使用時(shí)間序列數(shù)據(jù)提高基因組作圖的準(zhǔn)確性

如果您已經(jīng)擁有生物體基因組的序列圖，但想要在樣本中尋找結(jié)構(gòu)上的奇怪現(xiàn)象，您可以檢查基因組條形碼 - 已知的目標(biāo)位點(diǎn)之間的一系列距離 - 通過(guò)在這些位點(diǎn)切割DNA序列并檢查切口之間的距離。然而，如果通過(guò)涉及PCR的下一代測(cè)序獲得的原始圖譜包含任何擴(kuò)增偏差，則跨研究存在系統(tǒng)誤差的空間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，明尼蘇達(dá)大學(xué)和BioNano Genomics的研究人員通過(guò)使用動(dòng)態(tài)時(shí)間序列數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量概率分布，或基于鏈?zhǔn)欠穹蛛x兩個(gè)標(biāo)簽的遺傳物質(zhì)的數(shù)量，改進(jìn)了基于納米通道的繪圖形式。拉伸或壓縮。

“想象一下，DNA骨架上的兩個(gè)標(biāo)簽通過(guò)彈簧連接在一起，彈簧模擬了它們之間DNA的構(gòu)型熵，”明尼蘇達(dá)大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院教授Kevin Dorfman說(shuō)。“如果這是一個(gè)諧波彈簧...那么我們可以預(yù)期在彈簧長(zhǎng)度的其余部分看到正負(fù)位移的概率相等。”然而，Dorfman和他的同事觀察到比標(biāo)簽之間的延伸更大的壓縮，而不是這種正常的曲線(xiàn)，并且發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽之間的大部分熱波動(dòng)是短暫的事件 - 有助于提高基因組圖譜準(zhǔn)確性的信息。

“這些改進(jìn)對(duì)于復(fù)雜的樣本尤其重要，例如癌癥，細(xì)胞是異質(zhì)的，因此我們需要高精度才能找到罕見(jiàn)的事件，”Dorfman說(shuō)。Dorfman和他的實(shí)驗(yàn)室在過(guò)去三年中一直與位于圣地亞哥的BioNano Genomics的合作者合作，通過(guò)國(guó)立衛(wèi)生研究院和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助。他和他的同事本周在Biomicrofluidics上詳細(xì)介紹了他們的工作。

研究人員遇到的問(wèn)題是傳統(tǒng)上使用的脈沖場(chǎng)凝膠電泳方法 - 其中基因組圖譜是通過(guò)用限制酶切割DNA序列構(gòu)建的 - 位于重新組裝圖譜中，因?yàn)槌Ｒ?guī)過(guò)程將片段作為其大小的函數(shù)進(jìn)行分類(lèi)。然而，在納米通道方法中，熒光標(biāo)記始終在每條鏈上排序。這使得研究人員可以從熒光條碼中確定整條鏈的內(nèi)容，而無(wú)需重新組裝它們 - 消除了對(duì)先前獲得的地圖的依賴(lài)。

研究人員首先對(duì)DNA進(jìn)行標(biāo)記，其中包括從大腸桿菌細(xì)胞中提取基因組DNA，在不同的目標(biāo)位置去除單個(gè)核苷酸和一段骨架，并在其位置插入熒光核苷酸。然后將每條DNA鏈(通常約300,000個(gè)堿基對(duì))注入45nm寬的納米通道中。這迫使分子伸展，因?yàn)镈NA的彎曲長(zhǎng)度尺度仍然以棒狀，可量化的方式移動(dòng)，約為50nm。

然后，他們使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)標(biāo)簽的位置進(jìn)行成像。雖然納米通道中DNA的典型單分子研究報(bào)告了來(lái)自數(shù)十個(gè)分子的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但研究人員的方法涉及數(shù)千個(gè)分子，每個(gè)分子都覆蓋著一系列標(biāo)簽 - 導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)個(gè)標(biāo)簽之間的距離測(cè)量，這對(duì)于確定概率分布。

Dorfman及其同事的未來(lái)工作包括使用這些分布作為基因組圖譜算法的輸入。這可以用于指定特定的點(diǎn)序列映射到基因組的特定區(qū)域的置信度，以及幫助理解拉伸的DNA的結(jié)，折疊和環(huán)對(duì)基因組作圖的影響。

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