Next Generation Sequencing (NGS), A Key Tool to open the Personalized Medicine Era

( Sun-il Kwon ) 대한임상검사과학회 2012 대한임상검사과학회지(KJCLS) Vol.44 No.4

Next-Generation Sequencing (NGS) is a term that means post-Sanger sequencing methods with highthroughput sequencing technologies. NGS parallelizes the sequencing process, producing thousands or millions of sequences at once. The latest NGS technologies use even single DNA molecule as a template and measures the DNA sequence directly via measuring electronic signals from the extension or degradation of DNA. NGS is making big impacts on biomedical research, molecular diagnosis and personalized medicine. The hospitals are rapidly adopting the use of NGS to help to patients understand treatment with sequencing data. As NGS equipments are getting smaller and affordable, many hospitals are in the process of setting up NGS platforms. In this review, the progress of NGS technology development and action mechanisms of representative NGS equipments of each generation were discussed. The key technological advances in the commercialized platforms were presented. As NGS platforms are a great concern in the healthcare area, the latest trend in the use of NGS and the prospect of NGS in the future in diagnosis and personalized medicine were also discussed.

Next Generation Sequencing (NGS), A Key Tool to open the Personalized Medicine Era

Kwon, Sun-Il 대한임상검사과학회 2012 대한임상검사과학회지(KJCLS) Vol.44 No.4

Next-Generation Sequencing (NGS) is a term that means post-Sanger sequencing methods with high-throughput sequencing technologies. NGS parallelizes the sequencing process, producing thousands or millions of sequences at once. The latest NGS technologies use even single DNA molecule as a template and measures the DNA sequence directly via measuring electronic signals from the extension or degradation of DNA. NGS is making big impacts on biomedical research, molecular diagnosis and personalized medicine. The hospitals are rapidly adopting the use of NGS to help to patients understand treatment with sequencing data. As NGS equipments are getting smaller and affordable, many hospitals are in the process of setting up NGS platforms. In this review, the progress of NGS technology development and action mechanisms of representative NGS equipments of each generation were discussed. The key technological advances in the commercialized platforms were presented. As NGS platforms are a great concern in the healthcare area, the latest trend in the use of NGS and the prospect of NGS in the future in diagnosis and personalized medicine were also discussed.

차세대 시퀀싱 (NGS), 맞춤 의학 시대를 여는 핵심 도구

권순일 대한임상검사과학회 2012 대한임상검사과학회지(KJCLS) Vol.44 No.4

Next-Generation Sequencing (NGS) is a term that means post-Sanger sequencing methods with highthroughput sequencing technologies. NGS parallelizes the sequencing process, producing thousands or millions of sequences at once. The latest NGS technologies use even single DNA molecule as a template and measures the DNA sequence directly via measuring electronic signals from the extension or degradation of DNA. NGS is making big impacts on biomedical research, molecular diagnosis and personalized medicine. The hospitals are rapidly adopting the use of NGS to help to patients understand treatment with sequencing data. As NGS equipments are getting smaller and affordable, many hospitals are in the process of setting up NGS platforms. In this review, the progress of NGS technology development and action mechanisms of representative NGS equipments of each generation were discussed. The key technological advances in the commercialized platforms were presented. As NGS platforms are a great concern in the healthcare area, the latest trend in the use of NGS and the prospect of NGS in the future in diagnosis and personalized medicine were also discussed. .

급성골수성백혈병과 골수이형성증후군 환자를 대상으로 한 NGS 골수성 패널 검사: 단일 상급종합병원에서의 경험

문선호,서헌석,전창호,이아진,유은형,김상경 대한진단검사의학회 2021 Laboratory Medicine Online Vol.11 No.1

Background: Next-generation sequencing (NGS) technology can be used for detecting gene mutations in various patients. The NGS myeloid panel test can be specifically used for patients with a myeloid neoplasm. In this study, the NGS myeloid panel test was used for patients with AML and MDS, and the results are summarized and reported retrospectively. Methods: Thirty-two NGS myeloid panel test results were reviewed retrospectively. Oncomine Myeloid Research Assay (Thermo Fisher Scientific, USA) and Ion Torrent S5 XL (Thermo Fisher Scientific) were used for sequencing, and variant annotation was performed using Ion Reporter Software (Thermo Fisher Scientific). Filtered variants were classified into tiers 1, 2, and 3, according to the Association for Molecular Pathology guidelines. Results: Eighty-seven variants were detected from 32 cases, and 30 cases (94%) had at least 1 variant classified into tier 1 or 2. The most fre quently detected mutated gene in patients with AML was DNMT3A (N = 8) and that in patients with MDS was U2AF1 (N = 4). Gene mutations were not detected in patients with MDS with single lineage dysplasia. Conclusions: Clinically useful genetic mutations were found in patients with AML and MDS through an NGS myeloid panel test. Although there are limitations to this study due to the small number of cases, some differences were found between the results of this study and the genetic pro files of AML patients in other studies. Further evaluation of the genetic profile of myeloid neoplasm is needed, and the NGS myeloid panel test can be useful for this 배경: 차세대 염기서열 분석법(NGS)은 최근에 다양한 환자들을 대상으로 유전자 변이를 검출하는데 사용되며, NGS 골수성 패널 검사는 골수 종양 질환을 가진 환자들에 특이적이다. 본 연구에서는 NGS 골수성 패널 검사를 급성골수성백혈병(AML) 및 골수이형성증후군(MDS) 환자들을 대상으로 활용하고 나온 결과들을 후향적으로 정리하여 보고하고자 한다. 방법: 총 32명 환자의 NGS 골수성 패널 검사 결과를 후향적으로 검토하였다. Oncomine Myeloid Research Assay (Thermo Fisher Scientific, USA)와 Ion Torrent S5 XL (Thermo Fisher Scientific)이 염기서열 분석에 사용되었고, 변이에 대한 주석을 다는 과정은 Ion Reporter Software (Thermo Fisher Scientific)로 시행하였다. 필터 링을 거친 각 변이들은 Association for Molecular Pathology에서 정한 가이드라인에 따라 Tier 1, 2 그리고 3으로 분류하였다. 결과: 32명 환자에서 총 87개의 변이가 확인되었고, 30명(91%)의 환자에서 Tier 1 혹은 2로 분류되는 변이가 최소 1개 이상 발견되 었다. AML 환자에서 가장 빈번하게 나타난 변이된 유전자는 DNMT3A (N=8)였고, MDS 환자에서는 U2AF1 (N=4)의 변이가 가장 빈번하게 나타났다. MDS with single lineage dysplasia 환자에서는 변이가 검출되지 않았다. 결론: NGS 골수성 패널 검사를 통해 AML과 MDS 환자에서 임상 적으로 유용한 유전자 변이들이 발견되었다. 비록 적은 증례 수로 인한 한계는 있지만, 본 연구에서 나온 결과와 타 연구들에서 나타 난 AML 환자의 유전적 프로파일에 일부 차이가 나타났다. 골수 종 양 질환의 유전적 프로파일에 대한 추가 연구가 필요하며, 이를 위 해 NGS 골수성 패널 검사가 도움이 될 것으로 판단된다.

혈액종양 분야의 차세대염기서열분석법 국내 실태 조사(2017-2018)

김진주,이자영,허정원,남명현,김명신,조영욱,공선영,이승태,김인숙 대한진단검사의학회 2021 Laboratory Medicine Online Vol.11 No.1

Background: The aim of this study was to investigate the status of next generation sequencing (NGS)-based genetic diagnosis in hematologic malignancies in Korea in 2017 and 2018. Methods: A structured questionnaire was provided to specialists in charge of the genetic testing of hematologic malignancies via e-mail. The questionnaire consisted of 37 questions reflecting the situation of the institutions for each year and were based on an assessment of the status of the hematologic malignancy NGS test (19 questions) and the institution’s opinion on the NGS test (18 questions). Results: A total of 12 and 14 laboratories, in 2017 and 2018, respectively, replied to our survey and their answers were further analyzed. Most laboratories were performing NGS panel testing for acute leukemia and myeloid malignancies, and a small proportion of laboratories were testing NGS for lymphoid malignancies. The majority of participants agreed that NGS testing should be essential for the initial diagnostic workup. Conclusions: Variation in NGS panel tests, including choice of gene and platform by different laboratories, were observed. Standardized panels and interpretation, centered around the Korean Society for Genetic Diagnostics, is needed to reduce inter-laboratory variation in NGS test results. 배경: 본 연구는 혈액 종양의 진단에 있어 국내의 차세대염기서열분석(next generation sequencing, NGS) 기반 유전자 검사의 현황을 파악하기 위하여 2017년, 2018년 2개년간 진행하였다. 방법: 각 기관의 혈액 종양 관련 유전자 검사 담당 전문가에게 전 자 메일을 통한 설문을 시행하였다. 설문 항목은 각 해당 연도의 기관의 상황을 반영할 수 있도록 혈액종양 NGS 검사 현황(19 문 항)과 혈액종양 패널에 대한 기관의 의견(18 문항)에 대한 평가로 총 37 문항으로 구성되었다. 결과: 총 12개(2017년도) 및 14개(2018년도)의 기관이 설문 조사에 응답하였고 그 답변을 추가로 분석하였다. 답변에 응한 대부분의 기관에서 급성 백혈병과 골수성 혈액 종양에 대해 NGS 검사를 수 행하는 반면 림프종과 다발골수종의 혈액 종양에 대해 소수의 기 관에서 검사를 수행하였다. 다수의 기관은 NGS 검사가 혈액 종양 의 초기 진단에 필수 검사 혹은 추천 검사로 시행되어야 한다는 데 동의하였다. 결론: 응답한 기관마다 운용하는 NGS 패널의 구성과 플랫폼의 차 이가 있었다. 이에 NGS 유전자 검사의 검사실 간 차이를 줄이기 위 해 학회를 중심으로 한 표준화된 패널의 구성과 도출된 검사 결과 해석의 지침이 필요할 것이다.

Hitting Set 문제를 이용한 차세대 염기서열 분석 리드의 처리속도 개선 방법

박태원(TaeWon Park),김소라(Sora Kim),최석문(SeokMoon Choi),조환규(Hwan-Gue Cho),이도훈(DoHoon Lee) 한국정보과학회 2011 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.38 No.6

최근에 등장한 Next Generation Sequencing(NGS)은 전통적인 방법에 비해 빠르고 저비용으로 대용량의 단편 서열 데이터를 얻을 수 있는 차세대 염기서열 분석 기술을 말한다. 이렇게 얻어진 NGS 데이터를 분석하는 단계 중에서 얼라인먼트(alignment) 단계는 시퀀서에서 얻은 대량의 리드(read)를 참조 염기서열에 맵핑하는 단계로 NGS 데이터 분석의 가장 기본이면서 핵심인 단계이다. 얼라인먼트 도구는 긴 참조 염기서열을 색인화해서 짧은 리드를 빠르게 맵핑하는 용도로 사용된다. 현재 많이 사용되고 있는 일반적인 얼라인먼트 도구들은 입력데이터에 대한 별도의 전처리 과정이 없으며 나열된 리드를 순차적으로 맵핑하는 단순한 구조를 가지고 있다. 본 논문은 NGS 데이터의 특징 중에 특히 리드간의 중복성을 이용한 리드의 효율적 공통 부분서열을 찾는 방법을 보여준다. 중복된 공통 부분서열과 그것이 포함된 리드의 관계를 그래프 이론의 Hitting Set 문제로 모델링하고 여러 리드가 포함하는 공통 부분서열을 사용해서 얼라인먼트 단계의 효율을 높일 수 방법을 제안한다. Next Generation Sequencing(NGS) is a faster and lower cost new sequencing technique getting huge-large scale fragment, called reads, sequence data than traditional sequencing. The next step to analyze the large-scale reads is to align to the reference genome sequence which is a fundamental and most important stage. Alignment tools in NGS are used for mapping short reads quickly using a indexed reference sequence. Most general alignment tools process listed reads sequentially without analyzing redundancy of inter-read of NGS data. In this paper, we explore efficient common subsequences using redundancy of inter-read in characteristics of NGS data. Relation between redundant common subsequences and reads containing them is modeled as hitting set problem in graph theory. Also we suggest a way to improve performance of alignment stage.

차세대유전체해독 기법을 이용한 소 유전체 해독 연구현황

최정우(Jung-Woo Choi),채한화(Han-Ha Chai),유다영(Dayeong Yu),이경태(Kyung-Tai Lee),조용민(Yong-Min Cho),임다정(Dajeong Lim) 한국생명과학회 2015 생명과학회지 Vol.25 No.3

최근 차세대염기서열해독법(Next Generation Sequencing, NGS)의 급속한 발전에 힘입어, 다양한 가축 종에 대한 전장유전체 수준의 해독 및 분석 연구수행이 가능하게 되었다. 소의 경우 현재 한우, 칡소, 흑우, 제주흑우 4품종의 재래소가 국제연합식량농업기구 가축다양성 정보시스템에 등록돼 있는 상태이다. 이러한 재래유전자원은 최근 NGS 기술을 이용 전장유전체에 걸친 대용량의 단일염기다형성 정보를 얻는데 성공하였으며, 또한 한국 재래소품종이 유럽기원의 소 품종들과 유전학적으로 차이가 있다는 점이 밝혀졌다. 또한 소 유전체학 분야에서 이 NGS의 응용은 유전체의 구조적 변이 특히 종전 대용량으로 정확한 발굴이 어려웠던 전장유전체에 널리 퍼진 복제수변이의 발굴에 성공적으로 적용되었다. 이러한 일련의 성공에도 불구하고 최근 NGS를 이용한 연구는 내재적인 한계점이 있었는데, 이는 연구 당시 고가의 연구비용 및 분석의 난해함으로 인해 각 대표 소 품종의 단수 또는 소수 개체에 대해서만 적용되었다는 점이 그 대표적 예라 할 수 있을 것이다. 즉, NGS에서 파생된 데이터의 보다 정확한 생물학적 의의를 찾기 위해서는 추가 실험적 검증과 더불어 면밀한 해석이 필요하다는 점을 시사하는 것이다. 최근 차세대염기서열 해독 비용이 지속으로 하락하고 있으며, 이는 단수개체가 아닌 집단수준에서의 NGS적용이 가능해 짐에 따라 다양한 집단유전체학적 이론이 접목된 연구가 가능해지고 있다. 현재 국내 재래소 품종에 대한 집단수준에서의 연구는 극히 미흡한 상태이나, 이러한 상황은 최근 고밀도 칩, 차세대염기서열 자료와 같은 대용량 유전정보를 생산, 분석 중에 있어 재래가축에 대한 집단수준에서의 연구가 일부 해소될 것으로 기대된다. Thanks to recent advances in next-generation sequencing (NGS) technology, diverse livestock species have been dissected at the genome-wide sequence level. As for cattle, there are currently four Korean indigenous breeds registered with the Domestic Animal Diversity Information System of the Food and Agricultural Organization of the United Nations: Hanwoo, Chikso, Heugu, and Jeju Heugu. These native genetic resources were recently whole-genome resequenced using various NGS technologies, providing enormous single nucleotide polymorphism information across the genomes. The NGS application further provided biological such that Korean native cattle are genetically distant from some cattle breeds of European origins. In addition, the NGS technology was successfully applied to detect structural variations, particularly copy number variations that were usually difficult to identify at the genome-wide level with reasonable accuracy. Despite the success, those recent studies also showed an inherent limitation in sequencing only a representative individual of each breed. To elucidate the biological implications of the sequenced data, further confirmatory studies should be followed by sequencing or validating the population of each breed. Because NGS sequencing prices have consistently dropped, various population genomic theories can now be applied to the sequencing data obtained from the population of each breed of interest. There are still few such population studies available for the Korean native cattle breeds, but this situation will soon be improved with the recent initiative for NGS sequencing of diverse native livestock resources, including the Korean native cattle breeds.

차세대 염기서열분석을 이용한 유전성 대사질환의 유전진단

기창석,Chang-Seok Ki 대한유전성대사질환학회 2023 대한유전성대사질환학회지 Vol.23 No.2

Inherited metabolic disorders (IMD) are a group of disorders involving various metabolic pathways. Genetic diagnosis of IMD has been challenging because of extremely heterogeneous nature and extensive laboratory and/or phenotype overlap. Conventional genetic diagnosis was a gene-by-gene approach that needs a priori information on the causative genes that might underlie the IMD. Recent implementation of next-generation sequencing (NGS) technologies has changed the process of genetic diagnosis from a gene-by-gene approach to simultaneous analysis of targeted genes possibly associated with the IMD using gene panels or using whole exome/genome sequencing (WES/WGS) covering entire human genes. Clinical NGS tests can be a cost-effective approach for the rapid diagnosis of IMD with genetic heterogeneity and are becoming standard diagnostic procedures.

Essential Elements for Establishing Clinical Next-generation Sequencing Testing

박경진,이우창,전사일,민원기 대한진단검사의학회 2019 Laboratory Medicine Online Vol.9 No.2

Over the past decade, next-generation sequencing (NGS) has evolved at an astonishing pace and has revolutionized clinical medicine as well as genomics research. The rapid advancements in NGS technologies have been accompanied by accumulating evidence of the analytical and clinical validity, and clinical utility of NGS. NGS is used worldwide. This review provides medical technicians and laboratory physicians with the essential elements for establishing clinical NGS testing. Here the authors briefly describe the advantages and drawbacks of currently available NGS platforms, potential sources of error in NGS workflow, and reference materials.

벼의 CAPS 마커 개발 및 줄기굵기 특성의 양적형질 유전자좌(QTL) 분석

이현주,정인선,지현소,이강섭,윤웅한,김태호 한국육종학회 2014 한국육종학회지 Vol.46 No.2

최근 급속하게 발달한 차세대 유전체분석기술을 기반으로 밀양23호와 기호벼의 유전체 서열을 분석하고, 새로운 CAPS 마커를 개발하였다. NGS를 통해 Nipponbare 유전체 길이의 60 배수만큼 염기서열을 결정하였고, CDS 안에서 두 품종간 특이적으로 나타나는 SNP를 CAPS 마커로 이용하였다. 새롭게 개발된 146개 CAPS 마커와 기존의 보고된 219개 마커를 통합하여 총 365개의 마커로 밀양23호/기호벼의 재조합자식 유전집단에 대해 분자 유전지도를 작성하였다. 벼의 줄기굵기와 간장 그리고 수장에 관한 QTL을 탐색한 결과, 총 19개의 유의성이 있는 QTL을 찾을 수 있었다. 이 중에 4개 줄기굵기 형질 관련 QTL과 2개 간장 형질 관련 QTL이 기존에 보고되지 않은 새로운 QTL이었다. 그 줄기굵기 QTL 중 가장 큰 LOD값을 갖는 qI1D5는 5번 염색체에서 탐색되었으며, 1절굵기 표현형 변이는 8.99%였다. 또한, 간장관련 QTL 중 가장 큰 LOD 값을 갖는 qCL5은 5번 염색체에서 탐색되었고, 이 QTL의 간장 표현형 변이는 4.24%였다. 재염기서열을 통해 밝혀진 SNP 중 소수만이 본 연구에 사용되었다. 향후 본 연구에서 밝혀진 SNP 정보를 이용한다면 더 많은 마커를 개발하여, 고밀도 유전지도 작성이 가능할 것이다. 더 나아가 MGRIL을 이용하여 농업적으로 유용한 형질에 대해 더 정확한 QTL 분석과 유용유전자의 개발이 가능하게 될 것이다. The next generation sequencing (NGS) has been developed rapidly in recent years, paving ways of discovering vast sequence variations among germplasms. Whole-genome sequencing was performed on the genomic DNA of Milyang23 and Gihobyeo using NGS and developed new CAPS (cleaved amplified polymorphic sequence) markers based on the single nucleotide polymorphisms (SNPs) in coding sequence between these varieties. The NGS sequencing yielded sequences of 60x coverage of the Nipponbare reference genome on average. A molecular genetic map was constructed with the recombinant inbred population derived from Milyang23/Gihobyeo cross (MGRIL) integrating the newly developed 146 CAPS makers and previously reported 219 PCR-based DNA markers. This map was applied to the detection of quantitative trait loci (QTLs) for stem internode diameters, culm length and panicle length in rice with MGRIL population. A total of 4 new QTLs were detected for stem diameter traits including the first internode diameter (I1D), second internode diameter (I2D), third internode diameter (I3D), and fourth internode diameter (I4D). Among stem diameter QTLs, qI1D5 had relatively 6.09 LOD (likelihood of odds) score and explained 8.99% of total variation. Only very small portion of SNPs through re-sequencing were used in this study. Much more markers can be developed by using SNP information acquired in this study, which will enable construction of high-density genetic map and more accurate QTL analysis of important agronomical traits with MGRIL population.