初识BioNano图谱技术

发布网友 发布时间：2022-09-24 23:05

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热心网友 时间：2023-01-28 03:01

最近看文献，发现有的文章在组装过程中同时依赖了BioNano图谱和Hi-C技术来进行辅助组装，学习一下BioNano技术。

BioNano图谱也好，Hi-C也好，都是用来将Scaffold来锚定到染色体上，辅助组装。那么先回顾一下在这两个技术之前所用的方法。

1、传统锚定方法

传统的染色体锚定方法有基于物理图谱和遗传图谱的两种方式，前者主要是通过序列的重叠关系来确定Scaffolds在染色体上的位置信息，后者主要是利用减数*时期的姐妹染色单体联会后的重组率来判断Scaffolds在染色体的排序和方向。在实际操作过程中，传统的锚定方法存在实验难度大、成本高和实验误差大等问题。

2、基于染色质构象捕获技术的锚定方法

Hi-C技术的基本原理如下：首先对处于生命状态的细胞使用交联剂将染色质固定，最常使用的交联剂是甲醛；接着利用*性内切酶如Hind III酶切消化被固定的染色质；随后使用生物素标记的核苷酸填充黏性末端；在稀释环境中进行平末端填平反应，促进交联的染色质片段之间的连接；随后使用超声波对捕获DN*段进行打断处理，最后将被生物素标记的DN*段通Illumina平台进行测序，得到全基因组染色质互作矩阵。将得到的DNA序列比对到参考基因组上，如果一对序列对应于不同位置的酶切片段，那么就认为这两个片段之间有一次染色质互作，从而能够构建基因组中所有酶切片段之间互作频率矩阵。

Hi-C技术产生的染色质互作呈现出随着距离增加而衰减的规律，也就是说染色体内部的相互作用强于染色体之间的相互作用，同一染色体上距离较近的互作强于距离较远的互作。正是基于这一规律，Hi-C技术可以用来锚定Scaffolds，同时可以指Scaffolds在染色体上的排序和定向。参考 Hi-C测序及测序数据特征

3、基于光学谱图技术的锚定方法

光学图谱技术最早由Schwartz等(1993)发明，近期BioNano Genomics公司推出的Irys光学图谱系统，才真正使光学图谱技术得到商业化应用(Lam et al.,2021)。Irys系统利用特定的*性内切酶和特殊的荧光标记对长达几百kb的单链DNA分子进行成像，利用高质量图像使基因组结构通过酶切图谱的形式展现。

光学图谱的基本原理如下：

在大量细胞溶液中，DNA分子被随机剪切成为500kb左右的片段，随后通过微孔道DN*段被拉伸，并且被附着到一个带有正电荷的玻璃支架上，接着利用特定的*性内切酶在相应酶切位点进行切割DNA。将切割后的DNA分子用荧光染料染色后，在显微镜下拍照(图a-d)。Irys系统特有的超长读长可以轻松地跨越重复序列区域和一些包含复杂元件的DN*段，这极大地简化了基因组的组装过程，提高基因组的组装效率，并且也很好的解决拼接缺口问题。光学图谱(BioNano)沿着几百kb的DNA分子产生小序列结构的物理图谱(如*酶识别位点) (Lam et al.,2021)，不仅可以对Scaffolds进行排序和确定方向，并且也可以进行基因组组装质量评估。光学图谱(BioNano)初期主要应用于基因组较小的微生物基因组组装领域，现在已经广泛地应用在植物基因组组装领域。

                     图a-d BioNano光学图谱构建示意图

Bionano技术简单来说，就是给分子加上荧光标记，然后拍照，所以最原始的下机数据就是TIFF格式，但是我们拿到的一般都是经AutoDetect/IrysView 转换过的BNX格式。

Bionano光学图谱展现了天然DNA分子的真实景观。利用SP DNA分离试剂盒获得超长DNA分子，用直接标记染色法(DLS)进行无损荧光标记，通过纳米微流控芯片将每一条DNA分子线性化展开，并进行高分辨率荧光成像，为基因组学下游应用提供原始DNA景观。这一真实的基因组物理图谱，为基因组组装提供了染色体尺度的框架，并能高效检测到大片段纯合子和杂合子结构变异。

https://www.jianshu.com/p/97743171e9f3

https://www.jianshu.com/p/cd04faae00f6

白菜参考基因组升级与染色质互作分析，张磊，2018.