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細(xì)胞遺傳學(xué)家的新工具和新希望

閱讀:257發(fā)布時(shí)間:2014-3-27

細(xì)胞遺傳學(xué)意在確定一個(gè)基因組中與眾不同的結(jié)構(gòu)特征。這說起來容易,做起來難。多年來,研究人員手頭的工具很有限,只有吉姆薩染色、FISH和DNA芯片。新興的DNA測(cè)序技術(shù)將細(xì)胞遺傳學(xué)的分辨率提高到的水平,縮小了分子細(xì)胞遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)之間的距離。

然而,測(cè)序,想說愛你不容易。測(cè)序讀長(zhǎng)仍然太短,難以直接回答細(xì)胞遺傳學(xué)的問題。當(dāng)然,新的策略在不斷開發(fā)中。在此,我們展望一下基因組測(cè)序在發(fā)現(xiàn)染色體結(jié)構(gòu)變異(CV)上的前景,盡管有些區(qū)域目前仍無法解析,但隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,終究會(huì)突破。

吉姆薩染色、核型分析等技術(shù)適合觀察Mb規(guī)模的染色體畸變,如非整倍體和大的重排,這可在顯微鏡下觀察到。利用熒光原位雜交(FISH)技術(shù),研究人員可檢測(cè)到低至500 kb的結(jié)構(gòu)差異。
DNA芯片的引入實(shí)現(xiàn)了拷貝數(shù)變異和染色體結(jié)構(gòu)變化的檢測(cè),其分辨率低至5-10 kb。不過它們并不能提供重復(fù)拷貝的位置信息。它們也不能檢測(cè)平衡易位?;蛟S更重要的是,芯片在高度重復(fù)的序列上表現(xiàn)不太好,因而無法分辨異常序列的斷裂點(diǎn)。

我們還有另一個(gè)選擇,新一代測(cè)序(NGS)。據(jù)Illumina公司生殖與優(yōu)生健康的市場(chǎng)部Rich Shippy介紹,NGS可檢測(cè)所有的畸變類型,包括平衡易位、倒位和序列水平的變異。他認(rèn)為,與芯片相比,NGS能更加地定位CNV,達(dá)到近乎單核苷酸的分辨率。

在開展分子細(xì)胞遺傳學(xué)分析時(shí),測(cè)序的能力無疑取決于多個(gè)參數(shù),包括文庫大小、讀長(zhǎng)、測(cè)序深度以及待分析序列的*性。當(dāng)然,它還取決于分析類型。
華盛頓大學(xué)的Evan Eichler教授指出,當(dāng)測(cè)序深度達(dá)到25倍時(shí),就能可靠地檢測(cè)低至2-3 kb的缺失和重復(fù),比其他方法至少高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。深度讀取能夠確定拷貝數(shù),但它不能判斷插入序列或倒位,也不能區(qū)分重復(fù)序列是串聯(lián)還是分散在基因組中。

為了確定重復(fù)的位置,研究人員主要依賴于雙端測(cè)序的方法,它從DNA序列兩端開始測(cè)序,其正向和反向read之間的固定距離就代表插入片段的大小。Eichler解釋道:“你要找的是固定在某一位置的一組read,以及固定在另一位置的一組相反的read。就易位而言,一組可能定位到10號(hào)染色體,而另一組定位到20號(hào)染色體。那么我抓到了斷裂點(diǎn)。”對(duì)于倒位,配對(duì)的read可能位于相反的方向。
研究人員也采取split-read的策略,以尋找那些一個(gè)read能定位到參考基因組,而另一個(gè)read不能定位(因?yàn)樗挥谥嘏艛嗔腰c(diǎn)的另一側(cè))的序列。隨后算法會(huì)搜索參考基因組,尋找那些未定位read的定位點(diǎn)。這種分析有望檢測(cè)更小的插入和缺失。

另一種方法就是序列組裝,其中read被放在一起,通過合并重疊序列而形成連續(xù)的contig。這通常依賴于de novo和本地組裝算法的組合,因其序列長(zhǎng)且足夠準(zhǔn)確,被認(rèn)為是zui有希望確定任何染色體畸變斷裂點(diǎn)的方法。
Evan Eichler教授指出:“如果與細(xì)胞遺傳學(xué)易位、缺失、重復(fù)或倒位相關(guān)的所有斷裂點(diǎn)都定位在單一序列內(nèi),那就不會(huì)有什么問題。但許多易位都定位到大的、高度相同的重復(fù)序列中,這也是系統(tǒng)無能為力的地方。我們沒有足夠大的庫,或者說單個(gè)read不夠長(zhǎng)。”
所謂的第三代測(cè)序能提供明顯更長(zhǎng)的read,有望解決這一問題。例如,Pacific Biosciences的試劑帶來了8,500 bp的讀長(zhǎng),甚至有相當(dāng)一部分read超過30,000 bp。這些read可跨越許多重復(fù)區(qū)域,將它們定位到參考基因組中。
Illumina的Moleculo技術(shù)也提供了一種單體型策略,但不是基于長(zhǎng)的read,而是統(tǒng)計(jì)學(xué)和條形碼。該公司zui近在《Nature Biotechnology》上介紹了這種方法,名為“統(tǒng)計(jì)學(xué)輔助的長(zhǎng)read單體型分析(SLRH)”。利用SLRH,他們能夠?qū)⑷齻€(gè)人類基因組中99%的單核苷酸劃分到長(zhǎng)度為0.2-1 Mb的單體型塊中1。
當(dāng)然,更長(zhǎng)read的zui終目標(biāo)是從頭開始構(gòu)建出一個(gè)基因組。畢竟,這才是分子細(xì)胞遺傳學(xué)家所追求的,基因組結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確描述。Eichler認(rèn)為:“這是此領(lǐng)域的圣杯:如果你拿到一個(gè)基因組,測(cè)序,并無需任何指導(dǎo)將其準(zhǔn)確組裝,那么你就大功告成了。所有的分子細(xì)胞遺傳學(xué)家將失去工作。你會(huì)了解所有的倒位、缺失和重復(fù)。”

這一天可能不會(huì)太遙遠(yuǎn)。在上個(gè)月召開的基因組生物學(xué)技術(shù)進(jìn)展大會(huì)(AGBT)上,Pacific Biosciences宣布了*只利用PacBio read的de novo人類基因組組裝。利用平均讀長(zhǎng)為7,700 bp的reads,他們組裝了54x的基因組,據(jù)介紹,讀長(zhǎng)將在一年之內(nèi)達(dá)到20,000 bp。當(dāng)這一切實(shí)現(xiàn)時(shí),細(xì)胞遺傳學(xué)的答案可能唾手可得。


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