CN104894279B - α-地中海贫血基因突变检测试剂盒 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种α‑地中海贫血基因突变检测试剂盒，该试剂盒包含一套扩增样品中靶基因的引物组合物。本发明的检测试剂盒可以对所有α‑地贫突变进行胚胎移植前检测，并且检测过程更加快速，检测结果也更为准确。

Description

α-地中海贫血基因突变检测试剂盒

技术领域

本发明涉及基因组突变检测领域，特别涉及人类α-地中海贫血基因检测和人类胚胎α-地中海贫血基因检测。

背景技术

地中海贫血(以下简称地贫)分为α-地中海贫血和β-地中海贫血。α-地中海贫血(以下简称α-地贫)，是一组因α-珠蛋白链合成减少或不能合成，α-链/非α-链比例失衡为特征的遗传溶血性血红蛋白病。地贫是世界上最常见的人类单基因遗传血液病之一，被世界卫生组织列入危害人类健康的6种常见病，也是中国南方各省最常见、危害最大的遗传病。在我国南方α-地贫的高发区，总发病率为2.46％，其中广西、广东、江西、四川和浙江各省(区)的发病率分别为14.95％、4.11％、2.60％、1.92％和1.20％。

人类α-珠蛋白基因簇位于16号染色体，每条染色体各有2个α-珠蛋白基因。大多数α-地贫是由于α-珠蛋白基因的缺失所致，少数由基因点突变造成。若仅是一条染色体上的一个α-基因缺失或缺陷，则α-链的合成部分受抑制，称为α+地贫；若有一条染色体上的2个α-基因均缺失或缺陷，称为α0地贫。重型α-地贫是α0地贫的纯合子状态，其4个α-珠蛋白基因均缺失或缺陷，以致完全无α-链生成。中间型α-地贫是α0和α+地贫的杂合子状态，是由3个α-珠蛋白基因缺失或缺陷所造成，患者仅能合成少量α-链。标准型α-地贫(轻型)是α+地贫纯合子或α0地贫杂合子状态，它仅有2个α-珠蛋白基因缺失或缺陷，故有相当数量的α-链合成，症状轻微。静止型α-地贫是α+地贫杂合子状态，它仅有一个α-基因缺失或缺陷，α-链的合成略为减少，症状非常轻微。目前在中国发现的α-链缺失突变有17种，最常见的有SEA、4.2kb和3.7kb三种缺失型及CS、WS和QS三种点突变。目前，α-地贫还没有效的根治方法，主要以预防为主。因此开展检测，提早发现地贫异常基因的携带者对指导婚前及产前诊断具有重要的意义。

遗传病起因于上代生殖细胞和受精卵的遗传物质突变。杜绝遗传病患儿的出生仍是目前最有效的手段，以往通过产前诊断在妊娠16-20周进行选择性流产，阻止患儿的出生。植入前遗传学诊断(preimplantation genetic diagnosis,PGD)是辅助生殖技术和分子生物学技术相结合而发展起来的一门新的诊断技术，通过胚胎活检技术获得1～2个卵裂球进行遗传学诊断分析，选择正常、无缺陷的健康胚胎植入子宫继续妊娠，达到优生的目的，可以避免传统的产前诊断技术引起的出血、感染等并发症以及流产和引产给孕妇造成的身心痛苦，并避免由此引起的伦理上的争议。目前还没有已经商品化试剂盒用来进行胚胎植入前α-地中海贫血诊断，本发明属于国内首创，提供了一种高覆盖率的试剂盒来满足临床应用的需求。

PGD的分析材料极为有限，通常仅为1～2个细胞，对诊断技术的敏感性和特异性要求高，同时子宫的种植窗时间短，要求在尽可能短的时间得到诊断结果。PCR以一对与待检测目的DNA片段起始与结束部位碱基互补的寡核苷酸为引物，经反复变性、退火、延伸，实现目的DNA的对数扩增，具有极高的检测敏感性和特异性；少量的DNA模板在数小时内就可以扩增大量的拷贝数。但由于单细胞内基因组DNA的含量约10pg，目的基因模板仅1～2个拷贝，扩增后特异性产物量达不到检测水平，使诊断的特异性和敏感性降低。巢式PCR是改良的PCR。巢式PCR有内外两对引物，PCR反应分两步。在首轮外侧引物PCR中，反应模板是单细胞裂解产物，外侧引物与目的基因配对连接，扩增引物间的特异性片段。然后以此PCR产物为模板，应用内侧引物引导扩增产物内的DNA片断，使目的基因产量进一步增加。巢式PCR大大提高了PCR技术的灵敏度、特异性和精确度。

PCR虽然灵敏，但应用于PGD的时候，存在污染、等位基因脱扣、扩增失败等缺点。单细胞PCR的扩增失败率大约是5％～10％。扩增失败可能与样本的准备过程有关，如未移入细胞、靶DNA的丢失和变性以及细胞的裂解过程。污染是导致误诊的重要原因，通过设立严格的阴性和阳性对照、严格的实验室操作以及单精子卵胞浆内注射技术的应用可以减少污染。等位基因脱扣(allele dropout,ADO)是指在单细胞扩增时，杂合子的两个等位基因之一出现扩增，而另一个等位基因无扩增产物。ADO是导致误诊的主要原因之一，通常有5％～20％的单细胞扩增出现等位基因脱扣。其发生机理复杂，可能与染色体嵌合体、部分二倍体细胞中存在单倍体细胞和PCR变性的温度有关。

发明内容

为了克服现有技术的上述局限性，本发明人设计了一种基于高通量测序技术检测α-地贫的方法。

一、定义

“读段(reads)”是指测序获得的序列片段。

“单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)”是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。

“单体型(Haplotype)”是指位于一条染色体特定区域的一组相互关联，并倾向于以整体遗传给后代的单核苷酸多态性的组合，又称单倍体型或单元型。

二、引物组合物

本发明提供了一种用于检测α-地中海贫血基因突变的引物组合物，其由特异扩增中国人群α-地贫SEA、4.2kb、3.7kb三种最常见缺失型突变和CS、WS、QS三种最常见点突变的引物，以及特异扩增人类α-珠蛋白基因HBA1上下游1Mb范围内紧密连锁的单核苷酸多态性(SNP)位点的引物组成。

在本发明中，针对人类α-珠蛋白基因HBA1，设计了110对序列特异性引物(如表1所示)。其中，特异扩增α-地贫SEA、4.2kb、3.7kb三种缺失型突变和CS、WS、QS三种点突变的引物包括编号为1～94的引物对(正向引物序列分别为SEQ ID NOs:1～188中的奇数序列，反向引物序列分别为SEQ ID NOs:1～188中的偶数序列)中的一对或多对；特异扩增HBA1上下游1Mb范围内紧密连锁的SNP位点的引物包括编号为95～110的引物对(正向引物序列分别为SEQ ID NOs:189～220中的奇数序列，反向引物序列分别为SEQ ID NOs:189～220中的偶数序列)中的一对或多对。

这些引物的特点为：(1)在目标染色体上序列唯一；(2)位置特异的寡核苷酸具有相同的退火温度；(3)110对引物混合到两个PCR反应管中，在两个PCR反应管中能进行110重反应。

表1 α-地中海贫血基因检测引物

在最优选的实施方案中，本发明的引物组合物包括表1中编号为1～110的全部引物对。

三、检测产品

本发明提供了一种用于检测α-地贫基因突变的检测产品，其包括本发明的引物组合物。

在一个特定的实施方案中，所述检测产品为检测试剂盒，其包括：

(1)用于文库构建的反应试剂，包括：特异性结合引物，通用引物，多重PCR聚合酶，DNA连接酶，末端修复酶，dNTPs，反应缓冲液；

(2)用于纯化PCR反应产物的试剂。

所述特异性结合引物即为本发明的上述引物组合物。

优选地，用于PCR产物纯化的试剂包括产物纯化磁珠及缓冲液。上述试剂盒还可以包括阴性质控品和阳性质控品。

四、检测方法

本发明提供了一种体外检测α-地中海贫血突变的方法，其包括以下步骤：

(1)分离样本基因组DNA；

(2)利用本发明的引物组合物进行多重PCR扩增富集目标区域DNA；

(3)纯化PCR产物，测序；

(4)比对与统计；

(5)数据分析。

优选地，样本来自胚胎或全血。

胚胎基因组DNA的获取是当胚胎发育至囊胚期时，取出外围滋养层细胞3～5个，运用全基因组扩增方法对细胞中的基因组DNA进行富集。任选地，使用磁珠纯化扩增产物。

目标区域DNA分子富集采用的是多重PCR扩增的方法。具体原理和方法参见生厂商提供的说明书，将DNA分子富集为比较集中的一定大小的片段。在本发明的一个实施方案中，DNA片段大小在125～275bp之间。

优选地，步骤(2)中按照Ion AmpliSeq^TM Library Kits 2.0标准建库流程进行建库。在这个过程中，通过目标区域多重PCR扩增为集中在125～275bp的DNA分子，两端加上了测序所用接头，每个样品被加上不同的标签序列(barcode)，从而在一次测序得到的数据中可以使多个样品的数据区分开。

优选地，所采用的测序方法为高通量测序方法。在一个特定的实施方案中，测序平台为Ion Torrent PGM。更优选地，测序深度为300×～3000×，即每条特异PCR扩增产物被测序300～3000次，例如在本发明的一个实施方案中，测序深度为1000×，即该条特异PCR扩增产物被测序1000次。

优选地，当待测的DNA分子来自多个受试样品时，每个样品被加上不同的标签序列(barcode)，以用于在测序过程中进行样品的区分(Micah Hamady,Jeffrey J Walker,JKirk Harris et al.Error-correcting barcoded primers forpyrosequencinghundreds of samples in multiplex.Nature Methods,2008,5(3))，从而实现同时对多个样品进行测序。

本发明中，基因组参考序列可以来自公共数据库。例如，人类基因组序列可以是NCBI或者UCSC数据库中的人类基因组参考序列。

本发明中，序列比对可以通过任何一种序列比对程序，例如本领域技术人员可获得的Torrent Mapping Alignment Program(TMAP)和Burrow-Wheeler-Aligner(BWA)进行比对，将读段与参考基因组序列比对，得到读段在参考基因组上的位置。

优选地，利用Torrent_Server_4.0_VM软件对PGM测序仪产生的原始数据去除接头序列，用Tmap软件比对到人类hg19参考基因组，最后分析单体型SNP覆盖倍数和基因型。

本发明可用于对适用人群进行α-地贫基因诊断和胚胎移植前诊断，有利于提供遗传咨询和提供临床决策依据。α-地贫基因诊断、胚胎移植前诊断、产前诊断可有效防止α-地贫患儿出生。本发明适用人群可以是α-地贫携带者和患者。

上述适用人群举例仅用于本发明，而不应为限定本说明的范围。

在一个特定的实施方案中，本发明的体外检测胚胎α-地中海贫血突变的方法包括以下步骤：

(1)将获自体外培养的囊胚的滋养层细胞经全基因组扩增对细胞中的基因组DNA进行富集；

(2)磁珠纯化全基因组扩增产物；

(3)提取夫妻双方全血DNA；

(4)利用本发明的引物组合物进行多重PCR扩增富集单体型目标区域DNA；

(5)纯化PCR产物，并测序；

(6)将步骤(4)中测定的胚胎和夫妻双方的DNA序列进行比对，判断胚胎的单体型；

(7)将步骤(4)中测定的DNA序列与正常样本参考序列(例如人类hg19参考基因组序列)进行比对，分析目标位点覆盖倍数和基因型。

在另一个特定的实施方案中，本发明的体外检测胚胎α-地中海贫血突变的方法包括以下步骤：

(1)将获自体外培养的囊胚的滋养层细胞经全基因组扩增对细胞中的基因组DNA进行富集；

(2)磁珠纯化全基因组扩增产物；

(3)利用本发明的引物组合物进行多重PCR扩增富集目标区域DNA；

(4)纯化PCR产物，并测序；

(5)将步骤(3)中测定的DNA序列结果与正常样本参考序列(例如人类hg19参考基因组序列)进行比对，判断样本的基因型。

五、胚胎植入前筛选

本发明还提供了α-地中海贫血致病基因突变的胚胎植入前筛选方法。

在一个特定的实施方案中，所述胚胎植入前筛选方法包括以下步骤：

(1)将获自体外培养的囊胚的滋养层细胞经全基因组扩增对细胞中的基因组DNA进行富集；

(2)磁珠纯化全基因组扩增产物；

(3)提取夫妻双方全血DNA；

(4)利用本发明的引物组合物进行多重PCR扩增富集单体型目标区域DNA；

(5)纯化PCR产物，并测序；

(6)将步骤(4)中测定的胚胎和夫妻双方的DNA序列进行比对，判断胚胎的单体型；

(7)将步骤(4)中测定的DNA序列与正常样本参考序列(例如人类hg19参考基因组序列)进行比对，分析目标位点覆盖倍数和基因型；

(8)选择不携带α-地中海贫血致病基因突变的胚胎用于子宫植入。

在另一个特定的实施方案中，所述胚胎植入前筛选方法包括以下步骤：

(1)将获自体外培养的囊胚的滋养层细胞经全基因组扩增对细胞中的基因组DNA进行富集；

(2)磁珠纯化全基因组扩增产物；

(3)利用本发明的引物组合物进行多重PCR扩增富集目标区域DNA；

(4)纯化PCR产物，并测序；

(5)将步骤(3)中测定的DNA序列结果与正常样本参考序列(例如人类hg19参考基因组序列)进行比对，判断样本的基因型；

(6)选择不携带α-地中海贫血致病基因突变的胚胎用于子宫植入。

六、技术效果

本发明的优点主要有以下几方面：

(1)通用性：本发明的方法对SEA缺失区域拷贝数和26个SNP进行分析，可用于基因诊断和不同配偶的胚胎移植前诊断。

(2)SEA缺失区域和多位点SNP测序：基于第二代测序技术，本发明可以对SEA缺失区域和HBA1基因附近的多个SNP进行分析，不需依赖已知的探针和设计探针。

(3)高通量：基于高通量测序技术，本发明可以高通量地进行α-地贫突变的检测，通过在每个样品上加上不同的标签序列，可以一次地对大量样品进行分析。

(4)成本低：随着测序技术的不断发展和测序成本的不断降低，本发明对α-地贫突变分析的成本也在不断下降。

(5)高灵敏度：可用于3～5个细胞的分析。因此适合于试管婴儿技术中胚胎移植前的检测。

(6)特异性：本发明选取千人基因组计划数据(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/variation/tools/1000genomes/)中HBA1基因上下游1Mb范围内CHB(北方汉人)和CHS(南方汉人)最小等位基因频率均大于0.2的高频多态性位点，去除多聚核苷酸(polyN)和位点上下游50bp序列中GC含量>70％的多态性位点，并选择unique比对到人类基因组hg19的43个SNP位点和SEA缺失区域作为目标区域设计了共110对引物，这些引物具有很高的特异性。

附图说明

图1为单体型检测结果。其中，F代表父本来源的DNA链，M代表母本来源的DNA链，Syq系列为胚胎，*代表没有碱基，突出显示的*(*)代表缺失区域，突出显示的白色字母(例如C)代表基因脱扣、重组造成的不符合遗传规律的碱基。图1A：父亲(F1和F2都为正常链)；图1B：母亲(M1为3.7缺失致病链，M2为SEA缺失致病链)；图1C：Syq_1(F1为正常链，M2为SEA缺失致病链)；图1D：Syq_2(F1为正常链，M2为SEA缺失致病链)；图1E：Syq_4(F2为正常链，M1为3.7缺失致病链)；图1F：Syq_5(F1为正常链，M2为SEA缺失致病链)；图1G：Syq_7(F2为正常链，M1为3.7缺失致病链)；图1H：Syq_8(F2为正常链，M1为3.7缺失致病链)；图1I：Syq_10(F1为正常链，M2为SEA缺失致病链)；图1J：Syq_11(F1为正常链，M1为3.7缺失致病链)；图1K：Syq_12(F2为正常链，M1为3.7缺失致病链)；图1L：Syq_15(F2为正常链，M1为3.7缺失致病链)。

图2为4例α-地贫患者的基因检测结果。横坐标sea代表SEA缺失区域，4.2代表4.2kb缺失区域，3.7代表3.7kb缺失区域，4.2/3.7代表4.2kb缺失区域和3.7kb缺失区域的重叠区域。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。下列实施例中使用的组分，除特殊说明外，均选用发明内容中的优选方案。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1 10例胚胎α-地贫胚胎移植前检测

一、建库和测序

按照全基因组扩增方法，获取10例母亲基因检测为-3.7/--SEA的α-地贫患者的胚胎样本细胞DNA，用Qubit(Invitrogen,the Quant-iTTM dsDNA HS Assay Kit)定量，并分离10ng进行后续实验。

使用本发明的优选引物组(表1中的全部引物对1～110)，按照IonAmpliSeq^TMLibrary Kits 2.0标准建库流程进行建库标准建库流程进行建库。简而言之，多重PCR扩增产物的DNA分子两端加上测序所用的接头，在一定条件下使核酸分子成簇生长，然后在Ion Torrent PGM上测序，得到片段长度分布在125bp～275bp的目标区域DNA片段序列。

本实施例中，对于获自上述10例胚胎细胞的DNA样品按照Ion Torrent官方公布的测序说明书进行操作。

二、比对与统计

利用Torrent_Server_4.0_VM软件对PGM测序仪产生的原始数据去除接头序列、用Tmap软件比对到人类hg19参考基因组、分析单体型SNP覆盖倍数和基因型。

三、数据分析

利用父母和先证者与α-地贫致病基因HBA1紧密连锁多态性位点(SNP)在染色体上的位置和基因型构建单体型。利用已经建好的单体型对胚胎是否致病进行判断。

四、结果

选取目标区域的26个多态性位点chr16构建单体型：

60054 103923 189971 207731 212649 218735 221057 221126 223706

223735 224619 232773 232787 234632 235579 240280 241210 244785

272349 280860 304514 336660 404750 571904 899974 1114458

单体型结果如图1所示。

结果表明：

Syq_1为杂合SEA缺失，Syq_2为杂合SEA缺失，Syq_4为杂合3.7缺失，Syq_5为杂合SEA缺失，Syq_7为杂合3.7缺失，Syq_8为杂合3.7缺失；Syq_10为杂合SEA缺失；Syq_11为杂合3.7缺失；Syq_12为杂合3.7缺失，Syq_15为杂合3.7缺失。

实施例2 4例α-地贫患者基因检测

一、建库和测序

获取4例α-地贫患者的全血样本，提取全血DNA，用Qubit(Invitrogen,the Quant-iTTM dsDNA HS Assay Kit)定量，并分离10ng进行后续实验。

使用本发明的优选引物组(表1中的全部引物对1～110)，按照IonAmpliSeq^TMLibrary Kits 2.0标准建库流程进行建库标准建库流程进行建库。简而言之，多重PCR扩增产物的DNA分子两端加上测序所用的接头，在一定条件下使核酸分子成簇生长，然后在Ion Torrent PGM上测序，得到片段长度分布在125bp～275bp的目标区域DNA片段序列。

本实施例中，对于获自上述4例全血DNA样品按照Ion Torrent官方公布的测序说明书进行操作。

二、比对与统计

利用Torrent_Server_4.0_VM软件对PGM测序仪产生的原始数据去除接头序列、用Tmap软件比对到人类hg19参考基因组、分析SEA缺失区域拷贝数。

三、数据分析

利用30例确定正常的样本构建数据库，计算每个样本SEA缺失区域染色体的相对序列值(RC)，通过不同样本的平均值，统计分析、最终确定参考值的范围为0.7～1.3。根据参考值对样本的缺失型进行判断。

四、结果

结果如图2所示。

结果表明：

样本1为杂合3.7/SEA缺失；样本2为杂合3.7缺失；样本3为杂合4.2缺失；样本4为杂合SEA缺失。

Claims (7)

1.一种用于检测α-地中海贫血基因突变的引物组合物，其特征在于由特异扩增人类α-珠蛋白基因HBA1的SEA、4.2kb、3.7kb三种缺失突变和CS、WS、QS三种点突变的引物，以及特异扩增HBA1上下游1Mb范围内紧密连锁的SNP位点的引物组成；其中，所述特异扩增HBA1的SEA、4.2kb、3.7kb三种缺失突变和CS、WS、QS三种点突变的引物包括正向引物序列为SEQ IDNO:2n-1且反向引物序列为SEQ ID NO:2n的引物对中的至少一对，n为1～94的自然数；所述特异扩增HBA1上下游1Mb范围内紧密连锁的SNP位点的引物包括正向引物序列为SEQ IDNO:2n-1且反向引物序列为SEQ ID NO:2n的引物对中的至少一对，n为95～110的自然数。

2.根据权利要求1所述的引物组合物，其包括序列为SEQ ID NOs:1～220的全部引物。

3.一种用于检测α-地中海贫血基因突变的检测产品，其特征在于包括权利要求1或2所述的引物组合物。

4.根据权利要求3所述的检测产品，其为检测试剂盒。

5.一种用于检测α-地中海贫血基因突变的试剂盒，其特征在于包括：

(1)用于文库构建的反应试剂，包括：权利要求1或2所述的引物组合物、通用引物、多重PCR聚合酶、DNA连接酶、末端修复酶、dNTPs、反应缓冲液；

(2)用于纯化PCR反应产物的试剂。

6.根据权利要求5所述的试剂盒，其特征在于用于纯化PCR反应产物的试剂包括产物纯化磁珠及缓冲液。

7.根据权利要求5或6所述的试剂盒，其还包括：

(3)阴性质控品和阳性质控品。