使用 NGS 系統應用在物種全基因體上定序上是已發展成熟的技術,然而在真核生物的研究方面,有著高等生物基因體過於龐大複雜的難題存在,在過去,科學家們想研究物種的基因體特定區域時,往往只能小部份的使用 PCR 增幅目標區域並定序之,如今結合上 Exome Capture 技術以及 NGS 系統,能夠讓科學家們專注在研究目標的表現基因上,還能以更便宜的價格,獲得較全基因體定序深度更深的序列資料。

以人類基因體舉例來說,30 億個鹼基對的全基因體序列,Exome 部份僅有其中的 3000 萬,這表示許多科學家們著手研究一項研究主題時,可能僅是對其中 1% 的序列感興趣,因此出現了利用 DNA 雜合原理為基礎的 Exome Capture 技術。下圖為 Exome Capture 的流程圖,我們將製備完成的 DNA library,在鹼的環境下打斷氫鍵變成單股,在加入掛上 Biotin 的單股 DNA Exome probe,使得基因體中的 Exome 部份被這些 probe 雜合上,其後再使用帶有磁珠的 Streptavidin,留下 Exome 洗去不需要的基因部分。除此之外尚有其他三種 Exome Capture 的方式,有的需要 DNA polymerase 參予,不過原理仍大同小異,最重要的部分,仍然是 Exome Probe 的設計,要利用小片段的 DNA (ex: 95 mer) 專一性的抓住較大片段的 DNA (ex: 350 mer),是需要經過精密的設計以及評估的。 

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人類有 86% 的疾病是發生在 Exome 的部分,目前尚有許多罕見的遺傳疾病還找不出致病的基因,它們可能不依循的孟德爾遺傳定律 (ex: Freeman-Sheldon syndrome),需要全盤性的比對 Exome 部份的基因變異可能性,這個變異性的正確性,深深的被定序的深度所影響,當要確認一個基因變異的 SNP (single nucleotide polymorphism) 的正確性時,需要 8-30 倍的定序深度來支持,而這個可變動要求往往是受限於 Capture probe 的大小,以及經費所限制。除了利用 Exome Capture 技術研究人類疾病,目前這項技術也應用在研究人類的演化上,使用新型的 Primer Extension Capture 方式,自五個尼安德塔人的核酸來源中,成功組合出尼安德塔人 mtDNA。另外一個報導描述尼安德塔人的核酸來源中雜有 99.8% 的微生物 DNA,但利用在人類演化上保留度高的片段當作 Probe,成功的自尼安德塔人嚴重汙染的 DNA 中,找到與人類相近的 88 個片段位置。Exome Capture 的實際應用範圍,還可以更廣,根據研究主題的不同改變 probe 的設計方式,利用這項技術可以幫助科學家們更容易得到一些新的發現。

 


 

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