[論文レビュー] Clone-array pooled shotgun mapping and sequencing: design and analysis of experiments

Miklós Csürös, Bingshan Li+1 more|PubMed|Dec 11, 2003

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、BACクローンをショットガンシーケンシングの前にプールすることで、大規模ゲノムシーケンスの実験コストを削減する、Clone-Array Pooled Shotgun Sequencing (CAPSS) および Clone-Array Pooled Shotgun Mapping (CAPS-MAP) の2つの手法を導入し、分析している。著者らはCAPSSのための確率的モデルを提示し、CAPS-MAPが最小限のショットガンカバレッジでBACオーバーラップを効率的に検出できることを示しており、それによりフィンガープrintィングを必要としない正確な物理的順序付けが可能になる。

ABSTRACT

This paper studies sequencing and mapping methods that rely solely on pooling and shotgun sequencing of clones. First, we scrutinize and improve the recently proposed Clone-Array Pooled Shotgun Sequencing (CAPSS) method, which delivers a BAC-linked assembly of a whole genome sequence. Secondly, we introduce a novel physical mapping method, called Clone-Array Pooled Shotgun Mapping (CAPS-MAP), which computes the physical ordering of BACs in a random library. Both CAPSS and CAPS-MAP construct subclone libraries from pooled genomic BAC clones.

研究の動機と目的

• 元の設計における制限を解消することで、Clone-Array Pooled Shotgun Sequencing (CAPSS) の実現可能性と正確性を向上させること。
• BACのフィンガープrintィングを必要とせず、ショットガン配列データのみを用いてオーバーラップを検出できる、新しい物理マッピング手法CAPS-MAPを開発すること。
• プールベースのゲノムプロジェクトの理論的基盤を確立するため、確率的モデリングと横断的プール設計を提供すること。
• 実世界のシーケンシングプロジェクトに適した高再冗長性・低カバレッジの状況において、CAPSSおよびCAPS-MAPの実用性を示すこと。

提案手法

• クローン固有の配列再構成の精度を向上させるために、先行するPGI手法の応用を拡張し、CAPSSの精度を向上させる横断的プール設計を提案する。
• カバレッジとクローン回復率の理論的分析を可能にする、CAPSSシーケンシング進行の確率的モデルを構築する。
• ランダムなライブラリ内のBACの物理的順序を、プールされたサブクローンからのショットガン配列リードのみを用いて推定する手法として、CAPS-MAPを導入する。
• コンティグ存在/不在行列から導出される重み付きグラフ上でハミルトニアンパスの定式化を用いて、最適なクローン順序を推定する。
• 行間のコンティグブロックアラインメントのギャップを最小化する最小重みハミルトニアンパスを計算するために、Concorde TSPソルバを適用する。
• 実際の条件を想定したDrosophila melanogasterゲノムアセンブリのシミュレーションを実施し、CAPS-MAPの性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横断的プール設計は、個々のBAC配列の再構成においてCAPSSの正確性を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 CAPS-MAPは、低カバレッジのショットガンシーケンシングデータのみを用いても、BACオーバーラップを高い信頼性で検出できるか？
• RQ3 CAPS-MAPにおいて、ショットガンカバレッジ、クローン再冗長性、および成功したクローンオーバーラップ検出の確率との間には、理論的な関係があるか？
• RQ4 CAPS-MAPの性能は、ライブラリ再冗長性および配列カバレッジの変動に伴ってどのようにスケーリングするか？
• RQ5 提案手法は、分割処理を伴わずに大規模ゲノムに適用可能か？また、分割処理が性能に与える影響はいかなるものか？

主な発見

• CAPSSシーケンシング進行の確率的モデルは、中程度のカバレッジでも高いクローン回復が達成可能であることを確認しており、この手法の実用性を裏付けている。
• CAPS-MAPは、極めて高い再冗長性を持つライブラリにおいて、わずかなショットガンシーケンシング情報のみを用いてもBACオーバーラップを効果的に検出でき、実験的にも効率的である。
• シミュレーテッドDrosophila melanogasterゲノムアセンブリにおいて、CAPS-MAPは真の順序と比較して、12のブレークポイントを伴う72個のBAC、および9のブレークポイントを伴う50個のBACを正しく順序付けしており、高い正確性を示している。
• TSPに基づく順序付け手法により、真の物理的順序に非常に近い順列が得られ、連続する行が同一である場合に限り、未解決のクローンペアが生じる。
• 横断的プール設計により、CAPSSおよびCAPS-MAPは高再冗長性に対応可能であり、低カバレッジでも効果的であるため、大規模ゲノムへのスケーラビリティが確保される。
• これらの手法は、標準的なショットガンシーケンシングに追加で実験的手続きを必要とせず、既存のシーケンシングパイプラインへのシームレスな統合が可能である。