余蕾 張蕾 顧峻嫣 程明亮 黃林 夏曙華 程樹強 簡單 王荔平 孫朝琴 王焱 楊國珍
·技術(shù)與方法·
外顯子組測序技術(shù)對疑似魚鱗病患兒進行分子診斷的方法學(xué)研究
余蕾 張蕾 顧峻嫣 程明亮 黃林 夏曙華 程樹強 簡單 王荔平 孫朝琴 王焱 楊國珍
外顯子組測序是利用序列捕獲技術(shù)將全基因組外顯子區(qū)域DNA捕捉并富集后進行高通量測序的基因組分析方法,由于其具有對常見和罕見變異的高靈敏度,能發(fā)現(xiàn)外顯子區(qū)絕大部分疾病相關(guān)變異以及僅需對約1%的基因組進行測序等優(yōu)點,使外顯子組測序成為鑒定孟德爾遺傳病致病基因最有效的策略,也被運用于復(fù)雜易感基因的研究和臨床診斷中[1]。本研究針對1例臨床上疑似魚鱗病的患兒,通過外顯子組測序?qū)嶒?,檢測該患兒在遺傳水平上攜帶的突變,為臨床診斷和治療提供相關(guān)信息,并探討利用外顯子組測序作為臨床疑難雜癥輔助治療手段的可能性。
患兒男,出生于2013年8月1日(剖宮產(chǎn)出生,其母產(chǎn)前5 d入院檢查持續(xù)尿蛋白+++,血清白蛋白較低,輸血漿不能糾正),體重2.4 kg,發(fā)育基本正常,全身皮膚硬,無彈性,火紅焦化狀脫皮;頭發(fā)呈卷曲碾碎感。顯微鏡下見頭發(fā)呈竹節(jié)狀,臨床診斷為火棉膠嬰兒(圖1)。除此癥狀之外,無其他異常,從外觀上看懷疑為魚鱗病。染色體和染色體微缺失檢查正常。父母體健,否認近親結(jié)婚,家族中未見類似患兒。
圖1 疑似魚鱗病患兒全身皮膚硬,無彈性,火紅焦化狀脫皮;頭發(fā)呈卷曲碾碎感
1.試劑與儀器:QIAamp DNA Blood Mini Kit(德國Qiagen公司;貨號:51104),Gnomegen DNA-Seq Library Preparation Kit(美國Gnomegen公司;貨號:K02422),Gnome size selector(美國 Gnomegen公司;貨號:R02424L),PCR 儀(美國 ABI公司;型號:2720),Concentrator plus真空離心濃縮儀(德國eppendorf公司),小型高速離心機(德國eppendorf公司,型號:5418),實時定量PCR儀(德國eppendorf公司,型號:4376600),通用電泳儀(杭州匯爾儀器,型號:JY300C),渦旋儀(北京京輝凱業(yè)科技有限公司;型號:JHX24H),金屬?。ê贾萑鹫\儀器有限公司;型號:DH100-1)。
2.血液提取及基因組DNA的純化、定量:取患兒EDTA抗凝全血2~3ml,提取DNA,DNA的純化采用QIAamp DNA Blood Mini Kit,按試劑盒說明書操作。電泳檢測基因組DNA的完整性。
3.外顯子捕獲:液相雜交法進行目標(biāo)基因篩選:
(1)文庫制備:文庫構(gòu)建采用Gnomegen DNA-Seq Library Preparation Kit,首先利用Covaris專利的自適應(yīng)聚焦聲波(Adaptive Focused Acoustics,AFA)技術(shù)將樣品基因組DNA進行隨機打斷,獲得片段化DNA,斷裂要求:300~500 bp片段,以400 bp為中心峰值;然后對片段化的DNA進行末端修復(fù)和加dA尾,經(jīng)過磁珠純化之后,在純化的DNA樣品中加入連接接頭,再次進行磁珠純化,然后對帶接頭的純化DNA樣品進行PCR擴增,對PCR產(chǎn)物進行磁珠純化后,制成300~500 bp片段文庫,-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>
(2)液相雜交、捕獲與洗脫:人工合成探針(圖2B),首先將擴增的DNA文庫樣品與制備好的探針Nimblegen SeqCap EZ Human Exome Library v3.0(帶生物素)加入適當(dāng)?shù)囊合嚯s交體系中,經(jīng)過47℃,72 h溫浴,雜交完成。然后用鏈霉親和素磁珠對雜交產(chǎn)物進行序列捕獲,將目標(biāo)DNA(帶生物素)綁定到磁珠上。之后用3種洗脫緩沖液對磁珠進行洗脫,洗脫后的目標(biāo)DNA溶液-20℃保存。
(3)篩選后文庫的擴增及純化:以洗脫后的目標(biāo)DNA溶液為模板進行連接介導(dǎo)的PCR(Ligation.Mediated PCR,簡稱LM-PCR)擴增,對捕獲的目標(biāo)基因進行富集。PCR產(chǎn)物經(jīng)過Gnome size selector磁珠純化后,-20℃保存。
(4)qPCR法鑒定捕獲效率:經(jīng)過捕獲的DNA,一般絕對數(shù)量較低,需要經(jīng)過另一輪擴增才能產(chǎn)生用于高通量測序的樣品。將捕獲前后的DNA文庫通過內(nèi)部參照序列的qPCR分析,可以判斷捕獲的效率及專一性。以PCR水為空白對照模板,擴增的DNA文庫為陽性對照模板,以擴增后的捕獲DNA為實驗組模板,選用4對引物進行qPCR SYBR Green實驗,通過比較捕獲組(CAP)和未捕獲組(NON)的Ct值來鑒定捕獲效率。
4.高通量測序:將捕獲富集并驗證的DNA文庫采用Illumina HiSeq 2000平臺測序,讀長為2×100 bp雙向測序,測序深度為>100×。
5.生物信息學(xué)分析:對于測序原始數(shù)據(jù),首先采用fastqc軟件對數(shù)據(jù)質(zhì)量做質(zhì)控,然后采用bwa軟件與參考基因組hg19作比對,將比對結(jié)果去除重復(fù)片段并排序,接著采用GATK Indelrealigner對結(jié)果做重比對,然后采用GATK UnifiedGenotyper做變異檢測,得到snp和indel的信息,并過濾snp和indel得到可信的snp和indel??尚诺膕np和indel被用來做后續(xù)的annovar、sift和polyphen注釋,最后搜索OMIM數(shù)據(jù)庫,查看樣本疾病攜帶信息,并采用在線版HGMD 數(shù)據(jù)庫做了注釋[2-6]。
6.PCR擴增和sanger測序:再次以該患兒的基因組DNA為模板,針對檢測到的突變位點,采用PCR擴增的方法,對位點附近序列進行擴增,引物序列為正向引物:5′-AGCTCAATGTAGCCTTCATGA-3′,反向引物:5′-TGGCTAAC TCCCACATAATGAA-3′。反應(yīng)條件為:94 ℃ 5min,94 ℃ 30 s,58℃1min,72℃30 s,30個循環(huán),再72℃7min。對擴增所得PCR產(chǎn)物回收、純化之后,進行sanger測序。
圖2 液相雜交兩種探針的設(shè)計圖 2A:普通探針設(shè)計使得目標(biāo)序列每個位點的覆蓋度為1~2×,且探針密度不夠高,導(dǎo)致有些區(qū)域的突變無法捕獲;2B:本研究設(shè)計的探針使得目標(biāo)區(qū)域的每個位點都被多重覆蓋,且探針密度非常高,不同位置的突變都可以被捕獲
對不明病因患兒的外顯子組測序的流程包括樣品收集及DNA提取,文庫制備和目標(biāo)基因篩選,測序及數(shù)據(jù)分析3個模塊。
1.基因組DNA純化:針對血液樣本進行基因組DNA純化,電泳檢測結(jié)果顯示,DNA的完整性良好。Qubit定量結(jié)果顯示,該基因組DNA的質(zhì)量濃度為130 mg/L,符合文庫構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)。
2.文庫構(gòu)建和目標(biāo)基因篩選:對純化好的基因組DNA進行文庫構(gòu)建和目標(biāo)基因篩選,對目標(biāo)基因篩選后文庫進行qRT-PCR質(zhì)檢,通常認為捕獲前后參照序列的富集倍數(shù)(2△Ct)超過30倍,即△Ct大于5時,便可以進入下一步高通量測序。結(jié)果(表1)顯示,血液樣品4對引物的△Ct值均大于7,表示目標(biāo)序列均富集了135倍以上。
3.高通量測序及數(shù)據(jù)分析:對捕獲后的文庫進行上機測序和數(shù)據(jù)分析,結(jié)果顯示,該DNA樣品捕獲的目標(biāo)區(qū)域大小為64 Mbp,符合人基因組外顯子區(qū)的大小。目標(biāo)區(qū)域的測序深度(即測序得到的堿基總量與目標(biāo)區(qū)域大小的比值)為106×,通常認為當(dāng)測序深度在10~15×以上時,目標(biāo)區(qū)域覆蓋度和測序錯誤率控制均得以保證。序列匹配時,發(fā)現(xiàn)有超過99.3%的高質(zhì)量讀長被匹配到人類基因組參考序列(hg19)上,總共有超過98.6%的外顯子區(qū)域序列被覆蓋了4倍以上,超過97.4%的外顯子區(qū)域序列被覆蓋了10倍以上,超過95.0%的外顯子區(qū)域序列被覆蓋了20倍以上,超過90.5%的外顯子區(qū)域序列被覆蓋了30倍以上,超過83.8%的外顯子區(qū)域序列被覆蓋了40倍以上,超過75.9%的外顯子區(qū)域序列被覆蓋了50倍以上。
對該患兒的外顯子組測序共發(fā)現(xiàn)了172 639個SNP位點,20 434個插入/缺失位點,其中新的SNP位點為18 825個,新的Indels為6 890個。通過對這些突變位點進行致病性分析以及可能導(dǎo)致疾病的推測,共發(fā)現(xiàn)19個可能的致病突變(表2),其中位于第5條染色體上的SPINK5基因的第5外顯子保守區(qū)序列位點發(fā)生了非同義突變c.318G>A,導(dǎo)致了氨基酸的改變Asp-Asn,從而可能引起內(nèi)瑟頓綜合征(Netherton syndrome)的發(fā)生。
內(nèi)瑟頓綜合征的臨床特征為魚鱗病樣紅皮病、發(fā)干異常和特應(yīng)性素質(zhì),出生時即出現(xiàn)紅斑,這些癥狀與本研究的患兒臨床癥狀類似。將臨床癥狀結(jié)合基因檢測結(jié)果,初步確定該患兒為攜帶SPINK5基因雜合突變G318A的內(nèi)瑟頓綜合征患者。
4.序列驗證:經(jīng)過PCR擴增,得到了380 bp的目的片段,電泳結(jié)果見圖3。對目的片段進行回收、純化、一代測序,結(jié)果顯示,該患兒的SPINK5基因確實存在G318A的雜合突變(圖4)。
表1 捕獲后血液基因組DNA文庫的qRT-PCR QC結(jié)果
2010年,Bilgüvar等[7]運用 NimbleGen 2.1M 芯片捕獲外顯子,并用Genome AnalyzerⅡ測序系統(tǒng)對1例患者測序,發(fā)現(xiàn)WDR62基因與腦皮質(zhì)發(fā)育異常疾病相關(guān),從而能解釋一系列的嚴(yán)重皮質(zhì)畸形的癥狀,該研究提示,外顯子測序?qū)哂羞z傳異質(zhì)性和診斷亞型困難的疾病有一定幫助。2011年,Worthey等[8]對1例臨床上難以診斷疾病的患兒進行全外顯子組測序,發(fā)現(xiàn)XIAP(X染色體的細胞凋亡抑制劑)基因上存在非同義突變,對基因功能和涉及代謝通路進行分析,結(jié)合患兒的臨床癥狀,最終確定該患兒所得疾病為難治性炎性腸病。
表2 疑似魚鱗病患兒的致病突變檢測結(jié)果
本研究針對1例臨床上無法準(zhǔn)確判斷其病癥的疑似魚鱗病患兒,采用外顯子組測序技術(shù),對患兒的血液樣本進行目標(biāo)基因篩選、高通量測序及數(shù)據(jù)分析。外顯子組測序技術(shù)的難點在于探針的設(shè)計,要求探針設(shè)計在維持專一性的同時,能有效捕獲攜帶突變的片段。我們采用的是下面這種很多探針位置交錯,大量起始點不同的探針去雜交捕獲(由于探針是根據(jù)野生型正常序列設(shè)計,有突變序列的雜交效率低于正常序列,這種探針設(shè)計可以有效彌補這一缺陷)(圖2B),可以高效地捕獲發(fā)生變異的目標(biāo)基因片段,定制過程中我們充分考慮了探針的密度和數(shù)量,并對雜交條件進行優(yōu)化,最大可能發(fā)現(xiàn)更多的基因變異信息。
圖3 SPINK5(G318A)突變位點序列PCR擴增電泳結(jié)果 目的片段為380 bp
圖4 SPINK5(G318A)突變位點序列的sanger測序圖譜 對目的片段進行一代測序,發(fā)現(xiàn)SPINK5(G318A)確實存在G318A的雜合突變
外顯子測序的結(jié)果顯示,64 Mbp的目標(biāo)基因長度(符合人外顯子的大?。?、106×的測序深度、99.3%的目標(biāo)區(qū)域覆蓋度以及有超過90.5%的目標(biāo)區(qū)域被覆蓋了30倍以上,已有研究表明,30倍以上的覆蓋度就足夠發(fā)現(xiàn)低頻的SNP、插入/缺失等位點[9-16],因此這樣的測序深度和覆蓋度足夠發(fā)現(xiàn)發(fā)生頻率很低的突變位點,可以達到預(yù)期的目的。通過對測序所得的SNP位點和Indels進行基因功能注釋和致病性分析,發(fā)現(xiàn)一個已被確定的可以導(dǎo)致內(nèi)瑟頓綜合征的致病突變:SPINK5(G318A)。
內(nèi)瑟頓綜合征是由SPINK5(LEKTI)(皮膚激肽釋放酶級聯(lián)的一種主要抑制劑)中的突變造成的罕有常染色體隱性遺傳性皮膚病,絲氨酸蛋白酶激肽釋放酶(KLK)活性增加已經(jīng)被證明是其臨床癥狀的成因[17]。有文獻證明,患有內(nèi)瑟頓綜合征的患者在編碼LEKTI的SPINK5基因中出現(xiàn)了閱讀框偏移和無義突變[18-20],LEKTI為具有對抗多種 KLK(包括KLK5、6、7、13 和 14)的活性絲氨酸蛋白酶抑制劑[21-22],這類基因缺陷會導(dǎo)致抑制結(jié)構(gòu)域的缺失,使在正常的皮膚生理學(xué)中起到關(guān)鍵作用的激肽釋放酶KLK蛋白活性增加,從而引起內(nèi)瑟頓綜合征的發(fā)生。Chavanas等[23]總結(jié)了導(dǎo)致內(nèi)瑟頓綜合征發(fā)生的SPINK5基因突變有13個。2012年,Zhang等[24]在1例中國成年內(nèi)瑟頓綜合征的患者中發(fā)現(xiàn)了SPINK5基因的雜合突變G318A,并通過免疫組化技術(shù)檢測到擁有該突變的個體LEKTI的表達量明顯降低,從而確定SPINK5基因的雜合突變G318A為一新的導(dǎo)致內(nèi)瑟頓綜合征發(fā)生的致病突變。從該疾病的致病機理可以推斷出,給內(nèi)瑟頓綜合征患者補充絲氨酸蛋白酶抑制劑,理論上可以有效控制病癥,具體應(yīng)用需要進一步的功能驗證和臨床試驗。
利用目標(biāo)基因篩選技術(shù),將全基因組外顯子區(qū)域的序列作為靶向基因,從基因組DNA中篩選出來并進行測序和分析,既可以大幅度降低測序成本,又能增加測序深度和檢測靈敏度,更重要的是,目前一致認為大部分功能變異都潛藏在外顯子中[25],有機會發(fā)現(xiàn)更多有價值的突變,因此全外顯子組測序的技術(shù)已成為現(xiàn)階段基因測序工作的重心。Biesecker等[26]在 Nature Genetics 發(fā)表評論:外顯子組測序使得醫(yī)學(xué)基因組學(xué)成為現(xiàn)實。我們的研究進一步證實了外顯子組測序技術(shù)作為臨床難以診斷疾病的輔助診療手段的可能性。相信隨著技術(shù)的發(fā)展、測序成本的降低以及后續(xù)分析手段的豐富,預(yù)期在不久的將來,外顯子測序會廣泛被運用到疾病的分子診斷,為臨床一些難以診斷的疾病提供一種新的診斷思路。
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2014-03-27)
(本文編輯:周良佳 顏艷)
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