Jump to content

Связанное-чтение последовательности

Рисунок 1. Блок-схема секвенирования связанного чтения. Краткий обзор того, как работает технология секвенирования связанного чтения. Программное обеспечение GemCode, используемое в конце для обработки, также было разработано 10x Genomics.

Секвенирование связанного чтения , тип ДНК технологии секвенирования , использует специальную технику, которая помечает молекулы ДНК уникальными штрих-кодами перед их фрагментацией. В отличие от традиционной технологии секвенирования, при которой ДНК разбивается на небольшие фрагменты, а затем секвенируется индивидуально, что приводит к коротким длинам считываний, что затрудняет точную реконструкцию исходной последовательности ДНК, уникальные штрих-коды секвенирования связанного считывания позволяют ученым связывать вместе фрагменты ДНК, которые поступают из одной и той же молекулы ДНК. Основное преимущество этой технологии заключается в небольших количествах ДНК, необходимых для вывода большой информации о геноме , что эффективно сочетает в себе преимущества технологий длительного и короткого чтения . [1]

Этот метод секвенирования был первоначально разработан компанией 10x Genomics в 2015 году и запущен под названием «GemCode» или «Chromium». GemCode использовал метод штрих-кодирования на основе гелевых шариков для объединения коротких фрагментов ДНК. [2] Более длинные фрагменты, полученные в результате этого, затем можно будет секвенировать с использованием проверенной технологии, такой как Illumina секвенирование нового поколения . [2] [3] Обновленная версия секвенирования связанного чтения была представлена ​​той же компанией в 2018 году под названием Linked-Reads V2. В то время как GemCode использует один штрих-код для маркировки гелевых шариков и фрагмента ДНК, Linked-Reads V2 использует отдельные штрих-коды для улучшения обнаружения генетических вариантов.

Группа, разработавшая технологию секвенирования связанного чтения, опубликовала свою первую статью об этой технологии в 2016 году. Авторы этой статьи первоначально разработали технологию секвенирования связанного чтения для секвенирования геномов как здоровых людей, так и больных раком с целью определения соматических мутаций и количества копий. вариации и структурные вариации раковых геномов. [2] Позже в том же году другая исследовательская группа объединила технологию секвенирования связанного чтения с технологией секвенирования длинного считывания для сборки генома человека. [3] Оба исследования продемонстрировали полезность секвенирования связанного чтения для комплексного анализа генома и понимания генетических заболеваний. Однако в 2019 году иск о нарушении патентных прав привел к тому, что 10x Genomics прекратила выпуск своей линейки продуктов для связанного чтения.

Секвенирование связанного чтения основано на микрофлюидном методе и требует только нанограммов входной ДНК. [2] Один нанограмм ДНК может быть распределен по более чем 100 000 капельным участкам, где фрагменты ДНК закодированы и подвергнуты полимеразной цепной реакции (ПЦР) . [2] В результате фрагменты ДНК (или считывания ), имеющие один и тот же штрих-код, могут быть сгруппированы как происходящие из одной длинной входной последовательности ДНК. [2] А информацию большого радиуса действия можно собрать из коротких чтений.

Этапы секвенирования связанного чтения: [2]

  1. Подготовка образца: ДНК извлекается из образца (например, крови) и разрезается на фрагменты длиной от 50 до 200 тысяч пар оснований .
  2. Секвенирование штрих-кода: каждый фрагмент ДНК помечается уникальным штрих-кодом с помощью процесса, известного как «эмульсия с гелевыми шариками» (GEM).
  3. Подготовка библиотеки : фрагменты ДНК со штрих-кодом амплифицируются с помощью ПЦР для создания библиотек секвенирования.
  4. Секвенирование: с помощью Illumina технологии секвенирования нового поколения можно генерировать от миллионов до миллиардов считываний коротких последовательностей, которые представляют собой фрагменты исходных молекул ДНК.
  5. Обработка штрих-кода: группируйте короткие считывания в более длинные фрагменты на основе штрих-кодов.
  6. Последующий анализ: обработанные чтения выравниваются по эталонному геному или используются для сборки сложных геномов de novo, фазирования гаплотипов или идентификации структурных вариаций.

Секвенирование штрих-кода

[ редактировать ]

Во время секвенирования штрих-кода образцы ДНК с высокой молекулярной массой , которые содержат целевую последовательность ДНК размером от пятидесяти до нескольких сотен тысяч оснований , объединяются с гелевыми шариками, содержащими уникальные штрих-коды, ферменты и реагенты для секвенирования. [2] Микрофлюидное устройство может разделять входные молекулы ДНК на отдельные капли эмульсии вода в масле размером нанолитр, называемые GEM. [2] Каждый GEM содержит шарики геля, покрытые одинаковым штрих-кодом и праймерами, а также небольшое количество ДНК. [2] Праймеры комплементарны определенным участкам молекулы ДНК, что позволяет амплифицировать ДНК в каплях посредством ПЦР. [2] Штрих-коды позволяют идентифицировать и группировать считывания секвенирования, происходящие из одного и того же длинного фрагмента, что имеет решающее значение для последующего анализа. [2]

Подготовка библиотеки и секвенирование

[ редактировать ]

Фрагменты ДНК со штрих-кодом амплифицируются с помощью ПЦР для создания библиотеки фрагментов ДНК с идентичными штрих-кодами. Все фрагменты, полученные из данной молекулы ДНК, помечены одним и тем же штрих-кодом. [4] Этот шаг увеличивает количество ДНК для секвенирования и снижает вероятность потери уникальных фрагментов ДНК во время секвенирования. Капли (или GEM) позже собираются в пробирку, и эмульсия разрушается, высвобождая амплифицированные последовательности ДНК со штрих-кодом.

Для секвенирования библиотек можно использовать стандартную технологию секвенирования нового поколения Illumina. [5] Во время секвенирования штрих-коды считываются вместе с последовательностями ДНК, что позволяет исследователям и ученым группировать фрагменты ДНК, происходящие из одной и той же молекулы ДНК. [5] Несмотря на то, что каждый фрагмент ДНК обычно секвенирован не полностью, информацию из многих перекрывающихся фрагментов в одной и той же области генома можно объединить для реконструкции длинных участков генома. [5] Таким образом, геном можно легко собрать с нуля без каких-либо предварительных ссылок.

Обработка

[ редактировать ]

Необработанные данные секвенирования затем обрабатываются с помощью биоинформатики (например, с помощью программного обеспечения для анализа GemCode, разработанного 10x Genomics) для удаления некачественных считываний и сопоставления считываний с соответствующими штрих-кодами. [2] Считывания могут быть сопоставлены с эталонным геномом или собраны de novo для создания контигов большого радиуса действия . Этап выравнивания чтения важен для определения порядка и ориентации длинных фрагментов ДНК, а также для выявления геномных вариаций, таких как вставки или делеции . [ нужна ссылка ]

Приложения

[ редактировать ]

Геномная сборка De Novo

[ редактировать ]

Секвенирование связанного чтения может облегчить сборку генома de novo , которая включает в себя реконструкцию генома с нуля без каких-либо предварительных ссылок. Секвенирование связанного чтения позволяет собирать большие геномные области и помогает улучшить полноту и непрерывность полученного генома. Это может быть особенно полезно для изучения организмов, у которых отсутствует высококачественный эталонный геном, например, немодельных организмов или организмов со сложными геномами. [6] В последнее время многие ученые используют технологию секвенирования связанного чтения для сборки генома de novo у различных организмов, включая людей, растения и животных. [7] [6] [8] Например, доктор Эван Эйхлер и его исследовательская группа использовали секвенирование связанного чтения для сборки генома орангутанга , которого ранее было трудно изучать из-за его сложного генома. [8] Полученная в результате сборка генома помогла ученым изучить новую информацию об эволюционной истории приматов и генетической основе болезней человека. [8] Кроме того, выровненные или собранные прочтения можно использовать для других генетических исследований или последующего анализа, например, для фазирования гаплотипов.

Фазировка гаплотипов

[ редактировать ]

Гаплотип относится к группе генетических вариантов, унаследованных вместе на хромосоме от одного родителя из-за их генетического сцепления . Фазирование гаплотипов (также называемое оценкой гаплотипов ) относится к процессу реконструкции отдельных гаплотипов, важному для определения генетической основы заболеваний. [9] Секвенирование связанного чтения позволяет последовательно охватить гены, связанные с различными заболеваниями, помогая ученым получить все области, несущие мутации целевых генов. [10] Например, в 2018 году группа исследователей использовала технологию секвенирования связанного чтения для секвенирования генетической информации беременной женщины, которая была носителем мутации мышечной дистрофии Дюшенна (МДД). [10] Секвенирование связанного чтения позволяет идентифицировать материнские гаплотипы и определять наличие мутантных аллелей в ДНК плода. [10] Эта неинвазивная пренатальная диагностика МДД демонстрирует клиническую применимость секвенирования связанного считывания.

Структурный вариационный анализ

[ редактировать ]

Структурные вариации , такие как делеции, дупликации , инверсии, транслокации и другие перестройки, распространены в геномах человека. [4] Эти вариации могут оказывать существенное влияние на функции генома и быть причастны ко многим заболеваниям. Технология секвенирования связанных чтений маркирует все чтения, происходящие из одного и того же длинного фрагмента ДНК, одним и тем же штрих-кодом, что позволяет обнаруживать большое количество структурных вариантов. [4] Сложность структурных вариантов можно решить с помощью секвенирования связанного чтения и получить полную картину геномного ландшафта. Многие ученые уже используют секвенирование связанного чтения для выявления и характеристики структурных вариантов в различных популяциях, включая людей с генетическими нарушениями или раком. [11]

Транскриптомный анализ

[ редактировать ]

Транскриптомный анализ — это исследование всех РНК транскриптов , которые вырабатываются геномом организма. Секвенирование связанного чтения использовалось исследователями для сборки изоформ транскриптов и событий альтернативного сплайсинга . [12] Информация об альтернативных событиях сплайсинга может дать представление о регуляции экспрессии генов в транскриптоме человека. [12]

Эпигенетический анализ

[ редактировать ]

Эпигенетика относится к изучению наследственных изменений генетической активности, которые отличаются от изменений в последовательностях ДНК. Эпигенетический анализ включает изучение взаимодействий ДНК-белок, модификаций гистонов и метилирования ДНК . Секвенирование связанного чтения использовалось для изучения закономерностей метилирования ДНК во многих исследованиях. [13] [14] Например, в 2021 году в исследовании изучались различия в метилировании ДНК в клетках периферической крови между близнецами, из которых один из близнецов страдал болезнью Альцгеймера , а другой был когнитивно нормальным. [13] Технология секвенирования связанного чтения позволила исследователям идентифицировать более 3000 дифференциально метилированных областей между этими близнецами, дискордантными по болезни Альцгеймера , и исследование этих дифференциально метилированных областей в конечном итоге привело к идентификации генов, участвующих в процессах развития нервной системы, передаче сигналов нейронов и иммунной системы. функциях [13]

Использовать

[ редактировать ]

Преимущества

[ редактировать ]
  • Широкий спектр геномных приложений и научных вопросов, включая сборку генома de novo, фазировку гаплотипов, анализ структурных вариантов, а также транскриптомный и эпигенетический анализ.
  • Точность и масштабируемость.
  • Метод требует небольших количеств входной ДНК, что может быть полезно для небольших образцов или исследований отдельных клеток. [2]
  • Более экономически выгоден в расчете на образец по сравнению с давно изученными технологиями, такими как секвенирование Oxford Nanopore . [3]
  • Библиотеки, созданные методом связанного чтения, можно обрабатывать с помощью секвенирования короткого чтения Illumina, что повышает доступность. [2] [3]

Ограничения

[ редактировать ]
  • Сложность построения библиотеки — эта технология требует подготовки высокомолекулярной ДНК для получения достаточно длинных молекул ДНК для секвенирования. [3]
  • Ограничения длины чтения могут привести к ограниченному разрешению гаплотипов, что может снизить эффективность этой технологии в очень сложных геномных регионах. [2] [3]

В 2018 году Bio-Rad Laboratories подала иск против 10x Genomics, заявив, что их технология связанного чтения нарушает три патента, которые были лицензированы Bio-Rad в Чикагском университете . [15] Жюри присудило Bio-Rad сумму в 23 930 716 долларов. Компания 10x Genomics подала ходатайство о вынесении судебного решения по закону (JMOL), но в 2019 году ему было отказано, а судебное разбирательство завершилось в 2020 году. После этого иска 10x Genomics прекратила свой анализ связанного чтения. [15] Исключение было сделано для продуктов связанного чтения, которые уже были проданы компанией до иска, что позволило 10x Genomics продолжать предоставлять этим исследователям такие услуги, как поддержка и гарантийное обслуживание этой технологии. [ нужна ссылка ]

  1. ^ Маркс, Патрик; Гарсия, Сара; Баррио, Альваро Мартинес; Белхочин, Камила; Бернате, Хорхе; Бхарадвадж, Раджив; Бьорнсон, Кейт; Каталанотти, Клаудия; Делани, Джош; Фер, Адриан; Фиддес, Ян Т.; Гэлвин, Брендан; Хитон, Хейнс; Хершлеб, Джилл; Хиндсон, Кристофер (апрель 2019 г.). «Раскрытие всего спектра вариаций генома человека с помощью Linked-Reads» . Геномные исследования . 29 (4): 635–645. дои : 10.1101/гр.234443.118 . ISSN   1088-9051 . ПМЦ   6442396 . ПМИД   30894395 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п Чжэн, Грейс XY; Лау, Билли Т.; Шналь-Левин, Майкл; Ярош, Мирна; Белл, Джон М.; Хиндсон, Кристофер М.; Кириазопулу-Панагиотопулу, София; Маскелье, Дональд А.; Меррилл, Лэндон; Терри, Джессика М.; Мудиварти, Патрис А.; Вятт, Пол В.; Бхарадвадж, Раджив; Макаревич, Энтони Дж.; Ли, Юань (март 2016 г.). «Гаплотипирование зародышевых и раковых геномов с помощью высокопроизводительного секвенирования связанного чтения» . Природная биотехнология . 34 (3): 303–311. дои : 10.1038/nbt.3432 . ISSN   1546-1696 . ПМК   4786454 . ПМИД   26829319 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и ж Мостовой Юлия; Леви-Сакин, Михал; Лам, Джессика; Лам, Эрнест Т; Хасти, Алекс Р.; Маркс, Патрик; Ли, Джойс; Чу, Кэтрин; Лин, Чин; Джакула, Желько; Цао, Хан; Шлебуш, Стивен А; Джорда, Кристина; Шналь-Левин, Майкл; Уолл, Джеффри Д. (июль 2016 г.). «Гибридный подход к сборке и фазированию последовательностей генома человека de novo» . Природные методы . 13 (7): 587–590. дои : 10.1038/nmeth.3865 . ISSN   1548-7091 . ПМЦ   4927370 . ПМИД   27159086 .
  4. ^ Jump up to: а б с Эльянов, Ребекка; У, Синь-Та; Рафаэль, Бенджамин Дж (15 января 2018 г.). Кертис, Кристина (ред.). «Идентификация структурных вариантов с использованием данных секвенирования связанного чтения» . Биоинформатика . 34 (2): 353–360. doi : 10.1093/биоинформатика/btx712 . ISSN   1367-4803 . ПМК   5860216 . ПМИД   29112732 .
  5. ^ Jump up to: а б с Отт, Алина; Шнабль, Джеймс К.; Да, Чэн-Тин; Ву, Линьцзян; Лю, Чао; Ху, Хенг-Чэн; Далгард, Клифтон Л.; Саркар, Сумик; Шнабле, Патрик С. (04 сентября 2018 г.). «Технология связанного чтения для сборки больших сложных и полиплоидных геномов» . БМК Геномика . 19 (1): 651. doi : 10.1186/s12864-018-5040-z . ISSN   1471-2164 . ПМК   6122573 . ПМИД   30180802 .
  6. ^ Jump up to: а б Мартинес-Вио, Карин А; Лоули, Синди Тейлор; Вергара, Милмер Мартинес; Бен-Цви, Гил; Биниашвили, Тэмми; Барух, Коби; Сен-Леже, Джуди; Ле, Дженни; Натараджан, Апарна; Ривера, Марлем; Гиллерган, Марби; Йегер, Эрих; Стеффи, Брайан; Зимин, Алексей (01.03.2019). «Новая сборка атлантической афалины (Tursiops truncatus) de novo улучшает полноту генома и обеспечивает фазирование гаплотипов» . ГигаСайенс . 8 (3). doi : 10.1093/gigascience/giy168 . ISSN   2047-217X . ПМК   6443575 . ПМИД   30698692 .
  7. ^ Ву, Шан; Лау, Кин Х.; Цао, Цинхэ; Гамильтон, Джон П.; Сунь, Хунхэ; Чжоу, Чэньси; Эзерман, Лорен; Геменет, Доркус К.; Олуколу, Боде А.; Ван, Хайян; Крисован, Эмили; Годден, Грант Т.; Цзяо, Чен; Ван, Синь; Китави, Мерси (2 ноября 2018 г.). «Последовательности генома двух диплоидных диких родственников культивируемого сладкого картофеля открывают цели для генетического улучшения» . Природные коммуникации . 9 (1): 4580. Бибкод : 2018NatCo...9.4580W . дои : 10.1038/s41467-018-06983-8 . ISSN   2041-1723 . ПМК   6214957 . ПМИД   30389915 .
  8. ^ Jump up to: а б с Кроненберг, Зев Н.; Фиддес, Ян Т.; Гордон, Дэвид; Мурали, Света; Канцилиерис, Стюарт; Мейерсон, Оливия С.; Андервуд, Джейсон Г.; Нельсон, Брэдли Дж.; Чессон, Марк Дж. П.; Догерти, Макс Л.; Мансон, Кэтрин М.; Хасти, Алекс Р.; Диканс, Марк; Хормоздиари, Ферейдун; Лоруссо, Никола (08.06.2018). «Сравнительный анализ геномов человекообразных обезьян высокого разрешения» . Наука . 360 (6393): eaar6343. дои : 10.1126/science.aar6343 . ISSN   0036-8075 . ПМК   6178954 . ПМИД   29880660 .
  9. ^ Мастерс, Симона; Матуро, Мария Джованна; Косентино, Эмануэла; Марколунго, Лука; Ядарола, Барбара; Фортунати, Элизабет; Россато, Марсия; Делледонн, Массимо (01 декабря 2020 г.). «Длительный подход к секвенированию для прямой фазировки гаплотипов в клинических условиях» . Международный журнал молекулярных наук . 21 (23): 9177. doi : 10.3390/ijms21239177 . ISSN   1422-0067 . ПМЦ   7731377 . ПМИД   33271988 .
  10. ^ Jump up to: а б с Чан, Се Сон; Лим, Бён Чан; Ю, Сон Гын; Шин, Чон Ён; Ким, Ки Чжун; Со, Чон Сон; Ким, Чен Ир; Че, Чон Хи (6 июня 2018 г.). «Целевое секвенирование связанного чтения для прямой фазировки гаплотипов материнских аллелей МДД: практичный и надежный метод неинвазивной пренатальной диагностики» . Научные отчеты . 8 (1): 8678. Бибкод : 2018NatSR...8.8678J . дои : 10.1038/s41598-018-26941-0 . ISSN   2045-2322 . ПМЦ   5989205 . ПМИД   29875376 .
  11. ^ Остендорф, Бенджамин Н.; Биланович, Яна; Адаку, Ннеома; Тафрешян, Кимия Н.; Тавора, Бернардо; Воган, Роджер Д.; Тавазои, Сохаил Ф. (июль 2020 г.). «Общие зародышевые варианты гена APOE человека модулируют прогрессирование и выживаемость меланомы» . Природная медицина . 26 (7): 1048–1053. дои : 10.1038/s41591-020-0879-3 . ISSN   1546-170Х . ПМЦ   8058866 . ПМИД   32451497 .
  12. ^ Jump up to: а б Тилгнер, Хаген; Джаханбани, Ферештех; Гупта, Ишаан; Кольер, Пол; Вэй, Эрик; Расмуссен, Мортен; Снайдер, Майкл (февраль 2018 г.). «Микрофлюидное секвенирование изоформ показывает широко распространенную координацию сплайсинга в транскриптоме человека» . Геномные исследования . 28 (2): 231–242. дои : 10.1101/гр.230516.117 . ISSN   1088-9051 . ПМЦ   5793787 . ПМИД   29196558 .
  13. ^ Jump up to: а б с Конки, Микко; Малонцо, Майя; Карлссон, Ида К.; Линдгрен, Нора; Гимире, Бишва; Смоландер, Йоханнес; Шейнин, Нура М.; Олликайнен, Миина; Лайхо, Аста; Эло, Лаура Л.; Лённберг, Тапио; Ройтта, Матиас; Педерсен, Нэнси Л.; Каприо, Яакко; Ляхдесмяки, Харри (декабрь 2019 г.). «Различия в метилировании ДНК периферической крови у пар близнецов, дискордантных при болезни Альцгеймера» . Клиническая эпигенетика . 11 (1): 130. дои : 10.1186/s13148-019-0729-7 . ISSN   1868-7075 . ПМК   6721173 . ПМИД   31477183 .
  14. ^ МакГрат-Морроу, Шэрон А.; Нде, Роланд; Хелмин, Кэтрин А.; Худер, Василий; Ротблюм-Овиатт, Синтия; Коллако, Джозеф М.; Райт, Дженнифер; Рейфман, Пол А.; Ледерман, Ховард М.; Певец, Бенджамин Д. (04 мая 2020 г.). «Метилирование ДНК и признаки экспрессии генов связаны с фенотипом атаксии-телеангиэктазии» . Научные отчеты . 10 (1): 7479. Бибкод : 2020НатСР..10.7479М . дои : 10.1038/s41598-020-64514-2 . ISSN   2045-2322 . ПМЦ   7198504 . ПМИД   32366930 .
  15. ^ Jump up to: а б «Апелляционный суд Федерального округа США - Bio-Rad Laboratories Inc. против 10x Genomics» (PDF) . Cases.Justia.com . 03.08.2020.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 07bd8924a876fda6a86f904679813682__1701569160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/07/82/07bd8924a876fda6a86f904679813682.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Linked-read sequencing - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)