Введение

ДНК-секвенирование – это процесс определения последовательности нуклеиновых кислот, то есть порядка нуклеотидов в ДНК. Он включает в себя любой метод или технологию, используемую для определения порядка четырех оснований: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Разработка быстрых методов секвенирования ДНК значительно ускорила биологические и медицинские исследования и открытия. Знание последовательностей ДНК стало незаменимым для фундаментальных биологических исследований, проектов генографирования ДНК и многочисленных прикладных областей, таких как медицинская диагностика, биотехнология, судебная биология, вирусология и биологическая систематика. Сравнение последовательностей здоровой и мутировавшей ДНК позволяет диагностировать различные заболевания, включая различные виды рака, и характеризовать репертуар антител. Быстрое секвенирование ДНК обеспечивает более оперативную и индивидуализированную медицинскую помощь, а также позволяет идентифицировать и каталогизировать большее количество организмов. Секвенирование ДНК стало проще и значительно быстрее.

Метагеномика

Область метагеномики включает в себя идентификацию организмов, присутствующих в теле воды, сточных водах, почве, осадке, отфильтрованном из воздуха, или в образцах, взятых с помощью тампонов с организмов. Знание того, какие организмы присутствуют в конкретной среде, критически важно для исследований в области экологии, эпидемиологии, микробиологии и других наук. Секвенирование позволяет исследователям определить, какие типы микробов могут присутствовать в микробиоме, например.

Вирусология

Поскольку большинство вирусов слишком малы, чтобы их можно было увидеть в световой микроскоп, секвенирование является одним из основных инструментов вирусологии для идентификации и изучения вирусов. Во время вспышки птичьего гриппа в 1990 году секвенирование вируса показало, что подтип гриппа возник в результате пересортировки генетического материала между перепелами и домашней птицей. Это привело к принятию в Гонконге законодательства, запрещающего совместную продажу живых перепелов и домашней птицы на рынках. Секвенирование вирусов также может использоваться для оценки времени начала вирусной вспышки с помощью метода молекулярных часов.

Медицина

Медицинские техники могут секвенировать гены (или, теоретически, полные геномы) пациентов, чтобы определить наличие риска генетических заболеваний. Это один из видов генетического тестирования, хотя некоторые генетические тесты могут не включать секвенирование ДНК. По состоянию на 2013 год секвенирование ДНК все шире использовалось для диагностики и лечения редких заболеваний. По мере идентификации все большего числа генов, вызывающих редкие генетические заболевания, молекулярная диагностика для пациентов становится все более распространенной. Секвенирование ДНК позволяет врачам выявлять генетические заболевания, улучшать ведение заболеваний, предоставлять консультации по репродуктивному здоровью и назначать более эффективную терапию. Панели для секвенирования генов используются для выявления множества потенциальных генетических причин предполагаемого заболевания. Кроме того, секвенирование ДНК может быть полезно для определения конкретного вида бактерий, что позволяет назначать более точное лечение антибиотиками и тем самым снижать риск развития устойчивости к антимикробным препаратам в популяциях бактерий.

Криминалистское расследование

Секвенирование ДНК может использоваться совместно с методами ДНК-профилирования для криминалистической идентификации и установления отцовства. ДНК-тестирование претерпело огромные изменения за последние десятилетия, чтобы в конечном итоге связать ДНК-профиль с объектом расследования. ДНК, содержащаяся в отпечатках пальцев, слюне, волосяных фолликулах и т.д., уникальным образом отличает каждый живой организм от другого. ДНК-тестирование – это методика, позволяющая выявлять специфические геномы в цепи ДНК для создания уникального и индивидуального профиля.

Четыре канонических основания

Каноническая структура ДНК состоит из четырех оснований: тимина (T), аденина (A), цитозина (C) и гуанина (G). Секвенирование ДНК – это определение физического порядка этих оснований в молекуле ДНК. Однако в молекуле может присутствовать множество других оснований. В некоторых вирусах (в частности, бактериофагах) цитозин может быть заменен гидроксиметил- или гидроксиметилглюкозоцитозином. В ДНК млекопитающих могут быть обнаружены варианты оснований с метильными группами или фосфосульфатом. В зависимости от используемой технологии секвенирования, конкретная модификация, например, 5mC (5-метилцитозин), часто встречающаяся у людей, может быть как обнаружена, так и не обнаружена. Почти во всех организмах ДНК синтезируется in vivo, используя только 4 канонических основания; модификации, возникающие после репликации, создают другие основания, такие как 5-метилцитозин. Однако некоторые бактериофаги могут непосредственно включать нестандартные основания. Помимо модификаций, ДНК постоянно подвергается воздействию факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое излучение и кислородные радикалы. На данный момент большинство методов секвенирования ДНК не обнаруживают наличие таких поврежденных оснований, хотя компания PacBio опубликовала данные об этом по адресу https://www.pacb.com/publications/direct-detection-and-sequencing-of-damaged-dna-bases/.

Открытие структуры и функции ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) была впервые обнаружена и изолирована Фридрихом Мишером в 1869 году, но оставалась малоизученной на протяжении многих десятилетий, поскольку считалось, что именно белки, а не ДНК, содержат генетический план жизни. Эта ситуация изменилась после 1944 года в результате экспериментов Освальда Эйвери, Колина МакЛеода и Маклина Маккарти, которые показали, что очищенная ДНК может превратить один штамм бактерий в другой. Это было первое доказательство способности ДНК изменять свойства клеток. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили свою модель двойной спирали ДНК, основанную на изучении рентгеноструктур кристаллов, полученных Розалинд Франклин. Согласно этой модели, ДНК состоит из двух цепей нуклеотидов, закрученных вокруг друг друга, соединенных водородными связями и ориентированных в противоположных направлениях. Каждая цепь состоит из четырех комплементарных нуклеотидов – аденина (А), цитозина (С), гуанина (G) и тимина (Т) – при этом аденин (А) на одной цепи всегда спаривается с тимином (Т) на другой, а цитозин (С) – с гуанином (G). Они предположили, что такая структура позволяет каждой цепи служить матрицей для реконструкции другой, что является ключевой идеей для передачи наследственной информации между поколениями. Основы для секвенирования белков были впервые заложены работами Фредерика Сэнгера, который к 1955 году завершил определение последовательности всех аминокислот инсулина – небольшого белка, секретируемого поджелудочной железой. Это предоставило первые убедительные доказательства того, что белки являются химическими структурами с определенной молекулярной структурой, а не случайной смесью веществ, взвешенных в жидкости. Успех Сэнгера в секвенировании инсулина стимулировал исследователей, работающих с рентгеновской кристаллографией, включая Уотсона и Крика, которые к тому времени пытались понять, как ДНК управляет образованием белков в клетке. Вскоре после посещения серии лекций Фредерика Сэнгера в октябре 1954 года Крик начал разрабатывать теорию, согласно которой последовательность нуклеотидов в ДНК определяет последовательность аминокислот в белках, что, в свою очередь, влияет на функцию белка. Он опубликовал эту теорию в 1958 году.

РНК-секвенцирование

РНК-секвенирование было одной из первых форм секвенирования нуклеотидов. Важнейшим достижением в области секвенирования РНК является определение последовательности первого полного гена и полного генома бактериофага MS2, идентифицированного и опубликованного Уолтером Фиерсом и его коллегами в Гентском университете (Гент, Бельгия) в 1972 и 1976 годах. Традиционные методы секвенирования РНК требуют создания молекулы кДНК, которую затем необходимо секвенировать.

Ранние методы секвенирования ДНК

Первый метод определения последовательности ДНК включал стратегию удлинения специфичного к участку праймера, разработанную Рэем Ву в Корнеллском университете в 1970 году. Катализ ДНК-полимеразой и специфическая маркировка нуклеотидов, которые играют важную роль в современных схемах секвенирования, использовались для определения когезивных концов ДНК ламбда-фага. В период с 1970 по 1973 год Ву, Р. Падманабхан и их коллеги показали, что этот метод можно использовать для определения любой последовательности ДНК с помощью синтетических праймеров, специфичных к участку. Фредерик Сэнгер затем адаптировал эту стратегию удлинения праймера для разработки более быстрых методов секвенирования ДНК в Центре MRC в Кембридже, Великобритания, и опубликовал метод "секвенирования ДНК с использованием терминаторов цепи" в 1977 году. В 1973 году Гилберт и Максам сообщили о последовательности 24 пар оснований, используя метод, известный как анализ "блуждающих пятен". Развитию секвенирования способствовала параллельная разработка технологии рекомбинантной ДНК, которая позволила выделять образцы ДНК из источников, отличных от вирусов.

Секвенирование полных геномов

Первым полным геномом ДНК, который был секвенирован, был геном бактериофага φX174 в 1977 году. В 1984 году ученые из Медицинского исследовательского совета расшифровали полную последовательность ДНК вируса Эпштейна-Барр, обнаружив, что она содержит 172 282 нуклеотида. Завершение секвенирования стало важным поворотным моментом в секвенировании ДНК, поскольку оно было достигнуто без предварительных знаний о генетическом профиле вируса. Затем был коммерциализирован секвенатор ДНК "Direct Blotting Electrophoresis System GATC 1500" от GATC Biotech, который интенсивно использовался в рамках программы секвенирования генома ЕС, и была получена полная последовательность ДНК хромосомы II дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В 1987 году компания Applied Biosystems выпустила на рынок первую полностью автоматизированную машину для секвенирования, ABI 370, а в 1996 году компания Dupont представила Genesis 2000, которая использовала новую технику флуоресцентной маркировки, позволяющую идентифицировать все четыре дидеоксинуклеотида в одной полосе. К 1990 году Национальные институты здоровья США (NIH) начали крупномасштабные исследования по секвенированию Mycoplasma capricolum, Escherichia coli, Caenorhabditis elegans и Saccharomyces cerevisiae по цене 0,75 доллара США за основу. В то же время в лаборатории Крейга Вентера началось секвенирование человеческих кДНК-последовательностей, называемых экспрессированными тегами последовательности, с целью охвата кодирующей части человеческого генома. В 1995 году Вентер, Гамильтон Смит и их коллеги из Института геномных исследований (TIGR) опубликовали первый полный геном свободноживущего организма, бактерии Haemophilus influenzae. Круговая хромосома содержит 1 830 137 оснований, и ее публикация в журнале Science ознаменовала первое опубликованное применение секвенирования целого генома с использованием метода "дробовика", устранив необходимость в предварительном картировании. К 2001 году методы секвенирования "дробовиком" были использованы для получения черновой последовательности человеческого генома. В середине и конце 1990-х годов было разработано несколько новых методов секвенирования ДНК, которые к 2000 году были внедрены в коммерческие секвенаторы ДНК. Все вместе они были названы методами секвенирования "следующего поколения" или "второго поколения" (NGS), чтобы отличить их от более ранних методов, включая секвенирование по Сэнгеру. В отличие от секвенирования первого поколения, технология NGS обычно характеризуется высокой масштабируемостью, позволяющей секвенировать весь геном за один раз. Обычно это достигается путем фрагментации генома на небольшие части, случайной выборки фрагмента и его секвенирования с использованием одной из различных технологий, описанных ниже. Секвенирование всего генома возможно, поскольку несколько фрагментов секвенируются одновременно (что и дало название "массивно параллельное" секвенирование) в автоматизированном процессе. Технология NGS значительно расширила возможности исследователей в поиске новых знаний о здоровье, позволила антропологам изучать происхождение человека и стимулирует развитие "Персонализированной медицины". Однако она также увеличила вероятность ошибок. Существует множество программных инструментов для проведения вычислительного анализа данных NGS, часто объединенных на онлайн-платформах, таких как CSI NGS Portal, каждый из которых имеет свой собственный алгоритм. Даже параметры в одном программном пакете могут изменить результат анализа. Кроме того, большие объемы данных, полученных в результате секвенирования ДНК, потребовали разработки новых методов и программ для анализа последовательностей. Для решения этих проблем было предпринято несколько попыток разработки стандартов в области NGS, большинство из которых были небольшими усилиями, исходящими из отдельных лабораторий. Недавно крупный, организованный, финансируемый FDA проект завершился созданием стандарта BioCompute. 26 октября 1990 года Роджер Цзиен, Пепи Росс, Маргарет Фаннесток и Аллан Джонстон подали патент, описывающий пошаговое ("база за базой") секвенирование с использованием съемных 3'-блокаторов на массивах ДНК (блотах и отдельных молекулах ДНК). В 1996 году Пол Найрен и его студент Мостафа Ронаги из Королевского технологического института в Стокгольме опубликовали свой метод пиросеквенирования. 1 апреля 1997 года Паскаль Майер и Лоран Фаринелли подали патенты в Всемирную организацию интеллектуальной собственности, описывающие секвенирование колоний ДНК. Методы подготовки образцов ДНК и случайного поверхностного полимеразного цепного умножения (ПЦР), описанные в этом патенте, в сочетании с методом секвенирования "база за базой" Роджера Цзиена и др., теперь используются в геномных секвенаторах Illumina HiSeq. В 1998 году Фил Грин и Брент Юинг из Университета Вашингтона описали свой показатель качества phred для анализа данных секвенатора, знаковый метод анализа, получивший широкое распространение и до сих пор являющийся наиболее распространенной метрикой для оценки точности платформы секвенирования. Lynx Therapeutics опубликовала и вывела на рынок метод массивного параллельного секвенирования сигнатур (MPSS) в 2000 году. Этот метод включал параллелизованную, опосредованную адаптерами/лигацией, технологию секвенирования на основе бусин и стал первым коммерчески доступным методом секвенирования "следующего поколения", хотя секвенаторы ДНК не продавались независимым лабораториям.

Максам-Гилберт секвенирование

Аллан Максам и Уолтер Гилберт опубликовали метод секвенирования ДНК в 1977 году, основанный на химической модификации ДНК и последующем расщеплении в определенных основаниях. Этот метод, также известный как химическое секвенирование, позволял использовать очищенные образцы двухцепочечной ДНК без дальнейшего клонирования. Использование радиоактивной метки и техническая сложность метода препятствовали его широкому применению после усовершенствования методов Сэнгера. Секвенирование по Максаму и Гилберту требует радиоактивной метки на одном 5'-конце ДНК и очистки фрагмента ДНК, подлежащего секвенированию. Химическая обработка затем приводит к разрывам в небольшой доле одного или двух из четырех нуклеотидных оснований в каждой из четырех реакций (G, A+G, C, C+T). Концентрация модифицирующих реагентов контролируется для внесения в среднем одной модификации на молекулу ДНК. Таким образом, генерируется серия меченых фрагментов, от радиоактивно меченого конца до первого места расщепления в каждой молекуле. Фрагменты из четырех реакций электрофоретически разделяются параллельно в денатурирующих акриламидных гелях по размеру. Для визуализации фрагментов гель экспонируется на рентгеновскую пленку для авторадиографии, что дает серию темных полос, каждая из которых соответствует радиоактивно меченому фрагменту ДНК, по которым можно определить последовательность.

Методы окончания цепи

Метод обрыва цепи, разработанный Фредериком Сэнгером и его коллегами в 1977 году, вскоре стал методом выбора благодаря своей относительной простоте и надёжности. При создании метод обрыва цепи требовал меньшего количества токсичных химических веществ и меньших доз радиоактивности, чем метод Максама и Гилберта. Благодаря своей сравнительной простоте метод Сэнгера был быстро автоматизирован и использовался в секвенаторах ДНК первого поколения. Секвенирование по Сэнгеру было доминирующим методом с 1980-х до середины 2000-х годов. За этот период в технике были достигнуты значительные улучшения, такие как флуоресцентная маркировка, капиллярный электрофорез и общая автоматизация. Эти разработки позволили значительно повысить эффективность секвенирования и снизить затраты. Метод Сэнгера, в масштабах массового производства, стал технологией, благодаря которой в 2001 году был секвенирован первый геном человека, что ознаменовало начало эры геномики. Однако позднее, в этом десятилетии, на рынок вышли принципиально новые подходы, которые снизили стоимость секвенирования генома со 100 миллионов долларов в 2001 году до 10 000 долларов в 2011 году.

Секвенирование синтезом

Цель последовательного секвенирования синтезом (SBS) — определить последовательность образца ДНК путем обнаружения включения нуклеотида ДНК-полимеразой. Для синтеза копии одноцепочечной ДНК используется модифицированная полимераза, и за включением каждого нуклеотида ведется наблюдение. Принцип секвенирования в реальном времени с помощью синтеза был впервые описан в 1993 году, а усовершенствования были опубликованы спустя несколько лет. Ключевые этапы очень похожи для всех вариантов реализации SBS и включают (1) амплификацию ДНК (для усиления последующего сигнала) и закрепление ДНК, подлежащей секвенированию, на твердом носителе, (2) получение одноцепочечной ДНК на твердом носителе, (3) включение нуклеотидов с использованием модифицированной полимеразы и (4) обнаружение включения нуклеотидов в реальном времени. Этапы 3 и 4 повторяются, и последовательность собирается на основе сигналов, полученных на этапе 4. Этот принцип секвенирования в реальном времени с помощью синтеза используется практически во всех приборах для масштабного параллельного секвенирования, включая 454, PacBio, IonTorrent, Illumina и MGI.

Крупномасштабное секвенирование и de novo секвенирование

Крупномасштабное секвенирование часто направлено на секвенирование очень длинных фрагментов ДНК, таких как целые хромосомы, хотя крупномасштабное секвенирование также может использоваться для получения большого количества коротких последовательностей, например, в дисплейных технологиях на основе фагов. Для более крупных мишеней, таких как хромосомы, распространенными подходами являются разрезание (с помощью рестрикционных ферментов) или фрагментация (с помощью механических сил) больших фрагментов ДНК на более короткие. Затем фрагментированную ДНК клонируют в ДНК-вектор и амплифицируют в бактериальном хозяине, таком как Escherichia coli. Короткие фрагменты ДНК, выделенные из отдельных бактериальных колоний, секвенируют по отдельности и собирают электронным способом в одну длинную, непрерывную последовательность. Исследования показали, что добавление этапа селекции по размеру для сбора фрагментов ДНК одинакового размера может повысить эффективность секвенирования и точность сборки генома. В этих исследованиях автоматическое определение размера оказалось более воспроизводимым и точным, чем ручное определение размера на геле. Термин "de novo секвенирование" конкретно относится к методам, используемым для определения последовательности ДНК, для которой ранее неизвестна последовательность. "De novo" переводится с латинского как "с самого начала". Пробелы в собранной последовательности могут быть заполнены методом "primer walking" (ход по праймерам). Различные стратегии имеют разные компромиссы между скоростью и точностью; методы "shotgun" (дробное секвенирование) часто используются для секвенирования больших геномов, но их сборка сложна и трудна, особенно из-за повторов в последовательности, которые часто приводят к пробелам в сборке генома. Большинство подходов к секвенированию используют этап клонирования in vitro для амплификации отдельных молекул ДНК, поскольку их методы молекулярного детектирования недостаточно чувствительны для секвенирования отдельных молекул. Эмульсионная ПЦР изолирует отдельные молекулы ДНК вместе с праймерами, покрытыми бусинами, в водных каплях в масляной фазе. Затем полимеразная цепная реакция (ПЦР) покрывает каждую бусину клональными копиями молекулы ДНК, после чего следует иммобилизация для последующего секвенирования. Эмульсионная ПЦР используется в методах, разработанных Marguilis et al. (коммерциализированных 454 Life Sciences), Shendure и Porreca et al. (также известных как "polony sequencing") и SOLiD секвенирование (разработанных Agencourt, позже Applied Biosystems, а теперь Life Technologies). Эмульсионная ПЦР также используется в платформах GemCode и Chromium, разработанных 10x Genomics.

Секвенция дробовика

Секвенирование по дробовому принципу – это метод секвенирования, предназначенный для анализа последовательностей ДНК длиной более 1000 пар оснований, вплоть до целых хромосом. Этот метод требует фрагментации целевой ДНК на случайные фрагменты. После секвенирования отдельных фрагментов методом обрыва цепи, последовательности могут быть собраны заново на основе перекрывающихся участков.

Секвенирование в реальном времени (SMRT)

Секвенирование SMRT основано на подходе секвенирования синтезом. ДНК синтезируется в волноводах нулевого режима (ZMW) – небольших контейнерах, напоминающих ячейки, с элементами захвата, расположенными на дне ячейки. Секвенирование выполняется с использованием немодифицированной полимеразы (закрепленной на дне ZMW) и свободно текущих в растворе флуоресцентно-меченых нуклеотидов. Ячейки сконструированы таким образом, что детектируется только флуоресценция, возникающая на дне ячейки. Флуоресцентная метка отщепляется от нуклеотида при его включении в цепь ДНК, оставляя немодифицированную цепь ДНК. Согласно Pacific Biosciences (PacBio), разработчику технологии SMRT, эта методология позволяет обнаруживать модификации нуклеотидов (например, метилирование цитозина). Это достигается путем наблюдения за кинетикой полимеразы. Этот подход позволяет получать чтения длиной 20 000 нуклеотидов и более, со средней длиной чтения 5 килобаз. В 2015 году Pacific Biosciences объявила о выпуске нового прибора для секвенирования под названием Sequel System, содержащего 1 миллион ZMW по сравнению со 150 000 ZMW в приборе PacBio RS II. Секвенирование SMRT относят к секвенированию "третьего поколения" или "длинных фрагментов".

Нанопорная секвенирование ДНК

ДНК, проходящая через нанопору, изменяет ионный ток. Это изменение зависит от формы, размера и длины последовательности ДНК. Каждый тип нуклеотида блокирует ионный поток через пору в течение различного времени. Метод не требует модифицированных нуклеотидов и выполняется в реальном времени. Нанопоровое секвенирование относят к секвенированию "третьего поколения" или "длинных прочтений", наряду с секвенированием SMRT. Первоначальные промышленные исследования этого метода основывались на технике, называемой "экзонуклеазным секвенированием", где считывание электрических сигналов происходило по мере прохождения нуклеотидов через поры альфа(α)-гемолизина, ковалентно связанных с циклодекстрином. Однако последующий коммерческий метод, "секвенирование прядей", секвенировал основания ДНК в цельной нити. Два основных направления развития нанопорового секвенирования – это секвенирование нанопор в твердом состоянии и белково-основанное секвенирование нанопор. Белково-основанное секвенирование нанопор использует мембранные белковые комплексы, такие как α-гемолизин, MspA (Mycobacterium smegmatis Porin A) или CssG, которые демонстрируют большой потенциал благодаря их способности различать отдельные нуклеотиды и их группы. В отличие от этого, секвенирование нанопор в твердом состоянии использует синтетические материалы, такие как нитрид кремния и оксид алюминия, и предпочтительно благодаря его превосходной механической прочности, а также термической и химической стабильности. Метод изготовления имеет решающее значение для этого типа секвенирования, поскольку массив нанопор может содержать сотни пор диаметром менее восьми нанометров.

Массивно параллельная последовательность сигнатур (MPSS)

Первая из технологий высокопроизводительного секвенирования, массивно-параллельное секвенирование сигнатур (или MPSS, также известное как секвенирование нового поколения), была разработана в 1990-х годах в компании Lynx Therapeutics, основанной в 1992 году Сидни Бреннером и Сэмом Элетром. MPSS представлял собой метод на основе гранул, который использовал сложный подход, включающий лигацию адаптеров с последующим декодированием адаптеров и считыванием последовательности с шагом в четыре нуклеотида. Этот метод делал его уязвимым к последовательностно-специфическим искажениям или потере определенных последовательностей. Из-за сложности технологии MPSS выполнялся исключительно внутри компании Lynx Therapeutics, и независимым лабораториям не продавались секвенаторы ДНК. В 2004 году Lynx Therapeutics объединилась с Solexa (позже приобретенной Illumina), что привело к разработке секвенирования синтезом – более простого подхода, приобретенного у Manteia Predictive Medicine, и сделало MPSS устаревшим. Однако основные характеристики выходных данных MPSS были типичны для последующих типов высокопроизводительных данных, включая сотни тысяч коротких последовательностей ДНК. В случае MPSS они обычно использовались для секвенирования кДНК с целью измерения уровней экспрессии генов. В нем использовалась in vitro библиотека пар тегов в сочетании с эмульсионной ПЦР, автоматизированным микроскопом и химией секвенирования на основе лигации для секвенирования генома E. coli с точностью >99,9999% и стоимостью примерно в 1/9 от стоимости секвенирования по Сэнгеру. Разработка велась внутри Solexa теми, кто указан в соответствующих патентах. В 2004 году Solexa приобрела компанию Manteia Predictive Medicine, чтобы получить технологию массово-параллельного секвенирования, изобретенную в 1997 году Паскалем Майером и Лораном Фаринелли.

Комбинаторный синтез анкерного зонда (cPAS)

Этот метод представляет собой усовершенствованную модификацию технологии комбинаторного лигирования зондов-якорей (cPAL), описанной компанией Complete Genomics, которая впоследствии в 2013 году стала частью китайской геномной компании BGI. Обе компании доработали технологию, чтобы обеспечить получение последовательностей большей длины, сократить время реакции и ускорить получение результатов. Кроме того, данные теперь генерируются в виде непрерывных полных считываний в стандартном формате файла FASTQ и могут использоваться без изменений в большинстве биоинформатических аналитических конвейеров, основанных на коротких считываниях. В основе этой высокопроизводительной технологии секвенирования лежат две технологии: ДНК-наношарики (DNB) и структурированные массивы для прикрепления наношариков к твердой поверхности. В результате получаются последовательности, по объему и длине сопоставимые с секвенированием Illumina.

Секвенирование ДНК наношариц

Секвенирование ДНК наношариками – это вид высокопроизводительной технологии секвенирования, используемый для определения полной геномной последовательности организма. Компания Complete Genomics применяет эту технологию для секвенирования образцов, предоставленных независимыми исследователями. В методе используется репликация с помощью кругового качения для амплификации небольших фрагментов геномной ДНК в ДНК-наношарики. Затем применяется секвенирование лигацией без использования праймеров для определения нуклеотидной последовательности. Однако, из каждого ДНК-наношарика определяются лишь короткие последовательности ДНК, что затрудняет сопоставление коротких ридов с референсным геномом. Риды короткие, в среднем 35 пар оснований. Особенной новизной этой технологии было то, что она стала первой в своем классе, способной секвенировать неамплифицированную ДНК, тем самым предотвращая ошибки при чтении, связанные с этапами амплификации. В 2009 году геном человека был секвенирован с использованием Heliscope, однако в 2012 году компания обанкротилась.

Микрофлюидные системы

Существует две основные микрофлюидные системы, используемые для секвенирования ДНК: микрофлюидика на основе капель и цифровая микрофлюидика. Микрофлюидные устройства решают многие из текущих ограничений современных массивов секвенирования. Абате и соавторы изучили применение микрофлюидных устройств на основе капель для секвенирования ДНК. Эти устройства способны формировать и обрабатывать пиколитры капель со скоростью тысяч в секунду. Устройства были изготовлены из полидиметилсилоксана (PDMS) и использовали анализ резонансного переноса энергии Форстера (FRET) для считывания последовательностей ДНК, заключенных в капли. Каждая позиция на массиве тестировалась на наличие конкретной 15-базной последовательности. Значительные преимущества включают портативность устройства, объем используемых реагентов, скорость анализа, возможность массового производства и высокую пропускную способность. Данное исследование предоставило доказательство концепции, демонстрирующее возможность использования цифровых устройств для пиросеквенирования; исследование включало синтез, подразумевающий удлинение ферментов и добавление меченых нуклеотидов. Для создания, смешивания и разделения капель использовалось электросмачивающее устройство. Секвенирование использует трехферментный протокол и ДНК-матрицы, закрепленные на магнитных шариках. Устройство было протестировано по двум протоколам, что позволило достичь 100% точности, основанной на необработанных уровнях пирограмм. Преимущества этих цифровых микрофлюидных устройств включают их размер, стоимость и достижимую степень функциональной интеграции. Это показывает, что многие из этих методов секвенирования ДНК смогут быть применены в дальнейшем и использованы для более глубокого понимания геномов и транскриптомов.

Разрабатываемые методы

Методы секвенирования ДНК, находящиеся в настоящее время в разработке, включают в себя считывание последовательности при прохождении цепи ДНК через нанопоры (метод, который уже коммерчески доступен, но последующие поколения, такие как нанопоры на твердом состоянии, все еще разрабатываются), а также методы, основанные на микроскопии, такие как атомно-силовая микроскопия или просвечивающая электронная микроскопия, используемые для определения положения отдельных нуклеотидов в длинных фрагментах ДНК (>5000 п.н.) путем маркировки нуклеотидов более тяжелыми элементами (например, галогенами) для визуализации и регистрации. Технологии третьего поколения стремятся повысить пропускную способность и сократить время получения результата и стоимость за счет отказа от избыточного количества реагентов и использования процессивности ДНК-полимеразы.

Туннельные токи ДНК секвенирование

Другой подход основан на измерении электрических туннельных токов при прохождении одноцепочечной ДНК через канал. В зависимости от своей электронной структуры, каждая основание по-разному влияет на туннельный ток, что позволяет различать различные основания. Использование туннельных токов обладает потенциалом для секвенирования на порядки величины быстрее, чем методы на основе ионного тока, и уже достигнуто секвенирование нескольких олигомеров ДНК и микроРНК.

Секвенирование путем гибридизации

Секвенирование путем гибридизации – это неферментный метод, использующий ДНК-микромассив. Единственный пул ДНК, последовательность которой необходимо определить, флуоресцентно маркируется и гибридизуется к массиву, содержащему известные последовательности. Сильные сигналы гибридизации из определенной области массива идентифицируют соответствующую последовательность в секвенируемой ДНК. Этот метод секвенирования использует характеристики связывания библиотеки коротких одноцепочечных молекул ДНК (олигонуклеотидов), также называемых ДНК-зондами, для реконструкции целевой последовательности ДНК. Неспецифические гибриды удаляются промывкой, а целевая ДНК элюируется. Гибриды перестраиваются таким образом, чтобы последовательность ДНК могла быть реконструирована. Преимуществом этого типа секвенирования является его способность охватывать большое количество целей с однородным покрытием. Обычно требуется большое количество химических веществ и исходной ДНК. Однако с развитием гибридизации в растворе требуется значительно меньше оборудования и реагентов. Высокое разрешение фрагментов ДНК, обеспечиваемое методами на основе масс-спектрометрии (МС), представляет особый интерес для исследователей в области судебной науки, поскольку они могут стремиться выявить однонуклеотидные полиморфизмы в образцах человеческой ДНК для идентификации личности. Эти образцы могут быть сильно деградированы, поэтому специалисты в области судебной экспертизы часто предпочитают митохондриальную ДНК из-за ее большей стабильности и применения в исследованиях родословной. Методы секвенирования на основе МС использовались для сравнения последовательностей митохондриальной ДНК человека из образцов базы данных Федерального бюро расследований и из костей, найденных в братских могилах солдат Первой мировой войны. Ранние методы прерывания цепи и TOF MS демонстрировали длины прочтений до 100 пар оснований. Исследователям не удалось превысить этот средний размер прочтений; как и секвенирование прерыванием цепи, секвенирование ДНК на основе МС может быть непригодным для масштабных проектов de novo секвенирования. Тем не менее, в недавнем исследовании короткие прочтения и масс-спектрометрия были использованы для сравнения однонуклеотидных полиморфизмов в патогенных штаммах Streptococcus.

Микрофлюидный анализ Сангера

При микрофлюидном секвенировании по Сэнгеру вся термоциклическая амплификация фрагментов ДНК, а также их разделение электрофорезом, осуществляется на единой стеклянной пластине (диаметром около 10 см), что позволяет снизить расход реагентов и затраты. В ряде случаев исследователи продемонстрировали возможность увеличения производительности традиционного секвенирования за счет использования микрочипов. Однако для эффективного применения этой технологии потребуются дальнейшие исследования.

Методы, основанные на микроскопии

Этот подход позволяет напрямую визуализировать последовательность молекул ДНК с помощью электронной микроскопии. Впервые была осуществлена идентификация пар оснований ДНК в неповрежденных молекулах ДНК путем ферментативного включения модифицированных оснований, содержащих атомы с более высоким атомным номером, а также прямая визуализация и идентификация индивидуально меченых оснований в синтетической молекуле ДНК из 3272 пар оснований и вирусном геноме из 7249 пар оснований.

РНКР секвенирование

Этот метод основан на использовании РНК-полимеразы (РНКП), которая прикреплена к полистироловой бусине. Один конец ДНК, подлежащей секвенированию, присоединяется к другой бусине, и обе бусины помещаются в оптические ловушки. Движение РНКП во время транскрипции сближает бусины, изменяя их относительное расстояние, которое затем регистрируется с разрешением в один нуклеотид. Последовательность определяется на основе четырех измерений, полученных при пониженных концентрациях каждого из четырех типов нуклеотидов, подобно методу Сэнгера. Информация о последовательности выводится путем сравнения известных участков последовательности с неизвестными.

Высокопроизводительное секвенирование вирусов in vitro

Разработан метод анализа полных наборов белковых взаимодействий, основанный на комбинации пиросеквенирования 454 и метода отображения вирусной мРНК in vitro. В частности, этот метод ковалентно связывает интересующие белки с мРНК, кодирующими их, а затем обнаруживает фрагменты мРНК с помощью обратной транскрипционной ПЦР. Далее мРНК может быть амплифицирована и секвенирована. Комбинированный метод получил название IVV HiTSeq и может выполняться в безклеточных условиях, однако его результаты могут не отражать ситуацию in vivo.

Доля рынка

Хотя существует множество различных методов секвенирования ДНК, на рынке доминируют лишь немногие. В 2022 году доля Illumina составляла около 80% рынка, а остальную часть рынка занимают лишь несколько компаний (PacBio, Oxford Nanopore, 454, MGI).

Подготовка образца

Успех любого протокола секвенирования ДНК зависит от извлечения и подготовки образца ДНК или РНК из биологического материала, представляющего интерес. Успешная экстракция ДНК даст образец ДНК с длинными, нефрагментированными нитями. Успешная экстракция РНК даст образец РНК, который должен быть преобразован в комплементарную ДНК (cDNA) с использованием обратной транскриптазы – ДНК-полимеразы, которая синтезирует комплементарную ДНК на основе существующих нитей РНК в PCR-подобном порядке. Затем комплементарную ДНК можно обработать так же, как и геномную ДНК. После экстракции ДНК или РНК образцы могут потребовать дальнейшей подготовки в зависимости от метода секвенирования. Для секвенирования по методу Сангера необходимы либо процедуры клонирования, либо ПЦР до секвенирования. В случае методов секвенирования следующего поколения требуется подготовка библиотеки перед обработкой. Оценка качества и количества нуклеиновых кислот как после экстракции, так и после подготовки библиотеки позволяет идентифицировать деградированные, фрагментированные и образцы низкой чистоты, а также получать высококачественные данные секвенирования. Высокая производительность современных технологий секвенирования ДНК/РНК создала проблему масштабирования методов подготовки образцов. Для подготовки большего количества образцов с меньшими затратами времени используются несколько приборов для обработки жидкостей:
companyLiquid handlers / Automationнижнее значение USDверхнее значение USDlanding urlOpentronsOpenTrons OT 2$6,500$20,000https://www.opentrons.com/GilsonGilson Pipetmax$20,000$40,000https://gb.gilson.com/GBSV/system-pipetmax.htmlNeotecNeotec EzMate$25,000$45,000http://neotec.co.il/pipetting-device/FormulatrixFormulatrix Mantis$40,000$60,000https://formulatrix.com/liquid-handling-systems/mantis-liquid-handler/Hudson RoboticsHudson Robotics SOLO$40,000$50,000https://hudsonrobotics.com/products/applications/automated-solutions-next-generation-sequencing-ngs/HamiltonHamilton Microlab NIMBUS$40,000$80,000https://www.hamiltoncompany.com/automated-liquid-handling/platforms/microlab-nimbus#specificationsTTP LabtechTTP Labtech Mosquito HV Genomics$45,000$80,000https://www.sptlabtech.com/products/liquid-handling/mosquito-hv-genomics/Beckman CoulterBiomek 4000$50,000$65,000https://www.mybeckman.uk/liquid-handlers/biomek-4000/b22640HamiltonHamilton Genomic STARlet$50,000$100,000https://www.hamiltoncompany.com/automated-liquid-handling/assay-ready-workstations/genomic-starletEppendorfEppendorf epMotion 5075t$95,000$110,000https://www.eppendorf.com/epmotion/Beckman CoulterBeckman Coulter Biomek i5$100,000$150,000https://www.beckman.com/liquid-handlers/biomek-i5HamiltonHamilton NGS STAR$100,000$200,000http://www.hamiltonrobotics.com/PerkinElmerPerkinElmer Sciclone G3 NGS and NGSx Workstation$150,000$220,000https://www.perkinelmer.com/uk/product/sciclone-g3-ngs-workstation-cls145321AgilentAgilent Bravo NGS$170,000$290,000https://www.agilent.com/en/products/automated-liquid-handling/automated-liquid-handling-applications/bravo-ngsBeckman CoulterBeckman Coulter Biomek i7$200,000$250,000https://www.beckman.com/liquid-handlers/biomek-i7Labcyte Echo 525Beckman Coulter Labcyte Echo 525$260,000$300,000https://www.labcyte.com/products/liquid-handling/echo-525-liquid-handlerTecanTecan NGS$270,000$350,000https://lifesciences.tecan.com/ngs-sample-preparation

Инициативы в области развития

В октябре 2006 года Фонд X Prize основал инициативу по стимулированию развития технологий полногеномного секвенирования, названную Archon X Prize, с намерением присудить 10 миллионов долларов "первой команде, которая разработает устройство и использует его для секвенирования 100 человеческих геномов в течение 10 дней или менее, с точностью не более одной ошибки на 100 000 просеквенированных оснований, при этом секвенирование должно точно охватывать не менее 98% генома и стоить не более 10 000 долларов США на геном". Каждый год Национальный институт генома человека (NHGRI) поддерживает грантами новые исследования и разработки в области геномики. Гранты 2010 года и проекты 2011 года включают продолжение работ в области микрофлюидной, полониевой и секвенирования с высокой плотностью оснований.

Вычислительные проблемы

Технологии секвенирования, описанные здесь, генерируют первичные данные, которые необходимо собрать в более длинные последовательности, такие как полные геномы (сборка генома). Для этого существует множество вычислительных задач, включая оценку качества первичных данных секвенирования, выполняемую программами и алгоритмами, такими как Phred и Phrap. Другие сложности связаны с повторяющимися последовательностями, которые часто препятствуют полной сборке генома, поскольку они встречаются в различных его участках. В результате многие последовательности могут оставаться неназначенными к конкретным хромосомам. Получение первичных данных секвенирования – это лишь начало их детального биоинформатического анализа. Однако были разработаны новые методы секвенирования и коррекции ошибок секвенирования.

Этические вопросы

Генетика человека стала частью биоэтики с начала 1970-х годов, а расширение использования секвенирования ДНК (особенно высокопроизводительного секвенирования) породило ряд этических вопросов. Один из ключевых вопросов – право собственности на ДНК человека и данные, полученные при ее секвенировании. Что касается самой молекулы ДНК, то ведущее судебное дело по этой теме, *Moore v. Regents of the University of California* (1990), установило, что люди не имеют имущественных прав на отброшенные клетки или прибыль, полученную от их использования (например, в виде запатентованной клеточной линии). Однако люди имеют право на информированное согласие в отношении изъятия и использования клеток. Что касается данных, полученных в результате секвенирования ДНК, дело *Moore* не предоставляет индивидууму никаких прав на информацию, полученную из его ДНК. Например, вызывает опасение, что страховщики могут использовать геномные данные человека для корректировки страховых взносов в зависимости от предполагаемого будущего состояния здоровья, основанного на его ДНК. В мае 2008 года в Соединенных Штатах был принят Закон о недискриминации в отношении генетической информации (GINA), запрещающий дискриминацию на основании генетической информации при медицинском страховании и трудоустройстве. В 2012 году Президентская комиссия США по изучению биоэтических вопросов сообщила, что существующее законодательство о конфиденциальности данных секвенирования ДНК, такое как GINA и Закон о переносимости и подотчетности медицинского страхования, является недостаточным, отметив, что данные секвенирования всего генома особенно чувствительны, поскольку их можно использовать для идентификации не только человека, которому принадлежат данные, но и его родственников. В большинстве штатов США ДНК, которая была «брошена», например, на слизанной почтовой марке или конверте, кофейной чашке, сигарете, жевательной резинке, бытовом мусоре или волосах, выпавших на тротуаре, может быть законно собрана и секвенирована любым лицом, включая полицию, частных детективов, политических оппонентов или лиц, участвующих в спорах об установлении отцовства. По состоянию на 2013 год в одиннадцати штатах действуют законы, которые могут быть истолкованы как запрещающие «кражу ДНК». Этические вопросы также возникают в связи с растущим использованием скрининга генетических вариаций как у новорожденных, так и у взрослых компаниями, такими как 23andMe. Утверждается, что скрининг на генетические вариации может быть вредным, вызывая тревогу у людей, у которых выявлен повышенный риск заболевания. Например, в одном случае, описанном в журнале *Time*, врачи, проводившие скрининг больного ребенка на генетические варианты, решили не сообщать родителям о несвязанном варианте, связанном с деменцией, из-за вреда, который это могло бы причинить родителям. Однако исследование, опубликованное в 2011 году в *The New England Journal of Medicine*, показало, что у людей, прошедших профилирование риска заболевания, не наблюдалось повышения уровня тревоги.