GENOMICA FUNZIONALE:

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1 GENOMICA STRUTTURALE: GENOMICA FUNZIONALE: 1. Anatomia dei genomi 9. Funzionamento dei genomi Il genoma dei procarioti Modificazioni della cromatina e l espressione del genoma Il genoma degli eucarioti Microarray e RNA-seq 2. La mappatura dei genomi Metil-seq Mappatura genetica Chip-seq Mappatura fisica 3. Il sequenziamento automatico del DNA Il principio del sequenziamento secondo Sanger Il sequenziamento su larga scala La lettura dei tracciati di sequenziamento 4. Il sequenziamento del genoma I nuovi metodi di sequenziamento Il sequenziamento gerarchico Il sequenziamento shotgun Piattaforme di sequenziamento di interi genomi (NGS) III Generation Sequencing 5. Assemblaggio e annotazione del genoma Copertura del genoma Phrap/Consed Approccio Overlap-Layout-Consensus La verifica delle sequenze Le caratteristiche funzionali delle sequenze genomiche 6. I Progetti Genoma 7. La metagenomica 8. Genotipizzazione Gli SNP e la variazione La genotipizzazione degli SNP

2 Il sequenziamento automatico del DNA

3 Pyrosequencing Si basa sulla rilevazione del pirofosfato rilasciato dall incorpora zione di un nucleotide APS adenosine 5 phosphosulfate durante la sintesi del DNA luciferina ossiluciferina

4 PPi= pyrophosphate APS= adenosine 5 phosphosulfate

5 video pyrosequencing

6 High-throughput Sequencing 1. First Generation Sequencing 2. Second (Next) Generation Sequencing 3. Third Generation Sequencing Sanger sequencing based

7 Sequenziamento di un intero genoma Shotgun sequencing fago φx174 (1977) 5386bp Sanger 1982 Uomo (2001) 3x10 9 bp

8 Shotgun sequencing

9 Shotgun sequencing Hierarchical genome sequencing Whole genome sequencing Human Genome Project

10 Sequenziamento per shotgun gerarchici Sequenziamento per shotgun dell intero genoma

11 VETTORI DI CLONAGGIO Fagemide Plasmidi Batteriofago P1 BAC (cromosomi batterici artificiali) DIMENSIONI DELL'INSERTO circa 1 kb 2-10 Kb circa 100 kb < 300 Kb

12 Sequenziamento per shotgun gerarchici

13 Minimal tiling path Ibridazione Fingerprinting End-sequencing

14 Whole genome shotgun

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18 Vantaggi e svantaggi dei due approcci Sequenziamento per shotgun gerarchici: Vantaggi: c è una mappa fisica di BAC che pone dei vincoli quindi l assemblaggio è più facile; la sequenza risultante è di più alta qualità Svantaggi: devo costruire una libreria BAC e una mappa fisica Sequenziamento per shotgun dell intero genoma: Vantaggi: non è necessario costruire una mappa fisica Svantaggi: difficoltà nell assemblaggio soprattutto nelle regioni ripetute, si ottiene una sequenza DRAFT del genoma

19 video shotgun sequencing

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21 First Generation Sequencing Sanger sequencing based For shotgun sequencing DNA is fragmented Cloned into a plasmid vector Cyclic sequencing reaction Separation by electrophoresis Readout with fluorescent tags many clonal copies of a single plasmid insert within a spatially isolated bacterial colony

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23 High-throughput Sequencing 1. First Generation Sequencing 2. Second (Next) Generation Sequencing 3. Third Generation Sequencing Cyclic-array sequencing based

24 First Generation Sequencing Sanger sequencing based For shotgun sequencing DNA is fragmented Cloned into a plasmid vector Cyclic sequencing reaction Separation by electrophoresis Readout with fluorescent tags many clonal copies of a single plasmid insert within a spatially isolated bacterial colony

25 Next Generation Sequencingg Cyclic-array sequencing method For shotgun sequencing DNA is fragmented Adaptors ligated to fragments Array of PCR colonies Enzymatic extension with fluorescently tagged nucleotides Cyclic readout by imaging array many PCR amplicons present within single reaction volume

26 Polimerase colony È una amplificazione clonale, in vitro, di una singola molecola di DNA

27 Polony Polonies are colonies of PCR amplicons derived from a single molecule of nucleic acid. Thousands to millions of spatially distinct polonies, each with an effective reaction size on the order of nanoliters (10-9 L) to femtoliters (10-15 L), can be amplified simultaneously within an acrylamide gel. Enzymatic reactions on polonies (e.g. in situ hybridization; minisequencing) can be subsequently performed in parallel. PCR in emulsione PCR tramite ponti

28 Emulsion PCR Fragments, with adaptors, are PCR amplified within a water drop in oil. One primer is attached to the surface of a bead. Used by 454, SOLiDand Polonator.

29 Bridge PCR DNA fragments are flanked with adaptors. A flat surface coated with two types of primers, corresponding to the adaptors. Amplification proceeds in cycles, with one end of each bridge tethered to the surface. Used by Solexa(Illumina).

30 sequencing based on pyrosequencing chemistry (sequencing by synthesis),, uses an emulsion-based method to isolate and amplify DNA fragments in vitro. Fragments of nt in length are ligated to special DNA Capture Beads, one fragment per bead. The beads are captured in water droplets of a heat-stable water-in-oil emulsion; one bead per droplet. Amplification occurs in the droplets, containing PCR-reagents(microreactors). The 454 GS FLX platform gives read lengths of ~250bp, providing about 400,000 sequences and Mb per run.

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37 video 454 FLX

38 2004 Illumina Solexa sequencingtechnology is a platform based on massively parallel sequencing of millions of fragments using reversible terminator-based sequencing chemistry (modified Sanger). This technology relies on fragmented genomic DNA arranged on a planar, optically transparent surface. Attached DNA fragments are amplified to create an ultra-high density sequencing flow cell with Illumina Sole xa seq uenc ing techno logy is a platform based on massively parall el seq uenc ing of millions of fragmen ts using reversible terminatorbased sequenc ing of chem istry the (mod ified same Sanger). This techno template logy relies on fragmen(up ted genom ic to DN A arra ten nged on a million planar, optically transpsingle-molecule arent surface. ~1,000 copies Attached DN A fragmen ts amplified to create an ultra -high dens ity sequencing flow cell with ~1,000 cop ies of the same temp late (up to ten million single-molecule clusters per square These temp lates are seq uenced using a four-color DN A seq uenc ing-by-syn thes is technology that clusters per emp loys square reve rsible terminators centimetre). with remov able fluoresc dyes. The These Solexa platform prov templates ides up to 70bp pe r read, with are a paired sequenced end capability of using a ~3050 million reads and 24G b per run. four-color DNA sequencing-by-synthesis technology that employs reversible terminators with removable fluorescent dyes. The Solexa platform provides up to bp per read, with a paired end capability of~3050millionreadsand24gbperrun.

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43 Illumina Flow Cell One flow cell Eight 1.4-mm wide channels Each channel can run up to twelve differently tagged libraries (Multiplexed Sequencing) Input requirement: μg (single- and paired-end reads), 10 μg(mate Pair reads) million reads (clusters) per flow cell, each containing ~1,000 copies of the same template

44 video Illumina Solexa, Genome Analyzer

45 2005 ABI SOLiD System is a highly accurate, massively parallel genomic analysis platform. Based on sequencing by ligation, generates DNA by measuring the serial ligation of an oligonucleotide. The SOLiD System generates over 20 gigabases and 400M tags per run, with system accuracy greater than 99.94%, due to 2 base encoding which enables unique error checking capability, providing higher confidence in each call.

46 Library preparation

47 Emulsion PCR/Bead Enrichment

48 Bead Deposition

49 Sequencing by Ligation/Data Analysis Sequencing by Oligo Ligation Detection SOLiD

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51 video SOLiD

52 Sequenze corte Sequenzecorte, ma tecnologiain continua evoluzione: 454: 100 basi ? Solid: 25 basi ? Illumina: 32 basi ? Difficoltà di assemblare sequenze corte de novo, soprattutto per il problema delle sequenze ripetute complicato ancora di più rispettoa Sanger (lunghezzamedia 600bp)

53 Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo.

54 ThePolonator

55 Sequenziamento Sanger ad alta processività PREPARAZIONE DELLA LIBRERIA Frammentazione casuale del DNA genomico clonazione e trasformazione in batteri 7-10 giorni assumendo di possedere una piattaforma robotica per alta processività Raccolta delle colonie Purificazione del DNA dalle colonie Sequenziamento Sanger Elettroforesi capillare Settimane-anni, dipendentemente dalle dimensione del genoma (e copertura richiesta) e dal numero di sequenziatori capillari a disposizione Mappatura delle reads su un genoma di riferimento (o assemblaggio de novo)

56 Sequenziamento di Nuova Generazione PREPARAZIONE DELLA LIBRERIA Frammentazione casuale del DNA genomico Ligazione degli adattatori 1-3 giorni Amplificazione clonale dei frammenti Sequenziamento nuova generazione Processamento delle immagini 1-7 giorni Mappatura delle reads su un genoma di riferimento (o assemblaggio de novo)