Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Секвенатор ДНК - это научный инструмент, используемый для автоматизации процесса секвенирования ДНК . Принимая во внимание образец ДНК , секвенсор ДНК используется для определения порядка четырех оснований: G ( гуанин ), С ( цитозин ), А ( аденин ), Т ( тимин ). Затем это отображается в виде текстовой строки , называемой чтением. Некоторые секвенаторы ДНК также можно рассматривать как оптические инструменты, поскольку они анализируют световые сигналы, исходящие от флуорохромов, прикрепленных к нуклеотидам .

Первый автоматический секвенатор ДНК, изобретенный Ллойдом М. Смитом , был представлен Applied Biosystems в 1987 году. [1] Он использовал метод секвенирования Сэнгера , технологию, которая легла в основу «первого поколения» секвенаторов ДНК [2] [ 3] и позволили завершить проект генома человека в 2001 году. [4] Это первое поколение секвенаторов ДНК по сути является автоматизированными системами электрофореза , которые обнаруживают миграцию меченых фрагментов ДНК. Следовательно, эти секвенаторы также могут использоваться при генотипировании генетических маркеров, когда необходимо определять только длину фрагмента (ов) ДНК (например,микросателлиты , AFLP ).

Проект « Геном человека» стимулировал разработку более дешевых, высокопроизводительных и точных платформ, известных как секвенаторы нового поколения (NGS), для секвенирования генома человека . К ним относятся платформы секвенирования ДНК 454, SOLiD и Illumina . Машины секвенирования нового поколения существенно увеличили скорость секвенирования ДНК по сравнению с предыдущими методами Сэнгера. Образцы ДНК можно приготовить автоматически всего за 90 минут [5], в то время как геном человека можно секвенировать с 15-кратным охватом всего за несколько дней. [6]

Более поздние секвенаторы третьего поколения, такие как SMRT и Oxford Nanopore, измеряют добавление нуклеотидов к одной молекуле ДНК в режиме реального времени.

Из-за ограничений в технологии секвенатора ДНК эти чтения короткие по сравнению с длиной генома, поэтому чтения должны быть собраны в более длинные контиги . [7] Данные также могут содержать ошибки, вызванные ограничениями в методике секвенирования ДНК или ошибками во время амплификации ПЦР.. Производители секвенаторов ДНК используют ряд различных методов для определения присутствующих оснований ДНК. Конкретные протоколы, применяемые на разных платформах секвенирования, влияют на генерируемые окончательные данные. Поэтому сравнение качества и стоимости данных по разным технологиям может оказаться непростой задачей. Каждый производитель предоставляет свои собственные способы информирования об ошибках секвенирования и баллах. Однако ошибки и оценки между разными платформами не всегда можно напрямую сравнивать. Поскольку в этих системах используются различные подходы к секвенированию ДНК, выбор лучшего секвенатора и метода ДНК обычно зависит от целей эксперимента и доступного бюджета. [2]

История [ править ]

Первые методы секвенирования ДНК были разработаны Гилбертом (1973) [8] и Сэнгером (1975). [9] Гилберт представил метод секвенирования, основанный на химической модификации ДНК с последующим расщеплением по определенным основаниям, тогда как метод Сэнгера основан на терминации дидезоксинуклеотидной цепи. Метод Сэнгера стал популярным благодаря своей повышенной эффективности и низкой радиоактивности. Первым автоматическим секвенатором ДНК был AB370A, представленный в 1986 году компанией Applied Biosystems . AB370A был способен секвенировать 96 образцов одновременно, 500 килобаз в день и достигая длины считывания до 600 оснований. Это было началом «первого поколения» секвенаторов ДНК, [2] [3]в котором реализовано секвенирование по Сэнгеру, флуоресцентные дидезоксинуклеотиды и полиакриламидный гель, расположенный между стеклянными пластинами - пластинчатыми гелями. Следующим крупным достижением стал выпуск в 1995 году AB310, в котором для разделения цепей ДНК с помощью электрофореза использовался линейный полимер в капилляре вместо пластинчатого геля. Эти методы легли в основу завершения проекта генома человека в 2001 году. [4] Проект генома человека стимулировал разработку более дешевых, высокопроизводительных и точных платформ, известных как секвенсоры нового поколения (NGS). В 2005 году компания 454 Life Sciences выпустила секвенатор 454, за ним последовали анализатор генома Solexa и SOLiD (поддерживаемое обнаружение лигирования олигонуклеотидов) от Agencourt в 2006 году. Applied Biosystems приобрела Agencourt в 2006 году, а в 2007 году - Roche.купила 454 Life Sciences, а Illumina купила Solexa. Ion Torrent вышел на рынок в 2010 году и был приобретен компанией Life Technologies (ныне Thermo Fisher Scientific). И BGI начала производство секвенсоров в Китае после приобретения Complete Genomics под своим крылом MGI . Это все еще самые распространенные системы NGS из-за их конкурентоспособной стоимости, точности и производительности.

Совсем недавно было представлено третье поколение секвенаторов ДНК. Методы секвенирования, применяемые этими секвенаторами, не требуют амплификации ДНК (полимеразная цепная реакция - ПЦР), что ускоряет подготовку образца перед секвенированием и снижает количество ошибок. Кроме того, данные секвенирования собираются из реакций, вызванных добавлением нуклеотидов в комплементарной цепи в режиме реального времени. Две компании представили разные подходы в своих секвенсорах третьего поколения. Секвенсоры Pacific Biosciences используют метод, называемый одномолекулярным в реальном времени (SMRT), где данные секвенирования производятся с помощью света (захваченного камерой), излучаемого, когда нуклеотид добавляется к комплементарной цепи ферментами, содержащими флуоресцентные красители. Oxford Nanopore Technologies - еще одна компания, разрабатывающая секвенсоры третьего поколения с использованием электронных систем, основанных на технологиях обнаружения нанопор.

Производители секвенаторов ДНК [ править ]

Секвенсоры ДНК были разработаны, изготовлены и проданы, в частности, следующими компаниями.

Рош [ править ]

Секвенатор ДНК 454 стал первым коммерчески успешным секвенатором нового поколения. [10] Он был разработан 454 Life Sciences и приобретен компанией Roche в 2007 году. 454 использует обнаружение пирофосфата, высвобождаемого в результате реакции ДНК-полимеразы при добавлении нуклеотида к матричному штамму.

В настоящее время Roche производит две системы на основе своей технологии пиросеквенирования: GS FLX + и GS Junior System. [11] Система GS FLX + обещает длину считывания приблизительно 1000 пар оснований, в то время как система GS Junior обещает считывание 400 пар оснований. [12] [13] Предшественник GS FLX +, система 454 GS FLX Titanium была выпущена в 2008 году, обеспечивая выход 0,7 ГБ данных за цикл, с точностью 99,9% после качественного фильтра и длиной считывания до 700 бит / с. . В 2009 году компания Roche выпустила GS Junior, настольную версию секвенсора 454 с длиной считывания до 400 пар оснований и упрощенной подготовкой библиотеки и обработкой данных.

Одним из преимуществ систем 454 является их скорость работы. Человеческие ресурсы могут быть уменьшены за счет автоматизации подготовки библиотеки и полуавтоматизации эмульсионной ПЦР. Недостатком системы 454 является то, что она подвержена ошибкам при оценке количества оснований в длинной цепочке идентичных нуклеотидов. Это называется ошибкой гомополимера и возникает, когда в ряду 6 или более одинаковых оснований. [14] Еще одним недостатком является то, что цена на реагенты относительно выше по сравнению с другими секвенаторами следующего поколения.

В 2013 году компания «Рош» объявила, что прекратит разработку 454 технологий и полностью выведет из эксплуатации 454 машины в 2016 году. [15] [16]

Рош производит ряд программных инструментов, оптимизированных для анализа 454 данных секвенирования. [17] GS Run Processor [18] преобразует необработанные изображения, созданные в ходе секвенирования, в значения интенсивности. Процесс состоит из двух основных этапов: обработки изображения и обработки сигнала. Программное обеспечение также применяет нормализацию, коррекцию сигнала, базовый вызов и оценки качества для отдельных считываний. Программное обеспечение выводит данные в файлах стандартного формата блок-схемы (или SFF) для использования в приложениях анализа данных (GS De Novo Assembler, GS Reference Mapper или GS Amplicon Variant Analyzer). GS De Novo Assembler - это инструмент для de novoсборка полных геномов размером до 3 ГБ из одного считывания с дробовиком или в сочетании с парными конечными данными, сгенерированными 454 секвенсорами. Он также поддерживает сборку транскриптов de novo (включая анализ), а также обнаружение вариантов изоформы. [17] GS Reference Mapper сопоставляет короткие чтения с эталонным геномом, генерируя согласованную последовательность. Программное обеспечение может генерировать выходные файлы для оценки с указанием вставок, удалений и SNP. Может обрабатывать большие и сложные геномы любого размера. [17] Наконец, анализатор вариантов GS Amplicon сопоставляет показания образцов ампликона с эталоном, идентифицируя варианты (связанные или нет) и их частоту. Его также можно использовать для обнаружения неизвестных и низкочастотных вариантов. Он включает графические инструменты для анализа трасс. [17]

Иллюмина [ править ]

Секвенатор Illumina Genome Analyzer II

Illumina производит ряд машин для секвенирования нового поколения с использованием технологий, приобретенных у Manteia Predictive Medicine и разработанных Solexa. [19] Illumina производит ряд секвенирующих машин следующего поколения, использующих эту технологию, включая HiSeq, Genome Analyzer IIx, MiSeq и HiScanSQ, которые также могут обрабатывать микроматрицы . [20]

Технология, ведущая к этим секвенаторам ДНК, была впервые выпущена компанией Solexa в 2006 году как анализатор генома. [10] Illumina приобрела Solexa в 2007 году. Анализатор генома использует метод секвенирования путем синтеза. Первая модель производила 1 Гб за пробег. В течение 2009 года объем производства был увеличен с 20 Гбайт в августе до 50 Гбайт в декабре. В 2010 году Illumina выпустила HiSeq 2000 с выходной мощностью 200, а затем 600 Гбайт на цикл, который займет 8 дней. На момент своего выпуска HiSeq 2000 предоставлял одну из самых дешевых платформ для секвенирования по цене 0,02 доллара за миллион оснований по оценке Пекинского института геномики .

В 2011 году Illumina выпустила настольный секвенсор под названием MiSeq. На момент выпуска MiSeq мог генерировать 1,5 Гб за прогон с парными чтениями в конце 150 бит / с. Цикл секвенирования может быть выполнен за 10 часов при использовании автоматической подготовки образцов ДНК. [10]

Illumina HiSeq использует два программных инструмента для расчета количества и положения кластеров ДНК для оценки качества секвенирования: систему управления HiSeq и анализатор в реальном времени. Эти методы помогают оценить, мешают ли соседние скопления друг другу. [10]

Life Technologies [ править ]

Life Technologies (теперь Thermo Fisher Scientific) производит секвенаторы ДНК под брендами Applied Biosystems и Ion Torrent . Applied Biosystems производит платформу для секвенирования нового поколения SOLiD [21] и ДНК-секвенаторы на основе Сэнгера, такие как 3500 Genetic Analyzer. [22] Под брендом Ion Torrent компания Applied Biosystems производит четыре секвенсора следующего поколения: систему Ion PGM, систему Ion Proton, систему Ion S5 и Ion S5xl. [23] Предполагается, что компания также разрабатывает свой новый секвенатор капиллярной ДНК под названием SeqStudio, который будет выпущен в начале 2018 года. [24]

SOLiD systems была приобретена Applied Biosystems в 2006 году. SOLiD применяет секвенирование путем лигирования и двухосновного кодирования . Первая система SOLiD была запущена в 2007 году и обеспечивала считывание данных длиной 35 бит и 3G за один прогон. После пяти обновлений в 2010 году была выпущена система секвенирования 5500xl, значительно увеличившая длину считывания до 85 бит / с, повышая точность до 99,99% и производя 30 ГБ за 7-дневный прогон. [10]

Ограниченная длина чтения SOLiD остается значительным недостатком [25] и в некоторой степени ограничивает его использование в экспериментах, где длина чтения менее важна, таких как повторное секвенирование и анализ транскриптома, а также недавние эксперименты с ChIP-Seq и метилированием. [10] Время подготовки образцов ДНК для систем SOLiD стало намного быстрее благодаря автоматизации подготовки библиотек для секвенирования, такой как система Tecan. [10]

Данные цветового пространства, созданные платформой SOLiD, могут быть декодированы в основы ДНК для дальнейшего анализа, однако программное обеспечение, которое учитывает исходную информацию о цветовом пространстве, может дать более точные результаты. Компания Life Technologies выпустила BioScope [26] , пакет анализа данных для повторного секвенирования, ChiP -Seq и анализа транскриптома. Он использует алгоритм MaxMapper для сопоставления считываемых значений цветового пространства.

Бекман Коултер [ править ]

Компания Beckman Coulter (ныне Danaher ) ранее производила секвенаторы ДНК на основе терминации цепи и капиллярного электрофореза под названием CEQ, включая CEQ 8000. В настоящее время компания производит систему генетического анализа GeXP, в которой используется секвенирование терминатора красителя . Этот метод использует термоциклер почти так же, как ПЦР, для денатурирования, отжига и удлинения фрагментов ДНК, амплификации секвенированных фрагментов. [27] [28]

Pacific Biosciences [ править ]

Pacific Biosciences производит системы секвенирования PacBio RS и Sequel, используя метод секвенирования одной молекулы в реальном времени или SMRT. [29] Эта система может производить считывание длиной в несколько тысяч пар оснований. Более высокие необработанные ошибки чтения исправляются либо с использованием кругового консенсуса, когда одна и та же цепочка читается снова и снова, либо с использованием оптимизированных стратегий сборки . [30] Ученые сообщили о точности 99,9999% этих стратегий. [31] Система Sequel была запущена в 2015 году с увеличенной емкостью и более низкой ценой. [32] [33]

Секвенсор Oxford Nanopore MinION (внизу справа) использовался астронавтом Кэтлин Рубинс в первом в истории космосе секвенировании ДНК в августе 2016 года . [34]

Оксфорд Нанопор [ править ]

Oxford Nanopore Technologies начала поставки ранних версий своего секвенатора MinION для секвенирования нанопор в избранные лаборатории. Устройство имеет длину четыре дюйма и питается от порта USB . MinION декодирует ДНК напрямую, поскольку молекула протягивается со скоростью 450 оснований в секунду через нанопоры.подвешен в мембране. Изменения электрического тока показывают, какая база присутствует. Его точность составляет от 60 до 85 процентов по сравнению с 99,9 процентами в обычных машинах. Даже неточные результаты могут оказаться полезными, потому что это приводит к большой длине чтения. GridION - это немного больший секвенсор, который обрабатывает до пяти проточных ячеек MinION одновременно. PromethION - еще один (неизданный) продукт, который будет использовать до 100000 пор параллельно, что больше подходит для секвенирования большого объема. [35]

Сравнение [ править ]

Текущие предложения в области технологии секвенирования ДНК показывают доминирующего игрока: Illumina (декабрь 2019 г.), за которым следуют PacBio , MGI / BGI и Oxford Nanopore .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кук-Диган, Роберт Маллан (1991). «Истоки проекта генома человека» . Журнал FASEB . Вашингтонский университет. 5 (1): 8–11. DOI : 10.1096 / fasebj.5.1.1991595 . PMID  1991595 . S2CID  37792736 . Проверено 20 октября 2014 года .
  2. ^ a b c Метцкер, ML (2005). «Новые технологии в секвенировании ДНК» . Genome Res . 15 (12): 1767–1776. DOI : 10.1101 / gr.3770505 . PMID 16339375 . 
  3. ^ а б Хатчисон, Калифорния III. (2007). «Секвенирование ДНК: от лаборатории до постели и за ее пределами» . Nucleic Acids Res . 35 (18): 6227–6237. DOI : 10.1093 / NAR / gkm688 . PMC 2094077 . PMID 17855400 .  
  4. ^ a b Ф. С. Коллинз; М. Морган; А. Патринос (2003). «Проект генома человека: уроки крупномасштабной биологии» . Наука . 300 (5617): 286–290. Bibcode : 2003Sci ... 300..286C . DOI : 10.1126 / science.1084564 . PMID 12690187 . S2CID 22423746 .  
  5. ^ a b c d Майкл Куэйл, Мириам Смит, Пол Коупленд, Томас Д. Отто, Саймон Р. Харрис, Томас Р. Коннор, Анна Бертони, Гарольд П. Свердлов и Юн Гу (2012) . Рассказ о трех платформах секвенирования следующего поколения: сравнение Секвенсоры Ion Torrent, Pacific Biosciences и Illumina MiSeq . BMC Genomics.
  6. ^ Майкл А. Куэйл; Иванка Козарева; Фрэнсис Смит; Эйлвин Скалли; Филип Дж. Стивенс; Ричард Дурбин; Гарольд Свердлоу; Дэниел Дж. Тернер (2008). «Усовершенствования большого центра генома в системе секвенирования Illumina» . Нат методы . 5 (12): 1005–1010. DOI : 10.1038 / nmeth.1270 . PMC 2610436 . PMID 19034268 .  
  7. ^ Хэн Ли, Цзюэ Руан и Ричард Дурбин (2008) http://genome.cshlp.org/content/18/11/1851 Отображение считывания коротких последовательностей ДНК и вызова вариантов с использованием показателей качества картирования. Геномные исследования.
  8. ^ Гилберт Вт, Максам А (1973). «Нуклеотидная последовательность оператора lac» . Proc Natl Acad Sci USA . 70 (12): 13581–3584. Bibcode : 1973PNAS ... 70.3581G . DOI : 10.1073 / pnas.70.12.3581 . PMC 427284 . PMID 4587255 .  
  9. Перейти ↑ Sanger F, Coulson AR (май 1975 г.). «Экспресс-метод определения последовательностей в ДНК путем примированного синтеза с ДНК-полимеразой». J. Mol. Биол . 94 (3): 441–8. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (75) 90213-2 . PMID 1100841 . 
  10. ^ Б с д е е г ч я J K Лин Лю; Иньху Ли; Силианг Ли; Ни Ху; Иминь Хэ; Рэй Понг; Данни Линь; Лихуа Лу; Мэгги Лоу (2012). «Сравнение систем секвенирования нового поколения» . Журнал биомедицины и биотехнологии . 2012 : 251364. дои : 10,1155 / 2012/251364 . PMC 3398667 . PMID 22829749 .  
  11. ^ "Продукция: 454 Life Sciences, компания Roche" . Архивировано из оригинала на 2012-09-13 . Проверено 5 сентября 2012 .
  12. ^ «Продукты - Система GS FLX +: 454 Life Sciences, компания Roche» . Архивировано из оригинала на 2012-09-05 . Проверено 5 сентября 2012 .
  13. ^ «Продукты - GS Junior System: 454 Life Sciences, компания Roche» . Архивировано из оригинала на 2012-09-13 . Проверено 5 сентября 2012 .
  14. ^ Mardis, Элейн Р. (1 сентября 2008). «Методы секвенирования ДНК следующего поколения». Ежегодный обзор геномики и генетики человека . 9 (1): 387–402. DOI : 10.1146 / annurev.genom.9.081307.164359 . PMID 18576944 . S2CID 2484571 .  
  15. ^ http://www.genomeweb.com/sequencing/roche-shutting-down-454-sequencing-business « Рош» закрывает бизнес по секвенированию 454
  16. ^ http://www.bio-itworld.com/2013/4/23/roche-shuts-down-third-generation-ngs-research-programs.html « Рош» закрывает исследовательские программы NGS третьего поколения
  17. ^ a b c d «Продукты - Программное обеспечение для анализа: 454 Life Science, компания Roche» . Архивировано из оригинала на 2009-02-19 . Проверено 23 октября 2013 .
  18. ^ Руководство по системному программному обеспечению Genome Sequencer FLX, версия 2.3
  19. ^ Прогресс Солекса в генах - Businessweek
  20. ^ Illumina Systems
  21. ^ СОЛИД
  22. ^ Секвенирование по Сэнгеру | Технологии Жизни
  23. ^ http://www.thermofisher.com/iontorrent Ion Torrent
  24. ^ "Генетический анализатор Applied Biosystems SeqStudio - США" .
  25. ^ Точность системы SOLiD
  26. ^ Программное обеспечение SOLiD BioScope | Технологии Жизни
  27. ^ Рай, Алекс Дж .; Каматх, Рашми М .; Джеральд, Уильям; Флейшер, Мартин (29 октября 2008 г.). «Аналитическая проверка анализатора GeXP и разработка рабочего процесса для обнаружения биомаркеров рака с использованием мультиплексированного профилирования экспрессии генов». Аналитическая и биоаналитическая химия . 393 (5): 1505–1511. DOI : 10.1007 / s00216-008-2436-7 . PMID 18958454 . S2CID 46721686 .  
  28. ^ Beckman Coulter, Inc - Система генетического анализа GenomeLab GeXP
  29. ^ Pacific Biosciences: PacBio Systems
  30. ^ Корен, S; Schatz, MC; Валенц, ВР; Мартин, Дж; Ховард, JT; Ганапати, G; Ван, З; Раско Д.А.; Маккомби, WR; Джарвис, ЭД; Филлиппи, AM (1 июля 2012 г.). «Гибридная коррекция ошибок и сборка de novo одномолекулярного секвенирования читает» . Природа Биотехнологии . 30 (7): 693–700. DOI : 10.1038 / nbt.2280 . PMC 3707490 . PMID 22750884 .  
  31. ^ Чин, Чен-Шань; Александр, Дэвид Х .; Маркс, Патрик; Кламмер, Аарон А .; Дрейк, Джеймс; Хайнер, Шерил; Клам, Алисия; Коупленд, Алекс; Хаддлстон, Джон; Eichler, Evan E .; Тернер, Стивен У .; Корлач, Йонас (2013). «Негибридные, готовые сборки микробного генома на основе данных секвенирования SMRT с длинным считыванием». Методы природы . 10 (6): 563–569. DOI : 10.1038 / nmeth.2474 . PMID 23644548 . S2CID 205421576 .  
  32. ^ "Био-IT Мир" .
  33. ^ «PacBio запускает высокопроизводительную и недорогую систему секвенирования одной молекулы» .
  34. ^ Gaskill, Melissa (29 августа 2016). «Первое секвенирование ДНК в космосе меняет правила игры» . НАСА . Проверено 26 октября, 2016 .
  35. ^ Regalado, Антонио (17 сентября 2014). «Радикально новый секвенсор ДНК наконец попал в руки исследователей» . Обзор технологий . Проверено 3 октября 2014 года .
  36. ^ Shendure, J .; Джи, Х. (2008). «Секвенирование ДНК нового поколения». Nat. Biotechnol . 26 (10): 1135–1145. DOI : 10.1038 / nbt1486 . PMID 18846087 . S2CID 6384349 .  
  37. ^ Karow, J. (2010) Ion Torrent Systems Presents $ 50000 Электронный Sequencer на AGBT . В последовательности.
  38. ^ «Ион PGM - Ионный торрент» . Архивировано из оригинала на 2012-09-20 . Проверено 13 февраля 2013 .
  39. ^ Тихоокеанские биологические науки