Whole Genome Sequencing (WGS) چیست؟
Whole Genome Sequencing (WGS) یا توالییابی کل ژنوم پیشرفتهترین روش توالییابی نسل جدید (NGS) است که تقریباً تمام DNA موجود در ژنوم یک فرد را بررسی میکند. برخلاف Whole Exome Sequencing (WES) که تنها نواحی کدکننده ژنها را هدف قرار میدهد، WGS علاوه بر اگزونها، اینترونها، نواحی تنظیمی، توالیهای بینژنی، DNA میتوکندری و بسیاری از انواع تغییرات ساختاری را نیز پوشش میدهد. این فناوری امکان شناسایی طیف وسیعی از تغییرات ژنتیکی شامل SNV، Indel، CNV، Structural Variant (SV)، بازآراییهای کروموزومی، برخی Repeat Expansionها (با فناوریهای مناسب) و واریانتهای نواحی غیرکدکننده را فراهم میکند. به همین دلیل، WGS بهعنوان جامعترین روش ژنومی در تحقیقات و بهتدریج در تشخیص بیماریهای ژنتیکی مورد استفاده قرار میگیرد.
Whole Genome Sequencing (WGS) چیست؟
راهنمای کامل توالییابی کل ژنوم، مراحل انجام، کاربردها و تفاوت آن با WES
- WGS کل ژنوم انسان را توالییابی میکند.
- هم نواحی کدکننده و هم غیرکدکننده را بررسی میکند.
- نسبت به WES اطلاعات بسیار بیشتری تولید میکند.
- برای شناسایی انواع مختلف واریانتهای ژنتیکی مناسبتر است.
- هزینه، حجم داده و پیچیدگی تحلیل آن بیشتر از WES است.
Whole Genome Sequencing (WGS) چیست؟
ژنوم انسان شامل حدود ۳.۲ میلیارد جفتباز است که در ۲۳ جفت کروموزوم و ژنوم میتوکندری قرار دارند.
در WGS تقریباً تمام این توالیها بدون مرحله غنیسازی هدفمند توالییابی میشوند. به همین دلیل، اطلاعاتی از بخشهایی به دست میآید که در WES معمولاً بررسی نمیشوند؛ از جمله اینترونها، پروموترها، Enhancerها، نواحی بینژنی، RNAهای غیرکدکننده و در بسیاری از پروتکلها DNA میتوکندری.
WGS دید جامعتری از ژنوم ارائه میدهد و برای کشف واریانتهای جدید، مطالعات پژوهشی و برخی موارد تشخیصی پیچیده ارزشمند است.
WGS چگونه کار میکند؟
در WGS ابتدا DNA با کیفیت بالا استخراج میشود. سپس DNA به قطعات کوچک تبدیل شده، Library ساخته میشود و کل ژنوم روی دستگاه NGS توالییابی میشود. در ادامه، دادههای خام پردازش، با ژنوم مرجع همتراز و واریانتها شناسایی و تفسیر میشوند.
مراحل انجام WGS
- نمونه خون، بزاق یا بافت
- اهمیت بالای کیفیت DNA
- Qubit
- NanoDrop
- TapeStation یا Bioanalyzer
- معمولاً 300 تا 500 جفتباز
- متناسب با پلتفرم Short-read
- اتصال آداپتورها
- افزودن ایندکسها
- NovaSeq
- NextSeq
- سایر پلتفرمهای NGS
- Alignment
- Variant Calling
- Annotation و فیلترگذاری
انواع واریانتهای قابل شناسایی با WGS
پارامترهای مهم در WGS
- تعداد دفعات خوانده شدن هر باز
- در بسیاری از کاربردهای تشخیصی حدود 30×
- درصد ژنوم با پوشش مناسب
- نشاندهنده گستره پوشش
- درصد خوانشهای همتراز با ژنوم مرجع
- شاخص مهم کیفیت داده
- نرخ خوانشهای تکراری
- اثرگذار بر کیفیت تحلیل
کاربردهای WGS
- موارد بدون تشخیص قطعی
- تکمیل بررسی پس از WES منفی
- کشف واریانتهای جدید
- بررسی نواحی غیرکدکننده
- ژنوم کامل تومور
- Rearrangementها
- جهشهای سوماتیک
- Mutational Signatures
- واریانتهای مؤثر بر پاسخ دارویی
- تنوع ژنتیکی
- تکامل و ارتباط جمعیتها
- ژنوم کامل عوامل بیماریزا
- اپیدمیولوژی و ردیابی سویهها
تحلیل بیوانفورماتیکی WGS
تفاوت WGS و WES
| ویژگی | WGS | WES |
|---|---|---|
| ناحیه بررسی | کل ژنوم | فقط اگزونها |
| درصد ژنوم | تقریباً ۱۰۰٪ | حدود ۱–۲٪ |
| هزینه | بیشتر | کمتر |
| حجم داده | بسیار زیاد | کمتر |
| تحلیل | پیچیدهتر | سادهتر |
| نواحی غیرکدکننده | بررسی میشود | معمولاً خیر |
| یکنواختی پوشش | بهتر | وابسته به Capture |
| کشف واریانت جدید | بسیار مناسب | محدودتر |
تفاوت WGS و Panel Sequencing
| ویژگی | WGS | Gene Panel |
|---|---|---|
| تعداد ژنها | کل ژنوم | ژنهای منتخب |
| هزینه | زیاد | کم |
| حجم داده | بسیار زیاد | محدود |
| زمان تحلیل | بیشتر | کمتر |
| یافتههای اتفاقی | بیشتر | کمتر |
Short-read و Long-read Sequencing
- دقت بالا
- هزینه کمتر
- مناسب بیشتر کاربردهای بالینی
- نمونه: Illumina
- خوانشهای بسیار بلند
- مناسب Repeat Expansionها
- مناسب Rearrangementها و ژنومهای پیچیده
- نمونه: PacBio و Oxford Nanopore
مزایا و محدودیتهای WGS
- جامعترین روش بررسی ژنوم
- پوشش نواحی کدکننده و غیرکدکننده
- مناسب برای کشف واریانتهای جدید
- پوشش یکنواختتر نسبت به WES
- توانایی بهتر در شناسایی برخی Structural Variantها
- امکان بازتحلیل دادهها در آینده
- هزینه بالاتر
- حجم بسیار زیاد دادهها
- نیاز به زیرساخت محاسباتی قوی
- زمان تحلیل بیشتر
- احتمال بیشتر یافتههای اتفاقی
- تفسیر دشوار واریانتهای غیرکدکننده
عوامل مؤثر بر کیفیت نتایج
کاربرد WGS در آزمایشگاههای مختلف
| نوع آزمایشگاه | کاربرد |
|---|---|
| ژنتیک پزشکی | بیماریهای ارثی پیچیده |
| انکولوژی | بررسی ژنوم تومور |
| میکروبشناسی | ژنوم کامل عوامل بیماریزا |
| تحقیقات | کشف ژن و واریانت جدید |
| داروسازی | فارماکوژنومیکس |
وکتور چگونه میتواند در راهاندازی بخش WGS کمک کند؟
راهاندازی یک بخش WGS نیازمند تجهیزات پیشرفته، مواد مصرفی تخصصی و زیرساخت پردازش داده است:
در پروژههای WGS، کیفیت تحلیل بیوانفورماتیکی به اندازه کیفیت توالییابی اهمیت دارد. حجم دادهها بسیار زیاد است و فیلترگذاری مناسب، اولویتبندی واریانتها و تطبیق آنها با فنوتیپ بیمار، نقش کلیدی در رسیدن به تشخیص صحیح دارد.
شناسایی یک واریانت بهتنهایی به معنای بیماریزا بودن آن نیست. برای تفسیر باید از دستورالعملهای ACMG، پایگاههای داده معتبر، مطالعات خانوادگی و در صورت نیاز آزمایشهای عملکردی استفاده شود.
در برخی موارد، WGS واریانتهایی را شناسایی میکند که در WES به دلیل محدودیت طراحی کیت یا پوشش ناکافی دیده نشدهاند، اما برخی تغییرات مانند بعضی Repeat Expansionها یا تغییرات اپیژنتیکی همچنان ممکن است به روشهای اختصاصی نیاز داشته باشند.
برندهای مطرح تجهیزات و کیتهای WGS
- Illumina
- PacBio
- Oxford Nanopore Technologies
- MGI Tech
- Thermo Fisher Scientific
- Illumina DNA Prep
- Twist Bioscience
- New England Biolabs
- KAPA Biosystems
- IDT
- DRAGEN
- GATK
- DeepVariant
- VarSome
- Franklin
- Ensembl VEP
سؤالات متداول
منابع
- ACMG. Clinical Genome Sequencing Practice Resource
- Richards S, et al. Standards and Guidelines for the Interpretation of Sequence Variants. Genetics in Medicine
- Illumina. Whole Genome Sequencing Overview
- National Human Genome Research Institute. Whole Genome Sequencing Fact Sheet
- Van Dijk EL, et al. Ten years of next-generation sequencing technology. Trends in Genetics
- De Coster W, Van Broeckhoven C. Newest Methods for Detecting Structural Variations and Long-Read Sequencing Applications