次世代シーケンシング (NGS) ）は、著しいスケールとハイスループットでシーケンシングを行い、1日に数十億もの塩基生成を可能にします。 NGSのハイスループットは迅速でありながら正確で、再現性のあるデータセットを実現し、さらにシーケンシング費用を削減します。 NGSは、ゲノムシーケンシング、ゲノム再シーケンシング、デノボシーケンシング、トランスクリプトームシーケンシング、その他にDNA-タンパク質相互作用の検出やエピゲノムなどを示します。 指数関数的に増加するシーケンシングデータの需要は、計算分析の障害や解釈、データストレージなどの課題を解決します。
アプリケーションおよび出発物質に応じて、数百万から数十億の鋳型DNA分子を大規模に並行してシーケンシングすることが可能です。その為に、異なる化学物質を使用するいくつかの市販のNGSプラットフォームを利用することができます。 NGSプラットフォームの種類によっては、事前準備とライブラリー作成が必要です。
NGSにとっても、特にデータ処理と分析に関した大きな課題はあります。第3世代技術はゲノミクス研究にさらに革命を起こすであろうと大きく期待されています。
NGS アプリケーション
- 全ゲノム配列決定
- デノボシーケンシング
- 標的配列
- Exomeシーケンシング
- トランスクリプトーム配列決定
- ゲノム配列決定
- ミトコンドリア配列決定
- DNA-タンパク質相互作用（ChIP-seq
- バリアント検出
- ゲノム仕上げ
研究分野におけるNGS:
- 腫瘍学
- リプロダクティブ・ヘルス
- 法医学ゲノミクス
- アグリゲノミックス
- 複雑な病気
- 微生物ゲノミクス
- 食品・環境ゲノミクス
- 創薬ゲノミクス - パーソナライズド・メディカル
NGSの用語
- リード（読み取り）
- この装置から得られた連続した単一のストレッチ
- 断片リード
- フラグメントライブラリからの読み込み。 シーケンシングプラットフォームに応じて、読み取りは通常約100〜300bp。
- 断片ペアエンドリード
- 断片ライブラリーからDNA断片の各末端2つの読み取り。
- メイトペアリード
- 大きなDNA断片（通常は予め定義されたサイズ範囲）の各末端から2つの読み取り。
- カバレッジ（例）
- 30×適用範囲とは、参照ゲノム中の各塩基対が平均30回の読み取りを示す。
NGSプラットフォーム
イルミナ
イルミナは、クローン的に増幅された鋳型DNA（クラスター）上に位置する、蛍光標識された可逆的鎖ターミネーターヌクレオチドを用いた配列別合成技術を使用。 DNAクラスターは、ガラスフローセルの表面上に固定化され、 ワークフローは、4つのヌクレオチド（それぞれ異なる蛍光色素で標識された）の組み込み、4色イメージング、色素や末端基の切断、取り込み、イメージングなどを繰り返します。フローセルは大規模な並列配列決定を受ける。 この方法により、単一蛍光標識されたヌクレオチドの制御添加によるモノヌクレオチドのエラーを回避する可能性があります。 読み取りの長さは、通常約100〜150 bpです。
イオン トレント
イオントレントは、半導体技術チップを用いて、合成中にヌクレオチドを取り込む際に放出されたプロトンを検出します。 これは、イオン球粒子と呼ばれるビーズの表面にエマルションPCR（emPCR）を使用し、リンクされた特定のアダプターを用いてDNA断片を増幅します。 各ビーズは1種類のDNA断片で覆われていて、異なるDNA断片を有するビーズは次いで、チップの陽子感知ウェル内に配置されます。 チップには一度に4つのヌクレオチドのうちの1つが浸水し、このプロセスは異なるヌクレオチドで15秒ごとに繰り返されます。 配列決定の間に4つの塩基の各々が1つずつ導入されます、組み込みの場合はプロトンが放出され、電圧信号が取り込みに比例して検出されます。.
パシフィック バイオサイエンス
パシフィックバイオサイエンスでは、20kbを超える塩基対の読み取りも、単一分子リアルタイム（SMRT）シーケンシングによる構造および細胞タイプの変化を観察することができます。 このプラットフォームでは、超長鎖二本鎖DNA（dsDNA）断片が、Megaruptor（登録商標）のようなDiagenode装置を用いたランダムシアリングまたは目的の標的領域の増幅によって生成されます。 SMRTbellライブラリーは、ユニバーサルヘアピンアダプターをDNA断片の各末端に連結することによって生成します。 サイズ選択条件による洗浄ステップの後、配列決定プライマーをSMRTbellテンプレートにアニーリングし、鋳型DNAに結合したDNAポリメラーゼを含む配列決定を、蛍光標識ヌクレオチドの存在下で開始。 各塩基が取り込まれると、異なる蛍光のパルスをリアルタイムで検出します。
オックスフォード ナノポア
Oxford Nanoporeは、単一のDNA分子配列決定に基づく技術を開発します。その技術により生物学的分子、すなわちDNAが一群の電気抵抗性高分子膜として位置するナノスケールの孔（ナノ細孔）またはその近くを通過し、イオン電流が変化します。 この変化に関する情報は、例えば4つのヌクレオチド（AまたはG r CまたはT）ならびに修飾されたヌクレオチドすべてを区別することによって分子情報に訳されます。 シーケンシングミニオンデバイスのフローセルは、数百個のナノポアチャネルのセンサアレイを含みます。 DNAサンプルは、Diagenode社のMegaruptor（登録商標）を用いてランダムシアリングによって生成され得る超長鎖DNAフラグメントが必要です。
SOLiD
SOLiDは、ユニークな化学作用により、何千という個々のDNA分子の同時配列決定を可能にします。 それは、アダプター対ライブラリーのフラグメントが適切で、せん断されたゲノムDNAへのアダプターのライゲーションによるライブラリー作製から始まります。 次のステップでは、エマルジョンPCR（emPCR）を実施して、ビーズの表面上の個々の鋳型DNA分子をクローン的に増幅。 emPCRでは、個々の鋳型DNAをPCR試薬と混合し、水中油型エマルジョン内の疎水性シェルで囲まれた水性液滴内のプライマーコートビーズを、配列決定のためにロードするスライドガラスの表面にランダムに付着。 この技術は、シークエンシングプライマーへのライゲーションで競合する4つの蛍光標識されたジ塩基プローブのセットを使用します。
454
454は、大規模並列パイロシーケンシングを利用しています。 始めに全ゲノムDNAまたは標的遺伝子断片の300〜800bp断片のライブラリー調製します。 次に、DNAフラグメントへのアダプターの付着および単一のDNA鎖の分離。 その後アダプターに連結されたDNAフラグメントをエマルジョンベースのクローン増幅（emPCR）で処理し、DNAライブラリーフラグメントをミクロンサイズのビーズ上に配置します。 各DNA結合ビーズを光ファイバーチップ上のウェルに入れ、器具に挿入します。 4つのDNAヌクレオチドは、配列決定操作中に固定された順序で連続して加えられ、並行して配列決定されます。