اصول و کاربردهای فناوری توالی یابی نسل جدید (NGS) در علوم زیستی (با رویکرد به نژادی غلات)

چکیده مقدمه: از زمان معرفی توالی یابی نسل جدید (NGS)، در اوایل دهه ۲۰۰۰، این فناوری به عنوان یکی از تحولات بنیادین در علوم زیستی، باعث پیشرفت چشمگیر در تحقیقات ژنومیک، ترنسکریپتوم و اپیژنوم و... شده است. اصول فناوری NGS شامل مباحث مربوط به تهیه کتابخانه ، توالی یابی و تحلیل داده های حاصل از آن است. این فناوری با توالی یابی میلیون ها قطعه DNA به صورت موازی و با دقت بالا و هزینه پایین و همچنین تولید حجم زیادی از داده های ژنومی در زمان کوتاه، توانسته است جایگزین روش های قدیمی تری مانند توالی یابی سانگر شود و با توالی یابی سریع، دقیق و کامل ژنوم ها و نواحی هدف انقلابی بزرگ در درک پیچیدگی های ژنتیکی، ساختار ژنوم و تعیین تنوع ژنتیکی ایجاد کند. از مهم ترین کاربردهای NGS در علوم زیستی می توان به شناسایی و مطالعه ژن های مرتبط با صفات کمی و کیفی، مطالعات تنوع ژنتیکی و ژنتیک جمعیت، تشخیص بیماری های ژنتیکی، اپیدمیولوژی، میکروبیوم شناسی، پزشکی قانونی، فیلوژنتیک، زیست شناسی سامانه ای، مهندسی ژنتیک و ویرایش ژنوم و اصلاح نبات و دام اشاره کرد. با این حال، استفاده موثر از داده های NGS مستلزم توسعه زیرساخت های محاسباتی قوی و الگوریتم های پیشرفته و همچنین گسترش اطلاعات محققان در رابطه با کاربردها و چالش های بیوانفورماتیکی مرتبط با داده های NGS، برای تحلیل و تفسیر این حجم عظیم از اطلاعات است.مواد و روش ها: مقاله حاضر یک مقاله مروری می باشد که به شیوه تحلیل محتوا (Content analysis) با جستجوی کلید واژه های توالی یابی نسل جدید (NGS)، انواع توالی یابی NGS، آنالیز داده های NGS، کاربردهای توالی یابیNGS ، در مقاله های مرتبط در پایگاه های اینترنتی PubMed ،Web of science ،Google scholar و Scopus به دست آمده است.یافته ها: این مطالعه قصد دارد با مرور تفصیلی توالی یابی های نسل اول، دوم و سوم ، بررسی مسیر آنالیز داده های NGS و کاربردهای گسترده NGS در زمینه های مختلف از جمله تحقیقات غلات، راهنمایی تقریبا کاملی برای آنالیز کارآمد و بهینه داده های حاصل از توالی یابی نسل جدید ارائه نماید. به این منظور در بخش اول به مرور توالی یابی های نسل اول (ماکسام-گیلبرت و سانگر)، نسل دوم (Illumina، ABI/SOLID، Roche/۴۵۴ pyrosequencing، Ion Torrent) و نسل سوم (Heliscope، SMRT، Oxford Nanopore) پرداخته شد. سپس در بخش دوم انواع توالی یابی های NGS مانند: Whole genome sequencing; WGS، Whole exome sequencing; WES، Bulk RNA-Seq و سایر روش ها معرفی و مسیر آنالیز آنها بررسی شده اند و در ادامه کاربرد توالی یابی نسل جدید در حوزه های مختف مانند شناسایی تنوعات ساختاری ژنومی (SVs)، مطالعه تغییرات اپی ژنتیکی، آنالیز جمعیت میکروبی، کشاورزی (با تاکید بر بهنژادی غلات) توضیح داده شد. نهایتا مزایا و چالش های پیشروی توالی یابی نسل جدید بیان گردید.نتیجه گیری: توالی یابی نسل جدید به عنوان یک فناوری انقلابی در ژنومیک، تاثیر بسزایی در تحقیقات علوم زیستی داشته است. کاهش هزینه ها و افزایش دقت توالی یابی به همراه توسعه روش های جدید، باعث شده است تا NGS به ابزاری کلیدی برای درک بهتر ژنتیک و توسعه راهبردهای درمانی شخصی سازی شده تبدیل شود. با پیشرفت های مداوم در این حوزه و ترکیب این فناوری با هوش مصنوعی، آینده ی NGS در تحلیل دقیق تر داده های ژنتیکی و بهبود فرآیندهای درمانی بسیار روشن به نظر می رسد.

کلیدواژه ها:

آنالیز داده های حجیم ، بیوانفورماتیک ، پلتفرم های توالی یابی ، توالی یابی نسل جدید (NGS)