Повышение точности геномного картирования с помощью данных временных рядов
Для поиска структурных аномалий в образце можно использовать геномный штрих-код — последовательность расстояний между известными целевыми сайтами в ДНК. Однако если исходная карта генома, полученная с помощью секвенирования нового поколения (NGS) с использованием ПЦР, содержит амплификационные смещения, это может привести к систематическим ошибкам.
Исследователи из Университета Миннесоты и BioNano Genomics усовершенствовали метод картирования на основе наноканалов. Они использовали динамические данные временных рядов для измерения распределения вероятностей расстояния между двумя метками на ДНК, учитывая, растянута или сжата цепь.
"Представьте, что две метки на остовах ДНК соединены пружиной, которая моделирует конфигурационную энтропию ДНК между ними", — сказал Кевин Дорфман, профессор Колледжа науки и инженерии Университета Миннесоты.
Вместо ожидаемой нормальной кривой распределения исследователи наблюдали большее сжатие, чем растяжение между метками. Они обнаружили, что большинство тепловых флуктуаций между метками — это кратковременные события. Эта информация может помочь повысить точность картирования генома.
"Такие улучшения особенно важны для сложных образцов, таких как рак, где клетки гетерогенны, и нам нужна высокая точность, чтобы обнаружить редкие события", — отметил Дорфман.
Метод наноканалов против традиционного
Традиционный метод импульсного гель-электрофореза (PFGE) создает карты генома, разрезая ДНК рестрикционными ферментами. Проблема заключается в повторной сборке карт, так как процесс сортирует фрагменты по размеру.
В методе наноканалов флуоресцентные метки остаются упорядоченными на каждой цепи. Это позволяет определить содержание целых цепей по их флуоресцентным штрих-кодам без необходимости повторной сборки, устраняя зависимость от ранее полученной карты.
Экспериментальный процесс
- Маркировка ДНК: Геномную ДНК из клеток E. coli экстрагировали, удаляли нуклеотид и часть остова в целевых местах и вставляли флуоресцентные нуклеотиды.
- Введение в наноканал: Каждую цепь ДНК (около 300 000 пар оснований) вводили в наноканал шириной 45 нм. Это заставляет молекулу растягиваться, поскольку длина изгиба для ДНК, при которой она движется подобно стержню, составляет около 50 нм.
- Визуализация: Местоположение меток фиксировали с помощью цифровой камеры.
В отличие от типичных исследований единичных молекул, где статистику собирают по десяткам молекул, новый метод использует тысячи молекул, каждая с множеством меток. Это дает миллионы измерений расстояний между метками, что необходимо для определения распределений вероятностей.
Будущая работа
Дальнейшие планы включают использование этих распределений вероятностей в качестве входных данных для алгоритма геномного картирования. Это поможет:
- Присвоить оценку достоверности соответствия конкретной последовательности меток определенной области генома.
- Понять влияние узлов, складок и петель растянутой ДНК на картирование генома.
Исследование поддержано грантами Национальных институтов здоровья (NIH) и Национального научного фонда (NSF) и подробно описано на этой неделе в журнале Biomicrofluidics.