Введение

Метод, используемый для секвенирования случайных фрагментов ДНК. В генетике, секвенирование по дробовому принципу – это метод, используемый для секвенирования случайных фрагментов ДНК. Название происходит от аналогии с быстро расширяющейся, квазислучайной группировкой дроби. Метод прерывания цепи секвенирования ДНК ("секвенирование по Сэнгеру") может использоваться только для коротких фрагментов ДНК длиной от 100 до 1000 пар оснований. Из-за этого ограничения по размеру, более длинные последовательности подразделяются на более мелкие фрагменты, которые могут быть секвенированы отдельно, а затем эти фрагменты собираются для получения полной последовательности. При секвенировании по дробовому принципу ДНК случайным образом разбивается на множество небольших сегментов, которые секвенируются с использованием метода прерывания цепи для получения ридов (отрезков последовательности). Получение множества перекрывающихся ридов для целевой ДНК достигается путем проведения нескольких циклов фрагментации и секвенирования. Затем компьютерные программы используют перекрывающиеся концы различных ридов для сборки их в непрерывную последовательность.

История

Впервые секвенирование методом случайных фрагментов для небольших геномов (от 4000 до 7000 пар оснований) было предложено в 1979 году.

Паральный сеанс

Более широкое применение получило парноконцевое секвенирование, известное в разговорной речи как секвенирование «двойным стволом». По мере того, как проекты секвенирования стали работать с более длинными и сложными последовательностями ДНК, несколько групп осознали, что полезную информацию можно получить, секвенируя оба конца фрагмента ДНК. Хотя секвенирование обоих концов одного и того же фрагмента и отслеживание парных данных было более трудоемким, чем секвенирование одного конца двух различных фрагментов, знание того, что две последовательности ориентированы в противоположных направлениях и разделены расстоянием, приблизительно равным длине фрагмента, было ценным для реконструкции последовательности исходного целевого фрагмента. История. Первое опубликованное описание использования парных концов относится к 1990 году и связано с секвенированием человеческого локуса HGPRT, хотя применение парных концов ограничивалось закрытием пробелов после использования традиционного подхода секвенирования «дробовиком». Первое теоретическое описание стратегии чистого парноконцевого секвенирования, предполагающего фрагменты постоянной длины, было представлено в 1991 году. В то время в сообществе существовало мнение, что оптимальная длина фрагмента для парноконцевого секвенирования должна быть в три раза больше длины прочтения. В 1995 году Roach и соавторы предложили использовать фрагменты переменной длины и показали, что стратегия чистого парноконцевого секвенирования возможна для больших геномов. Эта стратегия впоследствии была принята Институтом геномных исследований (TIGR) для секвенирования генома бактерии Haemophilus influenzae в 1995 году, а затем компанией Celera Genomics для секвенирования генома Drosophila melanogaster (плодовой мушки) в 2000 году и, в конечном итоге, генома человека.

Подход

Для реализации данной стратегии высокомолекулярная цепь ДНК разрезается на случайные фрагменты, производится отбор по размеру (обычно 2, 10, 50 и 150 кб), и фрагменты клонируются в подходящий вектор. Затем клоны секвенируются с обоих концов методом обрыва цепи, в результате чего получаются две короткие последовательности. Каждая последовательность называется концевым чтением, или чтением 1 и чтением 2, а две последовательности, полученные из одного клона, называются парными последовательностями (mate pairs). Поскольку метод обрыва цепи обычно позволяет получать чтения длиной от 500 до 1000 нуклеотидов, то у всех клонов, кроме самых маленьких, парные последовательности редко перекрываются.

Сборка

Оригинальная последовательность реконструируется из ридов с помощью программного обеспечения для сборки генома. Сначала перекрывающиеся риды объединяются в более длинные составные последовательности, известные как контиги. Контиги могут быть соединены в скаффолды, следуя связям между парными ридами. Расстояние между контигами можно оценить по позициям парных ридов, если известна средняя длина фрагмента библиотеки и имеется небольшая величина отклонения. В зависимости от размера промежутка между контигами, для заполнения этих промежутков могут использоваться различные методы. Если промежуток небольшой (5–20 кб), то требуется использование полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации участка, за которой следует секвенирование. Если промежуток большой (>20 кб), то большой фрагмент клонируется в специальных векторах, таких как бактериальные искусственные хромосомы (BAC), с последующим секвенированием вектора.

Плюсы и минусы

Сторонники этого подхода утверждают, что можно секвенировать весь геном за один раз, используя большие массивы секвенаторов, что делает весь процесс гораздо более эффективным, чем традиционные методы. Противники утверждают, что, хотя эта технология быстро секвенирует большие участки ДНК, вызывает сомнение её способность правильно соединять эти участки, особенно в случае геномов эукариот с повторяющимися последовательностями. По мере совершенствования программ сборки генома и снижения стоимости вычислительных ресурсов, возможно, удастся преодолеть это ограничение.

Покрытие

Покрытие (глубина прочтения или глубина) – это среднее количество прочтений, представляющих данный нуклеотид в реконструированной последовательности. Его можно рассчитать по длине исходного генома (G), количеству прочтений (N) и средней длине прочтения (L). Например, гипотетический геном длиной 2000 пар оснований, реконструированный из 8 прочтений со средней длиной 500 нуклеотидов, будет иметь 2-кратное покрытие. Этот параметр также позволяет оценить другие величины, такие как процент генома, покрытый прочтениями (иногда также называемый покрытием). Высокое покрытие желательно при секвенировании методом дробного выстрела, поскольку оно позволяет преодолеть ошибки при определении оснований и сборке. Теория секвенирования ДНК изучает взаимосвязь между такими величинами. Иногда проводят различие между покрытием последовательности и физическим покрытием. Покрытие последовательности – это среднее количество раз, которое основание было прочитано (как описано выше). Физическое покрытие – это среднее количество раз, которое основание было прочитано или охвачено парными прочтениями.

Иерархическая последовательность дробовиков

Хотя секвенирование дробью (shotgun sequencing) теоретически может применяться к геному любого размера, его непосредственное применение к секвенированию крупных геномов (например, генома человека) было ограничено до конца 1990-х годов, когда технологические достижения сделали практичным обработку огромных объемов сложных данных, связанных с этим процессом. Исторически считалось, что полногеномное секвенирование дробью ограничивается как огромным размером крупных геномов, так и сложностью, обусловленной высоким процентом повторяющейся ДНК (более 50% для генома человека), присутствующей в больших геномах. Широко не признавалось, что полногеномная последовательность крупного генома обеспечит надежные данные. По этим причинам, перед секвенированием дробью приходилось использовать другие стратегии, снижающие вычислительную нагрузку при сборке последовательности. Таким образом, требуется минимальный объем высокопроизводительного секвенирования и сборки. Усиленный геном сначала фрагментируется на более крупные участки (50-200 кб) и клонируется в бактериальном хозяине с использованием BAC или искусственных хромосом, полученных на основе P1 (PAC). Поскольку множество копий генома фрагментируются случайным образом, фрагменты, содержащиеся в этих клонах, имеют разные концы, и при достаточном покрытии (см. выше) теоретически возможно найти наименьший возможный каркас (scaffold) из контигов BAC, охватывающий весь геном. Этот каркас называется минимальным путем покрытия (minimum tiling path). После определения пути покрытия BAC, формирующие этот путь, случайным образом фрагментируются на более мелкие участки и могут быть секвенированы методом дробного секвенирования в меньшем масштабе. Хотя полная последовательность контигов BAC неизвестна, их относительная ориентация друг к другу установлена. Существует несколько методов для определения этого порядка и выбора BAC, составляющих путь покрытия. Общая стратегия заключается в определении положения клонов относительно друг друга, а затем в выборе минимального количества клонов, необходимых для формирования непрерывного каркаса, охватывающего всю интересующую область. Порядок клонов определяется путем установления характера их перекрытия. Перекрывающиеся клоны можно идентифицировать несколькими способами. Небольшой радиоактивно или химически меченый зонд, содержащий сайт тегирования последовательности (STS), может быть гибридизирован на микрочипе, на который нанесены клоны. Это обеспечивает высокое покрытие, но процесс сборки становится гораздо более ресурсоемким в вычислительном плане. Эти технологии значительно превосходят секвенирование по Сэнгеру благодаря большому объему данных и относительно короткому времени, необходимому для секвенирования всего генома.

Метагеномная секвенирование дробовика

Для определения вида или штамма организма, из которого получена ДНК, достаточно считываний длиной 400-500 пар оснований, при условии, что его геном уже известен, используя, например, программное обеспечение для таксономической классификации на основе k-меров. Анализируя миллионы считываний, полученных при секвенировании нового поколения образца окружающей среды, можно получить полное представление о любом сложном микробиоме, содержащем тысячи видов, например, о микрофлоре кишечника. Преимущества по сравнению с секвенированием ампликонов 16S рРНК заключаются в следующем: отсутствие ограничений бактериями; классификация на уровне штаммов, в то время как секвенирование ампликонов позволяет определить только род; и возможность извлекать полные гены и определять их функцию в составе метагенома. Высокая чувствительность метагеномного секвенирования делает его привлекательным для клинического применения. Однако это подчеркивает проблему загрязнения образца или процесса секвенирования.