hifi測(cè)序技術(shù)應(yīng)用_數(shù)據(jù)組裝

近年來(lái)，人們對(duì)生物的認(rèn)識(shí)不再是簡(jiǎn)單依據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和描述，而是能夠通過(guò)基因組數(shù)據(jù)系統(tǒng)的深入解析內(nèi)在規(guī)律。基因組研究技術(shù)可為動(dòng)植物序列多態(tài)性、物種栽培與馴化、基因定位、基因編輯、精細(xì)育種等提供精準(zhǔn)信息。

三代基因組組裝是僅利用Pacbio或者Nanopore平臺(tái)得到的超長(zhǎng)三代數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組序列拼接，從而獲得高質(zhì)量的基因組序列圖譜的過(guò)程。HiFi reads是基于PacBio Sequel II平臺(tái)推出的CCS（Circular Consensus Sequencing）測(cè)序模式產(chǎn)生的兼具長(zhǎng)讀長(zhǎng)和高準(zhǔn)確度的測(cè)序序列。在這種測(cè)序模式下，因酶讀長(zhǎng)（平均90-100 Kb）遠(yuǎn)大于插入片段長(zhǎng)度（10-20 Kb），測(cè)序時(shí)，聚合酶會(huì)繞著DNA模板進(jìn)行環(huán)形比對(duì)測(cè)序，使得插入片段被多次測(cè)序，產(chǎn)生多條subreads，來(lái)源于同一條模板鏈的subreads經(jīng)過(guò)一致性校正，最終得到高準(zhǔn)確度的HiFi reads，用于基因組組裝。

2022年5月HiFi模式再次更新，可以在構(gòu)建基因組的同時(shí)更快捷方便的獲取全基因組甲基化信息，為基因組的調(diào)控挖掘提供了更省力省心的研究途徑。

百邁客HiFi測(cè)序數(shù)據(jù)

對(duì)于一個(gè)技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)是房屋搭建的基礎(chǔ)。更高的產(chǎn)能、更長(zhǎng)的片段是性價(jià)比的核心。百邁客自2019年開(kāi)啟HiFi測(cè)序以來(lái)，不斷自主研發(fā)更新實(shí)驗(yàn)方法以獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)出，以下是百邁客部分類別物種數(shù)據(jù)產(chǎn)出：

基因組應(yīng)用

（1） 基因組組裝

搭建一個(gè)高質(zhì)量的基因組是物種表型功能研究的重要基礎(chǔ)。因此，在獲得高質(zhì)量HiFi數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)一步將數(shù)據(jù)拼接來(lái)搭建房屋框架。這里就涉及到組裝軟件的部署、參數(shù)調(diào)整、組裝結(jié)果優(yōu)化、組裝結(jié)果的評(píng)估等多個(gè)步驟。

① 百邁客組裝APP

百邁客云平臺(tái)基因組組裝評(píng)估分析APP具有上述提及的多種功能部署，并且只需要在windows平臺(tái)界面上進(jìn)行簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊，即可完成最為復(fù)雜的基因組組裝、優(yōu)化、結(jié)果評(píng)估等過(guò)程。該app自上線以來(lái)已完成200余項(xiàng)基因組組裝任務(wù)，具有高質(zhì)量+高效+極簡(jiǎn)等特點(diǎn)。

組裝APP分析流程與結(jié)果查詢：

部分項(xiàng)目組裝APP運(yùn)行情況：

② 百邁客動(dòng)植物基因組組裝結(jié)果展示（部分）

（2）5mC甲基化

DNA甲基化是表觀遺傳調(diào)控的重要組成部分，在調(diào)控基因組印記、X染色體失活、轉(zhuǎn)座子沉默、基因表達(dá)、表觀遺傳記憶、胚胎發(fā)育和腫瘤發(fā)生等方面發(fā)揮著重要作用，其廣泛存在于細(xì)菌、植物和動(dòng)物中，現(xiàn)在有的DNA甲基化類型主要有以下幾種：5-甲基胞嘧啶（5-mC）、少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥(niǎo)嘌呤（7-mG）。

其中，胞嘧啶第5位碳原子上的甲基化（5mC）動(dòng)態(tài)修飾研究得較為深入。?在真核生物中，最常見(jiàn)的甲基化修飾是5mC。5mC 是DNA的CG雙核苷酸的胞嘧啶被選擇性的添加甲基，形成5-甲基胞嘧啶的過(guò)程。其作用方式：①抑制轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合， 從而抑制轉(zhuǎn)錄過(guò)程；②結(jié)合抑制因子， 從而抑制轉(zhuǎn)錄過(guò)程

5mC 特征

? 哺乳動(dòng)物甲基化多發(fā)生于CpG二核苷酸序列上

? 植物甲基化多發(fā)生于CpG、CHG、CHH

? CpG富集區(qū)域多位于基因的啟動(dòng)子區(qū)域

? 位于啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化一般會(huì)抑制轉(zhuǎn)錄

近日，PacBio 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)HiFi測(cè)序直接檢測(cè) DNA 樣本中 CpG 位點(diǎn)的 5mC甲基化?；贖iFi 的 5mC 檢測(cè)能夠在提供既長(zhǎng)又準(zhǔn)的測(cè)序結(jié)果的同時(shí)，給出準(zhǔn)確的單倍型甲基化信息。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，做基因組就能額外獲取甲基化信息，一份數(shù)據(jù)，雙份收獲！加倍快樂(lè)！

同時(shí)，具有甲基化信息的HiFi數(shù)據(jù)，所占存儲(chǔ)僅增~5%，極大的壓縮了可分析的空間，為表觀遺傳挖掘保駕護(hù)航！

應(yīng)用上：

① ?除了常規(guī)基因組中甲基化的修飾，大多數(shù)二倍體基因組組裝都忽略了同源染色體之間的差異，將基因組組裝成一個(gè)假的單倍體序列，但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)僅單套的基因組數(shù)據(jù)難以完全演示高雜合物種的全面信息。同源染色體之間不同遺傳位點(diǎn)的組合對(duì)生物表型有重要影響，如動(dòng)植物中的雜種優(yōu)勢(shì)、某些物種雜交不育現(xiàn)象等。單倍型等位基因間差異對(duì)基因表達(dá)、功能及其表型都有著重要影響，大多數(shù)雜交品種的優(yōu)勢(shì)表型都受等位基因調(diào)控。二倍體馬鈴薯（Zhou Q et al., Nature Genetics.2020）、蘋果（Sun X P et al.,Nature Genetics.2020）、鐵觀音（Zhang X et al., Nature Genetics.2021）等單體型基因組的案例給我們成功展示了高雜合度的二倍體同源組間有不對(duì)稱演化的現(xiàn)象，即某套單倍型上保留較高的基因表達(dá)水平、維持較低的甲基化水平、經(jīng)歷較強(qiáng)的純化選擇（負(fù)選擇）等。

例如，馬鈴薯的20,583對(duì)等位基因中，有16.6％和30.8％的等位基因之間存在表達(dá)差異和甲基化差異,有害突變和差異表達(dá)的等位基因分散在兩種單倍型中。因此，現(xiàn)在可以在構(gòu)建單倍型基因組之后，直接通過(guò)HiFi數(shù)據(jù)解析其上甲基化信號(hào)，從而深入挖掘等位基因間的差異情況，為解析物種重要性狀形成的遺傳機(jī)制奠定重要基礎(chǔ)。

② ?在雜合度極低的物種中，往往會(huì)追求更完美和更準(zhǔn)確的組裝，尤其是解析其上高度復(fù)雜的著絲粒位點(diǎn)，植物的著絲粒位于染色體的異染色質(zhì)區(qū)域，該區(qū)域由多種類型的DNA重復(fù)元件組成，主要包括衛(wèi)星DNA序列、單一拷貝DNA、反轉(zhuǎn)錄元件、轉(zhuǎn)座子和端粒類重復(fù)序列等。人類基因組完成圖（Nurk S et al., Science.2022; Altemose N et al., Science.2022; Gershman A et al., Science.2022）、擬南芥T2T基因組（Naish M et al., Science.2021;Wang B et al., GPB.2021）等研究均說(shuō)明，對(duì)著絲粒區(qū)的甲基化等表觀調(diào)控進(jìn)行解析，具有重要的研究意義。例如，擬南芥T2T基因組研究中，作者發(fā)現(xiàn)著絲粒的DNA甲基化高于著絲粒周圍區(qū)域，但在著絲粒內(nèi)部，CENH3信號(hào)富集的CEN180高度串聯(lián)重復(fù)區(qū)域呈現(xiàn)低甲基化狀態(tài)（Wang B et al., GPB.2021）。

小結(jié)

• PacBio HiFi中更長(zhǎng)的讀長(zhǎng)、更多的數(shù)據(jù)產(chǎn)出為高質(zhì)量基因組的構(gòu)建創(chuàng)造了良好的條件
• 百邁客云平臺(tái)APP為基因組的高質(zhì)量快速組裝提供了更便捷的平臺(tái)（客戶體驗(yàn)版即將上線，盡請(qǐng)期待！）
• 5mC甲基化的加持，使得基因組表觀研究有了新的突破！為物種的深度解析提供了額外輔助！

 

 

 

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