نسل نوین توالی یابی (NGS)

Next Generation Sequencing یا نسل نوین توالی یابی، یک فناوری برای تعیین توالی DNA یا RNAبرای مطالعه تغییرات ژنتیکی مرتبط با بیماری ها یا سایر پدیده های بیولوژیکی است. این روش که برای استفاده تجاری در سال 2005 معرفی شد، در ابتدا «توالی یابی موازی فشرده» نامیده شد، زیرا امکان توالی یابی بسیاری از رشته های DNA را به طور همزمان، فراهم می کرد.سرعت، توان عملیاتی و دقت NGS، تجزیه و تحلیل ژنتیکی را متحول کرده و کاربردهای جدیدی را در تحقیقات ژنومی و بالینی، بهداشت باروری، و علوم محیطی، کشاورزی و پزشکی قانونی ممکن ساخته است.پروژه پایان یافته ژنوم انسانی همراه با پیشرفت فناوری های نسل نوین توالی یابی (NGS) منجر به چیزی شد که ما آن را “دوران پس از ژنومی” می نامیم. در مدت کوتاهی و با قیمتی مقرون به صرفه، امکان توالی‌یابی تمام یا برخی از بخش‌های DNA و دسترسی آسان به چندین پایگاه داده که صدها جهش ژنتیکی را فراهم می‌کنند، فراهم شد.با این حال، مهم است به یاد داشته باشید که بین تکنیک‌های NGS تفاوت‌هایی وجود دارد و برای تشخیص همه انواع اختلالات ژنتیکی مناسب نیستند.قبل از توضیح اینکه NGS چیست، مقدمه ای کوتاه در مورد توالی یابی DNA نسل اول بخوانید.توالی یابی DNAتوالی‌سنج‌های DNA دستگاه‌هایی هستند که یک نمونه DNA را می‌خوانند و یک فایل الکترونیکی با نمادهایی تولید می‌کنند که نشان‌دهنده توالی بازهای نیتروژنی (A، C، G، T) موجود در نمونه است. به عبارت دیگر، تعیین توالی DNA تعیین ترتیب دقیقی است که نوکلئوتیدها در آن یافت می شوند.اولین روش رایج تعیین توالی DNA، خاتمه زنجیره ای بود که در سال 1977 توسط فردریک سنگر منتشر شد و تا به امروز توسط مراکز تحقیقاتی در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته است.توالی یابی Sanger یک فناوری “نسل اول” مفید و موثر در توالی یابی قطعات DNA 500-900 جفت باز است که به طور خاص برای تعیین توالی بخش های کوچک DNA، مانند پلاسمیدهای باکتری یا قطعات DNA تقویت شده توسط PCR (واکنش زنجیره ای پلیمراز یا زنجیره پلیمراز) استفاده می شود.در سال 1986 اولین توالی سنجی DNA خودکار و در سال 1998، اولین توالی سنجی الکتروفورز مویینه ای راه اندازی شد.علیرغم موفقیت در تعیین توالی ژنوم کامل انسان، توالی یابی سنگر یک روش گران قیمت و ناکارآمد برای پروژه های بزرگ است. تکنیک های جدید NGS برای کارهایی مانند آن کارآمدتر و کم هزینه تر هست.توالی یابی DNAنسل نوین توالی یابی (NGS) چیست؟توالی‌یابی نسل بعدی، که توالی‌یابی موازی فشرده یا توالی‌یابی با عملکرد بالا نیز نامیده می‌شود، اصطلاحات مختلفی هستند که به گروهی از روش‌های مختلف و مدرن توالی‌یابی DNA اشاره می‌کنندورود فن آوری های NGS به بازار، رویکردهای علمی در تحقیقات پایه، کاربردی و بالینی و در تشخیص ژنتیکی را تغییر داده و دیدگاه های جدیدی را برای پزشکی دقیق به ارمغان آورده است. این فناوری‌ها به DNA اجازه می‌دهند تا در مقایسه با توالی‌یابی سانگر بسیار سریع‌تر و ارزان‌تر توالی‌یابی شود و مطالعه ژنومیک و زیست‌شناسی مولکولی را متحول کند.با NGS، می‌توانید کل ژنوم یا فقط مناطق خاص مورد علاقه، از جمله همه تقریباً 20000 ژن کدکننده (توالی‌یابی کل اگزوم یا WES) یا تعداد کمی از ژن‌های منفرد (توالی‌یابی هدفمند) را توالی یابی کنید. در هر دو، NGS می‌تواند جهش‌هایی را در توالی DNA تشخیص دهد که می‌تواند تغییرات کوچک (جایگزینی)، درج و حذف نوکلئوتیدها باشد.ژنوم انسان حاوی حدود 3 میلیارد جفت باز است که تقریباً 1-5٪ از آنها به پروتئین های کاربردی تبدیل می شوند. جهش در این پروتئین ها به احتمال زیاد منجر به پیامدهای فنوتیپی مستقیم می شود. اگرچه توالی یابی کل ژنوم (WGS) اطلاعات غنی در مورد انواع تک نوکلئوتیدی ها ، ناهنجاری ساختاری یا تعداد کپی فراهم می کند، استفاده از توالی یابی کل اگزوم (WES) اغلب زمانی که زمان یا منابع محدود است منطقی تر است. برای دانشمندانی که به جهش‌ها یا ژن‌های مرتبط با بیماری‌های خاص نگاه می‌کنند، توالی یابی هدفمند دقت بیشتری را ارائه می‌دهند.توالی یابی کل ژنوم (WGS)توالی یابی کل ژنوم، ترتیب تمام نوکلئوتیدها را در DNA یک فرد تعیین می کند و می تواند تغییرات را در هر بخشی از ژنوم انسان، از جمله مناطق کد کننده، غیرکدکننده و DNA میتوکندری (mtDNA) آشکار کند. در برخی موارد، WGS گزینه بهتری است زیرا تغییرات DNA در خارج از مناطق کد کننده پروتئین می تواند بر فعالیت ژن و تولید پروتئین تأثیر بگذارد و به طور بالقوه منجر به اختلالات ژنتیکی شود. با این حال، WGS به معرف‌های توالی‌یابی بیشتری نیاز دارد و مجموعه داده‌های بسیار بزرگی را تولید می‌کند که برای رمزگشایی به تخصص بیوانفورماتیک پیچیده‌ای نیاز دارد و هزینه و زمان مورد نیاز برای تجزیه و تحلیل را افزایش می‌دهد.توالی یابی کل ژنوم (WGS)توالی یابی کل اگزوم (WES)توالی یابی کل اگزوم بر روی نواحی کد کننده پروتئین ژنومی (اگزون ها) تمرکز دارد. اگرچه WES به معرف‌های اضافی (پروب) و برخی مراحل اضافی (هیبریداسیون) نیاز دارد، اما این یک روش مقرون‌به‌صرفه و پرکاربرد NGS است که به معرف‌های توالی‌یابی کمتری نیاز دارد و در مقایسه با WGS زمان کمتری برای انجام آنالیز بیوانفورماتیک می‌برد. اگرچه اگزوم انسان تنها 1 تا 5 درصد از ژنوم را نشان می دهد، اما تقریباً 85 درصد از انواع شناخته شده مرتبط با بیماری را شامل می شود. به این ترتیب، محققانی که WES را انجام می‌دهند به پوشش جامع انواع کدگذاری مانند انواع تک نوکلئوتیدی (SNVs) و درج‌ها/حذف‌ها (indels) دست می‌یابند. علیرغم آماده‌سازی طولانی‌تر نمونه به دلیل مرحله غنی‌سازی هدف، دانشمندان با WES از توالی‌یابی سریع‌تر و تجزیه و تحلیل دقیق داده‌ها در مقایسه با WGS سود می‌برند. WES عمق توالی یابی بیشتری را برای محققان علاقه مند به شناسایی انواع دسته های ژنتیک برای کاربردهای متعدد از جمله ژنتیک جمعیت، تحقیقات بیماری های ژنتیکی و مطالعات سرطان فراهم می کند.توالی یابی کل اگزوم (WES)توالی یابی هدفمنددانشمندان گاهی اوقات به دنباله هایی از بخش های خاصی از ژنوم انسان نیاز دارند، به ویژه زمانی که یک بیماری خاص یا مجموعه ای از بیماری ها را در نظر دارند توالی یابی هدفمند این دقت را بدون افزایش هزینه های توالی برای دستیابی به عمق مورد نیاز مناطق هدف فراهم می کنند. به عنوان مثال، محققان ممکن است از پانل‌هایی استفاده کنند که ژن‌های مرتبط با بیماری ارثی چشم را به‌عنوان یک آزمایش سطح اول برای بیماران مبتلا به دیستروفی ارثی شبکیه، یا برای نقشه‌برداری انواع بیماری‌زایی در تحقیقات سرطان سینه مورد استفاده قرار دهند. پانل های سفارشی اغلب بسیار کوچک هستند (250 کیلوبایت تا 5 مگابایت) بنابراین نیازهای توالی یابی را به شدت کاهش می دهند. پاسخ به سوالات علمی متمایز بسیار آسان تر می شود. اگرچه توالی یابی هدفمند برای تحقیقات اکتشافی گسترده مناسب نیستند، اما توالی یابی هدفمند صرفه جویی در توالی را برای کاربردهای خاص و مناسب به حداکثر می رساند، به خصوص زمانی که محققان از آن برای یک بیماری یا اختلال خاص استفاده می کنند.کاربردهای بالینی NGSغربالگریروش NGS برای غربالگری تعدادی از بیماری‌های ژنتیکی در نوزادان استفاده می‌شود. به عنوان مثال این روش برای غربالگری دقیق (Cystic Fibrosis (CS در نوزادان استفاده می‌شود. حساسیت بالاتر NGS برای غربالگری افراد حامل اختلالات مغلوب، امکان تشخیص موتاسیون‌ها در تعداد افراد بیشتری را با هزینه پایین تر امکان پذیر می‌سازد.کاربرد غیر تهاجمی NGS برای تشخیص ناهنجاری‌های ژنتیکی در تکامل جنین به شدت در حال توسعه و تکامل است. امروزه از تکنولوژی NGS برای غربالگری سندروم داون، پاتو، ادوارد و آنوپلوییدی کروموزوم‌های جنسی و بعضی اختلالات دیگر استفاده می‌شود. نرخ تشخیص سندروم داون با این روش بیش از 99% می‌باشد. این پیشرفت‌ها باعث شده است که پتانسیل استفاده از NGS به عنوان یک روش استاندارد برای غربالگری پیش از تولد و دیگر تست‌های غربالگری بالینی را مورد تایید قرار ‌دهد.تشخیص بیماری‌هاماهیت ژنتیکی سرطان باعث شده است که استفاده از NGS به عنوان یک ابزار سودمند در تشخیص سرطان استفاده گردد. همچنین این تکنولوژی برای تشخیص موتاسیون‌ها (به عنوان مثال BRCA1) در افرادی که با توجه به سابقه فامیلی جزء گروه‌های پرخطر برای سرطان محسوب می‌شوند، فراهم می‌باشد. در حال حاضر پنل‌های سرطان چند ژنی برای ارزیابی عود مجدد سرطان و برای ارزیابی اطلاعات مورد نیاز برای تعیین روش‌های درمانی مناسب در دسترس می‌باشد.درمان هدفمندبررسی پاسخ به درمان اختصاصی هر فرد وقتی قابل انجام است که با داده‌های NGS همراه شود. اطلاعات حاصل از NGS را می‌توان برای جلوگیری از درمان‌هایی که همراه عوارض متعدد در بیماران خاص می‌باشد، استفاده کرد. همچنین درمان‌های اختصاصی با پتانسیل بالای موفقیت را می‌توان انتخاب کرد تا درد و رنج و هزینه انجام روش‌های درمانی نامناسب را کاهش داد.اکنون درمان‌های هدفمند برای برخی از انواع سرطان در دسترس می‌باشد و بر اساس اطلاعات حاصل از NGS تغییرات ژنتیکی اختصاصی در سلول‌های توموری آشکار می شود. به عنوان مثال استفاده از داروهای Imatinib Mesylate برای بیماران CML، Panitumumab برای سرطان کلورکتال و Erlotinib برای سرطان ریه را می‌توان نام برد. از آنجایی که امکان ایجاد مقاومت به مواد شیمی درمانی وجود دارد، یک فرآیند درمانی هدفمند بر اساس اطلاعات ژنومی در این موارد بسیار مفید می‌باشد.تیم حرفه ای آنلایز داده های NGS در آزمایشگاه ژنتیک پزشکی اریتروژن با سابقه بیش از یک دهه کار تخصصی در زمینه آنالیز و تفسیر داده های NGS با دسترسی به سرور های قدرتمند اختصاصی و بهره مندی از پایگاه بومی داده جمعیتی، آماده ارائه خدمات تخصصی به بیماران، پزشکان محترم و آزمایشگاه های سراسر کشور می باشد.https://erythrogen.com/blog/next-generation-sequencing-ngs/