系统性红斑狼疮生物标志物及其诊断试剂盒
技术领域
本发明涉及一种系统性红斑狼疮外周血DNA甲基化标志物以及一种用于系统性红斑狼疮的诊断试剂盒。
背景技术
系统性红斑狼疮(systemiclupuserythematosus,SLE)是一种多器官、多系统受累的自身免疫性疾病。临床表现为肾脏、神经精神系统、血液系统等多器官受损。如果能够在SLE患者出现重要器官受累前进行早期诊断对于SLE的防治、改善患者的生活质量、提高患者生存率具有重大意义。然而,目前的生物学诊断标志物大多是在器官受损后出现的生化和免疫学改变,无法对SLE患者器官受累进行早期诊断。
近年来,表观遗传学标记物研究发展迅速,许多表观遗传标志物如DNA甲基化标记物、血清microRNA标记物被筛选和鉴定,这些标记物对于疾病的早期诊断和预后判断具有重要价值。已有大量文献证实DNA低甲基化在SLE患者CD4+T细胞异常活化及SLE发生发展中发挥重要的作用。目前,已经鉴定的在SLE患者CD4+T细胞中发生低甲基化的基因包括CD11a、CD70、CD40L和Perforin等。这些基因的低甲基化导致其过度表达,从而诱导T细胞自身反应性活化,导致SLE发生。其中CD11a和CD70基因启动子调控序列的甲基化已经被证明可以用于SLE的辅助诊断。然而,这种方法限制在检测外周血CD4+T细胞基因组中的CD11a和CD70基因甲基化水平。这就要求我们首先要收集较多的患者外周血样本(约20ml左右),然后利用密度梯度离心法和免疫磁珠分选法分离外周血中的CD4+T细胞。由于抽取患者血液样本较多,患者的医从性较低;而且CD4+T细胞分选的实验成本较高、实验耗时较长,增加了患者的负担。另外,检测CD11a和CD70基因甲基化以往采用克隆测序法、自制芯片法,耗时较长,且无法给出一个精确的甲基化定量水平,给临床上推广应用带来了困难。
目前临床上尚无一种高敏感性高特异性的SLE诊断指标,即使是自身抗体如抗ANA抗体,其对SLE的诊断敏感性为95%,但诊断特异性相对较低65%。为此,患者必须检查许多实验室指标联合辅助诊断SLE,导致疾病的诊疗成本大大增加,加重了患者的负担。因此,开发新的SLE诊断标志物十分必要,对提高SLE的诊疗水平具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对传统的系统性红斑狼疮实验室检查指标灵敏度或特异性不高的问题,克服现有技术方法的不足,提供一种新的高灵敏高特异性的SLE患者外周血DNA甲基化标志物,并相应提供一种用于诊断SLE的灵敏度和特异性均较高的检测试剂盒。
发明人经过长期研究发现,发生于基因组上的表观遗传学修饰在SLE的发生、发展中发挥重要作用,一些异常的DNA甲基化修饰可能作为SLE早期诊断的标志物。通过对大样本SLE患者、健康人、类风湿性关节炎患者外周血细胞中IFI44L基因转录起始位点上游1500bp内的序列进行DNA甲基化检测,证实其包含的两个CG位点的甲基化水平分别在SLE患者中较健康对照、类风湿性关节炎患者显著降低,这两个CG位点低甲基化用于诊断SLE的灵敏度和特异性均很高。
本发明所述一种高灵敏、高特异性的SLE患者外周血DNA甲基化标志物是人IFI44L基因转录起始位点上游1500bp内的一段DNA序列,即位于人类基因组1号染色体79,085,190-79,085,311段(人类基因组数据hg19版本),其DNA序列如SEQIDNO.1所示。
上述DNA序列包含两个CG位点,其甲基化水平在SLE患者外周血细胞中较健康对照显著降低,与疾病对照类风湿性关节炎相比亦明显降低。
本发明还提出SEQIDNO.1所定义DNA序列的生物标记物在制备SLE诊断试剂中的应用,该应用包括测定受试者外周血细胞中SEQIDNO.1所定义DNA序列包含的两个CG位点的甲基化水平。
具体来说,可以通过PCR扩增目的DNA片段并测序后通过软件分析测序结果来判断受试者外周血中的IFI44L基因转录起始位点上游1500bp内DNA序列的甲基化水平,包括下述步骤:(1)抽提受试者外周血全基因组DNA;(2)测定抽提的基因组DNA浓度;(3)亚硫酸盐处理基因组DNA;(4)特异性PCR引物扩增待测DNA片段;(5)电泳检测PCR产物;(6)对PCR产物进行测序;(7)分析测序结果,获得待测序列中包含的两个CG位点的甲基化水平。
本发明的另一目的还在于提供一种用于SLE诊断的试剂盒,该试剂盒包含SEQIDNO.2和SEQIDNO.3所示的一组PCR引物以及如SEQIDNO.4所示的测序探针,以及任意需要的试剂或介质,如外周血细胞基因组DNA抽提、DNA浓度测定、亚硫酸氢盐处理、PCR分析、电泳、焦磷酸测序分析。具体来说,所述试剂盒可以进一步包括一种或多种选自由以下所组成的组中的成分:脱氧核糖核苷三磷酸、缓冲剂、稳定剂、热稳定DNA聚合酶和标记物,包括荧光标记物、化学发光标记物和放射性标记物。
本发明检测SEQIDNO.1序列两个CG位点的甲基化水平需要设计特异性PCR引物扩增SEQIDNO.1所述DNA片段,引物设计是根据包含SEQIDNO.1所述目的DNA序列及该段序列上下游200bp核苷酸的DNA序列设计,引物序列为:上游引物5'-TGTGGATAGTGATAATTTGTTATAAAGTAA-3'(如SEQIDNO.2所示);下游引物5'-AACCTCATCCAATCTTAAAACACTTATA-3'(如SEQIDNO.3所示),下游引物的5'端用生物素biotin标记。本发明用于焦磷酸测序检测目的DNA片段中的CG位点甲基化水平需要特殊的探针,根据IFI44L基因转录起始位点上游1500bp内的SEQIDNO.1所述序列设计测序探针,序列为:5'-AATGTTGTTATTTTATTTTAGATAG-3'(如SEQIDNO.4所示)。
本发明利用Illumina公司的DNA甲基化芯片(Illumina450K)在国际上首次筛选SLE患者外周全血细胞中差异DNA甲基化修饰基因。通过大规模临床样本筛查、利用最新的遗传学和表观遗传学检测技术,寻找到SLE患者的早期诊断标记物,建立相应的检测方法,从而开发出SLE早期诊断试剂盒。通过与正常人外周血样本相比,发明人发现IFI44L是SLE患者外周血中DNA甲基化改变最显著的基因之一。发明人通过扩大样本也进一步证实SLE患者外周血细胞中IFI44L基因起始位点上游1500bp内的一段序列DNA甲基化水平较正常人和类风湿性关节炎(RA)患者显著降低。IFI44L属于Ⅰ型干扰素通路,是一种干扰素诱导基因。Ⅰ型干扰素通路在SLE发病过程中起十分重要的作用。因此,IFI44L可以作为SLE诊断的标志。
本发明所提供的SLE诊断试剂盒克服了现有SLE检测技术方法的不足,仅需要抽取不超过1ml的患者外周血,从SLE患者外周血中找到DNA甲基化标志物,因此显著提高患者的医从性。本发明的试剂盒特异性和灵敏度高,检查耗时短,操作简单,需要的标本量少,易于临床上广泛推广,应用前景广阔。利用焦磷酸测序仪配合特异性引物和探针可以大大缩短DNA甲基化的检查时间,大大了提高实验室检查的效率和检查结果的准确性和特异性(均可达到90%以上)。该项新技术和产品开发与应用将对于提高SLE的诊治水平,提高SLE患者的生存质量和生存率具有十分重要的意义。
附图说明
图1为特异性引物PCR扩增目的DNA片段(SEQIDNO.1)的电泳图。
图2为CG位点1的甲基化在SLE患者、健康对照和RA患者中的差异。
图3为CG位点2的甲基化在SLE患者、健康对照和RA患者中的差异。
图4为CG位点1的甲基化水平用于SLE诊断的ROC曲线图(与健康对照相比)。
图5为CG位点2的甲基化水平用于SLE诊断的ROC曲线图(与健康对照相比)。
图6为CG位点1的甲基化水平用于SLE与RA鉴别诊断的ROC曲线图(与RA相比)。
图7为CG位点2的甲基化水平用于SLE与RA鉴别诊断的ROC曲线图(与RA相比)。
具体实施方式
以下为本发明的具体实施方式的详细阐述,本发明实施例的描述不应理解为对本发明的任何限制,本领域技术人员根据本发明的技术内容所做出的各种变通均属于本发明所保护的内容。除非另有说明,本文使用的所有技术术语具有本发明所属技术领域普通技术人员通常知晓的意思。
实施例1:SLE诊断试剂盒的制备
本发明所提供的SLE诊断试剂盒由以下部分组成:(1)抽提全血DNA的试剂:蛋白酶K、细胞裂解液、洗涤buffer、洗脱buffer、吸附柱;(2)亚硫酸盐处理所需试剂:稀释buffer、转化buffer、结合buffer、洗涤buffer、脱磺化buffer、洗脱buffer;(3)PCR所需试剂:DNA聚合酶、PCR反应buffer、SEQIDNO.2和SEQIDNO.3所示的一组PCR引物;(4)PCR产物电泳所需试剂:电泳缓冲液和琼脂糖;(5)焦磷酸测序所需试剂:链霉素标记的琼脂糖微球、变性buffer,SEQIDNO.4所示的测序引物,洗涤buffer;(6)测序结果分析的软件:PyroMarkQ24ApplicationSoftware2.0。
实施例2:SLE诊断试剂盒的应用及SLE患者外周血DNA甲基化水平检测
步骤1:SLE患者外周血基因组DNA抽提
(1)取0.5ml全血至1.5ml离心管,然后加入1ml冰蒸馏水,上下充分颠倒混匀数次;(2)室温静置5min,800g(3000rpm)离心5min;(3)取出后弃上清,加入1×PBS150ul后涡旋、重悬细胞沉淀;(4)加入20ul蛋白酶K,涡旋;(5)加入350ulLysisSolution,涡旋或颠倒混匀;(6)56℃水浴10min,期间将样本颠倒混匀3次;(7)水浴取出加入180ul无水乙醇,颠倒混匀、点离;(8)将混合液转移到新离心吸附柱中,6000g(8000rpm)离心1min;(9)将吸附柱转移到新废液管;(10)加500ulwashBuffer1,8000g(1000rpm)离心1min、弃废液;(11)加500ulwashBuffer2,≥20000g(≥14000rpm)离心3min、弃废液;(12)≥20000g(≥14000rpm)空离心1min,将吸附柱转移到新的1.5ml离心管;(13)加80ulElutionBuffer,37℃静置孵育2min;(14)8000g(1000rpm)离心1min;(15)收集基因组DNA。
步骤2:测定抽提的基因组DNA浓度
采用ThermoScientific公司的NanoDrop2000检测,吸取1μlDNA样本,点样到检测板上,从仪器上读取样本的浓度。
步骤3:亚硫酸盐处理基因组DNA
(1)根据DNA浓度,计算亚硫酸盐处理所需DNA量200ng的取样体积;(2)加入无酶水、DNA体积和5ulM-DilutionBuffer的混合液共50μl反应液,用tip头吸打混匀、点离;(3)将溶液置37℃温箱孵育15min;(4)避光配制ConversionReagent(CT):750ul无酶水+210μlM-DilutionBuffer颠倒混匀、涡旋至充分溶解;(5)避光条件下加入100μlConversionReagent(CT),混匀、点离;(6)将以上反应体系置于50℃水浴锅避光水浴12-16h;(7)将水浴过夜产物取出后放0-4℃冰箱10min;(8)准备好吸附柱并加入400μl的M-BindingBuffer湿润吸附柱;(9)将放置在0-4℃冰箱里冷却的样本加入到吸附柱内,盖上盖子颠倒混匀;(10)≥10000g离心30s;(11)加入100ul的M-WashBuffer,≥10000g离心30s,弃废液;(12)加200ul的M-DesulphonationBuffer至20-30℃温箱放置18min;(13)≥10000g离心30s;(14)加200μlM-WashBuffer,≥10000g离心30s;(15)重复上一步骤一次,弃废液;(16)≥10000g离心30s,弃废液管;(17)将吸附柱转移到1.5ml新离心管中收集产物;(18)加10μl的M-ElutionBuffer,≥10000g离心30s;(19)重复上一步骤一次,弃吸附柱,离心管内收集的即为亚硫酸盐处理后的DNA。
步骤4:扩增目的DNA片段并测序
具体包括:
1.设计扩增目的DNA片段的特异性PCR引物和测序引物
应用PyroMarkAssayDesign2.0软件设计引物。将包含SEQIDNO.1所示目的核苷酸序列及该段序列上下游200bp核苷酸的DNA序列输入软件。获得特异性PCR引物,上游引物为5'-TGTGGATAGTGATAATTTGTTATAAAGTAA-3'(如SEQIDNO.2所示),下游引物为5'-AACCTCATCCAATCTTAAAACACTTATA-3'(如SEQIDNO.3所示),下游引物的5'端用生物素biotin标记,该引物可扩增出包含目的DNA序列的一段PCR产物,长度为355bp。检测目的DNA序列中的两个CG位点,设计的测序探针序列为:5'-AATGTTGTTATTTTATTTTAGATAG-3'(如SEQIDNO.4所示)。
利用特异性PCR引物扩增待测DNA片段
PCR的反应体系见表1;PCR反应的条件见表2。
表1:PCR反应体系
表2:甲基化特异性PCR反应条件
3.PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳检测
(1)配制电泳缓冲液(50×TAE),每次使用前用去离子水稀释成1×TAE;称取低熔点琼脂糖0.5g,加1×TAE50ml,置于微波炉中加热;(2)凝胶在室温中冷却至50℃左右后,加入溴乙啶2.5μl,摇匀,将凝胶倒入成样器,室温下冷却至完全凝固(>60min);(3)轻轻拔除梳子,放入电泳槽中,加入1×TAE,使液面高于胶面1~2mm;(4)上样:取6μlPCR产物,分别加入各加样孔,在每排的第一个孔加入DNAmark;(5)电泳:采用恒压方式,电压为135V,颜色指示剂电泳至凝胶的2/3处时终止电泳,一般约需25分钟;(6)电泳结束后,将凝胶置于凝胶成像系统观察是否有明显特异的电泳条带,如附图1所示。
使用焦磷酸测序仪对PCR产物进行测序
(1)首先,准备试剂和上及样本;50ml70%乙醇(15ml+35ml),40mlDenaturationsolution变性溶液,10μm的测序引物,测序探针DNA序列为5'-AATGTTGTTATTTTATTTTAGATAG-3',如SEQIDNO.4所示。50ml洗涤缓冲液(45mlH2O+5mlWashBuffer),洗干净的试剂仓(每个最多三十次),5管高纯水;(2)配制混合液Mix①:总体积80μl/孔:40ul结合缓冲液+2μl微球+18μl高纯水+20μlPCR产物(最后加);(3)配制混合液Mix②:10μM×Xμl=0.3μM×25μl×n(n为需检测样本数,另每加10个则多配一个Mix②),计算出X(需10μM的测序引物)的体积,而25μl×n-Xμl为所需退火缓冲液(AnnealingBuffer)的体积;(4)微球固定PCR产物(配置Mix①及分配过程),即链霉素包被琼脂糖微球,使用前轻摇匀微球,直至获得均质溶液;(5)在EP管中混合微球(2ul/样本)与结合缓冲液(40ul/样本)添加高纯水;(6)至80ul/孔的总体积(包括PCR产物于第四步再加入到联排管)水量取决于PCR产物的量;(7)将第二步中制备的溶液添加至24孔板或联排管中;(8)根据孔板设置,添加5-20ul(一般是20ul)优化好的生物素标记的PCR产物至PCR孔板(或联排管中)的每个独立孔槽(总体积80ul);(9)加盖,确保孔槽之间没有泄漏;(10)使用震荡混合器(1400rpm)不断震荡PCR孔板(或联排管),至少5-10分钟琼脂糖微球沉淀快速,一般加2个孔需摇匀一次再继续加固定过程中,准备好真空工作站进行样本制备;(11)使用退火缓冲液稀释测序探针至0.3μM.稀释后测序引物添加25μl,即Mix②,稀释好的测序引物至待使用的PyromarkQ24孔板的每个反应孔中(在制备和移动孔板时,使用提供的PyromarkQ24孔板,板底座之一作为支撑物)。
其中,真空工作站的操作具体步骤为:(1)确保Q24真空工作站正确和牢固的装配,预热24孔板底座(80℃),洗槽子,填充槽子(50ml70%乙醇,40ml变性溶液,50ml洗涤缓冲液,50ml及70ml高纯水),打开真空泵,打开真空开关,在真空装置中施加真空。(2)探头至高纯水中,加真空,清洗过程中滤探针,用70ml高纯水中洗探针,确保水被转移至废液容器,关闭真空装置上的真空开关,并将其置于静止位(P位),(6)用70ml高纯水重新填充试剂槽5。(3)在11.4.8固定样本及11.5准备好PyromarkQ24孔板的Mix②后,立即将PCR孔板(或联排管)和PyromarkQ24孔板放置到工作台上,确保孔板位置与装载样本时的一致。(4)打开真空开关,在真空装置中施加真空。小心降下过滤探针至PCR孔板(或联排管中)以捕获含有固定模板的微球,保持15s,小心取出真空装置(琼脂微球沉淀迅速,如果孔板或联排管振荡后放置超过1min,则捕获前再次振荡一分钟),确保所有孔槽中的液体吸出并且所有微球都已被捕获到过滤探针顶端,70%乙醇的试剂槽中5s。(5)洗脱缓冲液中10s。抬高真空装置超过90℃垂直5s,以过滤探针中排液,持真空装置到PyromarkQ24孔板时,应关闭装置上的真空开关(OFF),通过左右轻摇真空装置,释放珠子至含测序引物即探针的孔板中,关闭真空开关(OFF),将真空装置转移至含有高纯水的试剂槽中,并振荡10s,降下探针于第二个含高纯水的试剂槽中并加真空清洗探针,用70ml高纯水冲洗过滤探针,抬高真空装置90℃垂直5s,以过滤探针中排液,并关闭真空装置,将其置于静止位,如一次超过一块孔板,重新填充试剂槽,重复,关闭真空泵。
使用PyromarkGoldQ24测序的具体步骤为:(1)孔板中测序引物退火:使用PyromarkQ24孔板底座和一个加垫块未加垫含有样本的PyromarkQ24孔板至80℃,持续2min,从孔板底座上取下孔板,使样本在室温(15-25℃)下冷却至少5分钟,此时孔板可在PyromarkQ24仪器中进行处理。(2)PyromarkGoldQ24测序试剂准备:打开PyromarkGoldQ24试剂盒,取出含有酶和底物冻干粉的小瓶,及含有核苷酸的试管,依照与试剂仪器提供手册,计算所需的试剂体积,填充PyromarkQ24试剂仓。(3)PyromarkQ24上机:将试剂仓及PyromarkQ24孔板放入仪器中,同时将已经有运行程序的U盘插入USB接口,通过上下键选择run,选择ok,显示屏提示是否选择你U盘中的程序,按select选择需要run的运行程序,仪器会提示是否要运行此程序,确定无误后选择ok,运行即可。仪器运行完会自动保存好结果到U盘中,按提示选择shutdown然后关闭电源即可,之后洗干净试剂仓晾干。
步骤5:通过测序结果分析目的DNA序列的甲基化水平
根据测序结果图,直接读取软件PyroMarkQ24ApplicationSoftware2.0给出的数值,判断两个CG位点的甲基化水平。
实施例3:本发明SLE诊断试剂盒敏感性和特异性的检验
利用实施例2所述的方法检测1056例SLE患者、587例健康对照、553例类风湿性关节炎(简称RA)患者外周血IFI44L基因转录起始位点上游-1500bp内的DNA序列即SEQIDNO.1所包含的两个CG位点的甲基化水平,检测结果显示:健康对照组这两个CG位点均呈高甲基化,SLE患者组两个CG位点甲基化水平与健康对照和RA患者相比均显著较低(如附图2和附图3所示)。
利用ROC曲线评价统计量计算两个CG位点甲基化水平在诊断SLE中的敏感性和特异性,ROC曲线下面积(AUC)实际的取值范围为0.5~1,而一般认为:对于一个诊断试验,ROC曲线下面积在0.5~0.7之间时诊断价值较低,在0.7~0.9之间时诊断价值中等,在0.9以上时诊断价值较高。CG位点1甲基化水平区分SLE患者与健康对照的特异性96.10895%、敏感性91.67513%(如附图4所示);CG位点2甲基化水平区分SLE患者与健康对照的特异性95.91440%、敏感性93.50254%(如附图5所示);CG位点1甲基化水平区分SLE患者与RA患者的特异性83.72549%、敏感性89.44162%(如附图6所示);CG位点2甲基化水平区分SLE患者与RA患者的特异性89.80392%、敏感性82.53807%(如附图7所示)。
SEQUENCELISTING
<110>中南大学湘雅二医院
<120>系统性红斑狼疮生物标志物及其诊断试剂盒
<130>1
<160>4
<170>PatentInversion3.3
<210>1
<211>122
<212>DNA
<213>Homosapiens
<400>1
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