Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Секвенирование нового поколения — техника определения нуклеотидной последовательности ДНК и РНК для получения формального описания ее первичной структуры. Технология методов секвенирования нового поколения (СНП) позволяет «прочитать» единовременно сразу несколько участков генома, что является главным отличием от более ранних методов секвенирования. СНП осуществляется с помощью повторяющихся циклов удлинения цепи, индуцированного полимеразой, или многократного лигирования олигонуклеотидов. В ходе СНП могут генерироваться до сотен мегабаз и гигабаз нуклеотидных последовательностей за один рабочий цикл.
Содержание
- 1 История секвенирования
- 2 Основные принципы всех методов
- 3 Методы
- 3.1 Roche/454 Life Sciences
- 3.2 Illumina/Solexa
- 3.3 Applied Biosystems/SOLiD
- 3.4 Одномолекулярное секвенирование Helicos Biosciences
- 3.5 Одномолекулярное секвенирование в реальном времени Pacific Biosciences
- 3.6 Ion Torrent Sequencing
- 3.7 Нанопоровое секвенирование
- 4 Применение секвенирования нового поколения
- 4.1 Геномный анализ
- 4.2 Направленное пересеквенирование геномов
- 4.3 Применение в сочетании с другими методами
- 4.4 Метагеномика
- 4.5 Секвенирование транскриптома
- 4.6 Картирование ДНК-связывающих белков и анализ хроматина
- 4.7 Перспективы применения секвенирования в медицине
- 5 См. также
- 6 Примечания
- 7 Литература
История секвенирования
Первая концепция секвенирования была предложена Сэнгером в 1977 году[1]. Технология получила название «метод обрыва цепи». В том же году Максам и Гилберт предложили альтернативный метод, получивший название «метод химической деградации». Необходимость в массовом, качественном и быстром секвенировании стимулировала многочисленные модификации и всевозможные улучшения этих методов. В той или иной степени изменениям подверглись практически все составляющие этого процесса. Переломной точкой развития технологии стало появление ПЦР и автоматизация основных этапов «чтения» ДНК, давшие начало методам секвенирования следующего поколения. Платформы для методов нового поколения основываются на распараллеливании процесса «чтения» ДНК, и таким образом за один прогон работы секвенатора можно определить первичные структуры нескольких участков генома. Секвенаторы нового поколения стали значительно дешевле и гораздо эффективнее своих предшественников. На сегодняшний день производительность некоторых секвенаторов измеряется уже сотнями миллиардов пар оснований, что, например, позволяет подобным приборам сканировать индивидуальный геном человека всего за несколько дней.
Основные принципы всех методов
Все основные принципы работы технологий СНП базируются на секвенировании ДНК-чипов, используя интерактивные циклические ферментативные реакции с дальнейшим сбором полученной информации в виде иллюстраций. Полученные данные используются для восстановления нуклеотидной последовательности или, как для технологии SOLiD, динуклеотидных «цветов». Несмотря на разные методы получения копий (амплификация) участков генома и на техническую разницу дифференциации различных нуклеотидов в прочтённых последовательностях, общая схема работы для всех секвенаторов одна. Первый этап секвенирования — создание библиотеки случайных последовательностей ДНК, которые можно будет сшить с общедоступными адаптерными последовательностями. Второй этап — создание ампликонов с помощью ПЦР, которые будут использованы как образцы. Третий этап — определение первичной структуры всех фрагментов.
Методы
| метод | принцип | длина одного прочтения, пар оснований | стоимость секвенирования 1 млн пар оснований | стоимость секвенатора | время работы за цикл | количество прочтений за цикл | преимущества | недостатки |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 454 Life Sciences | пиросеквенирование | 400 | 10$ | 500 000$ | 7 часов | 1 000 000 | длина прочтённых геномных участков; скорость | стоимость; погрешность |
| Illumina-SOLEXA | SBS (sequncing-by-synthesis) | 300 | 0,05—0,15$ | 600 000$ | 9 дней | до 3 000 000 000 | эффективность | стоимость |
| IonTorrent | ионный полупроводник | 200 | 1$ | 50 000$ | 1,5 часа | до 5 000 000 | стоимость; скорость | погрешность |
| SOLiD | секвенирование на основе лигирования | 35—50 | 0,13$ | 595 000$ | 9 дней | 1 300 000 000 | стоимость | скорость |
| Helicos | HeliScope | 2900 | 2$ | 1 час | 35 000—75 000 | длина прочтённых геномных участков; скорость | низкая производительность при желаемой малой погрешности; стоимость |
В связи со стремительным развитием методов секвенирования, параметры методов, такие как стоимость секвенаторов и их работы, время и длины прочтённых участков, могут меняться. Актуальная информация доступна в современных источниках.[4][5]
Roche/454 Life Sciences
Первая эффективно используемая на коммерческой основе платформа СНП. Компания 454 Life Sciences основана в 2000 году Джонатаном Ротбергом (в производство запущена в 2005 году). Данная технология представляет собой последовательный синтез методов эмульсионного ПЦР и пиросеквенирования.
Амплификация ДНК проходит в каплях воды в масляной эмульсии. В каждой капле воды находится одноцепочечная матрица ДНК, связанная с праймером на бусинке. Далее, каждая бусина помещается на чип, представляющий собой оптическое волокно. Туда же помещаются необходимые для секвенирования ферменты: ДНК-полимераза, люцифераза, АТФ-сульфурилаза. В последней сборке реакция секвенирования идет в ячейках объемом 3,4·106 пкл, на стенках которых есть специальное металлическое покрытие, нивелирующее шум.
Illumina/Solexa
Авторы метода — британские химики Шанкар Баласубраманиан и Дэвид Кленерман. Этот метод[6] секвенирования использует прикреплённые к микросферам единичные молекулы ДНК. В 2006 году была запущена Solexa Genome Analyzer 1G, первая платформа, генерирующая короткие участки генома. После её приобретения компанией Illumina Genome Analyzer использует оптически прозрачные ячейки с 8 индивидуальными поверхностями, где связываются олигонуклеотиды. В отличие от пиросеквенирования удлинение последовательности происходит постепенно, что позволяет за раз с помощью камеры снимать большие ДНК-чипы.
Applied Biosystems/SOLiD
Платформа SOLiD (Supported Oligonucleotide Ligation and Detection System 2.0), разработанная Applied Biosystems — технология секвенирования коротких чтений, основанная на лигировании. Метод был предложен в лаборатории Георга Черча и опубликован в 2005 году (был заново просеквенирован геном Escherichia coli). По технологии SOLiD при секвенировании фрагменты ДНК лигируются на олигонуклеотидные адаптеры, прикрепленные к шарикам, далее они амплифицируются с помощью эмульсионной ПЦР.
Одномолекулярное секвенирование Helicos Biosciences
Первый метод секвенирования единичных молекул, разработанный HeliScope (Helicos BioSciences) имеет производительность около 1Gb/день. Принцип работы: после клональной амплификации образца происходит фрагментация ДНК с последующимполиаденилированием на 3'-конце с дальнейшим секвенированием, чередующимся с промыванием образцов нуклеотидами с флуоресцентной меткой.
Одномолекулярное секвенирование в реальном времени Pacific Biosciences
Метод одномолекулярного секвенирование в реальном времени (англ. Single molecule real time sequencing, SMRT) основан на наблюдении за работой единичной молекулыДНК-полимеразы. Использование четырех флуоресцентно-меченных нуклеотидов позволяет определить какой нуклеотид присоединяет ДНК-полимераза в данный момент.
Ion Torrent Sequencing
Метод основан на связи между химической и цифровой информацией, что позволяет быстрее и проще секвенировать большое количество образцов. Эта технология также называется рН-индуцированным секвенированием. Процесс основан на детекции протонов, которые получаются при синтезе цепи ДНК как побочный продукт. Как следствие, рН раствора меняется, что и можно детектировать.
Платформа Ion Torrent отличается от остальных технологий секвенирования тем, что в ней не используются модифицированные нуклеотиды и оптические методы. Метод Ion Torrent позволяет исследовать транскриптомы, малые РНК, проводить ChIP-seq. Более того, с его помощью можно изучать геномы микробных сообществ.
Нанопоровое секвенирование
Метод основан на измерении тока ионов через единичную нанопору в непроводящей мембране. При прохождении через эту пору нуклеотидов ток падает. Время, на которое изменяется ток ионов, и величина этого падения зависят от того, какой нуклеотид в данный момент находится внутри поры.
Применение секвенирования нового поколения
Быстрота и дешевизна методов СНП, недоступная ранее, спровоцировала бум в индустрии геномных исследований. Благодаря СНП появилась возможность делать ранее технически недоступные эксперименты[7][8][9].
Геномный анализ
Стали доступны геномы разных по сложности живых систем от микроорганизмов до человека, включая геном цитогенетически находящихся в норме клеток миелоидной лейкемии. Увеличение длины чтений ускорило сборку целых геномов.
Направленное пересеквенирование геномов
Секвенирование определенных регонов в геномах используется для выявленияполиморфизмов (в частности однонуклеотидых полиморфизмов) и мутаций в генах, задействованных в развитии опухолевых и других заболеваний. Примером одной из таких широкомасштабных работ может служить проект 1000 геномов.
Применение в сочетании с другими методами
Использование СНП позволило определять места связывания белков с ДНК (ChIP-seq), взаимодействующие участки ДНК (Определение конформации хромосом) и участкиоткрытого хроматина на протяжении всего генома.
Удешевление и распространение СНП позволяет осуществлять проекты ENCODE и modENCODE.
Метагеномика
СНП широко используется в исследованиях разнообразия микроорганизмов в различных образцах (например, микробные популяции в океане и почве, идентификация новых вирусов в органах, подлежащих трансплантации, описание характерной для ЖКТмикрофлоры и т. д.)
Секвенирование транскриптома
На основе СНП создан новый подход РНК-секвенирования (RNA-seq)[10] для картирования и подсчёта транскриптов в биологических образцах. У этого метода есть преимущества над используемым ранее ДНК-микрочипов. Например, ДНК-чипы зависят от перекрытия геномных последовательностей, в то время как RNA-seq позволяет охарактеризовать транскрипцию без предварительного знания места начала транскрипции.
Картирование ДНК-связывающих белков и анализ хроматина
Идентификация регуляторных белков, ассоциированных с геномами, было значительно ускорено с помощью введения в лабораторную практику иммунопреципитации хроматина и гибридизации на микрочипах.
Перспективы применения секвенирования в медицине
В недалеком будущем технологии секвенирования станут более быстрыми и менее дорогими, что позволит использовать их для идентификация мишеней для лекарственной терапии онкологических больных. Уже сейчас[когда?] анализ по технологии секвенирования следующего поколения (NGS) от момента биопсии до завершения NGS занимает менее 100 дней. Столько же времени занимает секвенирование всего генома (whole genome sequencing, WGS) и секвенирование всего транскриптома (whole transcriptome sequencing, WTS)[11]
См. также
- Секвенирование
- Секвенирование спаренных концов
- Полони-секвенирование
- Картирование коротких чтений
- Секвенирование РНК
Примечания
- ↑ Next-generation DNA sequencing techniques. N Biotechnol. 2009 - PubMed - NCBI. Проверено 1 мая 2013.
- ↑ Quail MA, Smith M, Coupland P, Otto TD, Harris SR, Connor TR, Bertoni A, Swerdlow HP, Gu Y (1 January 2012). «A tale of three next generation sequencing platforms: comparison of Ion torrent, pacific biosciences and illumina MiSeq sequencers». BMC Genomics 13 (1): 341.DOI:10.1186/1471-2164-13-341. PMID 22827831.
- ↑ Liu L, Li Y, Li S, Hu N, He Y, Pong R, Lin D, Lu L, Law M (1 January 2012). «Comparison of Next-Generation Sequencing Systems». Journal of Biomedicine and Biotechnology (Hindawi Publishing Corporation) 2012: 1–11.DOI:10.1155/2012/251364. PMID 22829749.
- ↑ Comparison of Next-Generation Sequencing Systems. Проверено 1 мая 2013. Архивировано из первоисточника 17 мая 2013.
- ↑ An Error Occurred Setting Your User Cookie. Проверено 1 мая 2013.Архивировано из первоисточника 17 мая 2013.
- ↑http://www.illumina.com/Documents/products/Illumina_Sequencing_Introduction.pdf
- ↑ Next-generation DNA sequencing : Article : Nature Biotechnology.Проверено 1 мая 2013. Архивировано из первоисточника 17 мая 2013.
- ↑ Minireview: Applications of Next-Generation Sequencing on Studies of Nuclear Receptor Regulation and Function. Проверено 1 мая 2013.Архивировано из первоисточника 17 мая 2013.
- ↑ Next-generation sequencing: The future of molecular genetics in poultry production and food safety. Проверено 1 мая 2013.Архивировано из первоисточника 17 мая 2013.
- ↑ Sequencing technologies — the next generation. Проверено 1 мая 2013.Архивировано из первоисточника 17 мая 2013.
- ↑ Weiss GJ, Liang WS, Demeure MJ, Kiefer JA, Hostetter G, et al. (2013) A Pilot Study Using Next-Generation Sequencing in Advanced Cancers: Feasibility and Challenges. PLoS ONE 8(10): e76438. doi:10.1371/journal.pone.0076438
Литература
- G. A. Pavlopoulos, A. Oulas, E. Iacucci, et al. (2013) Unraveling genomic variation from
