توالی‌یابی نسل بعدی (NGS)

مجموعه‌ای از فناوری‌ها، نرم‌افزارها، و تجهیزات پیشرفته است که برای خواندن توالی‌های DNA به کار گرفته می‌شود. این روش امکان تحلیل عمیق و گسترده‌ی ژنومی را فراهم می‌کند، که برای شناسایی عوامل ژنتیکی مرتبط با بیماری‌های ناشناخته یا انتخاب استراتژی‌های درمانی موثرتر در برابر بیماری‌هایی همچون سرطان بسیار مفید است.

کاربردهای NGS در عرصه پزشکی بسیار گسترده‌اند. این تکنولوژی به محققان و پزشکان این امکان را می‌دهد که با دقت بالایی تغییرات ژنتیکی را شناسایی کنند که می‌توانند به توسعه درمان‌های شخصی‌سازی شده منجر شوند. در زمینه سرطان، به عنوان مثال، NGS می‌تواند برای تعیین پروفایل ژنتیکی تومورها استفاده شود، که این امر انتخاب داروهای هدفمند بر اساس ویژگی‌های مولکولی تومور بیمار را امکان‌پذیر می‌سازد.

علاوه بر این، NGS در تشخیص زودهنگام بیماری‌ها، کشف علل ژنتیکی بیماری‌های نادر، و بهبود روش‌های تشخیصی و درمانی بیماری‌های مرتبط با ژن نقش اساسی دارد. از این رو، این فناوری به عنوان یکی از ارکان اصلی در پزشکی دقیق و پزشکی شخصی‌سازی شده مطرح است.

توالی‌یابی نسل بعدی (NGS)، فناوری پیشرفته‌ای است که اجازه می‌دهد توالی نوکلئوتیدهای DNA یا RNA به سرعت و به صورت اقتصادی تعیین شود، نسبت به روش سنتی توالی‌یابی سنگر که پیشتر مرسوم بود.

NGS، که گاهی اوقات به عنوان توالی‌یابی با قدرت بالا شناخته می‌شود، انقلابی در تحقیقات ژنومی و زیست‌شناسی مولکولی ایجاد کرده است.

تاریخچه NGS به کشف DNA در سال 1869 توسط فردریش میشر بازمی‌گردد، اما اهمیت آن به عنوان نقشه ژنتیکی تا چند دهه بعد شناخته نشد. تحولات مهمی در فهم ما از DNA با کشف ساختار مارپیچ دوتایی آن توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک در سال 1953 انجام شد، که نشان داد DNA از دو رشته نوکلئوتیدی تشکیل شده است که به یکدیگر پیچیده و توسط پیوندهای هیدروژنی به هم وصل شده‌اند. این ساختار دو رشته‌ای امکان بازسازی و انتقال اطلاعات ژنتیکی را فراهم می‌آورد.

پیشرفت‌ها در توالی‌یابی پروتئین‌ها توسط فردریک سانگر، که توالی اسیدهای آمینه در انسولین را تعیین کرد، زمینه‌ساز درک بهتر نقش DNA در سنتز پروتئین بود. این امر به نوبه خود به توسعه روش‌های توالی‌یابی نوین انجامید که امروزه تحت عنوان NGS شناخته می‌شوند، که امکان توالی‌یابی سریع و دقیق ژنوم‌ها را با هزینه‌ای کمتر از روش‌های قبلی فراهم می‌کند.

با پیشرفت فناوری توالی‌یابی نسل جدید (NGS)، رویکردهای تشخیصی و درمانی بیماری‌های ژنتیکی وارد مرحله‌ای نوین شده‌اند. NGS، با امکان تجزیه و تحلیل دقیق و گسترده‌ی ژنوم، به محققان و پزشکان اجازه می‌دهد علت بیماری‌ها و اختلالات ژنتیکی مادرزادی که پیشتر نامعلوم بودند را شناسایی کنند.

تکنولوژی NGS شامل مراحل متعددی از جمله آماده‌سازی نمونه، تکه‌تکه کردن ژنوم مورد نظر، توالی‌یابی، تصویربرداری، بازسازی توالی‌های توالی‌یافته و تجزیه و تحلیل داده‌ها است.

این روش کاربردهای متنوعی دارد که شامل بهبود قابل توجه در تشخیص بیماری‌های ژنتیکی، تشخیص ژنتیکی قبل از انتقال جنین (PGD)، فارماکوژنومیک (مطالعه تاثیر ژن‌ها بر پاسخ دارویی)، اپی‌ژنتیک (مطالعه تغییرات ژنتیکی غیر DNA) و شناسایی تنوع‌های ساختاری در ژنوم می‌شود.

آزمایش توالی‌یابی اگزوم، که در آن تقریبا 20,000 ژن مسئول ساخت پروتئین‌های بدن با استفاده از NGS بررسی می‌شوند، نمونه‌ای از این پیشرفت‌ها است. این آزمایش، که توانایی تشخیصی آن بسته به نوع بیماری متغیر است، معمولاً در بیماری‌هایی با علائم شدیدتر یا ظهور زودهنگام‌تر، بالاترین دقت تشخیصی را دارد.

تجزیه و تحلیل داده‌های حاصل از توالی‌یابی نسل بعدی (NGS) یکی از چالش‌برانگیزترین جنبه‌های استفاده از این فناوری است. اگرچه فناوری‌های NGS قادرند با دقت بالا نوکلئوتیدها را بخوانند و خطای بسیار پایینی دارند، اما تحلیل صحیح و دقیق این داده‌ها برای دستیابی به نتایج قابل اتکا بسیار حیاتی است.

فرآیند تجزیه و تحلیل داده‌های NGS به شرح زیر است:

بررسی کیفیت داده‌های خوانده شده (FASTQ): این مرحله شامل ارزیابی کیفیت توالی‌های خوانده شده است تا اطمینان حاصل شود که داده‌ها برای تحلیل بیشتر مناسب هستند.

پیش‌پردازش و اصلاح داده‌ها: در این مرحله، اقداماتی مانند حذف توالی‌های کم کیفیت یا غیرضروری و اصلاح خطاهای احتمالی انجام می‌شود. این کار معمولاً با برش دادن توالی‌ها و حذف انتهاهای کم کیفیت صورت می‌گیرد.

تراز کردن توالی‌ها با ژنوم مرجع: توالی‌های خوانده شده به ژنوم مرجع تراز می‌شوند تا محل دقیق آنها در ژنوم شناسایی و تفاوت‌ها (مانند جهش‌ها یا واریانت‌ها) تعیین شود.

فراخوانی متغیر (Variant Calling): در این مرحله، تفاوت‌هایی که بین توالی‌های خوانده شده و ژنوم مرجع وجود دارد شناسایی و ثبت می‌شوند. این تفاوت‌ها در فایل‌هایی به نام VCF (Variant Call Format) ذخیره می‌شوند.

حاشیه‌نویسی و تفسیر واریانت‌ها: فایل‌های VCF با استفاده از پایگاه‌های داده‌ی ژنتیکی و اطلاعات مرتبط با واریانت‌ها حاشیه‌نویسی می‌شوند تا معنا و تأثیر بالقوه‌ی هر واریانت مشخص شود.

فیلتر کردن و انتخاب واریانت‌های مرتبط با بیماری: با استفاده از دستورالعمل‌های فیلتر، واریانت‌هایی که احتمالاً با بیماری‌های خاص مرتبط هستند، شناسایی و برای تحقیقات بیشتر یا اقدامات تشخیصی

به همین دلیل است که امروزه با توجه به کاربردهای گسترده NGS در تشخیص و درمان، یادگیری روش صحیح تجزیه و تحلیل داده های NGS از ارزش بالایی برخوردار است و نیاز روزافزون جامعه به تحلیلگران مجرب در زمینه NGS بسیار مشهود است.