Связанное-чтение последовательности

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]
История
[ редактировать ]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.
Метод
[ редактировать ]Обзор
[ редактировать ]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]
- Подготовка образца: ДНК извлекается из образца (например, крови) и разрезается на фрагменты длиной от 50 до 200 тысяч пар оснований .
- Секвенирование штрих-кода: каждый фрагмент ДНК помечается уникальным штрих-кодом с помощью процесса, известного как «эмульсия с гелевыми шариками» (GEM).
- Подготовка библиотеки : фрагменты ДНК со штрих-кодом амплифицируются с помощью ПЦР для создания библиотек секвенирования.
- Секвенирование: с помощью Illumina технологии секвенирования нового поколения можно генерировать от миллионов до миллиардов считываний коротких последовательностей, которые представляют собой фрагменты исходных молекул ДНК.
- Обработка штрих-кода: группируйте короткие считывания в более длинные фрагменты на основе штрих-кодов.
- 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]
Споры
[ редактировать ]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 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б «Апелляционный суд Федерального округа США - Bio-Rad Laboratories Inc. против 10x Genomics» (PDF) . Cases.Justia.com . 03.08.2020.