Sekwencjonowanie nowej generacji - wszystko co musisz wiedzieć

Sekwencjonowanie nowej generacji w ramach badań genetycznych staje się coraz bardziej pożądanym towarem, który wraz z komercjalizacją różnych platform NGS jest coraz powszechniej wykorzystywany przez wiele laboratoriów na całym świecie. Jak widać w ostatnich latach, komputerowa analiza na skalę całego genomu jest coraz częściej wykorzystywana jako podstawa nowatorskich odkryć w badaniach biomedycznych.

Pomimo wciąż rosnącej wykładniczo ilości danych pochodzących z NGS, to ich analiza stanowi największy problem, który musi być rozwiązany.

Pomimo rozwoju technik sekwencjonowania pierwszej generacji, opartych na sekwencjnowaniu Sangera, stały się one niewystarczające do osiągnięcia niektórych celów. Urządzenia, które na tamten czas uznawane były jako wysokoprzepustowe nie mogły się jednak równać z urządzeniem, które swój debiut miało w 2005 r. Genome Analyzer był w stanie sekwencjonować od 84 tys. par zasad do 1 miliarda par zasad DNA na jeden przebieg urządzenia.

Technologia ta, pozwalająca na równoczesne sekwencjonowania olbrzymiej liczby krótkich cząsteczek DNA, stanowiła zupełnie nowe podejście w tej dziedzinie i zrewolucjonizowała znane do tej pory sekwencjonowanie. Od tamtej chwili obserwujemy ogromny wzrost wydajności urządzeń NGS przy jednoczesnym redukowaniu kosztów procesu. Do 2014 roku urządzenia NGS mogły sekwencjonować 1,8 tera par zasad w jednym cyklu pracy urządzenia. Daje to zdumiewający wzrost wydajności o tysiąc razy. Brzmi to szczególnie imponująco, gdy porównamy to z wydajnością urządzeń, które posłużyły do sekwencjonowania pierwszego ludzkiego genomu w 2001 r. Projekt ten trwał 6 lat i kosztował 3mld $.

Jedno z najnowszych urządzeń - HiSeqX™, wyprodukowane w 2014 roku, może zsekwencjonować ponad 45 ludzkich genomów w ciągu jednego dnia za około 1000 $ każdy.

Obecnie na rynek wprowadzono kilka urządzeń umożliwiających przeprowadzenie reakcji sekwencjonowania nowej generacji

Chociaż każda platforma NGS jest wyjątkowa pod względem wykorzystywanej technologii sekwencjonowania, to większość z nich, do których zaliczyć można dwie najczęściej wykorzystywane - Ion Torrent PGM i Illumina MiSeq używają podobnej metodologii, która obejmuje przygotowanie próbek DNA, sekwencjonowanie i obrazowanie, oraz analizę danych. Mimo to warto pamiętać iż w obrębie każdego etapu, poszczególne platformy są unikalne.

Pierwszy z etapów, którym jest odpowiednie przygotowanie próbek gotowych do sekwencjonowania jest bardzo ważny dla całego procesu. Prawidłowe przygotowanie próbek umożliwia wydajną pracę urządzenia i otrzymanie wartościowych wyników. Składa się zawsze z przygotowywania tak zwanych bibliotek kwasów nukleinowych (DNA lub komplementarnego DNA (cDNA)) i powielenia tej biblioteki. Biblioteki DNA gotowe do przeprowadzenia sekwencjonowania konstruuje się przez fragmentację cząsteczek DNA (cDNA) i przyłączenie sekwencji adaptera (syntetycznych cząsteczek DNA o znanej sekwencji) na końcach fragmentów DNA. Po zakończeniu budowy biblioteki jest ona powielana i gotowa do przeprowadzenia sekwencjonowania.

Aby uzyskać sekwencję kwasu nukleinowego z amplifikowanych bibliotek, obydwie omawiane platformy wykorzystują technologię sekwencjonowania przez syntezę (jak w przypadku sekwencjonowania Sangera). Fragmenty biblioteki stanowią matrycę, na bazie której syntetyzowane są nowe fragmenty DNA. Sekwencjonowanie przebiega w cyklach, w których matryca zalewana jest znanymi nukleotydami w porządku sekwencyjnym, po czym następuje etap płukania. Nukleotydy są dobudowywane do rosnącego łańcucha DNA, przy czym ich sekwencja jest rejestrowana cyfrowo. Obydwie platformy opierają się na nieco innych mechanizmach służących do wykrywania informacji o dobudowywanej sekwencji nukleotydowej. Platforma PGM wykonuje sekwencjonowanie półprzewodnikowe, które opiera się na wykrywaniu zmian pH wywoływanych przez uwalnianie jonu wodorowego w momencie włączenia nukleotydu w rosnącą nić DNA. W przeciwieństwie do tego MiSeq opiera się na detekcji fluorescencji generowanej podczas włączenia fluorescencyjnie znakowanych nukleotydów do rosnącej nici DNA.

Pakiet badań genetycznych w kierunku nowotworów złośliwych

Jeżeli chcesz dowiedzieć się o własnym ryzyku zachorowania na raka, rozważ wykonanie badania genetycznego - jest ono jedyną metodą, która pozwala na określenie prawdopodobieństwa wystąpienia nowotworów złośliwych w przyszłości.

Dostępne pakiety badań to:

Nowotwory kobiety

Nowotwory mężczyźni

Rak piersi i jajnika - gen BRCA1

Rak piersi i jajnika - geny BRCA1 i BRCA2

Dowiedz się więcej

Po zakończeniu sekwencjonowania, surowe dane sekwencji muszą przejść kilka etapów analizy

Uogólniona analiza danych NGS obejmuje wstępne przetwarzanie danych w celu usunięcia sekwencji niskiej jakości, oraz sekwencji adaptera. Kolejnym etapem jest tak zwane mapowanie, czyli dopasowanie sekwencji do genomu referencyjnego lub zbudowanie z krótkich sekwencji jednej długiej sekwencji DNA od nowa, oraz analizę gotowej sekwencji DNA. Analiza sekwencji może obejmować szeroką gamę ocen bioinformatycznych, w tym wykrywanie wariantów genetycznych, czyli różnic nukleotydowych, bądź znajdowanie tak zwanych indeli (jest to nazwa fragmentów, które są dodatkowo obecne lub które są nieobecne w porównaniu z genomem referencyjnym). Analiza może polegać także na wykryciu nowych genów, elementów regulacyjnych, lub ocenie poziomu ekspresji różnych genów. Co więcej, może obejmować identyfikację mutacji, które mogą przyczynić się do diagnozy choroby lub stanu genetycznego. Istnieje wiele darmowych narzędzi internetowych i pakietów oprogramowania do przeprowadzenia analizy bioinformatycznej niezbędnej do skutecznego analizowania danych NGS.

Zastosowania NGS wydają się niemal nieograniczone

Sekwencjonowanie nowej generacji pozwala na szybki postęp w wielu dziedzinach związanych z naukami biologicznymi. Resekwencjonowanie ludzkiego genomu jest wykonywane w celu identyfikacji genów i elementów regulatorowych związanych z procesami patologicznymi. NGS, poprzez sekwencjonowanie całych genomów wielu różnych organizmów, dostarczył również ogromnej ilości danych służących do badań porównawczych w biologii. NGS ma również duże zastosowanie w dziedzinie zdrowia publicznego i epidemiologii poprzez sekwencjonowanie gatunków bakterii i wirusów, w celu ułatwienia identyfikacji nowych czynników zjadliwości.

Dodatkowo, badania ekspresji genów zaczęły zastępować niektóre inne technologie służące do sprawdzenia poziomu ekspresji genów. Są to tylko wybrane zastosowania technologii NGS. Przynoszą one niewątpliwą korzyść nie tylko naukowcom i lekarzom, ale także całemu społeczeństwu. Jako, że popularność NGS nadal rośnie, nieuniknione jest, że w najbliższej przyszłości pojawią się dodatkowe innowacyjne aplikacje, oraz coraz lepszy i tańszy sprzęt ku temu służący.