CN103080336B - 检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了检测胚胎或肿瘤细胞染色体拷贝数的试剂盒及其装置和方法。该方法包括取母体或肿瘤患者血液,分离血细胞和血浆,从血浆中提取DNA,构建测序文库和测序。

Description

检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒、装置和方法
技术领域
本发明涉及检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒、装置以及方法。
背景技术
染色体拷贝数异常和人类的疾病有着密切的关系。在携带遗传性疾病的胚胎细胞中以及肿瘤细胞中均有染色体异常的存在。平均每1000个新生儿中,有9个会携带因染色体拷贝数异常而导致的疾病(1)。因此在胎儿尚未出生之前能够检测出染色体拷贝数是很重要的。然而,目前所用的诊断方法,包括羊膜穿刺和羊绒毛膜取样,都属于有创伤的方法,会给孕妇和胎儿带来一定的风险。用血清蛋白标记物和超声波来检测胎儿是否有染色体拷贝数异常的疾病虽无创伤,但不是直接检测致病因素,因而准确性和灵敏度都不太好(2),也存在不能尽早地发现染色体拷贝数异常疾病的问题。这样的现状促使研究人员去开发一种精确而且灵敏度高的无创诊断和检测方法。
自从母体血液中的胚胎DNA被发现之后(3),无创伤地直接诊断和检测胚胎染色体异常性成了一个重大的研究课题。2007年,卢煜明教授和他的同事们证明可以用母体血浆mRNA中胎盘特异基因4的突变位点比例来断定胚胎是否有21号染色体3倍体(4)。突变位点比例同时也被用来判断18号染色体是否为3倍体(5)。它的局限性在于突变位点在人群中并不普遍,所以这些方法只适用于一部分人群。在同一时期,数码PCR(digital PCR,或dPCR)被用来检测胚胎的染色体3倍体(6),(7)。数码PCR的优势是不依赖任何突变位点,但它的精确度不够高,而且需要大量血样,加大了采样的困难。
近年来迅猛发展的高通量测序技术解决了以上的问题。这些技术包括Illumina公司的Genome Analyzer(8),Life Technologies公司的SOLiD(9),以及Helicos公司的Heliscope(10),能一次性地检测出几亿乃至几十亿个序列。用这些技术来检测母体血浆DNA时,血浆中微量的胚胎DNA的染色体数目的变化能被检测出来(11),(12),(13)。但因为测序的成本太高,目前这些技术尚未被普遍使用。同时,从母体血液中检测胚胎染色体的局部拷贝数的变化还属于未解决的难题。用高通量测序来检测母体血浆中胚胎染色体的拷贝数变化有一些优势,但目前价钱昂贵,不能普及。而且测序的偏差(CV)比较高,检测的精确度和稳定性也都有待改进。测序的偏差也决定了这种方法只适合少数几个染色体,如21号染色体,18号染色体,而且目前还不适合于染色体局部拷贝数变化的检测。
用高通量测序来检测染色体数目的变化的高成本和难度主要因为母体血浆中胚胎DNA的含量比较低,低时只占5%,尤其在胚胎发育的早期。母体血浆中的大部分DNA还是母体DNA。胚胎染色体数目或局部拷贝数的变化很容易被母体DNA的背景所覆盖。因此分离母体和胚胎DNA的方法也就成为多年来研究的课题,但成效不大。比较成功的方法应属Baylor医学院发明的针对组蛋白的分离方法(14)。不过分离出来的DNA量太少,只适合于突变位点的检测,不宜用来检测染色体拷贝数的变化。
发明内容
针对上面检测胚胎染色体拷贝数的方法中的种种问题,发明人设计出能有效地低成本检测出胚胎染色体全部或局部拷贝数的试剂盒、装置及方法。
本发明是基于以下的事实:发明人发现,通过本发明的方法所测得的来自各个染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系,上述现象可能与检测的方法相关,该线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,对于不同的染色体a和b可以是不同的值,可根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正,并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。通过GC含量的校正,能够有效地检测出原来仅仅靠各个染色体的DNA片段占总DNA片段比值的判断方法检测不出来的多个假阴性结果。在具体实施方式部分有具体的实验为证。
另外,如在文献中报道的(15),母体血浆中的胚胎DNA大部分为100bp到250bp的片段,且150bp到170bp的DNA尤其占多数,虽然母体的DNA也有很小部分分布在这个片段区域,但片段大于250bp的DNA基本上属于母体的DNA。本发明人发现,虽然理由未知,来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值在100bp到250bp之间的任意一点或任意一个区间处的DNA是均匀分布的,即各个染色体在100bp到250bp之间的任何一点,比如110bp或167bp(此位点的DNA量最多),与总DNA的比值代表了其他点的比值,因此,也就代表了各个染色体占100bp到250bp之间的所有DNA的比值。如果通过对所述DNA中100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的DNA进行测序,将所述DNA中100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA的测序结果与染色体组序列图谱进行比对,以确定所述DNA中100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中的每段DNA来自几号染色体和所述每段DNA的序列长度;并计算在同一样本内所述DNA中100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中来自待测染色体的DNA片段占100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA片段的比值,也就得到了各个胚胎染色体与总DNA的比值。这样大大降低了检测的结果。结合上面的根据GC校正的方法,根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正,并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。
同时,发明人发现在肿瘤发生的过程中,同样地,患者的血液中出现了与胚胎发育过程中母体血液中类似的现象,即在肿瘤患者的血液中,能够检测到游离的肿瘤细胞的DNA。通过本发明的方法所测得的来自各个染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系应同样适用于肿瘤细胞的DNA的染色体多倍体的检测。而且血浆中游离肿瘤细胞的DNA以核小体的形式存在,所以它们也大部分为100bp到250bp的片段,而且来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值在100bp到250bp之间的任意一点或任意一个区间处的DNA是均匀分布的,即各个染色体在100bp到250bp之间的任何一点,与总DNA的比值代表了其他点的比值,因此,也就代表了各个染色体占100bp到250bp之间的所有DNA的比值。因此,本发明的试剂盒、装置和方法也同样适用于检测肿瘤细胞染色体或局部染色体的拷贝数。
基于以上的发现,本发明人发明了相对无创且经济方便且更准确地检测胚胎或肿瘤染色体或局部染色体拷贝数的试剂盒、装置和方法。
本发明提供的一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒,包括:从母体或肿瘤患者体内取血液的器械;适合将所述血液中的血细胞和血浆分离的器械;抽提所述血浆中的DNA的试剂和器械;通过物理方法根据所述DNA的片段大小对其进行分离的试剂和器械;和取100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA进行测序的试剂和器械。。
优选地,所述胚胎或肿瘤染色体是整条染色体或局部染色体。
优选地,本发明的试剂盒还包括:将所述DNA制成供测序的文库的试剂和器械。
优选地,本发明的试剂盒还包括:对所述从血浆中抽提的DNA或所述供测序的文库进行PCR扩增的试剂和器械。
优选地,其中所述100-250bp之间的任意一点或任意一个区间的DNA是150bp-170bp的DNA,更优选地,是167bp的DNA。
本发明提供的另一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒,包括:从母体或肿瘤患者体内取血液的器械;适合将所述血液中的血细胞和血浆分离的器械;抽提所述血浆中的DNA的试剂和器械;将所述DNA制成可供测序的文库的试剂和器械;和对所述DNA进行测序的试剂和器械。其中所述胚胎或肿瘤染色体是整条染色体或局部染色体。
优选地,本发明的试剂盒还包括:对从血浆中抽提的所述DNA进行PCR扩增的试剂和器械。
本发明提供的一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的装置,包括:检测模块,用于对母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA进行测序,所述测序包括了将母体血浆或肿瘤患者血浆样本的所有DNA制成可供测序的文库的过程;比对模块,用于将所述DNA的测序结果与染色体组序列图谱进行比对,以确定所述DNA中的每段DNA来自几号染色体以及所述每段DNA的序列长度;计算模块,用于计算在同一样本内来自待测染色体的DNA片段的数量占DNA片段总数的比值,根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正;并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数;以及输出模块,用于输出所述待测染色体的拷贝数。
优选地,本发明的装置中的计算模块根据以下的函数对第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的比值进行校正:来自第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是负数。
优选地,所述来自第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的DNA片段的GC含量与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值之间的线性关系如在表1中所示。
优选地,本发明的装置中的计算模块根据以下的函数对第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的比值进行校正:来自第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是正数。
优选地,所述来自自第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的DNA片段的GC含量与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值之间的线性关系如在表2中所示。
优选地,所述测序包括了将母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的所有DNA制成可供测序的文库的过程。
优选地,所述对母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA进行测序是双端短序列测序、单端长序列测序或单端短序列测序。
优选地,其中所述胚胎或肿瘤染色体是整条染色体或局部染色体。
优选地,其中对所述母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA在测序前进行了PCR扩增。
优选地,本发明的装置中,计算模块用于计算在同一样本内100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中来自待测染色体的DNA片段数量占100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA片段总数的比值,根据100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中来自待测染色体的DNA片段的GC含量对所述比值进行校正;并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。。
优选地,其中将所述母体血浆或肿瘤患者血浆样本中100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA制成可供测序的文库。
优选地,其中所述母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA在被制作成可供测序的文库之前或之后进行了PCR扩增。
优选地,其中所述100-250bp之间的任意一点或任意一个区间的DNA是150bp-170bp的DNA,更优选地,是167bp的DNA。
本发明提供的一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的方法,包括以下步骤:取母体血浆或肿瘤患者血浆;将所述血液中的血浆和血细胞分离;将所述血浆中的DNA制作成可供测序的文库;对所述DNA测序文库进行测序;将所述测序的结果与染色体组序列图谱进行比对,确定每段所述DNA序列来自几号染色体以及每段所述DNA序列的长度;以及用所述DNA的测序和比对结果,计算在同一样本内来自待测染色体的DNA片段的数量占DNA片段总数的比值,根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正,并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。
优选地,本发明的方法根据以下的函数对第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的比值进行校正:来自第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是负数。
优选地,其中所述来自第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的DNA片段的GC含量与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值之间的线性关系如在表1中所示。
优选地,本发明的方法根据以下的函数对第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的比值进行校正:来自第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是正数。
优选地,其中所述来自第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的DNA片段的GC含量与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值之间的线性关系如在表2中所示。
优选地,仅取DNA的序列长度在100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA的测序和比对结果,计算在同一样本内100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中来自待测染色体的DNA片段数量占100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA片段总数的比值,根据100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正,并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。
优选地,对所述DNA测序文库进行测序是双端短序列测序、单端长序列测序或单端短序列测序。
优选地,所述100-250bp之间的任意一点或任意一个区间的DNA是150bp-170bp的DNA,更优选地,是167bp的DNA。
附图说明
图1是将母体血浆的DNA制成可供双端测序的文库后,用1%的琼脂糖凝胶电泳后的图像。左边的通道是DNA100bp标准样的图像,右边的通道是可供双端测序的文库DNA的图像,最明显的条带位于280bp左右,其中包含了120bp的连接引物。
图2是样品G356的DNA片段大小的分布图。
图3是比对后样品G356中确定来自X染色体的DNA片段根据片段大小所做的分布图。
图4是计算得出的和实际测得的G356的X染色体的DNA片段根据片段大小所做的分布图,图中带星号的线表示G356样品的总DNA序列数乘以X染色体的百分比后得到的图形,圆圈代表实际检测到的X染色体的序列数。如图中所示,计算得出的G356X染色体的DNA片段的分布与实际测量得到的分布基本相同,两条线基本吻合。
图5A-H是根据样品代号为:G356、G397(重复测了8次)、G426、G735、G756、G760、G763、G770、G778、G779、G780、G781、G824和G825中来自待测染色体的DNA片段的GC含量和来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,所做的标准曲线,样品G356、G397、G426、G735、G756、G760、G763、G770、G778、G779、G780、G781、G824和G825均由中南大学湘雅医学院通过羊膜腔穿刺经染色体核型鉴定为正常的女性胚胎样本[46,XX]。其中,X轴表示来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,Y轴表示来自待测染色体的DNA片段的GC含量。5A-F每幅图示出了针对三个染色体的标准曲线,依次示出了第1-18号染色体的标准曲线图,图5G示出了第19-22号染色体的标准曲线图,图5H示出了X染色体的标准曲线图。针对每个染色体的标准曲线的函数,如表1和表2中所示。
图6是用本发明的方法检测出来的第13号染色体三体的样品的示意图。其中,X轴表示来自13号染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,Y轴表示来自13号染色体的DNA片段的GC含量。在X轴上用菱形示出了各个样品中来自第13号染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,而用箭头指示出来的矩形表示经来自第13号染色体的DNA片段的GC含量校正后,检测出的第13号染色体三体的样品。如果不采用本发明的待测染色体的DNA片段的GC含量的校正,而仅从来自第13号染色体的DNA片段占总DNA片段的比值来看,根本发现不了箭头所指示的三个样品的异常,则会出现假阴性的结果。
图7是用本发明的方法检测出来的第18号染色体三体的样品的示意图。其中,X轴表示来自18号染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,Y轴表示来自18号染色体的DNA片段的GC含量。在X轴上用菱形示出了各个样品中来自第18号染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,而用箭头指示出来的矩形表示经来自第18号染色体的DNA片段的GC含量校正后,检测出的第18号染色体三体的样品。如果不采用本发明的待测染色体的DNA片段的GC含量的校正,而仅从来自第18号染色体的DNA片段占总DNA片段的比值来看,仅仅能发现来自第18号染色体的DNA片段占总DNA片段的比值大于等于0.031的5个样品是第18号染色体三体,不能发现比值在0.03左右的两个样品的异常,对于这两个样品,就会出现假阴性的结果。
图8是用本发明的方法检测出来的X染色体单体或三体样品的示意图。其中,X轴表示来自X染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,Y轴表示来自X染色体的DNA片段的GC含量。在X轴上用菱形示出了各个样品中来自X染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,而用箭头指示出来的在标准曲线左侧的矩形表示经来自X染色体的DNA片段的GC含量校正后,检测出的X染色体单体的样品,用箭头指示出来的在标准曲线右侧的矩形表示经来自X染色体的DNA片段的GC含量校正后,检测出的X染色体三体的样品。如果不采用本发明的待测染色体的DNA片段的GC含量的校正,而仅从来自X染色体的DNA片段占总DNA片段的比值来看,仅仅能发现X染色体三体的一个样品,很难发现X染色体单体的样品,就会出现假阴性的结果。
图9A-B是用本发明的方法检测出来的第21号染色体三体的样品的示意图。其中,X轴表示来自21号染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,Y轴表示来自21号染色体的DNA片段的GC含量。在X轴上用菱形示出了各个样品中来自第21号染色体的DNA片段数量占总DNA片段的比值,而用箭头指示出来的矩形表示经来自第21号染色体的DNA片段的GC含量校正后,检测出的第21号染色体三体的样品。如果不采用本发明的待测染色体的DNA片段的GC含量的校正,而仅从来自第21号染色体的DNA片段占总DNA片段的比值来看,仅仅能发现在图9中来自第21号染色体的DNA片段占总DNA片段的比值最大的4个样品是第21号染色体三体,不能发现比值在0.0138的样品的异常,对于该样品,就会出现假阴性的结果。
具体实施方式
需要说明的是,在不矛盾的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。本发明的附图及其实施例仅仅用于解释本发明,并不构成对本发明的任何限制。
名词解释
双端短序列是指紧接着5’端链接引物的小于50bp的序列和紧接着3’端链接引物的小于50bp的序列。优选地,双端短序列是指紧接着5’端链接引物的不大于36bp的序列和紧接着3’端链接引物的不大于36bp的序列。
单端短序列是指紧接着5’端链接引物的小于50bp的序列或紧接着3’端链接引物的小于50bp的序列。优选地,单端短序列是指紧接着5’端链接引物的不大于36bp的序列或紧接着3’端链接引物的不大于36bp的序列。
单端长序列是指紧接着5’端链接引物的大于99bp的序列或紧接着3’端链接引物的大于99bp的序列。
双端测序是指分别测试位于序列两端的序列。
单端测序是指测试位于序列一端的序列。
DNA簇指由单一DNA分子扩增而成的位于一定固体面积的多个DNA分子。在该申请的实施例中,DNA簇指由单一DNA分子扩增而成的位于1平方微米内的大约1000个DNA分子。
乳化PCR指的是将PCR(Polymerase Chain Reaction)的反应物,包括PCR模板DNA、PCR引物、PCR聚合酶和自由碱基置于一个油珠内进行PCR反应。通常情况下,在一个油珠内,乳化PCR的模板只有一个DNA分子。
GC含量:是指在核酸或脱氧核糖核酸中,鸟嘌呤和胞嘧啶的数量占所有碱基总数量的比例。
实施例1:一种检测胚胎染色体拷贝数的方法
步骤1:取母体血液,制备血浆。
在本实施例中,总共抽取了14个母体血液样品,样品的代号为:G356、G397、G426、G735、G756、G760、G763、G770、G778、G779、G780、G781、G824和G825,均由中南大学湘雅医学院的邬玲仟教授通过羊膜腔穿刺经染色体核型鉴定为正常的女性胚胎样本[46,XX],对上述样品检测的数据用于做标准曲线,也将上述样品成为标准样品。血液样品经高速离心后得到除去了血细胞的血浆样品,每个样品的血浆量大约为1ml。
步骤2:提取血浆DNA。
可以使用Qiagen公司生产的DNA抽提试剂盒来提取血浆中的DNA(产品号为57704)。
步骤3:将血浆DNA制成可供测序的文库。
可以将血浆DNA制成可供双端短序列测序、单端长序列测序或单端短序列测序的文库,以下是制成双端短序列测序文库的过程。
将提取的DNA末端补平并进行5’端磷酸化:将DNA30μl、纯水45μl、具有10mM ATP的T4DNA连接酶缓冲液10μl、10mM dNTP Mix4μl、T4DNA聚合酶5μl、Klenow酶1μl、T4PNK5μl混合后,在20℃温浴30分钟(试剂为Illumina样本准备试剂盒PE-102-1001提供)。温浴后采用QIAGENQIAquick PCR纯化试剂盒(part#28104)纯化DNA。
末端悬A:将上步的产物溶解在32μl缓冲液中,加入Klenow缓冲液5μl、1mM dATP10μl、Klenow Exo-3μl,在37℃保持30分钟(试剂为Illumina样本准备试剂盒PE-102-1001提供),产物由QIAGEN MinElute PCR纯化试剂盒(part#28004)
连接:DNA溶解在10μl缓冲液中,加入DNA连接酶缓冲液2x25μl、PE Adapter Oligo Mix10μl,DNA连接酶5μl,在20℃保持15分钟(试剂为Illumina样本准备试剂盒PE-102-1001提供)。温浴后采用QIAGEN QIAquickPCR纯化试剂盒(part#28104)纯化DNA。
图1是样品的DNA被制作成可供双端测序的文库,将该文库中的DNA用1%的琼脂糖凝胶进行电泳,图1是凝胶电泳的图像,最明显的条带在280bp左右,由于包含了120bp的连接引物,因此母体血浆DNA主要片段集中在160bp左右。
优选地,还可以对可供双端测序的文库进行PCR扩增:1μl DNA、22μl纯水、1μl PE PCR引物PE2.0、1μl PE PCR引物PE1.0、2x Phusion DNA聚合酶(Finnzymes Oy)(试剂为Illumina样本准备试剂盒PE-102-1001提供)。通过PCR仪器扩增DNA,程序为98℃30秒;98℃40秒,65℃30秒,72℃30秒,共进行12个循环;72℃5分钟。
步骤4:对所述DNA测序文库进行测序。
根据在步骤3中所制备的文库的不同,可以分别进行双端短序列测序、单端长序列测序或单端短序列测序。以下是进行双端短序列测序的过程。
用Illumina的cBot仪器将DNA双端测序文库中单一的DNA分子制成DNA簇,这一步也可由乳化PCR将单一DNA分子变成珠子上的多分子。将上面生成的DNA簇或乳化PCR得到的DNA珠在Illumina的GenomeAnalyzer或HiSeq2000测序仪进行双端测序。此过程均由仪器本身自动完成。
可替换地,也可将上面生成的DNA簇或乳化PCR得到的DNA珠在Illumina的Genome Analyzer、HiSeq2000或Life Technologies公司的SOLiD测序仪进行单端长序列的测序。在Illumina的Genome Analyzer、HiSeq2000和Life Technologies公司的SOLiD测序仪上的测序步骤和反应条件与以上描述的一样。
步骤5:确定血浆中的DNA片段来自几号染色体,并确定待测染色体的拷贝数是否正常。
在进行了DNA文库的双端短序列测序后(可替换地,也可以是测定单端长序列或单端短序列测序),当已知了一个DNA片段两端各36bp的碱基序列后,可以将这两端的序列与人类基因组标准序列37.1(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/genome/assembly/grc/human/data/?build=37),该数据库也称hg19比对,确定了这两端的序列分别在染色体上的位置,该两端序列之间的距离就是该DNA片段的长度,同时该两端序列所在的染色体位置即确定了该DNA片段来自几号染色体。
图2是根据上述的方法确定得到的样品G356的DNA片段大小的分布图,从图中可以看出,母体血浆的短DNA主要集中在100bp到220bp之间。
图3是将比对后样品G356中确定来自X染色体的DNA片段根据片段大小所做的分布图。所得到的图形与图2几乎一致。
步骤6:计算在同一样本内所述DNA中来自待测染色体的DNA片段数量占所有DNA片段的比值,根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正,并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。
优选地,取DNA的序列长度在100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA的测序和比对结果,计算在同一样本内100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中来自待测染色体的DNA片段数量占100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA片段的比值,根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正,并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。
实验中发现,取DNA的序列长度在100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA的测序和比对结果,能够提高实验结果的准确度。
具体的算法如下:使用标准样品,计算在同一样本内来自待测染色体的DNA片段占所有DNA片段的比值,根据测序的结果可以知道来自待测染色体的DNA片段中的GC含量。并根据上述比值和GC含量制定出GC含量(Y轴)和各个染色体或局部染色体占全部染色体百分比(X轴)的标准曲线。将待测样品所测得的染色体的比值根据该染色体自身特有的函数将其校正到某一固定的GC值,一般常用GC值的算术平均数。并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异Z值,根据Z值确定待测染色体的拷贝数。
图5A-H是根据所测的样品中来自待测染色体的DNA片段的GC含量和来自待测染色体的DNA片段占总DNA片段的比值,所做的标准曲线。从图中可以看出,来自第2、3、4、5、6、7、8、12、13、14、18和X号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值成反比,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是负数。需要说明的是,针对不同的参考样本,公式的具体参数可能会有微小的变化,但总体趋势是不变的。在表1中示出了针对第2、3、4、5、6、7、8、12、13、14、18和X号染色体的函数:
表1
Figure GPA0000166096970000131
Figure GPA0000166096970000141
来自第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值成正比,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是正数。
表2
Figure GPA0000166096970000142
然后,将待测样品所测得的染色体的比值根据该染色体自身特有的函数将其校正到某一固定的GC值,一般常用GC值的算术平均数。
举例来说,由来自各个染色体的DNA片段的GC含量与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值表示的y=ax+b的函数可知,每个样本中来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值x可以通过此函数根据GC值校正。校正公式可以是:其中,x为校正后来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值;ē为检测到的样本在该指定染色体片段占总DNA片段的比值;y为待测样本在指定的染色体片段上的GC含量;为检测到的标准样本(已知正常的样本,如实施例1中检测的已知正常的14个标准样品)在这一段染色体的算术平均GC值;a为这条曲线的斜率。针对每条染色体的函数见表1和2;针对不同的样本,ē、y这两个值为该次试验的测定值,这两个参数随着待测样本不同而不同。
通过计算这些校正过的X值的平均值和标准误差,可以得到数值Z,Z=(待测样品校正过的比值x-校正过的各标准样品比值的平均值)/标准误差。计算各待测样本所述校正过的比值x的变异,根据所述变异的数值Z确定待测染色体或待测局部染色体的拷贝数。一般情况下,将Z的绝对值小于3视为正常检测误差,Z的绝对值大于3视为异常。
以下表3、4和5是通过实施例1的方法检测样品G356、G397(重复测了8次)、G426、G735、G756、G760、G763、G770、G778、G779、G780、G781、G824和G825计算得到的针对第13、18和21号染色体的检测以及校正结果。
表3:第13号染色体校正示意表
Figure GPA0000166096970000151
表4:第18号染色体校正示意表
Figure GPA0000166096970000152
Figure GPA0000166096970000161
表5:第21号染色体校正示意表
这里需要特别说明的是上述检测和计算的方法不仅适用于检测整个染色体拷贝数的异常,同样适用于检测局部染色体的拷贝数异常。
以下是检测待测样品中胚胎13号染色体拷贝数的实例
如上面所述的操作,总共抽取了15个母体血液样品,血液样品经高速离心后得到除去了血细胞的血浆样品,每个样品的血浆量大约为1ml,样品的代号为:G352、G362,G372,G383,G397(重复测了8次)、G402、G409,G415,G424,G445,G440,G503,G588,G735和G783。上述样品均由中南大学湘雅医学院的邬玲仟教授采集得到。
对可能存在的13号染色体三体进行检测。利用上面得到的针对13号染色体的标准曲线,对所述检测的结果进行验证。如图6所示,在没有GC校正的情况下(图中以X轴上的菱形来标记),13号染色体三体样品G445、G352和G402(x轴上3个用圆圈标记的样品)与正常样品(x轴上不加标记的样品)无法区分开来。但在GC校正的情况下(图中以矩形来表示),13号染色体三体样品G445、G352和G402(图中3个用箭头标记的样品)与正常样品(图中其他以矩形表示的样品)就可以清楚地区分开来,而且经GC校正的结果与中南大学湘雅医学院的邬玲仟教授通过羊膜腔穿刺经染色体核型鉴定的结果一致。所以GC含量的校正可以用来检测13号染色体三体,减少假阴性结果的出现。
下面的表6中仅示出了部分待测样品的检测和计算结果,其他样品的结果未示出。
表6:第13号染色体校正后Z值计算示意表
Figure GPA0000166096970000171
从上表可以见到G445、G352、G402样本Z值超过3,可以判断其为13号染色体三体。其余各样本Z值均在-3到+3之间。
以下是检测待测样品中胚胎18号染色体拷贝数的实例
如上面所述的操作,总共抽取了16个母体血液样品,血液样品经高速离心后得到除去了血细胞的血浆样品,每个样品的血浆量大约为1ml,样品的代号为:G362,G372,G383,G397(重复测了8次)、G407,G409,G415,G424,G442,G432,G445,G440,G595,G588,G735和G783。上述样品均由中南大学湘雅医学院的邬玲仟教授采集得到。
对可能存在的18号染色体三体进行检测。如图7所示,利用上面得到的针对18号染色体的标准曲线,对所述检测的结果进行验证。在没有GC校正的情况下(图中以X轴上的菱形表示),有些18号染色体三体样品(x轴上1个用黑色圆圈标记的样品)与正常样品(x轴上以菱形表示但不加标记的样品)无法区分开来,所以导致该样品的假阴性。其他18号染色体三体的样品(图中用向下箭头标记的在X轴上的样品)可以在没有GC含量校正的情况下检测出来。但在GC校正的情况下(图中以矩形来标记),所有18号染色体三体样品(图中用横向箭头标记的样品)与正常样品(图中其他以矩形表示的样品)就可以清楚地区分开来,而且经GC校正的结果与中南大学湘雅医学院的邬玲仟教授通过羊膜腔穿刺经染色体核型鉴定的结果一致。所以GC含量的校正可以用来检测18号染色体三体,减少假阴性结果的出现。
下面的表7中仅示出了部分待测样品的检测和计算结果,其他样品的结果未示出。
表7:第18号染色体校正后Z值计算示意表
Figure GPA0000166096970000181
从上表可以见到G424、G442、G432、G415、G595、G407样本Z值超过3,可以判断其为18号染色体三体。其余各样本Z值均在-3到+3之间。
以下是检测待测样品中胚胎21号染色体拷贝数的实例
如上面所述的操作,总共抽取了14个母体血液样品,血液样品经高速离心后得到除去了血细胞的血浆样品,每个样品的血浆量大约为1ml,样品的代号为:G267,G387,G393,G376,G397(重复测了8次)、G405,G408,G409,G440,G491,G588,G641,G735和G783。上述样品均由中南大学湘雅医学院的邬玲仟教授采集得到。
对可能存在的21号染色体三体即唐氏综合征样品进行检测。如图9A所示,利用上面得到的针对21号染色体的标准曲线,对所述检测的结果进行验证。在没有GC校正的情况下(图中以X轴上的菱形表示),21号染色体三体的样品可以单凭它占全部染色体的百分比检测出来(x轴上1个用黑色圆圈和3个用竖向箭头标记的样品)。其中一个样品(x轴上1个用黑色圆圈标记的样品)与正常样品(其他菱形标记的样品)的区别不是很明显,可能导致该样品的假阴性检测。但在GC校正的情况下(图中以矩形来标记),所有21号染色体三体样品(图中4个用横向箭头标记的样品)与正常样品(图中其他以矩形标记的样品)就可以清楚地区分开来,而且经GC校正的结果与中南大学湘雅医学院的邬玲仟教授通过羊膜腔穿刺经染色体核型鉴定的结果一致。GC含量校正对21号染色体三体检测精确度的提高可以用21号染色体三体样品距正常样品之间的最小距离来衡量。如图9B所示,校正后的最小距离d1比校正前的最小距离d2要大。所以GC含量的校正可以用来更精确地检测21号染色体三体,减少假阴性结果的出现。
下面的表8中仅示出了部分待测样品的检测和计算结果,其他样品的结果未示出。
表8:第21号染色体校正后Z值计算示意表
Figure GPA0000166096970000191
从上表可以见到G405、G387、G376、G393样本Z值超过3,可以判断其为21号染色体三体。其余各样本Z值均在-3到+3之间。
实施例2:检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒
对应于实施例1的检测方法,本申请的发明人开发了一种能够用于检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒,其包括:
从母体或肿瘤患者取血液的器械,可以是任何能用于取血的采血针、注射器等等;
适合将所述血液中的血细胞和血浆分离的器械,可以是适合于在离心机上用于盛装血液的微管或其他任何适合分离的容器或器械;
抽提所述血浆中的DNA的试剂和器械,可以包括:蛋白酶、饱和酚、氯仿:异戊醇(24:1)、醋酸钠、无水乙醇、70%乙醇、TE溶液等。也可以选取Qiagen公司生产的DNA抽提试剂盒来提取血浆中的DNA(产品号为57704)以及其它任何可以用于进行DNA提取的试剂或容器;
将所述DNA制成可供测序的文库的试剂和器械,供测序的文库可以是供双端短序列测序的文库、单端长序列测序的文库或单端短序列测序的文库。将所述DNA制成可供双端短序列测序的文库的试剂和器械包括:具有10mMATP的T4DNA连接酶缓冲液、10mM dNTP Mix、T4DNA聚合酶、Klenow酶、T4PNK(以上这些试剂为Illumina样本准备试剂盒PE-102-1001提供)以及在特定环境下对DNA具有亲和性的离子交换脂以实现对DNA的分离。也可以选取QIAGEN QIAquick PCR产物分离试剂盒(产品号#28104)或QIAGEN MinElute PCR产物分离试剂盒(产品号#28004)。
和对所述DNA进行测序的试剂和器械,对所述DNA进行测序可以是双端短序列测序、单端长序列测序或单端短序列测序。进行双端短序列测序的试剂和器械可以包括:PE PCR引物PE2.0、PE PCR引物PE1.0、PhusionDNA聚合酶(Finnzymes Oy)(试剂为Illumina样本准备试剂盒PE-102-1001提供)。
实施例3:另一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒
本申请的发明人开发了另一种能够用于检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的试剂盒,其包括:
从母体或肿瘤患者取血液的器械,可以是任何能用于取血的采血针、注射器等等;
适合将所述血液中的血细胞和血浆分离的器械,可以是适合于在离心机上用于盛装血液的微管或其他任何适合分离的容器或器械;
抽提所述血浆中的DNA的试剂和器械,可以包括:蛋白酶、饱和酚、氯仿:异戊醇(24:1)、醋酸钠、无水乙醇、70%乙醇、TE溶液等。也可以选取Qiagen公司生产的DNA抽提试剂盒来提取血浆中的DNA(产品号为57704)以及其它任何可以用于进行DNA提取的试剂或容器;
通过物理方法根据所述DNA的片段大小对其进行分离的试剂和器械,可以包括:琼脂糖粉(Biowest11860),marker(Takara100bp DNA marker,产品号D505A)等;
和取100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA进行测序的试剂和器械,可以包括:如切取一定区间的琼脂糖凝胶的切刀。
优选地,可以包括将从切取的琼脂糖凝胶回收DNA进行扩增并将其制成可供测序的文库的试剂和器械。
实施例4:一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的装置
一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的装置,包括:
检测模块,用于对母体血浆或肿瘤患者血浆样本中DNA进行测序,所述测序包括了将母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA制成可供测序的文库的过程,对母体血浆样本中的DNA进行测序,可以包括Illumina的cBot仪器和Illumina的Genome Analyzer或HiSeq2000测序仪或ABI公司的SOLiD系列的测序仪;
比对模块,用于将所述DNA的测序结果与染色体组序列图谱进行比对,以确定所述DNA中的每段DNA来自几号染色体以及所述每段DNA的序列长度,可以使用人类基因组标准序列数据库hg19;
计算模块,用于计算在同一样本内来自待测染色体的DNA片段数量占所有DNA片段的比值,根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正;并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数;以及
输出模块,用于输出所述待测染色体的拷贝数。
可选地,检测模块可以检测样品中所有的DNA片段,也可以仅仅检测100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间如150bp到175bp的所有DNA,这可以通过在检测装置的上游包括一个根据所述DNA的片段大小,对母体血浆中的DNA进行分离的试剂和器械,可以是进行琼脂糖凝胶电泳的模块或装置。
显然,本领域的技术人员应该明白,上述的本发明的一些模块或一些步骤可以用通用的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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Claims (14)

1.一种检测胚胎或肿瘤染色体拷贝数的装置,包括:
检测模块,用于对母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA进行测序;
比对模块,用于将所述DNA的测序结果与染色体组序列图谱进行比对,以确定所述DNA中的每段DNA来自几号染色体以及所述每段DNA的序列长度;
计算模块,用于计算在同一样本内来自待测染色体的DNA片段的数量占DNA片段总数的比值,根据所述来自待测染色体的DNA片段中的GC含量对所述比值进行校正;并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数;以及
输出模块,用于输出所述待测染色体的拷贝数。
2.根据权利要求1所述的装置,其中所述计算模块根据以下的函数对第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的比值进行校正:来自第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是负数。
3.根据权利要求2所述的装置,其中所述来自第2、3、4、5、6、7、8、12、13、18和X号染色体的DNA片段的GC含量与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值之间的线性关系如以下所示:
Figure FDA0000431890460000011
Figure FDA0000431890460000021
4.根据权利要求1所述的装置,其中所述计算模块根据以下的函数对第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的比值进行校正:来自第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的DNA片段的GC含量分别与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值具有一定的线性关系,所述线性关系可用y=ax+b表示,其中y代表来自待测染色体的DNA片段的GC含量,x代表来自待测染色体的DNA片段数量占总DNA的比值,a和b是常数,且a是正数。
5.根据权利要求4所述的装置,其中所述来自第1、9、10、11、15、16、17、19、20、21和22号染色体的DNA片段的GC含量与来自各个染色体的DNA片段占总DNA片段的比值之间的线性关系如在以下所示:
Figure FDA0000431890460000022
6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置,其中所述检测模块将母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的所有DNA制成可供测序的文库的过程。
7.根据权利要求1所述的装置,其中所述对母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA进行测序是双端短序列测序、单端长序列测序或单端短序列测序。
8.根据权利要求1所述的装置,其中所述胚胎或肿瘤染色体是整条染色体或局部染色体。
9.根据权利要求7所述的装置,其中对所述母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA在测序前进行了PCR扩增。
10.根据权利要求9所述的装置,其中计算模块用于计算在同一样本内100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中来自待测染色体的DNA片段数量占100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA片段总数的比值,根据100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA中来自待测染色体的DNA片段的GC含量对所述比值进行校正;并计算待测样本中所述来自待测染色体的DNA片段校正后的比值的变异,根据所述变异的程度确定待测染色体的拷贝数。
11.根据权利要求10所述的装置,其中将所述母体血浆或肿瘤患者血浆样本中100bp-250bp之间的任意一点或任意一个区间的所有DNA制成可供测序的文库。
12.根据权利要求11所述的装置,其中所述母体血浆或肿瘤患者血浆样本中的DNA在被制作成可供测序的文库之前或之后进行了PCR扩增。
13.根据权利要求10所述的装置,其中所述100-250bp之间的任意一点或任意一个区间的DNA是150bp-170bp的DNA。
14.根据权利要求13所述的装置,其中所述100-250bp之间的任意一点或任意一个区间是DNA是167bp的DNA。
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