Что такое секвенирование вируса
Обновлено: 23.04.2024
Организм человека содержит генетическую информацию зашифрованную в молекуле ДНК. Эта генетическая информация определяет как человек будет развиваться и расти. Молекулы ДНК состоит из структурных элементов - нуклеотидов - Аденин(А), Гуанин (Г), Цитозин(Ц), Тимин (Т).
Весь геном человека состоит из более чем трех миллиардов этих нуклеотидов, которые расположены в строго определенной последовательности.
К сожалению, иногда бывает так, что некотоые нуклеотиды исчезают или наоборот удваиваются или заменяются один на другой. Во многих случаях это ведет к неправильному формированию организма. Это может проявляться в виде врожденных пороков или малых аномалий развития, задержке психического развития, аутизме или имеет другие проявления.
Cеквенирование – это тест для определения генетических повреждений (мутаций) в ДНК, которые являются причиной наследственных болезней, наследственных предрасположенностей или особенностией организма.
Определение структуры генома - это непростая задача. Она требует выделения ДНК, специальной ее обработки (фрагментирования, модификации, амплификации) и получение информации на специальном приборе - секвенаторе.
Полногеномное секвенирование дает максимально полный набор данных о структуре генетического материала и позволяет детально оценить все индивидуальные генетические вариации
Секвенатор нового поколения IlluminaNextSeq 500 применяемый для секвенирования может определять полную структуру генома человека. Каждый участок генома при этом прочитывается 30 раз для повышения точности полученных данных.
Что можно получить при полногеномном секвенировании?
- Мутации никогда не встречавшиеся раньше и расположенные в кодируемых и некодируемых областях генов, регуляторных участках, межгенных областях.
- Известные мутации расположенные в кодируемых и некодируемых областях генов, регуляторных участках, межгенных областях.
- Однонуклеотидные полиморфизмы связанные наследуемыми особенностями организма.
- Небольшие вставки и делеции групп нуклеотидов - от нескольких, до нескольких десятков.
Когда нужно делать секвенирование генома?
- Секвенирование генома делается в случае подозрения на наследственное заболевание, когда другие молекулярные методы диагностики оказываются неэффективны.
- Для выявления наследственных предрасположенностей к заболеваниям и индивидуальных особенностей организма.
- Для выявления носительства мутаций, которые могут быть причиной наследственных заболеваний
В результате полногеномного секвениования получается огромный объем данных который требует специальной обработки. Такая обработка включает несколько этапов:
![]()
Геномика: постановка задачи и методы секвенирования
Сергей Николенко, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории вычислительной биологии Санкт-Петербургского Академического Университета в серии статей говорит о некоторых задачах биоинформатики, связанных со сборкой и анализом геномов, делая акцент на математической, комбинаторной постановке задачи. В данном, вводном, тексте речь идет о том, как выглядят входные данные для сборки геномов и как их получают.
Как выглядит молекула ДНК?
Рисунок из Википедии
Что такое секвенирование?
Клонирование происходит либо просто выращиванием клеток в чашке Петри, либо (в случаях, когда это было бы слишком медленно или по каким-то причинам не получилось бы) при помощи так называемой полимеразной цепной реакции. В кратком и неточном изложении работает она примерно так: сначала ДНК денатурируют, т.е. разрушают водородные связи, получая отдельные нити. Затем к ДНК присоединяют так называемые праймеры; это короткие участки ДНК, к которым может присоединиться ДНК-полимераза – соединение, которое, собственно, и занимается копированием (репликацией) нити ДНК.
Рисунок из Википедии
На следующем этапе полимераза копирует ДНК, после чего процесс можно повторять: после новой денатурации отдельных нитей будет уже вдвое больше, на третьем цикле – вчетверо, и так далее.
Секвенирование по Сэнгеру
Первым методом секвенирования, который учёные сумели применить для обработки целых геномов (в том числе генома человека), стало секвенирование по Сэнгеру (Sanger sequencing). Смысл таков: участок ДНК клонируется, после чего полученная смесь делится на четыре части. Каждая часть помещается в активную среду, где присутствуют:
ATGCAGAACAGACGATCAGCGACACTTTA (образец)
AT
ATGCAGAACAGACGAT
ATGCAGAACAGACGATCAGCGACACT
ATGCAGAACAGACGATCAGCGACACTT
ATGCAGAACAGACGATCAGCGACACTTT
Очевидно, что эта последовательность начинается с А (т.к. самый лёгкий префикс, из одной буквы, заканчивается на A); дальше идёт C, дальше опять A, и так далее. В результате можно прочесть исходный участок: ATGCAGAACA.
Рисунок из Википедии
Видно, что (в идеальном случае) можно просто прочесть последовательность нуклеотидов от самого лёгкого префикса (т.е. префикса из одной буквы) к самому тяжёлому.
Результаты и ошибки сэнгеровского секвенирования
На выходе из сэнгеровского секвенатора получаются короткие участки ДНК, так называемые риды (reads). Для биоинформатики принципиальны две вещи: во-первых, какой длины получаются риды, во-вторых, какие в них могут быть ошибки и как часто (разумеется, на свете нет ничего идеального).
Сэнгеровские риды по этим критериям очень хороши: получаются риды длиной около тысячи нуклеотидов, причём качество начинает заметно падать только после 700-800 нуклеотидов. Сам процесс секвенирования по Сэнгеру, с которым мы познакомились в предыдущем разделе, предопределяет и эффект падения качества (труднее отличить молекулу массой 700 от молекулы массой 701, чем массу 5 от массы 6), и другой неприятный эффект – если в геноме встречается длинная последовательность из одной и той же буквы (…AAAAAAAA…), трудно бывает точно определить, какой она длины – все промежуточные массы попадут в одну и ту же пробирку, некоторые из них могут не встретиться, некоторые слиться друг с другом и т.д. Но всё же сэнгеровское секвенирование даёт отличные результаты с достаточно длинными ридами, которые потом относительно легко собирать. О том, как это делается, мы будем говорить в последующих текстах.
Именно при помощи сэнгеровского секвенирования был впервые расшифрован геном человека. Секвенирование по Сэнгеру применяется и сегодня, но его всё активнее вытесняют другие методы, и применяется оно всё реже. Кому же и почему оно уступило свои позиции?
Секвенаторы второго поколения: Illumina
Современные секвенаторы – это так называемые секвенаторы второго поколения (SGS, second generation sequencing). В них участки ДНК по-прежнему многократно клонируются, но процесс чтения устроен не так, как у Сэнгера. Существует много разных методов, отличающихся довольно существенно, поэтому мы рассмотрим только один из них, один из самых популярных на сегодня – секвенирование по методу Solexa (ныне Illumina; в смене названия не нужно искать глубокий смысл, просто одна компания купила другую).
Процесс секвенирования Illumina проиллюстрирован на рисунке; кроме того, можно посмотреть один из нескольких существующих видеороликов с анимацией этого процесса – в данном случае, действительно, лучше один раз увидеть, чем сто раз прочесть текст. Однако краткие комментарии тоже пригодятся; вот как происходит процесс секвенирования по методу Illumina.
В результате на каждом цикле мы прочитываем одновременно очень большое число нуклеотидов из разных последовательностей. Но за это приходится платить тем, что участки ДНК, которые мы можем прочесть, оказываются гораздо короче, чем в случае секвенирования по Сэнгеру – риды Illumina обычно получаются длиной около 100 нуклеотидов.
Парные риды и постановка задачи
Итак, теперь мы можем формально поставить задачу сборки геномов. Она звучит так: по большому числу подстрок небольшой длины восстановить исходную длинную строку в алфавите из букв A, C, G, T. В случае секвенирования по методу Illumina – по большому числу пар коротких подстрок, разделённых в исходной строке приблизительно известным расстоянием. Поставив эту задачу, мы можем забыть про биологию, химию и медицину – перед нами чисто алгоритмическая задача. Однако, прежде чем перейти к математике, сделаем ещё несколько замечаний.
Ошибки и показатели качества в секвенаторах второго поколения
Как мы уже знаем, секвенирование всегда содержит ошибки. В секвенаторах Illumina и аналогичных ошибки, как правило, происходят на фазе, когда нужно распознать помеченные нуклеотиды, т.е. понять, каким цветом и с какой силой светятся кластеры из многократно клонированных участков ДНК. На рисунке – типичный пример такой фотографии, порождённой секвенатором Illumina.
Рисунок с сайта medicine.yale.edu
Проблема здесь заключается в том, что из-за неидеальности остальных этапов процесса кластеры никогда не светятся только одним цветом; это всегда смесь всех четырёх цветов с той или иной интенсивностью. Нужно выделить наиболее интенсивную компоненту и оценить, насколько вероятна ошибка в этой букве; эта задача называется base calling (распознавание нуклеотидов). Base calling – это целая наука, в подробности которой мы сейчас вдаваться не будем.
Для нас сейчас важно, что в результате каждому нуклеотиду каждого рида секвенатор ставит в соответствие вероятность того, что этот нуклеотид был распознан правильно. Эти вероятности тоже можно использовать при сборке, и секвенаторы выдают их вместе с собственно ридами.
В итоге типичный рид в так называемом fastq-формате, стандартном для секвенаторов второго поколения, выглядит примерно так:
Первая и третья строки содержат имя рида; вторая строка – сама последовательность нуклеотидов. Обратим внимание, что среди букв A, C, G, T встречаются и буквы N – это значит, что секвенатор не смог однозначно определить, какой здесь был нуклеотид, и сдался. А четвёртая строка кодирует, в логарифмическом масштабе, вероятности того, что тот или иной нуклеотид распознан правильно; например, H здесь соответствует вероятности ошибки около одной десятитысячной. Как правило, качество ухудшается к концу рида; в нашем примере, как видите, хвост рида и вовсе не удалось сколь-нибудь надёжно прочитать.
Другие методы секвенирования
Хотя мы подробнее всего рассмотрели секвенатор Illumina (Solexa), на самом деле на этом методе свет клином не сошёлся. Есть и другие секвенаторы второго поколения, с другими свойствами.
Пиросеквенирование (pyrosequencing) основано на хемилюминесцентных сигналах, которые подают специально модифицированные нуклеотиды, когда соединяются с комплементарным нуклеотидом в прочитываемой нити ДНК; на этом принципе работает, например, секвенатор 454 от 454 Life Sciences.
Недавно появившийся метод ионного полупроводникового секвенирования (на нём основан секвенатор IonTorrent) вместо всего этого просто детектирует соединения (ионы), которые выделяются при присоединении нового нуклеотида к нити ДНК. Это позволяет радикально сократить время и стоимость получаемых ридов, хотя процент ошибок становится больше, и больше становится ошибок в фрагментах из повторяющейся одной буквы.
Человеческая мысль не стоит на месте: методы секвенирования постоянно улучшаются. Однако практически все современные методы выдают относительно короткие риды, от 100 до 400 нуклеотидов; в этом цикле мы будем в основном говорить о том, как собирать именно короткие риды.
Sanger или Illumina?
Человеческий геном был впервые собран на сэнгеровских секвенаторах, причём алгоритмическая сторона того проекта была проработана гораздо меньше, чем сейчас, десять лет спустя. Алгоритмы, которыми собирали первый человеческий геном, значительно проще тех, о которых мы будем говорить в дальнейшем. Однако первый геном всё-таки собрали; может быть, весь алгоритмический прогресс – это никому не нужный миф, и вполне хватило бы старых программ?
На таком уровне становится важной и цена алгоритмической стороны вопроса. Чтобы сборка геномов не занимала дольше и не стоила дороже, чем само их секвенирование, нужно разработать очень быстрые алгоритмы для решения задачи сборки. Об этом пойдет речь в следующей статье.
Обзор
Нанопоровое секвенирование является одной из наиболее перспективных современных технологий определения последовательности нуклеиновых кислот, позволяя решать многочисленные задачи, стоящие перед биологами
Автор
Редакторы
Публикация первого генома человека в 2001 году стала предвестником постгеномной эры — появление технологий секвенирования нового поколения (next-generation sequencing, NGS) позволило поверить в будущее персонифицированной геномики. Сегодня, спустя более 15 лет, коммерциализация приборов, чья работа основана на нанопоровом секвенировании, делает это будущее реальностью. Давайте же обсудим, чем так привлекательна новая технология.
Нанопоровое секвенирование — история и современное состояние. Плюсы и минусы
Знакомясь с историей появления нанопорового секвенирования, можно еще раз убедиться в необходимости как разумного государственного финансирования фундаментальной науки, так и венчурных инвестиций в идеи и прототипы, неожиданно прорезающиеся посреди суровых формул, запутанных биохимических реакций и сложных молекулярных структур.
Видео. Принцип работы нанопорового секвенатора
Не секрет, что не все геномы собраны настолько же идеально, как, допустим, человеческий или мышиный. Большинство из них, по сути, представляют собой великое множество длинных фрагментов (контигов), расположение которых на хромосоме неизвестно, поэтому доступность длинных прочтений значительно упростит процесс de novo сборки генома, который состоит из сложения единичных фрагментов в цельную последовательность [5].
В то же время, вместе с плюсом длинных прочтений, методику нанопорового секвенирования неизбежно характеризует бóльшее (относительно других современных платформ) число ошибок секвенирования, хотя эта проблема, по всей видимости, активно решается. В 2015 году предварительно сообщали о почти сорока процентах ошибок в прочтениях секвенатора MinION [6], а по последним данным оно сократилось до почти приемлемых 10% [7]. Но и это еще не всё — компания Oxford Nanopore Technologies приготовила специальный набор для пробоподготовки 1D 2 , который в итоге позволяет считывать обе, комплементарные друг другу, цепи ДНК, что увеличивает точность секвенирования почти до 99%.
Рисунок 2. Нанесение пробы на проточную ячейку секвенатора MinION
Неоспоримым преимуществом нанопорового секвенирования является также анализ полученных данных в режиме реального времени — исследователь в любой момент запуска может понять, что процесс идет не совсем так, как хотелось бы, остановить секвенирование и нанести на проточную ячейку секвенатора новый образец.
Оценивая плюсы и минусы платформы, можно смело сказать, что у нанопорового секвенирования неплохое будущее на мировом биотехнологическом рынке, где оно может уже сегодня найти применение и как дополнительная, и как самостоятельная секвенирующая платформа. Несмотря на очевидно высокий процент ошибок, небольшая цена приборов и реагентов к ним, простота использования, а также уникально длинные прочтения сделают этот девайс безусловным лидером продаж, а также подтолкнут компанию Oxford Nanopore к дальнейшему развитию линейки.
Современные приборы нанопорового секвенирования Oxford Nanopore Technologies
Так, простейший секвенатор MinION весит каких-то сто граммов и работает от USB 3.0 настольного компьютера, позволяя, например, секвенировать за один запуск геном человека с шестикратным покрытием.
Для большей производительности Oxford Nanopore Technologies разработал приборы, в которые можно параллельно установить сразу несколько проточных ячеек (продуктовая линейка изображена на рисунке 3):
-
имеет модуль для пяти проточных ячеек и поставляется со специальным компьютером для обработки получаемых данных; скоро появится на рынке и будет иметь модуль для 48 проточных ячеек, каждая из которых несет на себе три тысячи нанопор; — прибор, готовящийся к выпуску, призванный быть наименьшим из приборов для нанопорового секвенирования и работать в паре со смартфоном.
Кроме самих секвенаторов при работе со значительным количеством образцов компания Oxford Nanopore Technologies рекомендует дополнительно приобрести автоматизированную станцию для пробоподготовки VolTRAX, позволяющую полностью отстраниться от этого процесса. VolTRAX берет на себя все заботы по приготовлению биологических образцов к секвенированию, начиная от выделения ДНК или РНК из ткани и заканчивая приготовлением ДНК-библиотек.
Опытные геномщики, конечно, зададутся вопросом обсчета данных, но и тут ожидает приятный сюрприз — с 2018 года им не придется подбирать ноутбук с необходимыми параметрами или по крупицам собирать мощный настольный компьютер; для удобства своих пользователей Oxford Nanopore Technologies анонсировал продажу специального миниатюрного (менее 300 граммов), но крайне производительного портативного компьютера MinIT, позволяющего обрабатывать данные в любой точке мира.
Применение нанопорового секвенирования
Продолжая свое знакомство с нанопоровым секвенированием и приборами, использующими эту технологию, я не преминул оценить возможные перспективы внедрения приборов компании Oxford Nanopore Technologies в научную работу, одним из направлений которой является сборка геномов видов животных, находящихся на грани уничтожения. Для этого мы пробежались по статьям, использующим эту технологическую платформу.
В погоне за патогеном
В первую очередь новой платформой заинтересовались исследователи, занимающиеся геномикой микроорганизмов. Лишенные длинных прочтений секвенаторами GS FLX и 454 [10] производства Roche (поддержка платформы остановилась в 2016 году), они выбирают длинные фрагменты, генерируемые нанопоровыми секвенаторами, которые при многократном прочтении и использовании специального биоинформатического инструментария позволяют снизить процент ошибок (хотя и с некоторым допущениями) до оптимального, в том числе при комбинации этой технологической платформы с Illumina [11], [12].
В то же время понятно, что приборы Oxford Nanopore Technologies имеют огромный потенциал и уже сейчас могут применяться для быстрой идентификации вирусных и бактериальных патогенов [13], [14], а также для анализа в реальном времени сложных метагеномных образцов из окружающей среды, причем в самых необычных условиях — на антарктической станции и даже в космосе [15], [16].
Нанопора и альтернативный сплайсинг
Первоначально, в силу своей относительно невысокой производительности, казалось, что нанопоровое секвенирование найдёт скромную нишу лишь в геномике вирусов и микроорганизмов (ведь их геномы невелики, в отличие от геномов эукариот), однако, как выяснилось позднее, длинные фрагменты ДНК или РНК, пусть и не всегда идеально прочитанные, необходимы во многих других приложениях современной молекулярной биологии. Так, длинные прочтения позволяют упростить изучение альтернативного сплайсинга , биоинформатический анализ которого при использовании стандартных NGS-методов требует значительных трудозатрат. Использование приборов Oxford Nanopore Technologies в этой задаче незаменимо, поскольку позволяет обнаруживать сотни ранее неизвестных альтернативных сплайс-вариантов генов, в том числе на уровне отдельных клеток [17], что с развитием технологии сулит новые открытия, которые, вероятно, перепишут современные неидеальные подходы анализа экспрессии генов.
Преимущества для de novo сборки
Нельзя также не отметить возможность использования длинных прочтений при работе с de novo собранными геномами или транскриптомами, и пусть до похромосомной сборки еще далековато, но комбинация длинных прочтений с данными традиционных NGS-платформ позволяет увеличивать параметры сборки на порядки [18–20]. Нанопоровое секвенирование проникает и в Россию: так, исследователи биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета уже заявили о значительном улучшении качества и размера сборки генома пресноводной мшанки Cristatella mucedo при комбинировании данных стандартного NGS и нанопорового секвенирования.
Медицина и криминалистика
Быстрое и относительно продуктивное секвенирование в реальном времени сулит замечательные прорывы не только в фундаментальных исследованиях, но и в медицине и биотехнологии, поскольку позволяют оперативно решать насущные задачи — например, проводить предимплантационную генетическую диагностику эмбрионов [21] или судебно-криминалистическую экспертизу [22].
Загадки эпигенома
Кроме собственно определения последовательности нуклеиновых кислот, нанопоровое секвенирование способно оценивать степень модификации нуклеотидов в геноме, выявляя метилирование ДНК — присоединение метильной группы (—CH3) к цитозину в составе CpG-динуклеотида. В частности, приборы от Oxford Nanopore Technologies позволяют идентифицировать метилированные азотистые основания 5-метилцитозин и 5-гидроксиметилцитозин, таким образом значительно облегчая эпигеномные исследования [23].
Секвенирование теперь доступно каждому!
Технология секвенирования Oxford Nanopore Technologies позволяет делать прямое прочтение цепей ДНК или РНК в режиме онлайн, длина рида ограничена только длиной фрагмента, а портативность оборудования и быстрая подготовка библиотек дает возможность секвенировать даже в полевых условиях с минимальными требованиями к генетической лаборатории. С Oxford Nanopore Technologies секвенировать теперь может каждый, даже тот, кто ранее и не задумывался о секвенировании — это просто и доступно.
Секвенирование третьего поколения не заменяет и не отменяет применение капиллярных секвенаторов по Сэнгеру или платформ NGS второго поколения. Наоборот, сочетание трех поколений генетического анализа открывает новые возможности получения ранее неизвестных данных.
Будущее нанопорового секвенирования
Сегодня нанопоровое секвенирование — одна из наиболее перспективных современных технологий определения последовательности нуклеиновых кислот и имеет ряд преимуществ перед традиционными секвенирующими платформами, прочно укоренившимися на биотехнологическом рынке. Упрощенная оценка эпигенетических особенностей генома, длинные прочтения и оценка сложно читаемых участков генома позволяют с оптимизмом смотреть на её дальнейшее развитие.
Имеющиеся недостатки (невысокое качество прочтения генетической информации и относительно невысокий объем данных, получаемых за один запуск прибора), по-видимому, в ближайшие годы будут решены, и тогда будущее действительно станет реальностью.
Сегодня много пациентов страдает от неверного диагноза или несвоевременно обнаруженного заболевания, связанного с нарушениями в структуре ДНК.
Распространенные генетические тесты, такие как анализ одного гена, панели из нескольких генов или микроматричный анализ, часто не могут до конца выявить точную причину болезни из-за своих ограниченных возможностей.
Недавние достижения молекулярной генетики позволили сделать доступным по цене и скорости выполнения новый метод генетического тестирования — полногеномное секвенирование.
Полное секвенирование генома способно обнаружить почти все изменения в ДНК пациента, расшифровывая последовательность всех кодирующих и некодирующих областей. Результат такого исследования — информация о тысячах генов, участвующих в нормальном росте и развитии организма.
Этот метод с успехом заменяет все ранее известные способы генетического тестирования, соединяя в себе их возможности. С каждым годом он позволяет установить точный диагноз все большего числа заболеваний.
Используя полногеномное секвенирование, лечащий врач получает помощь не только в диагностике, но и более точно принимает решения по лечению, может наблюдать за течением заболевания, делать прогноз развития болезни и выздоровления. Точные рекомендации о прогрессировании заболевания также возможны в некоторых случаях.
По результатам тестирования может быть проведена оценка риска наследственных заболеваний для других членов семьи.
Полное секвенирование может быть проведено по направлению лечащего врача, а также по желанию пациента без наличия срочных медицинских показаний.
Структура генома не изменяется в течение всей жизни. Сделав анализ однократно, его результатами можно пользоваться всю жизнь. К ним можно повторно обращаться при появлении очередных открытий в генетике и с учетом новых знаний более точно интерпретировать данные.
Имея на руках готовую расшифровку своего генотипа, человек подготовит себя к возможным экстренным ситуациям, когда подробная генетическая информация может спасти жизнь — травмы, операции, тяжелые заболевания, пересадка органов и другие.
Полногеномное секвенирование — лучший на сегодня метод продолжать исследование структуры ДНК, функций генов, их влияния друг на друга и на проявления фенотипа.
Хотя крупные исследовательские центры в мире ведут эту работу, ее результаты не всегда широко доступны.
Поэтому многие исследователи делают это самостоятельно для своих узкоспециализированных целей — подбор и разработка препаратов, спортивные достижения, селекция растений и животных, диагностика и лечение болезней.
Фундаментальные исследования
Изучение структуры и функции генома
Исследование генома человека не завершено до сих пор. Полногеномное сенквенирование дает новые возможности поиска нераскрытых функций генов, изучения некодирующих областей и регуляторных участков ДНК.
Структурные изменения и CNV
В отличие от большинства других генетических методов полногеномное секвенирование позволяет точно определять любые изменения структуры ДНК.
Часто достигается точность определения до уровня единичного нуклеотида. Поэтому, если требуется достоверно определить транслокации, инверсии, вставки или делеции участков, стоит использовать тест Genome UNI.
Эпигенетика
После создания технологии полногеномного секвенирования появилась возможность изучать закономерности наследования, не связанные с генетической последовательностью. В первую очередь речь идет о механизмах регуляции экспрессии генов.
В вопросах эпигенетики важную роль играют методики исследования метилирования ДНК (MeDIP-Seq, WGBS), взаимодействия и модификации гистонов (ChlP-Seq), метилирования РНК (TRM).
Полногеномные ассоциативные исследования
Исследование связи между структурой генома и фенотипическими признаками позволяет выявить, как проявляются различные сочетания генов.
Результат такой работы — более четкое понимание механизмов развития полигенных и многофакторных заболеваний, выявление влияния гетерозиготности на развитие признаков и оценка влияния средовых факторов.
Митохондриальный геном
В отличие от других генетических тестов полногеномное секвенирование исследует одновременно весь генетический материал клетки — ДНК ядра и ДНК митохондрий. Это особенно важно при изучении наследственности по материнской линии и обнаружении наследственных митохондриальных заболеваний.
Транскриптом
Полногеномное секвенирование позволяет оценивать не только геном клетки, но и ее транскриптом — совокупность всех типов РНК.
Важность транскриптома в том, что он показывает активность экспрессии определенных генов на текущий момент. Эта активность сильно зависит от состояния окружающей среды и самого организма и может говорить о наличии неблагоприятных процессов.
Биоинформатический анализ
Расширенный пайплайн
Многопотоковое секвенирование позволяет одновременно проводить расшифровку множества участков одной ДНК. Это значительно ускоряет процесс чтения, позволяет снизить стоимость и добиться высокой точности.
В настоящее время полногеномный анализ покрывает больше 96% генов с глубиной прочтения >20х, а время исследования одного генома сократилось до 1 суток.
Платформа управления данными
Результаты анализов представлены в виде удобного пользовательского интерфейса в личном кабинете. Там же доступны данные интерпретации, если она проводилась, и полученные рекомендации.
Владелец доступа может в любое время обратиться к своим результатам или загрузить их для off-line использования.
Пользовательский биоинформационный сервис
Направляя пациента на анализ, вы получите не только расшифровку нуклеотидной последовательности, но и, при необходимости, ее клиническую интерпретацию и рекомендации по использованию результатов.
Собственное хранилище данных
Данные о проведенных исследованиях хранятся на собственных серверах лаборатории.
Все данные шифруются и доступ к ним предоставляется исключительно заказчику с индивидуальным логином и паролем.
Прикладные исследования
Диагностика генетических заболеваний
Сегодня насчитывают около 6000 различных генетических заболеваний и нарушений. Многие из них обладают схожими симптомами, но вызваны патологией разных генов. Если искать эти заболевания по отдельности, потребуется огромное количество исследований.
Полногеномное секвенирование позволяет заменить все виды генетических и многих лабораторных исследований единственным точным и высокоинформативным тестом.
Геном опухоли
Полногеномное секвенирование опухоли дает ключ к пониманию канцерогенеза. Это не только определение основных мутаций, приводящих к развитию рака.
Получив полную расшифровку генома, онколог может оценить уровень сопротивляемости организма росту опухоли, следить за изменением опухоли под воздействием терапии, подбирать наиболее эффективные и безопасные сочетания препаратов.
Профилактическое здоровье
Данные об индивидуальных предрасположенностях к заболеваниям могут изменить образ жизни человека.
На этом основании проще подобрать диету, нагрузки, препятствовать или способствовать воздействию различных факторов внешней среды.
Это позволит не просто увеличить продолжительность жизни, но и улучшить ее качество.
Создание лекарств
Данные об индивидуальных предрасположенностях к заболеваниям могут изменить образ жизни человека.
В зависимости от своего генетического статуса человек по разному реагирует на лекарственную терапию. Гены влияют как на эффективность, так и на переносимость препаратов. Полногеномное тестирование позволяет решать две важные задачи фармакотерапии.
Первая задача — поиск биомаркеров заболеваний. Наглядный пример — простатоспецифический антиген, используемый для диагностики опухолей предстательной железы.
Вторая задача — персонализация лекарственной терапии. В идеале препарат должен разрабатываться для генотипически близких групп пациентов или даже индивидуально с учетом конкретного набора генов.
Судебная медицина / Судебная патология
Генетические данные сегодня широко используются в криминалистической и судебной практике. Ниже перечислены некоторые примеры такого применения. Определение родства\материнства\отцовства.
- Идентификация останков.
- Поиск пропавших родственников.
- Подтверждение диагнозов для судебных решений.
- Определение генетического материала на месте преступления.
Антропология и этнос
Изучение ДНК предков или представителей различных этнических групп позволяет понимать историю происхождения и развития человека и законы передачи наследственной информации.
Для отдельного человека появляется возможность разобраться в своих корнях и родословной. Для общества и науки — это источник изучения этнических особенностей здоровья, заболеваемости, долголетия и возможностей развития.
Диагностика наследственных заболеваний
Анализ всего генома в одном исследовании чаще всего приводит к более быстрой постановке диагноза генетического состояния по сравнению с многочисленными сериями одиночных генетических тестов. Особенно это справедливо, если клиническая картина не дает генетику четких указаний, в каких локализациях следует искать патологию, либо тогда, когда клиника может быть обусловлена патологией разных или нескольких генов.
Репродуктивное здоровье
Четко определена связь ряда генов с репродуктивной функцией. Мужское и женское бесплодие, невынашивание, хромосомные болезни новорожденных — все эти состояния можно обнаружить, а впоследствии и успешно лечить, если знать состояние генов, ответственных за процессы зачатия и развития плода.
Онкология
Молекулярно-генетические исследования — мощный инструмент в борьбе с онкологическими заболеваниями.
Во-первых, расшифровав полный геном, можно оценить не только гены, напрямую связанные с развитием рака. Одновременно врач получает полную картину состояния антиоксидантной защиты, противоопухолевого иммунитета, антитоксической функции и других систем, которые косвенно влияют на появление и течение онкопроцесса.
Во-вторых, генетические методы позволяют более эффективно подобрать препарат, контролировать процесс лечения и склонность к рецидивированию.
Важно, что полногеномное исследование (WGS) экономически намного выгоднее, чем исследование отдельных генов или серии генетических панелей (наборов анализов генов, связанных с определенной патологией).
Сегодня с помощью полногеномного тестирования можно оценить 649 опухолевых генов и еще 28 генов, способных нести хромосомные транслокации (перенос участков ДНК между хромосомами), связанные с развитием рака.
Планирование семьи
Известно, что предрасположенность к заболеваниям передается по наследству. Существует группа заболеваний, которые зависят от состояния генов и носят название аутосомно-рецессивных.
Родители с патологическим геном этих болезней не имеют клинических проявлений. Когда двое носителей генов таких заболеваний вступают в брак, риск рождения больного ребенка составляет 25%.
Полногеномное секвенирование способно показать людям, вступающим в брак, риски рождения у них детей с аутосомно-рецессивными болезнями.
Предрасположенность к заболеваниям
Почему одни люди заболевают раком, а другие нет? Кто-то живет до 100 лет, многие же умирают в молодости. Как узнать причину?
Сегодня уже четко установлена связь многих генов с развитием заболеваний. Причем, состояние одних генов улучшает прогноз, других — ухудшает. Примеры таких болезней — атеросклероз, остеопороз, тромбозы.
Если знать сочетание всех генов, можно рассчитывать риск развития заболеваний для человека, даже если он пока абсолютно здоров, а также предотвращать их появление.
Индивидуальные способности
Для многих способностей и склонностей человека показана прямая зависимость от состояния его генотипа. К ним относятся мышечная выносливость и сила, темперамент, наклонность к разного рода зависимостям и многое другое. Если планировать профессию и образ жизни на основании генетического анализа, можно достигать лучших результатов быстрее и с меньшими усилиями.
Почему нужно использовать
секвенирование генома
Полногеномное тестирование обладает целым рядом преимуществперед другими методами
в скорости, широте и точности расшифровки генетической последовательности
и установлении диагноза.
| Секвенирование панелей генов | Клиническое секвенирование экзома | Полное секвенирование экзома | Genome UNI | |
|---|---|---|---|---|
| Покрытие кодирующих участков генома | Равномерное, только в области экзонов исследуемых генов | Неравномерное | Неравномерное | Равномерное по всему геному |
| Поиск вариантов в интронах | - | - | - | + |
| Поиск вариантов мтДНК | - | - | - | + |
| Определение CNVs с высокой точностью | - | - | - | + |
| Определение экспансии тринуклеотидных повторов | - | - | - | + |
| Вероятность выявления причины заболевания при повторном анализе данных | Низкая | Низкая | Средняя | Высокая |
| Показания к исследованию | Заболевания с преимущественным поражением одной системы органов или одним ведущим симптомом, когда определены гены ассоциированные с фенотипом | Подозрение на определенную генетическую патологию, когда другие методы (анализ отдельного гена или панели) недоступны | Секвенирование пробанда или родителей (трио) для поиска генов кандидатов (GUS) при отсутствии патогенных вариантов в клинически значимых генах | "В качестве теста первой линии у пациентов с признаками наследственного заболевания или при отсутствии специфического фенотипа." |
| Другие особенности | Повышенное покрытие таргетных участков генома позволяет лучше выявить однонуклиотидные и in/del варианты | Нет рекомендованного перечня клинически значимых генов | Не обладает преимуществами при секвенировании только пробанда | Большой объем данных требует использования дополнительных вычислительных ресурсов |
Информация для исследователей
- Полный спектр современных технологий анализа геномных, транскриптомных и метиломных данных для решения любой исследовательской задачи.
- Сильнейшая команда биоинформатиков.
- Использование только оригинальных свежих реагентов.
- Приборы своевременно проходят техническое обслуживание и обновления.
Фундаментальные исследования
Секвенирование и ресеквенирование генома, анализ метагенома, экспрессии и метилирования генов.
Прикладные исследования
Поиск биомаркеров, рекрутинг пациентов, решения для селекции.
Медицинские исследования
Секвенирование генома и экзома, анализ на микрочипах.
Биоинформатический анализ
Расширенный пайплайн, биоинформационный сервис, платформа управления данными, хранилище данных.
Genome UNI рекомендован:
- Фенотип пациента, данные лабораторных и инструментальных исследований и/или семейный анамнез свидетельствуют о генетическом заболевании.
- Клиническая картина пациента предполагает, что тестирование отдельного гена / панели генов вряд ли даст окончательные ответы.
- Необходимо провести диагностику с широким спектром наследственных заболеваний. При этом WGS является более быстрым и экономически эффективным исследованием.
- Другие тесты не выявили причину заболевания.
Врачам на заметку!
Genome UNI выявит:
- Варианты и небольшие делеции/вставки с повышенной точностью в том числе в некодирующих областях генома.
- Участки отсутствия гетерозиготности и однородительские дисомии.
- Варианты в митохондриальном геноме с детекцией гетероплазмии на уровне
Обладает ли тест Genome UNI
доказанной эффективностью?
Для анализа данных используется проприетарный алгоритм и пайплайн, разработанный одной из ведущих компаний США, которая специализируется на анализе данных полного секвенирования генома.
Пайплайн разработан в соответствии с требованиями профессиональной ассоциации медицинских генетиков (ACMG) и ассоциации клинических патологов (CAP) США и включает возможность анализа данных с учетом формализованного описания фенотипа в терминах HPO.
Строгий подход к оценке качества лабораторных данных при использовании профессионального пайплайна позволяет не только повысить выявляемость вариантов, но и избежать ошибок которые могут возникнуть на стадии сиквенса и снизить вероятность ложноположительных результатов.
WGS выявляет больше инсерцционно-
делеционных вариантов при 30х чем WES
при средней глубине 100х
WGS охватывает больше генов на при 30х,
чем WES при 100х
Genome UNI включает самый полный клинический биоинформатический анализ, который выявляет все релевантные варианты для пациента с подозрением на генетическую патологию.
30
кратное покрытие
каждого участка генома
+20-30 %
к показателям
диагностики
всего 6-8 недель
до результата
Genome UNI
Тест Genome UNI расширяет возможности врача
При необходимости мы предоставляем доступ ко всем данным сиквенса пациента в удобном формате через личный кабинет врача . При этом врач является активным участником процесса анализа данных.
Получая отчет лаборатории всегда есть риск того, что некоторые клинически значимые варианты не попали в отчет.
Диагностические тесты, основанные на технологии секвенирования полного генома - охватывают все назначаемые генетические исследования в одном тесте.
Genome UNI - расшифровка последовательности всего генома. Будет ли при этом проводится интерпретация данных всего генома или только выбранной группы генов, зависит от истории болезни, запросов врача и конкретных пожеланий пациента.
Если врач, направляющий пациента на исследование, не уверен, нужно ли исследовать материал от других родственников, сотрудник “Геномед” может проконсультировать лечащего врача или врача-генетика.
Анализ полного генома рекомендуется пациентам с затрудненной дифференциальной диагностикой и тем, кому не удалось поставить диагноз другими методами.
Все генетические нарушения в одном исследовании
Секвенирование в тесте Genome UNI позволяет сделать точный анализ всего генома пациента за одно исследование. Это дает сразу несколько преимуществ перед отдельными исследованиями одиночных генов или их серий (панелей).
Пандемия новой коронавирусной инфекции не только показала все изъяны систем здравоохранения и пробелы в медицинской науке, но и катализировала многие процессы. Необходимость быстро и слаженно реагировать на вызовы пандемии затронула и генетиков. Именно их труд позволил оперативно расшифровать геном нового коронавируса, создать и проводить диагностические тесты и исследовать связь между генетическими особенностями и вероятностью заражения и тяжестью течения COVID-19 у разных пациентов.
Genetics-info спросил у экспертов, какие вызовы поставила пандемия перед генетиками и каких последствий от нее ждать.
Расшифровка генома коронавируса
31 декабря 2019 года во Всемирную организацию здравоохранения была передана информация о нескольких случаях вирусной пневмонии, вызванной неизвестным патогеном. Уже в начале января китайские службы здравоохранения полностью расшифровали геном нового коронавируса, а 29 января геном вируса был передан ученым из России.
В марте специалистам ФГБУ НИИ гриппа имени Смородинцева при Министерстве здравоохранения удалось расшифровать первый полный геном коронавируса SARS-CoV-2 из России из материала, полученного от одного из заболевших.
Сейчас работа по расшифровке генома коронавируса в НИИ гриппа имени Смородинцева поставлена на поток, однако с момента проведения первого анализа технология претерпела некоторые изменения.
Почему недостаточно расшифровать геном одного образца коронавируса?
На сегодняшней день ученые со всего мира просеквенировали уже более 60 000 геномов коронавируса и обменялись этими данными друг с другом на базе GISAID . Такой огромный объем данных позволил исследователям проследить происхождение вспышек COVID-19 в своих странах и точно определить, когда происходила передача в тех или иных районах. В некоторых странах (например, Новой Зеландии), в которых было зафиксировано не так много случаев заболевания, ученые стремятся просеквенировать все имеющиеся у них образцы.
На конец мая, по данным GISAID, Россия находилась на 10 месте в Европе по количеству секвенированных вирусов SARS-CoV-2.
ПЦР-тест на коронавирус: работает ли он?
Благодаря тому что геном коронавируса был расшифрован в довольно короткий срок, стало возможным разработать и диагностические тесты на коронавирус.
«Есть очень много причин, по которым результат может быть ложным. Например, взятие мазка из зева необходимо осуществлять натощак или через 3 часа после приема пищи, запрещается чистить зубы, полоскать ротовую полость и пить – немногие пациенты об этом знают, что приводит к ложноотрицательным результатам.
Еще одна причина: для получения большей концентрации вируса необходимо брать мазок в одну пробирку и из носоглотки, и из ротоглотки, в противном случае, при взятии только одного мазка, можно получить ложноотрицательные результаты.
На получение недостоверных результатов может повлиять обращение с материалом (неправильная транспортная среда, в которую берут мазок, неправильный температурный режим и время хранения, неправильная транспортировка).
На получение ложноотрицательных результатов влияет отсутствие бракеража пробирок при приеме их в лабораторию. Если пробирки не упаковали в отдельные герметичные пакеты с адсорбирующим материалом, то при транспортировке возможно раскупоривание пробирки, и если в этой пробирке положительный образец, то в результате можно получить ложноположительные результаты во всей партии образцов. Более того, так можно законтаминировать мебель и оборудование в лаборатории и еще некоторое время получать ложноположительные результаты.
Может ли генетика предсказать вероятность заражения коронавирусной инфекцией и тяжесть течения заболевания?
Помимо ПЦР-тестирования есть и другие методы анализа на коронавирусную инфекцию. В частности, тест на наличие антител к коронавирусу, который может показать, сталкивался ли человек с инфекцией, даже если симптомов COVID-19 у него не было. Когда эти тесты стали проводиться массово, выяснилось, например, что по ряду регионов России число пациентов с бессимптомным коронавирусом достигает 50 %. Но почему одно и то же заболевание у одних людей протекает бессимптомно, а у других с тяжелыми осложнениями вплоть до летального исхода? Не вызывает сомнений, что здесь играют роль множество различных факторов. И один из них – генетические особенности человека.
Еще один фактор, который предположительно может влиять на тяжесть течения коронавирусной инфекции: система гистосовместимости HLA, которая кодирует специфические белки на поверхности иммунных клеток. Эти белки участвуют в связывании чужеродных белков, в том числе вирусных.
Однако, как отмечает эксперт, все эти знания пока не могут быть внедрены в клиническую практику.
Что показала пандемия COVID-19?
Пандемия COVID-19 еще продолжается, но уже можно оценить, были ли мы к ней готовы, и спрогнозировать, к каким последствиям для генетики она может привести.
Однако эксперт указывает и на проблемы, которые обнаружила пандемия в сфере лабораторной диагностики и генетики в России.
Среди наиболее острых проблем, которые выявила пандемия, Ксения Федулова выделяет достоверность данных, полученных в небольших клинических исследованиях, скорость внедрения новых рекомендаций в клиническую практику и возможность беспрепятственного взаимодействия ученых и врачей из разных стран.
По ее мнению, последствия пандемии приведут к более активному исследованию метагенома.
Читайте также: