纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用

doi:10.7503/cjcu20220333

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (3): 20220333.doi: 10.7503/cjcu20220333

纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用

陈佳璐¹^,², 黄硕¹^,²()

^1.南京大学化学化工学院, 生命分析化学国家重点实验室
^2.化学和生物医药创新研究院, 南京 210023

收稿日期:2022-05-13 出版日期:2023-03-10 发布日期:2023-03-14
通讯作者: 黄硕 E-mail:shuo.huang@nju.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(31972917);中央高校基本科研业务费(020514380257);江苏省双创团队项目基金、江苏省杰出青年基金(BK20200009);南京大学卓越计划项目(ZYJH004);上海市市级科技重大专项和生命分析化学国家重点实验室开放基金(5431ZZXM2204)

Applications of Nanopore Sequencing Technology in the Detection of Nucleic Acid Modifications

CHEN Jialu¹^,², HUANG Shuo¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Sciences，School of Chemistry and Chemical Engineering
^2.Chemistry and Biomedicine Innovation Center（ChemBIC），Nanjing University，Nanjing 210023，China

Received:2022-05-13 Online:2023-03-10 Published:2023-03-14
Contact: HUANG Shuo E-mail:shuo.huang@nju.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(31972917);the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(020514380257);the Programs for High-level Entrepreneurial and Innovative Talents Introduction of Jiangsu Province, China;the Excellent Youth Foundation of Jiangsu Scientific Committee, China(BK20200009);the Excellent Research Program of Nanjing University, China(ZYJH004);the Shanghai Municipal Science and Technology Major Project, China and the Open Project of the State Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science, China(5431ZZXM2204)

摘要/Abstract

摘要：

DNA和RNA上广泛存在着多种化学修饰. 这些核酸修饰参与基因表达的调控, 影响生长发育等生理过程, 并可能会引发癌症等疾病. 对核酸修饰的精准识别与定位有助于理解其功能机制, 帮助相关疾病的诊断与治疗. 纳米孔测序是一种新兴的单分子测序技术, 可以根据修饰碱基与天然碱基之间阻孔信号的差异实现核酸序列中多种修饰的同时检测, 是目前检测核酸修饰最直接的方法. 本文简要介绍了纳米孔测序技术的发展和原理以及识别核酸修饰的算法工具, 总结了纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用, 并对其发展前景进行了展望.

关键词: 纳米孔测序, MinION测序仪, 核酸修饰, 碱基识别

Abstract:

A wide variety of chemical modifications have been found in DNA and RNA. These nucleic acid modifications play critical roles in the regulation of gene expression， affect biological processes such as growth and development， and cause diseases including cancer. Accurate identification and localization of nucleic acid modifications can help to understand their functional mechanism， and contributes to diagnosis and treatment of relevant diseases. Nanopore sequencing is an emerging single-molecule sequencing technology and can directly detect nucleic acid modifications. It can simultaneously detect multiple modifications based on the difference in pore blockage signals between modified and canonical bases. This review briefly summarizes the principle and recent development of nanopore sequencing， computer algorithms for nucleic acid modification identification and applications of nanopore sequencing. By the end of this review， prospects of future development of nanopore sequencing is also proposed.

Key words: Nanopore sequencing, MinION sequencer, Nucleic acid modification, Base-calling

中图分类号:

O657

TrendMD:

陈佳璐, 黄硕. 纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用. 高等学校化学学报, 2023, 44(3): 20220333.

CHEN Jialu, HUANG Shuo. Applications of Nanopore Sequencing Technology in the Detection of Nucleic Acid Modifications. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(3): 20220333.

图/表 6

Fig.1 The basic principle of nanopore sequencing and MinION nanopore sequencer（A） Schematic view of nanopore setup comprising a DNA molecule through the nanopore［35］；（B） the composition of the MinION nanopore sequencer［46］；（C） steps in DNA translocation through nanopore and corresponding current trace［34］.（A） Copyright 2015， the authors；（B） Copyright 2016， the authors；（C） Copyright 2016， the authors.

Fig.2 Schematic representation of two major approaches to detect nucleic acid modifications in nanopore sequencing data[51]The detection of nucleic acid modifications in the form of altered ionic current （up）， or systematic base-calling errors（bottom）. Copyright 2021， the authors.

Table1 Tools for nucleic acid modification detection from nanopore sequencing reads

Method	Tool	Target	Modification type	Ref.	Method	Tool	Target	Modification type	Ref.
Ionic current based	nanopolish	DNA	5mC	［52］	Ionic current based	nanoraw	DNA	all	［62］
method	signalAlign	DNA	5mC， 5hmC， 6mA	［53］	method	Nanocompore	RNA	all	［64］
	DeepMod	DNA	5mC， 6mA	［54］		xPore	RNA	all	［65］
	mCaller	DNA	6mA	［55］		nanoDoc	RNA	all	［66］
	DeepSignal	DNA	5mC， 6mA	［56］		Yanocomp	RNA	all	［67］
	CpelNano	DNA	5mC	［57］	Systematic base⁃calling	EpiNano	RNA	m⁶A	［69］
	nanodisco	DNA	4mC， 5mC， 6mA	［58］	error based method	ELIGOS	RNA	m⁶A	［70］
	Nanom6A	RNA	m⁶A	［59］		DiffErr	RNA	m⁶A	［71］
	Penguin	RNA	Ψ	［60］		DRUMMER	RNA	m⁶A	［72］
	MINES	RNA	m⁶A	［63］		nanoRMS	RNA	Ψ， Nm	［68］
	NanoMod	DNA	all	［61］

Fig.3 Discrimination of DNA modifications by nanopore sequencing（A） Strategy for reading C5-cytosine modifications along individual DNA templates using a nanopore and representative current traces for C5-cytosine modifications in the GnCGC 4-mer context［75］；（B） schematic of O6-CMG detection during nanopore sequencing and a representative current trace is shown below［76］；（C） schematic of cisplatin adduct detection during nanopore sequencing. Representative traces with low-pass or high-pass digital signal filtration treatment were shown on the right［77］.（A） Copyright 2014， American Chemical Society；（B） Copyright 2019， Wiley-VCH；（C） Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.4 Application of nanopore sequencing to identify DNA modifications（A） Schematic of nanopore Cas9-targeted sequencing （nCATS）［95］；（B） the workflow of nanopore DNA methylation analysis which enables the detailed and rapid classification of brain tumors［100］.（A） Copyright 2021， the authors；（B） Copyright 2021， the authors.

Fig.5 Nanopore sequencing and modification detection of different kinds of RNA（A） Library preparation for MinION sequencing of 16S rRNA strands［102］；（B） the principle and sequencing signal of nanopore-induced phase-shift sequencing （NIPSS） strategy for direct miRNA sequencing［104］.（A） Copyright 2019， the authors；（B） Copyright 2021， the authors.

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纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用

Applications of Nanopore Sequencing Technology in the Detection of Nucleic Acid Modifications

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