Biomics

Статья посвящена 50-летию быстрых методов секвенирования ДНК, начиная с пионерной разработки Ф.Сэнгера в 1975 г. Прослежена эволюция технологий секвенирования от методов первого поколения (ферментативный метод Сэнгера и метода химической деградации Максама-Гильберта) до высокопроизводительных методов, среди которых методы второго поколения (NGS – next generation sequencing), рассчитанные на массовое параллельное секвенирование (МПС) - пиросеквенирование, полупроводниковое секвенирование, лигазное секвенирование, флуоресцентное секвенирование с короткими прочтениями, а также мономолекулярные методы секвенирования, включающие флуоресцентное секвенирование с длинными прочтениями, а также нанопоровое секвенирование с ультрадлинными прочтениями. Особое внимание уделено переходу от квазигеномов к полным диплоидным геномам с фазированной сборкой гаплотипов в формате T2T без промежутков, что обеспечивает точное установление связи генотипа с фенотипом. Рассматриваются современные достижения, включая снижение стоимости секвенирования в миллионы раз и увеличение длины прочтения до миллионов пар нуклеотидов. Перспективы развития связаны с созданием еще более производительных технологий пятого поколения и широким внедрением фазированной сборки геномов. Статья подчеркивает революционное значение секвенирования ДНК для наук о Жизни и необходимость отказа от устаревших подходов в виде сборки квазигеномов. В статье отмечается, что геномная революция продолжается, и ее потенциал еще далеко не исчерпан.

секвенирование ДНК, метод Сэнгера, метод Максама-Гильберта, МПС методы, флуоресцентное секвенирование, мономолекулярное секвенирование, нанопоровое секвенировние, геном, квазигеном, диплоидный геном, фазированный геном, T2T геном, гаплотипированная сборка, биологический геном

1. Зубов В.В., Чемерис Д.А., Василов Р.Г. и др. Краткая история методов высокопроизводительного секвенирования нуклеиновых кислот // Biomics. 2021. Т.13(1). С. 27- 46. DOI:31301/2221-6197.bmcs.2021-4
2. Кулуев А.Р., Матниязов Р.Т., Березин А.А. и др. Пан-митогеномика // Biomics. 2025. Т. 17(1). С.88-102 DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2025-7
3. Кулуев Б.Р., Баймиев Ан.Х., Геращенков Г.А. и др. Сто лет гаплоидным геномам. Сейчас наступает время диплоидных // Биомика. 2020. Т.12(4). С. 411-434. DOI:31301/2221-6197.bmcs.2020-33
4. Манделес С. Установление первичной структуры нуклеиновых кислот. М.: Мир. 1975. 319 с.
5. Свердлов Е.Д. Подходы к исследованию первичной структуры ДНК // Итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ. Сер. Молекулярная биология. Т.4. С.7-88.
6. Скрябин К.Г., Прохорчук Е.Б., Мазур А.М. и др. Комбинирование двух технологических платформ для полногеномного секвенирования человека // Acta Naturae. 2009. Т.1(3). С. 113-119.
7. Чемерис А.В., Ахунов Э.Д., Вахитов В.А. Секвенирование ДНК. М., Наука, 1999. 429 c.
8. Чемерис А.В., Вахитов В.А. Первичная структура гена 5,8S рРНК и внутренних транскрибируемых спейсеров рДНК у диплоидной пшеницы Triticum urartu ex Gandil. // Молекулярная биология. 1989. Т.23. С.320-326.
9. Четверин А.Б., Четверина Е.В. 1995. Способ размножения нуклеиновых кислот, способ их экспрессии и среда для их осуществления. Патент РФ № 2048522
10. Aganezov S., Yan S.M., Soto D.C. et al. A complete reference genome improves analysis of human genetic variation // Science. 2022. V.376(6588). eabl3533. doi: 10.1126/science.abl3533
11. Air GM, Blackburn EH, Sanger F, Coulson AR. The nucleotide and amino acid sequences of the N (5') terminal region of gene G of bacteriophage phiphiX 174 // J Mol Biol. 1975. V.96(4). P.703-719. doi: 10.1016/0022-2836(75)90147-3
12. Baymiev Al.Kh., Chemeris D.A., Sakhabutdinova A.R. et al. In higher plants as an example, one can see that the era of sequencing of their diploid genomes is coming // Biomics. 2025. V.17(1). P. 17-41. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2025-3
13. Chargaff E. What really is DNA? Remarks on the changing aspects of a scientific concept // Prog. Acid Res. Mol. Biol. 1968. V.8. P.297-333. 10.1016/s0079-6603(08)60549-8
14. Deamer D., Akeson M., Branton D. Three decades of nanopore sequencing // Nature Biotechnol. V.34(5). P.518-524. doi: 10.1038/nbt.3423
15. Collins FS, Patrinos A, Jordan E et al. New goals for the U.S. Human Genome Project: 1998-2003 // Science. V.282(5389). P.682-689. doi: 10.1126/science.282.5389.682
16. Eid J., Fehr A., Gray J. et al. Real-time DNA sequencing from single polymerase molecules // Science. 2009. V.323. P.133-138. doi: 10.1126/science.1162986
17. Feng Y, Zhang Y, Ying C, Wang D, Du C. Nanopore-based fourth-generation DNA sequencing technology // Genomics Proteomics Bioinformatics. 2015. V.13(1). P.4-16. doi: 10.1016/j.gpb.2015.01.009
18. Frazer KA, Schork NJ. The human pangenome reference anticipates equitable and fundamental genomic insights // Cell Genom. 2023. V.3(7). 100360. doi: 10.1016/j.xgen.2023.100360
19. Jarvis ED, Formenti G, Rhie A et al. Semi-automated assembly of high-quality diploid human reference genomes // Nature. 2022. V.611(7936). P.519-531. doi: 10.1038/s41586-022-05325-5
20. International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature. 2004. V.431(7011). P.931-945. doi: 10.1038/nature03001
21. Istrail S., Sutton G.G., Florea L. et al. Whole-genome shotgun assembly and comparison of human genome assemblies // Natl. Acad. Sci. USA. 2004. V.101(7). P.1916-1921. doi: 10.1073/pnas.0307971100
22. Kasianowicz JJ, Brandin E, Branton D, Deamer DW. Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel // Proc Natl Acad Sci USA. 1996. 93(24). P.13770-13773. doi: 10.1073/pnas.93.24.13770
23. Khrapko KR, Lysov YuP, Khorlyn AA et al. An oligonucleotide hybridization approach to DNA sequencing // FEBS Lett. 1989. V.256(1-2). P.118-122. doi: 10.1016/0014-5793(89)81730-2
24. Kolata GB. DNA sequencing: a new era in molecular biology // Science. 1976. V.192(4240). P.645-647. doi: 10.1126/science.192.4240.645
25. Kokoris M, McRuer R, Nabavi M et al. Sequencing by Expansion (SBX) - a novel, high-throughput single-molecule sequencing technology // bioRxiv [Preprint]. 2025.02.19.639056. doi: 10.1101/2025.02.19.639056
26. Lander ES., Linton LM, Birren B et al. Initial sequencing and analysis of the human genome // Nature. V.409(6822). P.860-921. doi: 10.1038/35057062
27. Levy S., Sutton G., Ng P.C. et al. The diploid genome sequence of an individual human // PLoS Biol. 2007. V.5(10). e254. doi: 10.1371/journal.pbio.0050254
28. Logsdon GA, Ebert P, Audano PA et al. Complex genetic variation in nearly complete human genomes // bioRxiv [Preprint]. 2024. 25:2024.09.24.614721. doi: 10.1101/2024.09.24.614721
29. Maxam A.M., Gilbert W. A new method for sequencing DNA // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1977. V.74. P.560-564. doi: 10.1073/pnas.74.2.560
30. Nurk S., Koren S., Rhie A. et al. The complete sequence of a human genome // Science. 2022. V.376(6588). P.44-53. doi: 10.1126/science.abj6987
31. Porubsky D, Vollger MR, Harvey WT et al. Gaps and complex structurally variant loci in phased genome assemblies // Genome Res. 2023. V.33(4). P.496-510. doi: 10.1101/gr.277334.122
32. Pushkarev D., Neff N.F., Quake S.R. Single-molecule sequencing of an individual human genome // Nat. Biotechnol. 2009. V.27(9). P.847-850. doi: 10.1038/nbt.1561
33. Salser WA. DNA sequencing techniques // Annu Rev Biochem. 1974. V.43. P.923-965. doi: 10.1146/annurev.bi.43.070174.004423
34. Sanger F, Air GM, Barrell BG et. Al. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA // Nature. 1977. V.265(5596). P.687-695. doi: 10.1038/265687a0
35. Sanger F, Coulson AR. A rapid method for determining sequences in DNA by primed synthesis with DNA polymerase // J Mol Biol. 1975. V.94(3). P.441-448. doi: 10.1016/0022-2836(75)90213-2
36. Sanger F., Nicklen S., Coulson A.R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1977. V.74. P.5463-5467. doi: 10.1073/pnas.74.12.5463
37. Shendure J, Balasubramanian S, Church GM et al. DNA sequencing at 40: past, present and future // Nature. 2017. V.550(7676). P.345-353. doi: 10.1038/nature24286
38. Shendure J, Ji H. Next-generation DNA sequencing // Nat Biotechnol. 2008. V.26(10). P.1135-1145. doi: 10.1038/nbt1486
39. Sverdlov ED, Monastyrskaya GS, Budowsky EI, Grachev MA. A novel approach to structural analysis of oligonucleotides // FEBS Lett. 1972. V.28(2). P.231-235. doi: 10.1016/0014-5793(72)80719-1
40. Sverdlov ED, Monastyrskaya GS, Chestukhin AV, Budowsky EI. The primary structure of oligonucleotides. Partial apurinization as a method to determine the positions of purine and pyrimidine residues // FEBS Lett. 1973. V.33(1). P.15-17. doi: 10.1016/0014-5793(73)80148-6
41. Venter JC. Multiple personal genomes await // Nature. V.464. P.676-677. doi: 10.1038/464676a
42. Venter J.C., Adams M.D., Myers E.W. et al. The sequence of the human genome // Science. 2001. V.291(5507). P.1304-1351. doi: 10.1126/science.1058040
43. Wada A, Yamamoto M, Soeda E. Automatic DNA sequencer: computer-programmed microchemical manipulator for the Maxam-Gilbert sequencing method // Rev Sci Instrum. 1983. V.54(11). P.1569-1572. doi: 10.1063/1.1137299
44. Walsh J.B., Marks J. Sequencing the human genome // Nature. 1986. V.322. P. 590. doi: 10.1038/322590a0
45. Wheeler D.A., Srinivasan M., Egholm M. et al. The complete genome of an individual by massively parallel DNA sequencing // Nature. 2008. V.452(7189). P.872-876. doi: 10.1038/nature06884
46. Zavgorodny SG, Pechenov AE, Shvets VI, Miroshnikov AI. S,X-acetals in nucleoside chemistry. III. Synthesis of 2'- and 3'-O-azidomethyl derivatives of ribonucleosides // Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids. 2000. V.19(10-12). P.1977-1991. doi: 10.1080/15257770008045472