Mονάδα Γενωμικών Αναλύσεων και Ανάπτυξης Βιοπληροφορικών Εφαρμογών

Η Μονάδα Γενωμικών Αναλύσεων και Ανάπτυξης Βιοπληροφορικών Εφαρμογών (BiGen) ιδρύθηκε το 2019 στο ΕΙΠ με κύρια αποστολή την ανάπτυξη μοριακών, γενωμικών και βιοπληροφορικών εφαρμογών, σε σχέση με τις τεχνολογίες αλληλούχισης όλων των γενεών, αλλά και την ανάπτυξη λογισμικού και βιοπληροφορικών ροών για την ανάλυση δεδομένων μεγάλου όγκου (big-data). Ως κεντρική Ερευνητική Υποδομή, η BiGen υποστηρίζει όλες τις ερευνητικές ομάδες του ΕΙΠ, προσφέροντας υπηρεσίες αλληλούχισης, περιλαμβανομένου του σχεδιασμού και της εκτέλεσης των πειραματικών μεθόδων, της αλληλούχισης αλλά και της απαραίτητης βιοπληροφικής ανάλυσης. Η BiGen προσφέρει επίσης υπηρεσίες σε άλλους ερευνητικούς και ακαδημαϊκούς φορείς αλλά και στην φαρμακοβιομηχανία.

Εργαστηριακές μέθοδοι και προετοιμασία βιβλιοθηκών για αλληλούχιση επόμενης γενεάς (NGS library preparations)

• Total DNA and RNA extraction and purification for NGS applications
• Ribodepletion / poly-A enrichment / globin removal / DNase treatment
• Whole Genome Sequencing (WGS) library preparation for viruses, bacteria, fungi, parasites, animals
• Whole Exome Sequencing (WES) library preparation, both target-enrichment- and amplicon-based (human)
• Custom Target Enrichment by hybridisation for regions of interest, from any WGS library preparation
• Targeted gene panels (Comprehensive Cancer, Pharmacogenomics, Inherited disease etc) library preparation
• Whole transcriptome, 3’ quantseq and single cell RNAseq library preparation
• Whole genome bisulfite sequencing (WGBS) library preparation
• Assay for Transposase-Accessible Chromatin (ATAC-seq) and single cell ATAC-seq library preparation
• Chromatin immunoprecipitation sequencing (ChIP-seq) library preparation

Διαθέσιμες τεχνολογίες αλληλούχισης

• 1^st generation – Sanger sequencing on a compact SeqStudio genetic analyser
• 2^nd generation – NGS on Ion Torrent (Thermo), NextSeq2000 and iSeq100 Illumina Platforms with single-end or paired-end short read sequencing
• 3^rd generation – NGS on MinION (Oxford Nanopore Technologies) with single-end 1-D or 2-D ultra-long reads both on standard and low throughput flowcells

Βιοπληροφορικές ροές

Η ομάδα της BiGen ανανεώνει και επικαιροποιεί συνεχώς τα βιοπληροφορικά εργαλεία και τις εφαρμογές που χρησιμοποιεί. Κάθε αναλυτικό βήμα ελέγχεται με την βοήθεια εσωτερικών μαρτύρων για την διασφάλιση της ποιότητας των αποτελεσμάτων

Βασικές βιοπληροφορικές ροές:

• Whole genome reconstruction, denovo assembly and functional annotation (WGS)
• Whole Genome Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) calling and functional annotation
• Whole Genome large-scale structural variations calling and functional annotation
• Genome Wide Association Studies (GWAS)
• RNAseq: Differential gene expression analysis, Gene Ontologies enrichment analysis and clustering
• Single-cell RNAseq: Quality control, clustering, marker detection, cell annotation, differential expression analysis, trajectory analysis
• Metagenomics and Metaviromics, microbiome enrichment analysis
• Genome-wide DNA methylation patterns recognition and profiles comparison
• ATAC-seq peak calling, peak differential analysis and annotation, motif enrichment, footprinting, and nucleosome position analysis
• Genome wide double stranded DNA Breaks Labeling In Situ and Sequencing (BLISS)
• Epidemiology: Phylogenetics, phylogenomics, phylodynamics, phylogeography

Η BiGen είναι εξοπλισμένη με αναλυτές τελευταίας τεχνολογίας με συμπληρωματικά χαρακτηριστικά, ώστε να προσφέρουν μέγιστη ευελιξία στο σχεδιασμό πειραμάτων οποιασδήποτε τεχνολογίας και οποιασδήποτε κλίμακας.

Ο αναλυτής Illumina NextSeq 2000 χρησιμοποιεί τεχνολογία ενσωματωμένων αντιδραστηρίων σε κασέτα, απλοποιώντας σημαντικά την πειραματική διαδικασία. Υποστηρίζει μεσαίας-μεγάλης κλίμακας εφαρμογές NGS, έχοντας την δυνατότητα να παράγει από 100 εκατ. έως 2.4 δις αναγνώσεις (reads) (30-360Gb), ενώ προσφέρει μεγάλη ευελιξία στον συνδυασμό πολλαπλών δειγμάτων και στην συμβατότητα με αντιδραστήρια πολλών εταιριών. Είναι ιδανικός για μεθόδους όπως exome sequencing, target enrichment, single-cell profiling, transcriptome sequencing, epigenomics κλπ.

Ο αναλυτής Ion S5 NGS system (ThermoFisher Scientific) εκμεταλλεύεται την τεχνολογία των ημιαγωγών για την παραγωγή δεδομένων υψηλής ποιότητας σε λιγότερο από 2.5 ώρες. Ο Ion S5 συνοδεύεται από το σύστημα Ion OneTouch 2 που πραγματοποιεί την προετοιμασία του δείγματος και τον εμπλουτισμό. Κάνει χρήση αντιδραστηρίων σε κασέτα και προσφέρει μεγάλη ευελιξία σε εφαρμογές μεσαίας κλίμακας (0.6 – 30Gb) όπως targeted gene panel sequencing, pathogens WGS κλπ.

Ο αναλυτής MinION NGS (Oxford Nanopore Technologies) είναι μία πλατφόρμα μικρής κλίμακας αν και είναι πλέον σε θέση να παράγει μέχρι 30 Gb δεδομένων DNA (7-12 εκατ. αναγνώσεις). Χαρακτηριστικό της πλατφόρμας είναι οι αναγνώσεις εξαιρετικά μεγάλου μήκους (εκατοντάδες χιλιάδες βάσεις) κάνοντάς τον ιδανικό για πειράματα δομικής γενωμικής. Επιπλέον τα δεδομένα συλλέγονται σε πραγματικό χρόνο.

O αναλυτής SeqStudio Genetic Analyzer (Applied Biosystems) είναι ένα μικρού μεγέθους, 4-capillary, σύστημα τριχοειδικής ηλεκτροφόρησης (Sanger), που χρησιμοποιεί αντιδραστήρια σε κασέτα, παρέχοντας την δυνατότητα για ταυτόχρονη αλληλούχιση και ανάλυση μεγέθους θραυσμάτων DNA.

Η πλατφόρμα 10x Chromium X χρησιμοποιεί εξειδικευμένα microfluidics για να  απομονώσει μονήρη κύτταρα (single cell) και να τα κωδικοποιήσει μέσα σε λίγα λεπτά. O Chromium X επιτρέπει την ανάλυση μονήρων κυττάρων σε μαζική κλίμακα και σε πολλές διαστάσεις όπως: gene expression, cell surface proteins, immune clonotype, antigen specificity, and chromatin accessibility. Η πλατφόρμα μας υποστηρίζει επίσης την προσθήκη τεχνολογίας Feature Barcode Technology (FLEX) η οποία επιτρέπει το συνδυασμό πολλαπλών δειγμάτων ενώ παράλληλα αυξάνεται η παραγωγή δεδομένων.

Ο έλεγχος ποιότητας των δειγμάτων και των βιβλιοθηκών εκτελείται με το σύστημα 2100 Bioanalyzer το οποίο είναι καθιερωμένο εργαλείο αυτόματης ηλεκτροφόρησης. Το 2100 Bioanalyzer, μαζί με το 2100 Expert Software, παρέχει υψηλής ακρίβειας αναλύσεις διαφόρων τύπων δειγμάτων σε πειραματικές ροές. Ξεκινώντας από ελάχιστη ποσότητα, και σε διάστημα λίγων λεπτών, τα ψηφιακά δεδομένα προσφέρουν αντικειμενική αξιολόγηση μεγέθους, ποσότητας, ακεραιότητας και καθαρότητας σε δείγματα DNA, RNA και πρωτεΐνών. 

Η ποσοτική μέτρηση των βιβλιοθηκών επιτυγχάνεται επίσης και με το Qubit 4 Fluorometer (Invitrogen). Το Qubit 4 είναι σχεδιασμένο να μετράει με ακρίβεια την συγκέντρωση δειγμάτων DNA, RNA και πρωτεϊνών ενώ το συγκεκριμένο μοντέλο είναι σε θέση να αξιολογήσει την ποιότητα και την ακεραιότητα δειγμάτων RNA.

Το QIAxcel Advanced system είναι άλλη μία πλατφόρμα η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια του ποιοτικού ελέγχου καθώς, πραγματοποιώντας με αυτόματο τρόπο το διαχωρισμό τμημάτων DNA και RNA με βάση το μοριακό τους βάρος μπορεί να καθορίσει το μέγεθος και τη συγκέντρωση τμημάτων DNA, την αναλογία 28S/18S, τη συγκέντρωση και την ποιότητα ολικού RNA καθώς και την ποιότητα cRNA/cDNA και τμηματικού RNA/DNA.

Η μονάδα BiGen διαθέτει ειδικό γραφείο βιοπληροφορικών αναλύσεων, με  τερματικά υψηλών επιδόσεων (Linux workstations) και ένα κεντρικό High Performance Computing (HPC) Server με εγκατεστημένα και επικαιροποιημένα βιοπληροφορικά εργαλεία και αναλυτικές ροές. Ο Server είναι προσβάσιμος και εξ αποστάσεως ενώ εξειδικευμένο προσωπικό IT φροντίζει για την απρόσκοπτη λειτουργία του. Νέο λογισμικό μπορεί να εγκατασταθεί ανά πάσα στιγμή ενώ δεν υπάρχουν περιορισμοί στην διάθεση των πόρων και της υπολογιστικής ισχύος. Ο server και τα μηχανήματα αλληλούχισης συνδέονται με σύστημα NAS σε διάταξη RAID5 για επιπλέον αποθηκευτικό χώρο και τήρηση αντιγράφων ασφαλείας. Επιπλέον υπολογιστική ισχύς και αποθηκευτικός χώρος παρέχονται από το HYPATIA Cloud infrastructure του ELIXIR-GR υπό μορφή 24/7 VMs και storage volumes.

• Περιφερειακό Επιχειρησιακό Πρόγραμμα “Αττική 2014-2020” : Υποδομή Υψηλής Τεχνολογίας για Προκλινικές Μελέτες και Παροχή Εξειδικευμένων Υπηρεσιών για Λοιμώδη και Νευροεκφυλιστικά Νοσήματα.

Bousali M, Pogka V, Vatsellas G, Loupis T, Athanasiadis EI, Zoi K, Thanos D, Paraskevis D, Mentis A, Karamitros T. Tracing the First Days of the SARS-CoV-2 Pandemic in Greece and the Role of the First Imported Group of Travelers. Microbiol Spectr. 2022 Dec 21;10(6):e0213422. doi: 10.1128/spectrum.02134-22. Epub 2022 Nov 21. PMID: 36409093

Pogka V, Papadopoulou G, Valiakou V, Sgouras DN, Mentis AF, Karamitros T. Targeted Virome Sequencing Enhances Unbiased Detection and Genome Assembly of Known and Emerging Viruses-The Example of SARS-CoV-2. Viruses. 2022 Jun 11;14(6):1272. doi: 10.3390/v14061272.

Zampetidis CP, Galanos P, Angelopoulou A, Zhu Y, Polyzou A, Karamitros T, Kotsinas A, Lagopati N, Mourkioti I, Mirzazadeh R, Polyzos A, Garnerone S, Mizi A, Gusmao EG, Sofiadis K, Gál Z, Larsen DH, Pefani DE, Demaria M, Tsirigos A, Crosetto N, Maya-Mendoza A, Papaspyropoulos A, Evangelou K, Bartek J, Papantonis A, Gorgoulis VG. A recurrent chromosomal inversion suffices for driving escape from oncogene-induced senescence via subTAD reorganization. Mol Cell. 2021 Dec 2;81(23):4907-4923.e8. doi: 10.1016/j.molcel.2021.10.017. Epub 2021 Nov 17. PMID: 34793711

Bousali M, Papatheodoridis G, Paraskevis D, Karamitros T. Hepatitis B Virus DNA Integration, Chronic Infections and Hepatocellular Carcinoma. Microorganisms. 2021 Aug 23;9(8):1787. doi: 10.3390/microorganisms9081787.

Karamitros T, Pogka V, Papadopoulou G, Tsitsilonis O, Evangelidou M, Sympardi S, Mentis A. Dual RNA-Seq Enables Full-Genome Assembly of Measles Virus and Characterization of Host-Pathogen Interactions. Microorganisms. 2021 Jul 20;9(7):1538. doi: 10.3390/microorganisms9071538.

Bousali M, Dimadi A, Kostaki EG, Tsiodras S, Nikolopoulos GK, Sgouras DN, Magiorkinis G, Papatheodoridis G, Pogka V, Lourida G, Argyraki A, Angelakis E, Sourvinos G, Beloukas A, Paraskevis D, Karamitros T. SARS-CoV-2 Molecular Transmission Clusters and Containment Measures in Ten European Regions during the First Pandemic Wave. Life (Basel). 2021 Mar 9;11(3):219. doi: 10.3390/life11030219.

Kontizas E, Tastsoglou S, Karamitros T, Karayiannis Y, Kollia P, Hatzigeorgiou AG, Sgouras DN. Impact of Helicobacter pylori Infection and Its Major Virulence Factor CagA on DNA Damage Repair. Microorganisms. 2020 Dec 16;8(12):2007. doi: 10.3390/microorganisms8122007.

Pogka V, Horefti E, Evangelidou M, Kostaki EG, Paraskevis D, Flountzi A, Georgakopoulou T, Magaziotou I, Mentis A, Karamitros T. Spatiotemporal Distribution and Genetic Characterization of Measles Strains Circulating in Greece during the 2017-2018 Outbreak. Viruses. 2020 Oct 15;12(10):1166. doi: 10.3390/v12101166.

Bastard P, Rosen LB, Zhang Q, Michailidis E, Hoffmann HH, […], COVID Human Genetic Effort […]. Autoantibodies against type I IFNs in patients with life-threatening COVID-19. Science. 2020 Oct 23;370(6515):eabd4585. doi: 10.1126/science.abd4585. Epub 2020 Sep 24.

Zhang Q, Bastard P, Liu Z, Le Pen J, Moncada-Velez M, […], COVID Human Genetic Effort, […]. Inborn errors of type I IFN immunity in patients with life-threatening COVID-19. Science. 2020 Oct 23;370(6515):eabd4570. doi: 10.1126/science.abd4570. Epub 2020 Sep 24.

Karamitros T, Papadopoulou G, Bousali M, Mexias A, Tsiodras S, Mentis A. SARS-CoV-2 exhibits intra-host genomic plasticity and low-frequency polymorphic quasispecies. J Clin Virol. 2020 Oct;131:104585. doi: 10.1016/j.jcv.2020.104585. Epub 2020 Aug 11.

Harakeh S, Angelakis E, Karamitros T, Bachar D, Bahijri S, Ajabnoor G, Alfadul SM, Farraj SA, Al Amri T, Al-Hejin A, Ahmed A, Mirza AA, Didier R, Azhar EI. Impact of smoking cessation, coffee and bread consumption on the intestinal microbial composition among Saudis: A cross-sectional study. PLoS One. 2020 Apr 29;15(4):e0230895. doi: 10.1371/journal.pone.0230895.

Hurst TP, Aswad A, Karamitros T, Katzourakis A, Smith AL, Magiorkinis G. Interferon-Inducible Protein 16 (IFI16) Has a Broad-Spectrum Binding Ability Against ssDNA Targets: An Evolutionary Hypothesis for Antiretroviral Checkpoint. Front Microbiol. 2019 Jul 4;10:1426. doi: 10.3389/fmicb.2019.01426.

Karamichali E, Chihab H, Kakkanas A, Marchio A, Karamitros T, Pogka V, Varaklioti A, Kalliaropoulos A, Martinez-Gonzales B, Foka P, Koskinas I, Mentis A, Benjelloun S, Pineau P, Georgopoulou U. HCV Defective Genomes Promote Persistent Infection by Modulating the Viral Life Cycle. Front Microbiol. 2018 Dec 3;9:2942. doi: 10.3389/fmicb.2018.02942.

Karamitros T, Hurst T, Marchi E, Karamichali E, Georgopoulou U, Mentis A, Riepsaame J, Lin A, Paraskevis D, Hatzakis A, McLauchlan J, Katzourakis A, Magiorkinis G. Human Endogenous Retrovirus-K HML-2 integration within RASGRF2 is associated with intravenous drug abuse and modulates transcription in a cell-line model. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Oct 9;115(41):10434-10439. doi: 10.1073/pnas.1811940115. Epub 2018 Sep 24.

Karamitros T, van Wilgenburg B, Wills M, Klenerman P, Magiorkinis G. Nanopore sequencing and full genome de novo assembly of human cytomegalovirus TB40/E reveals clonal diversity and structural variations. BMC Genomics. 2018 Aug 2;19(1):577. doi: 10.1186/s12864-018-4949-6.

Karamitros T, Papatheodoridis G, Paraskevis D, Hatzakis A, Mbisa JL, Georgopoulou U, Klenerman P, Magiorkinis G. Impact of Interferon-α Receptor-1 Promoter Polymorphisms on the Transcriptome of the Hepatitis B Virus-Associated Hepatocellular Carcinoma. Front Immunol. 2018 Apr 16;9:777. doi: 10.3389/fimmu.2018.00777.

Kostaki EG, Karamitros T, Stefanou G, Mamais I, Angelis K, Hatzakis A, Kramvis A, Paraskevis D. Unravelling the history of hepatitis B virus genotypes A and D infection using a full-genome phylogenetic and phylogeographic approach. Elife. 2018 Aug 7;7:e36709. doi: 10.7554/eLife.36709.

Kostaki EG, Karamitros T, Bobkova M, Oikonomopoulou M, Magiorkinis G, Garcia F, Hatzakis A, Paraskevis D. Spatiotemporal Characteristics of the HIV-1 CRF02_AG/CRF63_02A1 Epidemic in Russia and Central Asia. AIDS Res Hum Retroviruses. 2018 May;34(5):415-420. doi: 10.1089/AID.2017.0233. Epub 2018 Apr 5.

Karamitros T, Papatheodoridis G, Paraskevis D, Hatzakis A, Mbisa JL,Georgopoulou U, Klenerman P, Magiorkinis G. Impact of Interferon-α Receptor-1 Promoter Polymorphisms on the Transcriptome of the Hepatitis B Virus-Associated Hepatocellular Carcinoma. Front Immunol. 2018 Apr 16;9:777. doi: 10.3389/fimmu.2018.00777.

Santander CG, Gambron P, Marchi E, Karamitros T, Katzourakis A, Magiorkinis G. STEAK: A specific tool for transposable elements and retrovirus detection in high-throughput sequencing data. Virus Evol. 2017 Aug 21;3(2):vex023. doi: 10.1093/ve/vex023.

Karamitros T, Paraskevis D, Hatzakis A, Psichogiou M, Elefsiniotis I, Hurst T, Geretti AM, Beloukas A, Frater J, Klenerman P, Katzourakis A, Magiorkinis G. A contaminant-free assessment of Endogenous Retroviral RNA in human plasma. SciRep. 2016 Sep 19;6:33598. doi: 10.1038/srep33598.

Karamitros T, Harrison I, Piorkowska R, Katzourakis A, Magiorkinis G, Mbisa JL. De Novo Assembly of Human Herpes Virus Type 1 (HHV-1) Genome, Mining of Non- Canonical Structures and Detection of Novel Drug-Resistance Mutations Using Short- and Long-Read Next Generation Sequencing Technologies. PLoS One. 2016 Jun 16;11(6):e0157600. doi: 10.1371/journal.pone.0157600.

Karamitros T, Magiorkinis G. A novel method for the multiplexed target enrichment of MinION next generation sequencing libraries using PCR-generated baits. Nucleic Acids Res. 2015 Dec 15;43(22):e152. doi: 10.1093/nar/gkv773. Epub 2015 Aug 3.