بازسازی توالی

بازسازی توالی (به انگلیسی Sequence Assembly) در بیوانفورماتیک، به ادغام و هم‌تراز کردن قسمت‌های مختلف توالی DNA برای بازسازی توالی اصلی اطلاق می‌شود. اهمیت بازسازی توالی در آن است که فناوری‌های موجود برای تعیین توالی DNA قادر به خواندن تمام ژنوم در یک مرحله نیستند و توالی به صورت قطعه‌های ۲۰ تا ۳۰۰۰۰ حرفی (هر حرف نشانه یک باز است) خوانده می‌شود، این قطعه‌ها معمولا نتیجه رونویسی ژن (ESTها) یا تعیین توالی ژنوم با روش شاتگان‌اند.
پیچیدگی‌های این مسئله
می‌توان مسئله بازسازی توالی DNA را به این تشبیه کرد که؛ از یک کتاب نسخه‌های مختلفی ایجاد کنیم، هر نسخه را با دستگاهی متفاوت قطعه قطعه کنیم، تغییراتی در قطعه‌های ایجاد شده بدهیم، قطعاتی از کتاب‌های دیگر به آن‌ها اضافه کنیم و برخی قطعه‌ها را نابود کنیم و در نهایت بخواهیم با دیدن قطعه‌های نهایی، کتاب اصلی را بازسازی کنیم. مسئله حتی پیچیده‌تر می‌شود وقتی این کتاب شامل نوشته‌ها و قطعات تکراری بوده باشد.
نمونه‌ای از بازسازی یک رشته از قطعات مختلف آن با توجه به همپوشانی‌های این قطعات.
در این نمونه، مشکل بالقوه‌ای که قسمت‌های تکراری در بازسازی ایجاد می‌کنند، مشاهده می‌شود.
تاریخچه بازسازی ژنوم
اولین روش‌ها
در اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ میلادی، اولین برنامه‌های بازسازی توالی به عنوان نسخه‌های پیشرفته‌تر از برنامه‌های ساده هم‌ترازسازی معرفی شدند تا توالی‌هایی که دستگاه‌های تعیین توالی قطعاتی از آن‌ها را یافته بودند، بازسازی کنند.
با پیشرفت علم و فناوری، در ابتدا ژنوم ویروس‌های ساده، سپس باکتری‌ها و در نهایت یوکاریوت‌ها مورد بررسی قرار گرفتند، و پیچیدگی مسئله بازسازی ژنوم با افزایش طول و پیچیدگی توالی‌های یافته شده بیشتر شد، پیچیدگی‌هایی از قبیل ;
پردازش حجم عظیمی از داده‌ها (از مرتبه ترابایت) که نیاز به رایانش خوشه‌ای دارد،
قسمت‌های تکراری ژنوم که می‌توانند پیچیدگی زمانی و مصرف حافظه الگوریتم‌ها را، در بدترین حالت، به صورت نمایی افزایش دهند،
خطا در خواندن توالی‌ها که می‌تواند موجب پیچیدگی و خطا در بازسازی شود.
دانشمندان برای بازسازی توالی‌های پیچیده ژنوم یوکاریوت‌هایی چون مگس سرکه (در سال ۲۰۰۰ میلادی) و انسان (در سال ۲۰۰۱ میلادی) ابزارهای بازسازی توالی‌ای همچون Celera Assembler و Arachne را ارائه کردند که قادر به بازسازی توالی‌هایی به طول ۱۰۰ تا ۳۰۰ میلیون حرف‌اند. پیروی این ابداعات، در مراکز بازسازی توالی‌های ژنوم، گروه‌هایی به ساخت ابرابزارهای بازسازی پرداختند که نمونه متن باز ی از آن AMOS است که تلاشی برای گردآوری دست‌یافته‌های مختلف در این زمینه بود.
تاثیرات تغییر فناوری
پیچیدگی مسئله بازسازی توالی تحت تاثیر تعداد توالی و طول هرکدام است. تعداد زیادی توالی طولانی به یافتن بهتر همپوشانی‌ها کمک می‌کند، ولی زمان اجرای الگوریتم‌ها به صورت نمایی با تعداد و طول توالی‌ها افزایش می‌یابد. از طرفی، توالی‌های کوتاه‌تر به راحتی هم‌تراز می‌شوند، اما موجب پیچیدگی بازسازی می‌شوند، چراکه یافتن و استفاده از قسمت‌های تکراری در قطعات کوتاه‌تر، سخت‌تر است.
در ابتدا، تعداد کمی توالی کوتاه از ژنوم به سختی و پس از چند هفته تلاش در آزمایشگاه بدست می‌آمد که به راحتی و به صورت دستی (!) هم‌تراز می‌شدند.
با ابداع روش سنگر در سال ۱۹۷۵ میلادی و تا سال ۲۰۰۰ میلادی، فناوری به جایی رسید که ابزارهای پیشرفته و خودکار به صورت شبانه‌روزی توالی‌های ژنوم را بدست آورند و درنتیجه آن نیاز به روش‌هایی برای پردازش توالی‌هایی ایجاد شده که ;
حدود ۸۰۰–۹۰۰ حرف (باز) طول دارند،
شامل قسمت‌های ابداعی مانند توالی‌یابی یا ارگانیسم‌های تولید مثل‌کننده (Cloning Vectors) اند،
مرتبه خطای ۰/۵ تا ۱۰٪ دارند.
فناوری سنگر این امکان را ایجاد کرد که با تنها یک رایانه بتوان توالی‌های باکتری با ۲۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ قطعه را بازسازی کرد، اما بازسازی توالی‌های بزرگتر مانند ژنوم انسان (با حدود ۳۵ میلیون قطعه) همچنان نیاز به استفاده از پردازش موازی با چندین رایانه دارند.
شرکت بیوانفورماتیک 454Life Sciences در سال‌های ۲۰۰۴/۲۰۰۵ میلادی روش Pyroscequencing را معرفی کرد که قطعه‌های کوتاه‌تری نسبت به روش سنگر ایجاد می‌کرد (در ابتدا قطعاتی به طول حدود ۱۰۰ حرف و در حال حاضر ۴۰۰–۵۰۰ حرف)، و توان عملیاتی و سرعت بالای آن موجب شد مورد استفاده مراکز بازسازی توالی قرار گیرد.
حجم داده‌ها و خطاهای ابزارهای توالی یابی در خواندن قطعات موجب تاخیر در ساخت ابزارهای بازسازی توالی شد و در ابتدا (سال ۲۰۰۴ میلادی) فقط ابزار Newbler از شرکت ۴۵۴ در دسترس بود. اولین ابزار در دسترس که می‌توانست علاوه بر قطعات ۴۵۴، ترکیب قطعات ۴۵۴ و سنگر را برای بازسازی ادغام کند، نسخه ترکیبی ابزار MIRA بود که Chevreux و همکارانش در اواسط سال ۲۰۰۷ میلادی ارائه کردند و پس از آن به بازسازی توالی از توالی‌های یافته شده با فناوری های‌مختلف، بازسازی ترکیبی (Hybrid Assembly) اطلاق شد.
فناوری ایلومینا از سال ۲۰۰۶ میلادی در دسترس است که می‌تواند در هر اجرا حدود ۱۰۰ میلیون قطعه را، در یک دستگاه، بخواند (ژنوم انسان نیاز به خواندن حدود ۳۵ میلیون قطعه دارد) که در ابتدا طول این قطعات به ۳۶ حرف (باز) محدود بود که برای روش De-Novo مناسب نبود، اما هم اکنون طول این قطعات به بالای ۱۰۰ حرف می‌رسد.
ابزار بازسازی SHARCGS که اواخر سال ۲۰۰۷ میلادی معرفی شد، اولین ابزار بازسازی توالی بود که از قطعات توالی بدست آمده با Solexa (نام قبلی ایلومینا) استفاده می‌کرد که پس از آن چندین ابزار دیگر نیز ارائه شدند.
از ابزارها و فناوری‌های جدیدتر در این زمینه می‌توان به SOLiD، Ion Torrent، SMRT و توالی‌یابی Nanopore اشاره کرد.
تفاوت با بازسازی EST
بازسازی برچسب توالی بیان شده (Expressed Sequence Tag) از جهات مختلفی با بازسازی توالی ژنوم متفاوت است ;
توالی‌هایی که در EST بازسازی می‌شوند، قطعات مختلف mRNA هستند که بیانگر بخشی از ژنوم (قسمت‌هایی از اگزون‌ها) اند ولی در بازسازی ژنوم تمام توالی DNA بدست می‌آید.
توالی‌های mRNA نسبت به ژنوم قسمت‌های تکراری کمتری دارند (قسمت‌های تکراری معمولا در اینترون‌ها دیده می‌شوند).
برخی ژن‌ها بیشتر از بقیه بیان می‌شوند (ژن‌های خانه‌بان) که موجب وجود توالی‌های تکراری در داده‌ها می‌شود.
گاهی ژن‌ها همپوشانی دارند اما باید جداگانه بازسازی شوند.
اگزون‌ها و اینترون‌ها در DNA
در رونویسی و ساختن mRNA، قسمت‌های تکراری حذف می‌شوند.
بازسازی EST خود پیچیدگی‌هایی نظیر پیرایش‌های مختلف (alternative splicing)، تراپیرایش، چندریختی تک-نوکلئوتید و تغییرات پس از رونویسی (Post-transcription modification) دارد.
انواع بازسازی توالی
بازسازی توالی ژنوم به دو صورت مختلف انجام می‌گیرد:
۱. De-Novo: بازسازی تمام توالی از قسمت‌های کوچکتر آن.
این روش بسیار کندتر است و حافظه بیشتری مصرف می‌کند، چراکه تمامی قطعات باید با هم مقایسه شوند (که در حالت عادی از مرتبه زمانی است و البته با استفاده از جدول درهم‌سازی بهبود می‌یابد).
۲. استفاده از یک توالی اولیه و تطبیق قطعه‌های بدست آمده با قسمت‌های مختلف آن (mapping) برای ایجاد توالی‌ای جدید که مشابه توالی اولیه، ولی نه الزاما یکسان با آن، است.
اگر از نوع توالی پیش زمینه‌ای داشته باشیم، لازم نیست از ابتدا تمام توالی را بازسازی کنیم و با داشتن یک توالی به عنوان قالب می‌توانیم تفاوت‌های جزئی آن با توالی مورد نظر را با استفاده از قطعات بدست آمده اصلاح کنیم.
الگوریتم حریصانه
این مسئله مشابه یافتن کوتاه‌ترین ابردنباله مشترک (Shortest Common Supersequence) برای رشته‌های داده شده‌است که راه حل حریصانه‌ی آن بدین صورت است:
هم‌ترازی دوبه‌دوی تمامی قطعات (رشته‌های داده شده) را بیآب.
دو قطعه که بیشترین همپوشانی را دارند انتخاب کن.
قطعات انتخاب شده را ادغام کن.
مراحل ۲ و ۳ را تکرار کن تا تنها یک قطعه باقی بماند.
قطعه باقی‌مانده را به عنوان جواب مسئله گزارش کن.
البته این جواب الزاما بهینه نیست.
ابزارهای در دسترس
ابزارهای بازسازی توالی که توانایی بازسازی De-Novo را در حداقل یکی از فناوری‌های پشتیبانی شده دارند در جدول زیر معرفی شده‌اند:
نام
نوع استفاده
فناوری‌ها
گردآورنده
تاریخ ارائه /
تاریخ آخرین تغییر
مجوز*
صفحه خانگی
ABySS
large (genomes)
Solexa, SOLiD
Simpson, J. et al.
۲۰۰۸ / ۲۰۱۴
NC-A
ALLPATHS-LG
(large) genomes
Solexa, SOLiD
Gnerre, S. et al.
۲۰۱۱
OS
AMOS
genomes
Sanger, 454
Salzberg, S. et al.
۲۰۰۲? / ۲۰۱۱
OS
Arapan-M
Medium Genomes (e.g. E.coli)
All
Sahli, M. - Shibuya, T.
۲۰۱۱ / ۲۰۱۲
OS
Arapan-S
Small Genomes (Viruses and Bacteria)
All
Sahli, M. - Shibuya, T.
۲۰۱۱ / ۲۰۱۲
OS
Celera WGA Assembler / CABOG
(large) genomes
Sanger, 454, Solexa
Myers, G. et al. ; Miller G. et al.
۲۰۰۴ / ۲۰۱۵
OS
CLC Genomics Workbench - CLC Assembly Cell
genomes
Sanger, 454, Solexa, SOLiD
CLC bio
۲۰۰۸ / ۲۰۱۰ / ۲۰۱۴
C
Cortex
genomes
Solexa, SOLiD
Iqbal, Z. et al.
۲۰۱۱
OS
DBG2OLC
(large) genomes
Illumina, PacBio, Oxford Nanopore
Ye, C. et al
۲۰۱۴/۲۰۱۶
OS
DNA Baser Assembler
(small) genomes
Sanger, 454
Heracle BioSoft SRL
۰۴٫۲۰۱۶
C
www.DnaBaser.com
DNA Dragon
genomes
Illumina, SOLiD, Complete Genomics, 454, Sanger
SequentiX
۲۰۱۱
C
DNAnexus
genomes
Illumina, SOLiD, Complete Genomics
DNAnexus
۲۰۱۱
C
DNASTAR Lasergene Genomics Suite
(large) genomes, exomes, transcriptomes, metagenomes, ESTs
Illumina, ABI SOLiD, Roche 454, Ion Torrent, Solexa, Sanger
DNASTAR
۲۰۰۷ / ۲۰۱۶
C
Edena
genomes
Illumina
D. Hernandez, P. François, L. Farinelli, M. Osteras, and J. Schrenzel.
۲۰۰۸/۲۰۱۳
OS
Euler
genomes
Sanger, 454 (,Solexa ?)
Pevzner, P. et al.
۲۰۰۱ / ۲۰۰۶?
(C / NC-A?)
Euler-sr
genomes
454, Solexa
Chaisson, MJ. et al.
۲۰۰۸
NC-A
Fermi
(large) genomes
Illumina
Li, H.
۲۰۱۲
OS
Forge
(large) genomes, EST, metagenomes
454, Solexa, SOLID, Sanger
Platt, DM, Evers, D.
۲۰۱۰
OS
Geneious
genomes
Sanger, 454, Solexa, Ion Torrent, Complete Genomics, PacBio, Oxford Nanopore, Illumina
Biomatters Ltd
۲۰۰۹ / ۲۰۱۳
C
Graph Constructor
(large) genomes
Sanger, 454, Solexa, SOLiD
Convey Computer Corporation
۲۰۱۱
C
HINGE
genomes
PacBio/Oxford Nanopore
Kamath, Shomorony, Xia et. al.
۲۰۱۶
OS
IDBA (Iterative De Bruijn graph short read Assembler)
(large) genomes
Sanger,454,Solexa
Yu Peng, Henry C. M. Leung, Siu-Ming Yiu, Francis Y. L. Chin
۲۰۱۰
(C / NC-A?)
LIGR Assembler (derived from TIGR Assembler)
genomic
Sanger
۲۰۰۹/ ۲۰۱۲
OS
MaSuRCA (Maryland Super Read - Celera Assembler)
(large) genomes
Sanger, Illumina, 454
Aleksey Zimin, Guillaume Marçais, Daniela Puiu, Michael Roberts, Steven L. Salzberg, James A. Yorke
۲۰۱۲ / ۲۰۱۳
OS
MIRA (Mimicking Intelligent Read Assembly)
genomes, ESTs
Sanger, 454, Solexa
Chevreux, B.
۱۹۹۸ / ۲۰۱۴
OS
NextGENe
(small genomes?)
454, Solexa, SOLiD
Softgenetics
۲۰۰۸
C
Newbler
genomes, ESTs
454, Sanger
454/Roche
۲۰۰۴/۲۰۱۲
C
PADENA
genomes
454, Sanger
454/Roche
۲۰۱۰
OS
PASHA
(large) genomes
Illumina
Liu, Schmidt, Maskell
۲۰۱۱
OS
Phrap
genomes
Sanger, 454, Solexa
Green, P.
۱۹۹۴ / ۲۰۰۸
C / NC-A
TIGR Assembler
genomic
Sanger
۱۹۹۵ / ۲۰۰۳
OS
Trinity
Transcriptomes
short reads (paired, oriented, mixed) Illumina, 454, Solid,…
Grabher, MG et al.
۲۰۱۱/۲۰۱۶
OS
https://github.com/trinityrnaseq/trinityrnaseq/wiki
Ray
genomes
Illumina, mix of Illumina and 454, paired or not
Sébastien Boisvert, François Laviolette - Jacques Corbeil.
۲۰۱۰
OS GNU General Public License
Sequencher
genomes
traditional and next generation sequence data
Gene Codes Corporation
۱۹۹۱ / ۲۰۰۹ / ۲۰۱۱
C
SGA
(large) genomes
Illumina, Sanger (Roche 454?, Ion Torrent?)
Simpson, J.T. et al.
۲۰۱۱ / ۲۰۱۲
OS
SHARCGS
(small) genomes
Solexa
Dohm et al.
۲۰۰۷ / ۲۰۰۷
OS
SOPRA
genomes
Illumina, SOLiD, Sanger, 454
Dayarian, A. et al.
۲۰۱۰ / ۲۰۱۱
OS
SparseAssembler
(large) genomes
Illumina, 454, Ion torrent
Ye, C. et al.
۲۰۱۲ / ۲۰۱۲
OS
SSAKE
(small) genomes
Solexa (SOLiD? Helicos?)
Warren, R. et al.
۲۰۰۷ / ۲۰۱۴
OS
SOAPdenovo
genomes
Solexa
Luo, R. et al.
۲۰۰۹ / ۲۰۱۳
OS
SPAdes
(small) genomes, single-cell
Illumina, Solexa, Sanger, 454, Ion Torrent, PacBio, Oxford Nanopore
Bankevich, A et al.
۲۰۱۲ / ۲۰۱۵
OS
Staden gap4 package
BACs (, small genomes?)
Sanger
Staden et al.
۱۹۹۱ / ۲۰۰۸
OS
Taipan
(small) genomes
Illumina
Schmidt, B. et al.
۲۰۰۹ / ۲۰۰۹
OS
VCAKE
(small) genomes
Solexa (SOLiD?, Helicos?)
Jeck, W. et al.
۲۰۰۷ / ۲۰۰۹
OS
Phusion assembler
(large) genomes
Sanger
Mullikin JC, et al.
۲۰۰۳ / ۲۰۰۶
OS
Quality Value Guided SRA (QSRA)
genomes
Sanger, Solexa
Bryant DW, et al.
۲۰۰۹ / ۲۰۰۹
OS
Velvet
(small) genomes
Sanger, 454, Solexa, SOLiD
Zerbino, D. et al.
۲۰۰۷ / ۲۰۱۱
OS
مجوز: OS = متن باز؛ C = تجاری؛ C / NC-A = تجاری، اما رایگان برای استفاده غیر تجاری و آکادمیک؛ براکت = غیر مشخص اما احتمالا همان C / NC-A
پوشش مجموعه
هم‌ترازسازی توالی