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基因组单分子光学图谱分析系统(BioNano saphyr)

作者:管理员 | 发布时间: 2021-03-11 | 浏览量:1345

基因组单分子光学图谱分析系统

Bionano Genomics Saphyr基因组成像仪


技术介绍

        基因组单分子光学图谱是来源于单个DNA分子有序的全基因组限制性内切酶酶切位点图谱。能提供宏观的框架支持,反应整个基因组的结构信息。 BioNano全新的标记技术Direct Label and Stain(DLS),无需对基因组DNA进行酶切,无任何物理损伤,避免了fragile sites对基因组组装长度的影响。相比原来BioNano的NLRS标记技术,可以获得更长的光学图谱reads。
系统平台技术介绍
        BioNano Saphyr单分子基因组结构分析平台,采用高容量的Saphyr芯片,以更高的速度用以检测和分析基因组的光学图谱。并且Saphyr可以提供数据处理方案,自动进行数据分析,是一种更为高效和经济的新一代图谱绘制(Next-Generation Mapping,NGM)方案。

基因组单分子光学图谱分析系统(BioNano Saphyr)

基因组单分子光学图谱分析系统(BioNano Saphyr)

高容量Saphyr芯片

高容量Saphyr芯片

实验原理

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实验原理

技术特点


超高准确度

光学图谱构建所需要的DNA分子是最原始的,不经过扩增打断等处理,具有高达150%的信息密度且无DNA损伤,所以其反应的是物种DNA最真实状态。

超长读长

光学图谱具有超长的读长,可达到上百Kb或Mb且NG50高达100+Mbp,远大于测序读长,可以跨过部分重复区域,所以在解决重复序列等组装难题时,具有很好的效果。

明确基因组GAP大小

光学图谱在辅助基因组组装时,可以通过酶切标记固定基因组序列的位置,明确片段之间的gap大小。

高完整性

高达88-99%的NGS contigs包含在混合Scaffold中,可兼容多种物种。

DNA分子线性化展开后的高分辨率荧光成像

长达2.34 Mbp分子与人类第3号染色体对齐(Sadowski H B et al.,Bionano Genomics. 2018)

用DLS denovo不同基因组(Hastie A et al.,Bionano Genomics. 2018)

Bionano和PacBio call的SV大小比较具良好的一致性(Hastie A et al.,Bionano Genomics. 2018)

应用方向
结构变化发现平台
       Bionano光学图谱可以利用单分子荧光标记检测结构变异,能特异性展示基因组真实结构,包括插入缺失、易位、倒位重复扩张、串联重复等变异信息。相比传统的结构变异检测工具,如核型、FISH,Saphyr 拥有无可比拟的分辨率、全基因组覆盖度,便捷的操作流程以及直观的结果呈现,对结果变异领域的难点平衡易位和倒位可准确检出。Saphyr检测长度从500bp到Mb不等的结构变异,并提供远远优于基于测序技术的灵敏度的组装和发现算法。

phy灵敏度表

Bionano检测变异类型及灵敏度



光学图谱(蓝)与参考序列(绿)比对检测结构变异(Wang J et al., Bionano Genomics. 2018)


辅助基因组组装
      高容量Saphyr半导体芯片上有多达120,000个纳米通道,经高清CCD对所有纳米通道的DNA实时成像,每个flowcell可采集高达5T数据,软件自动将图片数据转换成分子数据,最终组装得到全基因组光学图谱。

(1)基因组组装纠错

光学图谱可以对Nanopore或PacBio测序拼接的Contig序列进行排序和定位,明确片段之间的gap大小,同时识别与纠正Contig组装中潜在的错误连接,甚至可实现染色体水平组装。Hi-C技术可基于核内染色质交联频率的统计方法将Contig连接到染色体长度的Scaffold上。在Contig排序和定向上仍存在一定错误。Bionano光学图谱可以帮助识别并纠正这些错误。

玉米基因组中Bionano对齐显示来自PacBio的7个contigs(橙色)最初是错误组装(Liu J et al., Genome Biology.2020)

光学图谱比对发现Hi-C中错误定位片段( Andy Wing et al.,Bionano Genomics. 2018)

(2)提升scaffold

    光学图谱可以在有基因组组装的情况下,混合组装将最初的数千个Contigs缩减至少量Scaffold,提升基因组组装的连续性。基因组组装质量越好,光学图谱的提升效果也就越好。


Bionano检测并纠正序列中的错误装配后将NGS contigs定向成超长scaffold(Wang J et al., Bionano Genomics. 2018)

案例

案例1、在白血病患者基因组中发现的27 Mbp缺失(Hastie A et al.,Bionano Genomics. 2018)

案例2、肿瘤基因组图捕捉到chr16上2.3 Mbp的倒位(Pang. A. W. C et al., Bionano Genomics. 2018)

实体瘤样本图谱试验结果(Pang. A. W. C et al., Bionano Genomics. 2018)