adequat per a detectar el que pot semblar un canvi menor, aparentment sense importància en una part del nucli, però que pot tenir un "efecte papallona" en un altre lloc. El que abans podia semblar aleatori pot resultar ser tot el contrari. Aquest és el poder de l'eina."