用于基因组结构分析的装置和方法制造方法及图纸

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

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基因组结构分析的装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]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。
[0003]背景
[0004]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
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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 characteristics contrast)，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。
[0005]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％
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29％负责[Collins,2020]。
[0006]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。
[0007]众所周知，离散和远距离的基因组序列元件可以远距离调控基因功能(https://www.genome.gov/Funded
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Programs
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Projects/ENCODE
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Project
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ENCyclopedia
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Of
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DNA
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Elements)。近年来，变得明显的是基因组的空间组织是其功能的关键。基因组如何调控其功能不仅与线性序列信息的一级水平相关，还与基因组所在的物理构型相关。序列元件和其他细胞组分如何彼此以空间和时间的方式以顺式或者反式相互作用，影响它们如何发挥作用。哺乳动物基因组在空间上被组织成亚核区室(subnuclear compartment)、区域、高级折叠复合物、拓扑关联结构域(TAD)和环，以促进基因调控和其他重要的染色体功能，诸如复制。这些结构可能是许多异常基因组重组和具有病理后果或生物学影响的错误的来源。已提出，染色体区域、区室、拓扑关联结构域(TAD)、染色质环和局部直接调控因子的结合、基因组DNA聚合物的弯曲和弯折以涉及许多核和细胞组分(诸如转录因子、阻遏因子、绝缘子、反式激活因子和酶)的复杂和精巧的方式调控。这些三维区域、区室、TAD和环究竟是如何产生或调控的仍在深入研究中，并且尚不清楚。能够在其天然基因组、亚细胞和亚核背景下对这些复杂的动态相互作用直接可视化和作图的技术对于理解一级测序信息如何与基因组的3
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D组织联系起来非常有价值，并且从而有助于更好地理解和表征基因的调控以及最终终点生物学和病理生理学功能和后果。
[0008]此处，我们提出了用于使用收缩装置或检测传感器装置来产生核酸物理图谱，并分析核酸一级、二级、三级和四级结构及其关联的新的装置和方法。
[0009]专利技术概述
[0010]公开了用于使用收缩装置产生核酸分子的特征密度谱(profile)(一种线性物理图谱)的方法，以及分析所述基因组谱的相关方法。例如，核酸任意区段内的AT:CG碱基对的局部比率可以在区段之间变化，使得该比率沿着核酸长度的变化可以提供独特的特征(很像碱基对的潜在序列)，并因此提供可用于鉴定核酸分子或其中的部分并将其与参考物进行比较的线性物理图谱。该谱可以在比通常由测序方法可实现的范围长得多的范围的基因组区域中潜在地提供对基因组变异诸如病理性缺失和插入、基因组重排的洞察。众所周知，这些处于结构水平的大基因组特征会影响基因组功能。
[0011]还公开了用于分析核酸分子中的物理结构的方法和装置。
[0012]本公开内容的方面包括用于分析长核酸分子的方法，包括：(a)通过将分子的至少一部分暴露于至少一种变性条件，使所述长核酸分子的至少一部分部分变性；(b)使在第一导电液体介质和第二导电液体介质之间的所述长核酸分子的至少一部分移位通过至少一个收缩装置的至少一个收缩区域；(c)当核酸分子与至少一个收缩装置的至少一个收缩区域相互作用时，探查与至少一个收缩装置相关的至少一个信号；以及(d)由所述至少一个信号确定沿着长核酸分子的至少一部分的分箱变性谱。
[0013]在一些实施方案中，测量通过收缩区域的离子电流以产生信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于分析长核酸分子的方法，所述方法包括：(a)通过将所述分子的至少一部分暴露于至少一种变性条件，使所述长核酸分子的至少一部分部分变性；(b)使在第一导电液体介质和第二导电液体介质之间的所述长核酸分子的至少一部分移位通过至少一个收缩装置的至少一个收缩区域；(c)当所述核酸分子与所述至少一个收缩装置的至少一个收缩区域相互作用时，探查与所述至少一个收缩装置相关的至少一个信号；以及(d)由所述至少一个信号确定沿着所述长核酸分子的至少一部分的分箱变性谱。2.根据权利要求1所述的方法，其中测量通过所述收缩区域的离子电流以产生所述信号。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个收缩装置包括电极间隙，所述电极间隙与所述装置的收缩区域足够接近，以致移位通过所述收缩区域的所述长核酸分子也在所述电极间隙之间移位，使得可以进行电测量以产生所述信号。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个收缩装置包括传感器，所述传感器与所述装置的收缩区域足够接近，使得移位通过所述收缩区域的所述分子将被所述传感器感测，产生所述信号。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述传感器包括晶体管。6.根据权利要求4所述的方法，其中所述传感器包括官能化表面。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述收缩装置的收缩部是有形的。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述收缩装置的收缩部是无形的。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号在所述收缩装置的收缩区域中捕获。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号在所述收缩装置的收缩区域附近捕获。11.根据权利要求1所述的方法，其中由部分解链的长核酸分子的部分产生的信号可测量地不同于由处于完全杂交状态的所述分子的相同部分产生的信号。12.根据权利要求1所述的方法，其中所述变性条件包括温度。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述变性条件包括试剂。14.根据权利要求1所述的方法，其中所述变性条件包括离子强度。15.根据权利要求1所述的方法，其中所述变性条件包括pH。16.根据权利要求1所述的方法，其中所述变性条件被调节。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述变性条件在所述探查期间被调节。18.根据权利要求16所述的方法，其中所述变性条件在对所述分子的多于一个探查事件之间被调节。19.根据权利要求16所述的方法，其中所述变性条件被调节以增加所述长核酸分子的至少一部分的分箱变性谱的独特性。20.根据权利要求16所述的方法，其中所述调节由反馈系统控制，其中至少一个输入参数是来自所述收缩装置的信号。21.根据权利要求1所述的方法，其中所述收缩区域的第一侧具有第一变性条件，并且所述收缩区域的第二侧具有第二变性条件，并且其中所述第一变性条件和所述第二变性条件是不同的。22.根据权利要求1所述的方法，其中所述长核酸分子的至少一部分被所述收缩装置探查多于一次。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述多于一次探查用于产生一致分箱变性谱。24.根据权利要求1所述的方法，其中所述分箱变性谱构成线性物理图谱。25.根据权利要求24所述的方法，所述方法包括将所述线性物理图谱与参考物进行比较。26.根据权利要求25所述的方法，其中相对于所述参考物的变异指示所述长核酸分子相对于所述参考物的结构变异。27.根据权利要求25所述的方法，其中所述比较用于鉴定疾病相关的信息。28.根据权利要求25所述的方法，其中这种比较用于鉴定所述长核酸分子的至少一部分。29.根据权利要求28所述的方法，其中鉴定所述长核酸分子的至少一部分包括将来源生物体、类别、物种、种族、家族谱系、个体、组织、细胞、染色体、阶段、变体、基因或在基因组内的位置分配至所述长核酸分子。30.一种用于分析长核酸分子的高级核酸结构的方法，所述方法包括：(a)使在第一导电液体介质和第二导电液体介质之间的所述长核酸分子的至少一部分移位通过至少一个收缩装置的至少一个收缩区域；(b)当所述长核酸分子移位通过所述至少一个收缩装置的至少一个收缩区域时，探查与所述至少一个收缩装置相关的至少一个信号；以及(c)由所述至少一个信号确定所述结构的特性。31.根据权利要求30所述的方法，其中测量通过所述收缩区域的离子电流以产生所述信号。32.根据权利要求30所述的方法，其中所述至少一个收缩装置包括电极间隙，所述电极间隙接近所述收缩区域，以致移位通过所述收缩区域的所述长核酸分子也将移位通过所述电极间隙，使得能够进行电测量以产生所述信号。33.根据权利要求30所述的方法，其中所述至少一个收缩装置包括传感器，所述传感器与所述装置的收缩区域足够接近，使得移位通过所述收缩区域的所述长核酸分子将被所述传感器感测，产生所述信号。34.根据权利要求33所述的方法，其中所述传感器包括晶体管。35.根据权利要求33所述的方法，其中所述传感器包括官能化表面。36.根据权利要求30所述的方法，其中所述收缩装置的收缩部是有形的。37.根据权利要求30所述的方法，其中所述收缩装置的收缩部是无形的。38.根据权利要求30所述的方法，其中所述信号在所述收缩装置的收缩区域中捕获。39.根据权利要求30所述的方法，其中所述信号在所述收缩装置的收缩区域附近捕获。40.根据权利要求30所述的方法，其中由具有结构的长核酸分子的部分产生的信号可测量地不同于由不具有所述结构的所述分子的相同部分产生的信号。41.根据权利要求30所述的方法，其中所述高级核酸结构包含核小体。42.根据权利要求30所述的方法，其中所述高级核酸结构包含核小体簇。43.根据权利要求30所述的方法，其中所述高级核酸结构包含染色质。44.根据权利要求30所述的方法，其中所述高级核酸结构包含染色质纳米结构域。45.根据权利要求30所述的方法，其中所述高级核酸结构包含CCCTC结合因子。46.根据权利要求30所述的方法，其中所述高级核酸结构包含环。
47.根据权利要求30所述的方法，其中所述高级核酸结构包含拓扑关联结构域。48.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔，
申请(专利权)人：德迈逊基因技术有限公司，
类型：发明
国别省市：