[發(fā)明專利]一種DNA甲基化測序數(shù)據(jù)計算解讀方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710362178.4
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN107273663B
• 公開（公告）日: 2018-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋卓;劉蓬俠;李根
• 申請（專利權(quán)）人: 人和未來生物科技（長沙）有限公司
• 主分類號: G06F19/20
• 分類號: G06F19/20
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 譚武藝

本發(fā)明公開了一種DNA甲基化測序數(shù)據(jù)計算解讀方法，實施步驟包括：對用于DNA甲基化測序的參考基因組數(shù)據(jù)和原始的測序樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；通過CPU調(diào)用FPGA上硬件實現(xiàn)的比對器將預(yù)處理后的測序樣本數(shù)據(jù)和參考基因組進(jìn)行比對；通過CPU調(diào)用GPU上編程實現(xiàn)的識別器、FPGA上硬件實現(xiàn)的深度學(xué)習(xí)模型，基于比對結(jié)果進(jìn)行甲基化識別；對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，通過CPU調(diào)用FPGA上硬件實現(xiàn)的深度學(xué)習(xí)模型對結(jié)果數(shù)據(jù)反映的甲基化功能進(jìn)行挖掘和分析，且CPU調(diào)用GPU上編程處理分析挖掘相關(guān)的視頻、動畫和顯示任務(wù)，CPU調(diào)用DSP上編程處理和分析挖掘相關(guān)的圖形、圖像和音頻任務(wù)。本發(fā)明具有快速實時、精準(zhǔn)深入、通俗易懂、形式多樣的優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基因測序技術(shù)，具體涉及一種DNA甲基化測序數(shù)據(jù)計算解讀方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著下一代測序技術(shù)（Next Generation Sequence, NGS）的廣泛應(yīng)用，基因測序的成本迅速下降，基因測序技術(shù)得以在更加廣泛的生物、醫(yī)療、健康、刑偵、農(nóng)業(yè)等等許多領(lǐng)域被推廣應(yīng)用。其中，基于NGS的脫氧核糖核酸（Deoxyribo-Nucleic Acid, DNA）甲基化測序是一個非常有應(yīng)用價值的分支領(lǐng)域，受到廣泛的關(guān)注。

甲基化（Methylation）是指從活性甲基化合物(如S-腺苷基甲硫氨酸)上將甲基催化轉(zhuǎn)移到其他化合物的過程。甲基化是表觀遺傳學(xué)（epigenetics）的重要研究內(nèi)容之一。最常見的甲基化修飾有DNA甲基化和組蛋白甲基化。脊椎動物的DNA甲基化一般發(fā)生在CpG位點（sites），即DNA序列中的胞嘧啶（Cytosine）-磷酸（Phosphoric acid）-鳥嘌呤（Guanine）位點，經(jīng)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化胞嘧啶轉(zhuǎn)化為5-甲基胞嘧啶。人類基因中約80%-90%的CpG位點已被甲基化，1%-2%人類基因組是CpG群，并且CpG甲基化與轉(zhuǎn)錄活性成反比。DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。例如，已有的研究表明，人的DNA甲基化與癌癥、衰老、老年癡呆等許多疾病密切相關(guān)，異常的甲基化往往是許多疾病的起因。因此，DNA甲基化檢測對于生物研究、醫(yī)療診斷、法醫(yī)生物學(xué)等多個領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用價值。

近年來，科學(xué)家們將傳統(tǒng)的甲基化檢測技術(shù)與目標(biāo)基因組捕獲技術(shù)以及NGS高通量測序技術(shù)相結(jié)合，定量測定人及其它物種基因組中甲基化的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實用階段。目前最為常用的是亞硫酸鹽測序法（Bisulfite sequencing, BS-Seq），即用亞硫酸鹽處理基因組DNA，則未發(fā)生甲基化的胞嘧啶被轉(zhuǎn)化為尿嘧啶（Uracil），而甲基化的胞嘧啶不變。隨后設(shè)計BSP（Bisulfite sequencing PCR）引物進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase ChainReaction，PCR），在擴(kuò)增過程中尿嘧啶全部轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶（Thymine），最后對PCR產(chǎn)物進(jìn)行測序就可以判斷CpG位點是否發(fā)生甲基化。

基于NGS的DNA甲基化測序的數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)解讀兩大步驟，其中數(shù)據(jù)計算步驟完成參考基因組的預(yù)處理和原始測序數(shù)據(jù)的去偽、比對、去重等計算任務(wù)，以便數(shù)據(jù)解讀時使用；數(shù)據(jù)解讀步驟對數(shù)據(jù)計算處理后的數(shù)據(jù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、健康保健等領(lǐng)域的科學(xué)含義進(jìn)行分析、揭示和解釋。

目前，基于NGS的DNA甲基化測序技術(shù)在應(yīng)用上存在兩個方面的瓶頸：