[发明专利]用于基因组结构分析的装置和方法

说明书

公开了用于使用收缩装置(constriction device)从核酸的特征密度谱产生物理图谱的方法，以及分析所述基因组谱的相关方法。此外，公开了用于在收缩装置或传感器装置中在基因组的3‑D组织的空间和时间背景下分析核酸上的二级、三级和四级结构的装置和方法。

相关申请的交叉引用

本文件要求2020年6月30日提交的美国临时申请序号63/046,069和2021年1月31日提交的美国临时申请序号63/143,857的优先权权益，这些美国临时申请中的每一个通过引用以其整体特此并入。

背景

具有纳米尺寸传感器的收缩部(constriction)(或纳米孔)已被展示能够在广泛的应用中使用。这样的装置是许多学术和商业研究的来源，因为它们有希望进行直接、普遍和廉价的单分子和单细胞水平上的原位生物分子分析，特别是核酸测序和作图。对于收缩样装置(constriction-like devices)，典型的操作包括使聚合物分子移位通过收缩部，或通过检测传感器，并测量随着大分子或聚合物移位而调节的电信号。产生信号的质量受许多因素的影响，包括收缩部尺寸、收缩部和周围区域的物理尺寸和形状、移位速度以及沿着被检测的聚合物的实体的物理尺寸、特征特性对比度(feature characteristicscontrast)，等等。对于以阐明单个核苷酸为目标的测序应用，技术挑战是巨大的。为了克服这些挑战，已经探讨了不同的技术，诸如读取核苷酸的短单位(kmer)而不是单个核苷酸[Reid,2012，专利申请]，或者修饰核苷酸本身以增加它们彼此之间的相对对比度[Gundlach,2013，专利申请]。然而，即使有这些改进，挑战仍然存在，并且因此已经探讨了允许对收缩装置(constriction device)规格和操作不那么严格的不同的应用。这些包括通过结合特定标记的分子鉴定，以及通过沿着分子结合序列特异性标记的物理作图。在这两种情况下，核酸和标记物之间的尺寸对比提供了比沿着聚合物本身的单个核苷酸变异更强的信号。因此，通常这样的应用允许与更大的收缩部尺寸变化和/或更快的移位速度相关的更大的收缩部，这最终可以导致更高的通量和/或更低的每次运行成本。

随着疾病相关研究、临床遗传测试和各种数据库由于下一代基因组测序可及性的提高而增长，我们对群体医学相关基因突变的知识主要建立在对单核苷酸变体(SNV)的解释上。然而，结构变体(SV)使DNA的大区段重排，并可能对演化和人类疾病产生深远的影响[Perry,2008]，[Weischenfeldt,2013]。在最近一项对由全球不同群体(54％非欧洲人)的14,891个基因组构建的SV研究中，发现了433,371个SV的丰富而复杂的概况，其中SV估计对每个基因组中所有有害或具有生物学后果的罕见蛋白质截短事件的25％-29％负责[Collins,2020]。

物理作图技术已被证明，无论是单独使用，还是与测序技术一起使用，在阐明通常难以仅通过测序来跨越和解析的跨越大范围(10kbp)的复杂基因组特征方面都非常有效[Bocklandt,2019]。此外，DNA部分在细胞内采取的“有功能的”的复杂的一级、二级、三级和四级结构，在测序或常规光学基因组作图过程中只会丢失。这些结构必须通过潜在序列或条形码插入来推断[Szabo,2019]。这些结构分析方法使用“自下而上”的方法，分离和分解这些离散或半离散的基因组区段和结构域进行探查，并且然后使用数学模型中的某些假设和假定将它们组装回来。然而，对基因组序列、染色质、染色体和细胞核内的这些功能组分和复合物的位置、空间位置和动态相互作用过程进行“自上而下”的直接物理作图，特别是在它们相邻或连续的天然背景中而没有物理破坏的情况下，对于以高效的方式阐明这些生物学上重要的结构将非常有价值，并将有助于我们进一步理解疾病(包括许多罕见和未诊断的紊乱和癌症)的遗传学和病因学。