Ученые предлагают новый метод сборки геномов

Исследователи из Медицинской школы Университета Массачусетса (UMMS) разработали новый метод сборки коротких фрагментов ДНК, полученных с помощью технологий секвенирования нового поколения, в полные геномные последовательности. Джоб Деккер, PhD, и его коллеги показали, что целые геномы можно собирать быстрее и точнее, измеряя частоту взаимодействий между сегментами ДНК и используя их трехмерную структуру в качестве ориентира. С помощью этой техники им удалось разместить 65 ранее нелокализованных фрагментов ДНК в незавершенных регионах человеческого генома.

Детали исследования опубликованы в Nature Biotechnology.

"Способность технологий секвенирования нового поколения производить сотни миллионов коротких прочтений последовательностей ДНК стала невероятным подарком для биомедицинских исследователей", — сказал доктор Деккер. — "Однако по мере того, как эти последовательности становились все короче, сборка полных геномов становилась все более сложной задачей. После 20 лет интенсивных усилий даже человеческий геном все еще имеет пробелы".

"Используя 3D-структуру генома в качестве ориентира, мы показали, что эти фрагменты последовательностей ДНК можно собрать быстро, дешево и точнее, чем позволяют современные методологии".

Проблема сборки

Современные технологии секвенирования легко считывают сотни миллионов последовательностей ДНК за раз, но эти последовательности случайным образом разбиваются на чрезвычайно короткие фрагменты. Их необходимо собрать с помощью компьютерных алгоритмов, что на первом этапе дает набор из до 100 000 фрагментов ДНК. Затем их нужно организовать в правильном порядке для создания полного генома.

Основная сложность второго этапа (геномного скаффолдинга) заключается в том, что геномы полны высокоповторяющихся последовательностей, которые встречаются в множестве мест. Определить точное местоположение конкретного фрагмента среди тысяч возможных — сложная задача, требующая трудоемких экспериментальных методов.

"Как собрать эти фрагменты ДНК, стало узким местом для исследователей, решение которого может занимать недели или месяцы", — сказал Ноам Каплан, PhD, первый автор исследования.

Новый подход: использование 3D-структуры

Для решения этой проблемы Деккер и Каплан использовали трехмерную структуру генома в качестве ориентира для сборки линейных последовательностей ДНК. С помощью технологии Hi-C, разработанной в лаборатории Деккера, они измерили, как часто каждый фрагмент ДНК в геноме взаимодействует с другими.

• Последовательности ДНК, расположенные близко друг к другу в трехмерном геноме, взаимодействуют чаще.
• Последовательности, находящиеся дальше друг от друга, взаимодействуют реже.

Затем с помощью вычислительных методов математически определяется линейное геномное положение каждого фрагмента на основе данных о частоте 3D-взаимодействий.

"Таким образом, хотя конкретная последовательность может подходить ко многим местам в линейном геноме, мы можем определить, является ли она лучшим совпадением в одном месте по сравнению с другим, основываясь на этих данных о взаимодействии", — объяснил доктор Каплан.

С помощью этого нового подхода Каплан и Деккер смогли предсказать положения 65 ранее нелокализованных фрагментов.

"Мы были удивлены тем, насколько хорошо сработал наш метод", — сказал Каплан.

Деккер добавил, что этот новый подход к сборке геномов может помочь получать геномные последовательности более высокого качества быстрее и проще, чем современные методы.

"Будет особенно интересно применить этот метод для идентификации хромосомных аберраций, которые являются отличительной чертой рака".