JP5643650B2 - ゲノム同定システム - Google Patents
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Description
[001]本出願は、2007年11月21日出願の米国仮出願第60/989,641号に優先権を請求し、該出願の開示は、その全体が本明細書に援用される。
[002]本発明は、生物同定のためのシステムおよび方法、そしてより詳細には、ハンドヘルドまたはより大きい電子デバイスにおける確率的データマッチングによる、核酸および他のポリマー性または鎖型分子の配列の決定に関する。
[0011]本発明の1つの側面は、生物学的材料を含むサンプルを入手すること、当該サンプルから1以上の核酸分子を抽出すること、当該核酸分子から配列情報を生成すること、および当該配列情報とデータベース内の核酸配列とを確率に基づいて比較することを含む、サンプル中の生物学的材料を同定する方法である。生物学的材料を同定することには、限定されるわけではないが、サンプル中に存在するゲノムを検出し、そして/または決定すること、前記サンプル内に含有される核酸配列情報、生物学的材料の種を決定する能力、株、突然変異体および操作された生物間の変動を検出する能力、ならびに未知の生物および多型を性質決定することが含まれる。生物学的材料には、限定されるわけではないが、生物または病原体のDNA、RNAおよび関連する遺伝子情報が含まれる。
[0013]別の態様において、本発明は、長さnのヌクレオチド断片を含む配列情報を生成すること、およびさらに前記長さnの断片を、データベース内の核酸配列と比較することを含む。
[0015]1つの態様において、「n」は、1ヌクレオチド〜5ヌクレオチドの範囲であってもよい。
[0022]本発明の別の態様において、配列情報の比較を、リアルタイムで、または当該配列情報が生成されるのと同じ速さで、または生成された直後に実行する。
[0033]本発明の別の態様において、前記抽出ユニットは、確率的マッチングで前記長さnのヌクレオチド断片をデータベースと比較するように構成される。
[0049]本発明に記載する方法およびシステムは、性質決定されていないサンプル中の核酸混合物において、生成または収集された全配列情報に関連して最小の固有の長さ(n)を有する、最小の固有の配列情報を用いる。固有の長さの配列に加えて、非固有の配列もまた比較する。ゲノム同定の確率は、多数のマッチとともに増加する。いくつかのゲノムは、他のゲノムよりも、より長い最小固有配列を有するであろう。短い長さ(n)の配列のマッチング法は、配列情報生成または収集と平行して続く。比較は、続いて、より長い配列が生成または収集されるのと同じ速さ(リアルタイム)で起こる。配列情報生成/収集に関して、計算が早期に行われるため、これはかなりの決定空間減少を生じる。確率的マッチングには、限定されるわけではないが、完全マッチング、下位配列固有性、パターンマッチング、長さn以内での多数の下位配列マッチング、不正確マッチング、シードおよび伸長、距離測定および系統樹マッピングが含まれてもよい。これは、生成されるのと同じ速さまたはリアルタイムで、配列情報をマッチングさせる、自動化パイプラインを提供する。配列決定装置は、比較と平行して、より長くそしてより多い一続きの配列情報を収集し続けてもよい。続く配列情報もまた比較してもよく、そしてこの情報は、サンプル中のゲノムまたは種の同定の信頼度を増加させうる。この方法では、より長いコンティグへの短い読み取り値の配列情報アセンブリを待つ必要がない。
[0081]DNA配列フラグメント:任意の配列決定法を用いて、配列フラグメント情報を生成してもよい。図2中のモジュール160または図7中の109は、交換可能なカセット中の配列決定モジュールから着信する処理データに関与する。データは、配列決定データならびに配列の開始および停止上の情報、配列ID、DNA鎖IDとともに封入されている。モジュールは、データをフォーマットし、そして分類フィルターモジュールに渡す。フォーマッティングには、システムデータの付加および大枠での整列化が含まれる。
I. DNA調製インターフェース:試料調製を達成するためのいくつかの商業的に入手可能な方法が微量流体技術を通じて組み込まれてもよい。典型的な試料調製は、溶液に基づき、そしてこれには細胞溶解および阻害剤除去が含まれる。核酸を回収するかまたは抽出し、そして濃縮する。溶解の態様には、界面活性剤/酵素、機械的、電子レンジ、圧、および/または超音波法が含まれる。抽出の態様には、固相アフィニティおよび/またはサイズ排除が含まれる。
II.分類フィルター:分類フィルターは2つの主なタスクを有する:(i)可能な限り多くの生物を除去して、分類器モジュールをより小さい決定空間に限定し、そして(ii)機械学習技術の使用を伴い、ベイズネットワークの構造を決定するのを補助する。
[0096]規則管理:モジュールに対するグラフ管理インターフェース。
[0098]本発明のシステムおよび方法は、様々な異なる関数を実行するコードを有するコンピュータプログラム中に包埋されているように本明細書に記載される。特定の最高クラスの技術(存在するかまたは新たに興る)が、認可されたコンポーネントでありうる。DNA抽出のための現存する方法には、フェノール/クロロホルムの使用、塩析、カオトロピック塩およびシリカ樹脂の使用、アフィニティ樹脂の使用、イオン交換クロマトグラフィおよび磁気ビーズの使用が含まれる。方法は、米国特許第5,057,426号、第4,923,978号、欧州特許0512767 A1およびEP 0515484B、ならびにWO 95/13368、WO 97/10331およびWO 96/18731に記載され、その全開示が本明細書に援用される。しかし、システムおよび方法は、電子媒体に限定されず、そして様々な機能を、あるいは、手動設定で実行可能であることを理解しなければならない。インターネットを用いたネットワーク通信によって、プロセスと関連するデータを電子的に送信してもよい。上述のシステムおよび技術は、以下に記載するものを含む多くの他の背景で有用でありうる。
[00110]目的:8〜18程度に少ないヌクレオチドでゲノム同定を可能にするためのキーシグネチャーおよび/またはバーコードの使用、ならびにリアルタイムでの非常に短い配列データ(読み取り値)の分析。
Claims (24)
- 生物学的材料を複数含有するサンプル中の生物学的材料を同定する方法であって、
(a)生物学的材料を複数含むサンプルを入手すること、
(b)当該サンプルから1以上の核酸分子を抽出すること、
(c)第1の数の個々の配列要素を含んでなる第1配列を、当該核酸分子から生成すること、
(d)当該第1配列を、確率的マッチングによって、データベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列と比較すること、
(e)データベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列と第1配列とのマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値と同じかそれより大きい場合、既知の生物学的材料を含むサンプルであると同定すること、
(f)データベース内の参照核酸配列のいずれに対しても第1配列のマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値より小さい場合、(1)核酸分子の次の個々の配列要素を決定し、(2)当該次の個々の配列要素を、当該第1配列に追加し、(3)既知の生物学的材料を含有するものとして当該サンプルが同定されるまで、当該次の個々の配列が追加された第1配列を第1配列として工程(d)〜(f)を繰り返すこと、
を含む、上記方法。 - 前記第1配列が長さnのヌクレオチド配列であり、前記核酸分子の次の個々の配列要素が核酸分子の次のヌクレオチドであり、前記次の個々の配列を前記第1配列に追加することによって長さn+1のヌクレオチド配列が生成される、請求項1に記載の方法。
- 生物学的材料を複数含有するサンプル中の生物学的材料を同定する方法であって、
(a)生物学的材料を複数含むサンプルを入手すること、
(b)当該サンプルから1以上の核酸分子を抽出すること、
(c)当該核酸分子から、長さnのヌクレオチドフラグメント配列である第1配列を生成すること、
(d)当該第1配列を、確率的マッチングによって、データベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列と比較すること、
(e)当該核酸分子から、長さn+1のヌクレオチドフラグメント配列である第2配列、長さn+2のヌクレオチドフラグメント配列である第3配列、・・・長さn+xのヌクレオチドフラグメント配列である第x配列を生成させること、ここで、第2配列、第3配列、・・・第x配列のそれぞれについて長さnのヌクレオチドフラグメントは同じである、
(f)データベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列と第1配列とのマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値と同じかそれより大きい場合、既知の生物学的材料を含むサンプルであると同定すること、
(g)データベース内の参照核酸配列のいずれに対しても第1配列のマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値より小さい場合、第2配列、第3配列、・・・第x配列とデータベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列とのマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値と同じかそれより大きくなり、既知の生物学的材料を含有するものとして同定されるまで、確率的マッチングによって、第2配列、第3配列、・・・第x配列を参照核酸配列と比較すること、
を含む、上記方法。 - 前記配列の生成工程が、パイロシークエンシングを含む、請求項1または3に記載の方法。
- 前記配列の生成工程が、ハイブリダイゼーションによるシークエンシングを含む、請求項1または3に記載の方法。
- 前記確率的マッチングによって統計的フレームワークが与えられて、前記配列情報の種が同定される、請求項1または3に記載の方法。
- 前記第1配列を生成する前に、前記1以上の核酸分子を増幅して複数の核酸分子を得ることをさらに含む、請求項1または3に記載の方法。
- 前記長さnおよびn+1のヌクレオチド配列の生成が、パイロシークエンシングを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記長さnおよびn+1のヌクレオチド配列の生成が、ハイブリダイゼーションによるシークエンシングを含む、請求項2に記載の方法。
- 長さnのヌクレオチド配列を生成する前に、前記1以上の核酸分子を増幅して複数(i)の核酸分子を得ることをさらに含む、請求項2に記載の方法。
- データベース内の参照核酸配列と比較する前に、複数(i)の長さnのヌクレオチドを生成する、請求項10に記載の方法。
- データベース内の参照核酸配列と比較する前に、複数(i)の長さn+1のヌクレオチドを生成する、請求項11に記載の方法。
- 前記確率的マッチングを、ベイズアプローチによって実行する、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記確率的マッチングを、再帰ベイズアプローチによって実行する、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記確率的マッチングを、ナイーブベイズアプローチによって実行する、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- 前記確率的マッチングによって統計的フレームワークが与えられて、長さnおよびn+1のヌクレオチド配列の種が同定される、請求項2に記載の方法。
- 生物学的分子を複数含有するサンプル中の生物学的材料を検出するためのシステムであって、
(1)生物学的材料を複数含むサンプルを受容するように構成される、サンプル受容ユニット、
(2)当該サンプルから1以上の核酸分子を抽出するように構成される、サンプル受容ユニットと連結された抽出ユニット、
(3)1以上の核酸分子を抽出ユニットから受容し、核酸分子から第1の数の個々の配列要素を含んでなる第1配列を生成するように構成される、抽出ユニットと連結された配列決定カセット、
(4)既知の生物学的材料の参照核酸配列を含んでなるデータベース、および
(5)下記をするように構成される、配列決定カセットおよびデータベースと連結された処理ユニット:
(a)配列決定カセットから当該第1配列を受信し、
(b)確率的マッチングによって、当該第1配列を参照核酸配列と比較し、
(c)データベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列と第1配列とのマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値と同じかそれより大きい場合、既知の生物学的材料を含むサンプルであると同定すること、
(d)データベース内の参照核酸配列のいずれに対しても第1配列のマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値より小さい場合、(1)核酸分子の次の個々の配列要素を決定し、(2)当該次の個々の配列要素を当該第1配列に追加し、(3)データベース内の既知の生物学的材料を含有するものとして当該サンプルが同定されるまで、当該次の個々の配列が追加された第1配列を第1配列として工程(b)〜(d)を繰り返すこと、
を含む、上記システム。 - 生物学的材料を複数含有するサンプル中の生物学的材料を検出するためのシステムであって、
(1)生物学的材料を複数含むサンプルを受容するように構成される、サンプル受容ユニット、
(2)当該サンプルから1以上の核酸分子を抽出するように構成される、サンプル受容ユニットと連結された抽出ユニット、
(3)1以上の核酸分子を抽出ユニットから受容し、長さnのヌクレオチドフラグメント配列である第1配列、長さn+1のヌクレオチドフラグメント配列である第2配列、長さn+2のヌクレオチドフラグメント配列である第3配列、・・・長さn+xのヌクレオチドフラグメント配列である第x配列を核酸分子から生成させるように構成される、抽出ユニットと連結された配列決定カセット、ここで、第1配列、第2配列、第3配列、・・・第x配列のそれぞれについて長さnのヌクレオチドフラグメントは同じである、
(4)既知の生物学的材料の参照核酸配列を含んでなるデータベース、および
(5)下記をするように構成される、配列決定カセットおよびデータベースと連結された処理ユニット:
(a)配列決定カセットから、第1配列、第2配列、第3配列、・・・第x配列を受信し、
(b)確率的マッチングによって、当該第1配列を参照核酸配列と比較し、
(c)データベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列と第1配列とのマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値と同じかそれより大きい場合、既知の生物学的材料を含むサンプルであると同定し、
(d)データベース内の参照核酸配列のいずれに対しても第1配列のマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値より小さい場合、第2配列、第3配列、・・・第x配列とデータベース内の既知の生物学的材料の参照核酸配列とのマッチ確率が、ターゲットマッチの閾値と同じかそれより大きくなり、既知の生物学的材料を含有するものとして同定されるまで、確率的マッチングによって、第2配列、第3配列、・・・第x配列を参照核酸配列と比較すること、
を含む、上記システム。 - 前記配列決定カセットにより受信された配列を処理するように構成される、ベース呼び出しユニットをさらに含む、請求項17または18に記載のシステム。
- 前記ベース呼び出しユニットが、前記処理ユニットと連結している、請求項19に記載のシステム。
- 前記処理ユニットが、前記ベース呼出ユニットが生成する配列決定クオリティスコアを考慮しつつ、ベイズアプローチを利用し、得られた配列を受信し、各配列決定リードの確率を計算するように構成される、請求項20に記載のシステム。
- 前記処理ユニットが、病原体を同定するために予め生成および最適化されたデータベースを使用する、請求項20に記載のシステム。
- 前記処理ユニットが、配列内容に応じて変化する加重スコアを使用する、請求項20に記載のシステム。
- 前記処理ユニットと連結された記憶ユニットを含み、前記処理ユニットが、前記配列情報をデータ記憶ユニットに送信し、その後、この配列情報をデータ記憶ユニットから処理のために読み出すように構成される、請求項17または18に記載のシステム。
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