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Oxford Nanopore测序仪最新应用:3分钟内可实现样本污染实时鉴定

2017-12-5| 编辑: 小桔灯网| 查看: 342| 评论: 0|来源: 测序中国

摘要: 人类基因组代表了人体的全部遗传信息。近年来,随着基因测序技术的提升,测序成本正在飞速降低,基因组数据也变得更容易获得。这使得基因组学在精准医学、实验室研究和法医学等各个领域得到了更广泛的应用。虽然基因 ...


类基因组代表了人体的全部遗传信息。近年来,随着基因测序技术的提升,测序成本正在飞速降低,基因组数据也变得更容易获得。这使得基因组学在精准医学、实验室研究和法医学等各个领域得到了更广泛的应用。虽然基因组学已经取得了诸多成果,但基因组学在某些领域的垂直应用仍是至关重要的。

例如,细胞系污染是如今学术、临床和商业应用中广泛存在的问题,这很可能导至某些已发表的生物学研究无法被其他学者复制,成为不可重复研究。重复性已经成为目前生物医学研究中面临的重要问题,仅在美国每年因此所造成的损失便高达280亿美元。究其原因,一部分原因便在于生物医学研究的人类细胞很难用显微镜进行区分。为了避免细胞系污染,通常情况下,当科研人员需要对细胞系进行鉴定时,他们会使用细胞STR检测技术,并将样品寄送到相关中心,这可能会花费两周的运输和分析时间才能得出结果。在这段时间内,以前的低水平的污染很可能会成为主要的污染,因此,在实验室内部进行样本的实时鉴定有着重要意义。近日的一项研究成果表明,一项基于Oxford Nanopore公司MinION测序仪的新方法或许可以帮助科学家鉴定正在处理的细胞,进而帮助解决研究重复性的问题。

2014年,Oxford Nanopore公司推出了第一款商业化的纳米孔测序仪——MinION。它的大小、速度和可携带性为DNA测序开辟了许多新用途,考虑到它的优势,这种测序仪很适合用于检测环境中的病原体,如对流感、疟疾、肺结核等进行快速监测。现在,来自纽约基因组中心的研究人员开发了一种利用便携式单分子测序仪快速鉴定人类DNA样本的新方法,名为“MinION sketching”。据了解,这种方法基于Oxford Nanopore公司MinION测序仪和贝叶斯算法,将通过测序发现的随机突变与已知基因组数据库进行比较,可在大约3分钟的测序过程中利用60到300个随机SNP识别出人类DNA,几乎实现了实时的DNA鉴定。相关研究于近日发表于开放获取期刊eLife,论文题为“Rapid re-identification of human samples using portable DNA sequencing”。

这种近乎实时的DNA识别方法进一步拓宽了MinION测序仪的应用道路,并可以帮助科研人员充分利用当前生物组织、细胞系和个体基因组的参考数据。其应用范围从识别错误标记和污染细胞系到识别大规模灾害的受害者,有着广阔前景。更重要的是,相对于目前的细胞系认证方法,该方法更为快速、强大,并可能有助于减少人类细胞和组织培养中混合及污染造成的不可重复研究。

在MinION sketching方法中,研究人员首先需要应用便携式单分子测序仪MinION对DNA进行测序,然后将基因变异与参考数据库进行比较,并利用贝叶斯算法计算被分析样本与查询数据库中条目的匹配(或不匹配)概率,该算法孩会在分析更多标记时更新匹配的概率。同时,这种方法特别避免了使用PCR技术,减少了样品制备时间和操作的步骤,避免了人类特有引物所引起的误差,贝叶斯算法也对低覆盖度和易错测序的噪声进行弥补

为了验证该方法,研究者建立了两个大型参考数据库,其中一个数据库包含31,000人的全基因组基因分型阵列数据,主要来自于多个DTC基因检测公司(如23andMe、AncestryDNA和FamilyTree DNA);另一个数据库包括来自癌细胞系百科全书(Cancer Cell Line Encyclopedia,CCLE)的1,099个癌细胞系、约800,000个SNP基因分型阵列数据。

利用第一个参考数据库,研究者测试了他们鉴定人类DNA样本的能力。使用R7 MinIon试剂,研究人员利用110个SNP在13分钟内鉴定了一名德系犹太-乌兹别克男性的样本;当使用R9 MinIon试剂鉴定来自北欧女性个体和北欧-意大利-德系犹太男性个体的样品时,时间缩短至不到5分钟,并且只需98个SNP和134个SNP。研究者估计,MinION sketching方法可以利用91~195个SNP完成99.9%的匹配。

随后,利用第二个数据库和R9 MinIon试剂,研究人员测试了他们如何确定受污染的细胞系。他们首先鉴定了单核细胞白血病菌株THP1,需要大约3分钟时间和91个SNPs,然后将该菌株与另一份人类样品等量混合。对于这个受污染的样本,该算法没有找到匹配的结果。他们进一步报告说,对于污染超过25%的样本,该算法不会返回匹配的结果。

毋庸置疑,相较于传统手段,这种鉴定方法更为快速、便捷,而且仅需1000美元的启动成本,几乎可以实现细胞系的实时监控。随着该技术的推进和应用,这种技术或许可能在每年节省数十亿的研究经费,最终加速科学进步。

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