CN106148513A - 一种游离dna文库构建方法及试剂盒 - Google Patents

一种游离dna文库构建方法及试剂盒 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种游离DNA文库构建方法及试剂盒，包括以下步骤：（1）抽提血浆中游离DNA，加入游离DNA末端补平酶和dNTP，补平游离DNA末端并在游离DNA的3’端增加碱基A；（2）直接往步骤1反应体系中加入磷酸化酶去除多余的dNTP；（3）直接往步骤2反应体系中加入DNA连接试剂，使目标待测DNA与DNA接头连接。本发明可供高通量测序仪检测的测序文库，可实现单管和无需PCR扩增，从而使游离DNA检测更快速和更简便。

Description

一种游离DNA文库构建方法及试剂盒
技术领域
本发明属于血浆游离DNA检测领域，具体涉及一种用于检测染色体非整倍体的血浆游离DNA测序文库的构建方法及试剂盒。
背景技术
血浆游离DNA为小片段、碎片化DNA，片段长度100～300bp之间，峰值在160bp左右。1997年，卢煜明教授发现在孕妇外周血浆中含有胎儿的游离DNA，从而开创以游离DNA为检测来源，分析孕妇所怀胎儿是否有染色体异常。血浆中也存在来源于肿瘤细胞的循环肿瘤DNA(ctDNA)，ctDNA被广泛用来做肿瘤液态活检，可以无创伤性的早期诊断、伴随诊断、预后随访等。
血浆游离DNA的检测方法有PCR、基因芯片、数字PCR、高通量测序等技术。PCR、数字PCR技术适合于单个或少数位点的检测，由于游离DNA是碎片化的特点，所以PCR技术的检出率不高。基因芯片技术是利用多个探针和目标片段进行杂交，然而基因芯片技术需要样本起始量较多，同时也受限于也有的探针的具体情况，检测的灵敏度和特异性不佳。高通量测序是通过大规模平行测序，每次检测数千万条序列，可以精准的定性、定量游离DNA含量和碱基突变情况。
市场上主流的高通量测序仪主要由Illumina、ThermoFisher等提供，任何一种高通量测序平台在进行检测前都会要求首先把待测DNA样本构建测序文库，即在待测DNA两端连接上测序仪通用的接头DNA序列，从而让该待测片段DNA可以在测序仪不同的芯片上进行测序反应。
高通量测序文库构建的基本流程是：1.末端补平；2.碱基最后增加一个A；3.连接接头；4.PCR扩增。由于每一步都有独立的酶和缓冲体系，所以在常规的高通量测序文库构建过程中，每一次反应中间都需要进行基于硅胶柱或磁性颗粒的DNA纯化。也就说常规的高通量测序文库构建流程有：1.末端补平；2.纯化；3.碱基最后增加一个A；4.纯化；5.连接接头；6.纯化；7.PCR扩增等7个步骤。整个试验流程需要5～8个小时，费时费力。
血浆游离DNA在外周血浆中含量低，每ml血浆约6～10ng DNA，每一次繁琐的建库步骤都会有一定的损失，会造成需要起始样本量要求高。
发明内容
鉴于目前血浆游离脱氧核糖核酸(DNA)的常规建库过程需要末端补平、纯化、加A、纯化、连接接头、纯化、PCR、纯化等八个步骤，需要6～8个小时，该过程存在耗时长、样本损失大的缺陷。本发明提供了一种用于检测染色体非整倍体的血浆游离DNA测序文库的构建方法，是一种可实现单管、无需PCR扩增的游离DNA建库方法。
一种游离DNA文库构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)抽提血浆中游离DNA，加入游离DNA末端补平酶和dNTP，补平游离DNA末端并在游离DNA的3’端增加碱基A；
2)直接往步骤1反应体系中加入磷酸化酶去除多余的dNTP；
3)直接往步骤2反应体系中加入DNA连接试剂，使目标待测DNA与DNA接头连接。
本发明整合末端补平加A在一步完成，同时为了避免过量dNTP会引起后续步骤DNA接头自连，在完成补平加A后创新地加入微量的磷酸化酶，去除过量dNTP，随后不需要纯化DNA，直接在反应体系中加入DNA连接酶及DNA接头，完成文库构建。整个过程在一个反应体系中完成，DNA样本加入试管后，分别加入三步试剂，不需要纯化和PCR扩增，反应体系在一个试管中完成。
进一步地，所述构建方法还包括步骤4)：将步骤3)的产物用硅胶柱或磁性颗粒纯化。产物经硅胶柱或磁性颗粒纯化后，无需进行PCR扩增，可直接在illuminaHiSeq、NextSeqCN500、NextSeq AR550、MiSeq、MiniSeq等测序仪上直接检测使用。
所述游离DNA末端补平酶为T4DNA聚合酶、Klenowexo-、T4DNA磷酸激酶(T4DNAPNK)、Taq聚合酶或Klenow酶中的一种或多种。步骤1反应条件是37℃20分钟，反应后无需纯化。
所述磷酸化酶为细菌碱性磷酸酶(BAP)或虾源磷酸酶(SAP)。步骤2反应条件是37℃1分钟，75℃变性，反应后无需纯化。
所述DNA连接试剂主要由T4DNA连接酶和DNA接头组成。步骤3反应条件是20℃15～20分钟，反应后无需纯化。
本发明的高通量测序文库构建方法中包括三种酶蛋白：(1)游离DNA末端补平酶(T4DNA聚合酶或和Klenowexo-、T4DNA PNK、Taq或Klenow酶)；(2)磷酸化酶(细菌碱性磷酸酶(BAP)或虾源磷酸酶(SAP))、(3)DNA连接酶。
这三类酶的组合，创新地把游离DNA高通量测序文库构建减少到两步。游离DNA末端补平酶，把天然的游离DNA的末端碎片进行补平，并增加一个碱基A。磷酸化酶可去除过量的dNTP，最后通过DNA连接酶把测序平台需要的接头和目标待测DNA进行连接。
本发明创造性的结合了游离DNA末端补平和加A在一步反应，在反应体系中引入微量的磷酸酶去除过量的dNTP，以免由于单管法各种酶灭活不彻底造成的后期DNA接头自连，同时通过优化反应酶的选择和合适的缓冲体系，省却了补平加A和连接DNA接头之间的纯化步骤，更重要的是通过反应体系的构建，免除了游离DNA文库的PCR环节，大大降低了PCR过程中产生的GC偏好及气溶胶污染的可能。
针对极低量的血浆游离DNA的高通量测序文库构建，本发明大大简化了试验流程、减少了制备过程中的损耗、减少了DNA接头自连的比例、避免了PCR气溶胶污染，使得的无创胎儿染色体非整倍体检测、无创胎儿单基因病检测、无创胎儿多基因病检测、无创胎儿全基因组检测、游离DNA靶向测序、游离DNA全基因组测序、ctDNA检测可以更加稳定，所需样本量更低，病人依从度更高。这种无需扩增的游离DNA高通量测序文库构建技术，是一个更快速、更准确的高通量测序检测技术。
本发明的第二个目的是提供一种构建用于检测染色体非整倍体的血浆游离DNA测序文库的试剂盒，采用该试剂盒，无需进行PCR扩增。
一种构建游离DNA文库的试剂盒，其特征在于，所述试剂盒主要包括游离DNA末端补平酶、dNTP、ATP、磷酸化酶、DNA连接试剂、Tris、二硫苏糖醇。
上述试剂中分成三组试剂，第一组为游离DNA末端补平试剂：由2单位/μl末端补平酶(T4DNA聚合酶或、Klenowexo-、T4DNA PNK、Taq或Klenow酶)、490uM的dNTPs，55mM的Tris缓冲液组成，反应条件是37℃20分钟，反应后无需纯化。
第二组试剂为磷酸化酶，直接在前一步骤中加入1μl 0.1单位/μl细菌碱性磷酸酶(BAP)或虾源磷酸酶(SAP)，37℃1分钟，75℃变性。
第三组试剂为DNA连接试剂：由100单位/μl的DNA连接酶，3.5mM的ATP，55mM的Tris缓冲液，30mM的二硫苏糖醇及DNA接头组成。反应条件是20℃15～20分钟，反应结束后直接由硅胶柱或磁性颗粒纯化即可直接上高通量测序仪检测。
血浆游离DNA可以用来进行无创的产前和肿瘤基因检测，在待检血浆游离DNA样本中加入游离DNA末端补平试剂，37℃温浴20分钟，直接加入磷酸化酶37℃1分钟，升温到75度变性蛋白酶5分钟，不用纯化，直接加入连接试剂和DNA接头，20℃15～20分钟，反应即完成。直接可放置到高通量测序仪进行检测。由于试验步骤少，损失小，操作速度快，所以本发明试剂盒检测灵敏度更高、起始样本需要量更少、结果更稳定。
本发明通过多个蛋白酶的选择、组合，以及它们之间的互相作用、温度，缓冲体系的建立，实现了单管、无需PCR扩增的游离DNA建库方法，大大加快了游离DNA的建库流程，避免了由于常规试验所需PCR扩增而引起的气溶胶污染，从而使今后基于游离DNA的无创胎儿染色体非整倍体检测、无创胎儿单基因病检测、无创胎儿多基因病检测、无创胎儿全基因组检测、游离DNA靶向测序、游离DNA全基因组测序、ctDNA检测制备流程大大简化。
本发明具有以下技术特点：
(1)无需PCR扩增：由于血浆游离DNA含量低，每毫升血浆只有6～10ng DNA，是常规核酸检测起始量的百分之至千分之一，所以目前市面上所有的游离DNA高通量测序建库试剂盒，都需要进行PCR扩增以后才能上机检测，否则无法得出稳定的结果。本发明通过工程酶的组合、缓冲体系的优化、反应温度优化、试验步骤的减少，让最后的结果无需PCR扩增就可以稳定得到，从而也大大减少了PCR可能引起的气溶胶污染的可能。
(2)单管法：常规的游离DNA建库试剂盒，需要有补平-纯化-加A-纯化-连接-纯化-PCR-纯化，四步试验加四次纯化，每次纯化都要由试验反应条件的PCR管换成1.5ml的EP管，从而在整个试验过程有多个液体转移、开闭管盖的步骤，存在样本转移出错及开闭管盖引起的气溶胶污染。本方法只要在一个试管中完成，中间没有纯化步骤，只需要持续在一个试管加入反应液体，减少了样本转移过程可能出错的可能。同时由于没有PCR环节，开关管盖也不会引起气溶胶污染。
(3)快速：由于试验步骤减少到两步，同时在一管完成，以往常规需要在6～8个小时完成的文库构建工作，本方法可以在40分钟完成，大大加快了整个试验流程。
(4)工程酶选择：高通量测序构建文库的方法很多，本方法通过大量的组合测试，选择了本方法陈述的工程酶选择组合，实现了单管、无需纯化、无需PCR的建库流程。
(5)DNA接头自连少：由于在连接之前去除了过量的dNTP，减少了接头在反应中补平后产生自连的现象，因此减少了自连的产生，避免测序产生大量无效数据。
附图说明
图1是常规高通量测序文库构建方法流程图。
图2是本发明高通量测序文库构建方法流程图。
图3是通过荧光定量PCR建库检测建库的有效性。高通量测序文库的构建是在目标待测DNA左右加上通用的DNA接头，可以通过DNA接头里面对应的引物，进行荧光定量PCR扩增检测来看建库的有效性，如果能有荧光信号，说明样本已经被连接上特异的DNA接头，建库成功。
图4a、4b、4c是本方法构建的高通量测序文库，经过测序仪检测后，比对到基因组，通过计数基因组DNA数量反应孕妇所怀的胎儿是否有染色体非整倍体。图4a显示13号染色体三体和正常样本的区别，图4b显示18号染色体三体和正常样本的区别，图4c显示21号染色体三体和正常样本的区别。
图5是本方法构建的高通量测序文库，经过测序仪检测后，比对到基因组，通过计数基因组DNA数量反应孕妇所怀的胎儿是否有染色体非整倍体。黑色三角形为XXX染色体异常，黑色方块为正常女胎对照样本，黑色圆点为正常男胎对照样本。
图6是本方法构建的高通量测序文库，检测特定基因突变情况。结果为测序所得碱基和参考序列比对结果，可以看到通过本方法构建的测序文库，经过高通量测序以后在特定碱基位置发现基因由T到G的突变。
具体实施方式
以下具体实施例是对本发明提供的方法与技术方案的进一步说明，但不应理解成对本发明的限制。
本发明中使用的生物材料来源：
(1)游离DNA样本来源于孕妇血浆、肿瘤病人血浆。
(2)DNA接头由大连宝生物公司合成。
实施例1
本实施例用于说明本方法能快速构建血浆游离DNA文库。
1、1ml孕妇血浆，经由QIAamp Circμlating Nucleic Acid Kit抽提血浆游离DNA。
2、加入2单位/μl末端补平酶(T4DNA聚合酶或和Klenowexo-)、490uM的dNTPs，55mM的Tris缓冲液组成，反应条件是37℃20分钟。
3、直接在试管中加入1μl CAP，37℃ 1分钟，75℃ 5分钟变性。
4、直接在试管中加入DNA连接试剂：100单位/μl的DNA连接酶，3.5mM的ATP，55mM的Tris缓冲液，30mM的二硫苏糖醇及DNA接头组成。反应条件是20℃20分钟，反应结束后直接由硅胶柱或磁性颗粒纯化即可直接上高通量测序仪检测。
5、文库可用于illuminaHiSeq、NextSeq、MiSeq、MiniSeq测序仪检测。
实施例2
本实施例用于说明本方法构建孕妇血浆游离DNA，可检测胎儿染色体非整倍体。(见图3、图4a、4b、4c)
1、怀有不同染色体异常的孕妇血浆1ml，经由QIAamp Circμlating Nucleic AcidKit抽提血浆游离DNA。
2、加入2单位/μl末端补平酶(T4DNA聚合酶或和Klenowexo-)、490uM的dNTPs，55mM的Tris缓冲液组成，反应条件是37℃ 20分钟。
3、直接在试管中加入1μl CAP，37℃ 1分钟，75℃ 5分钟变性。
4、直接在试管中加入DNA连接试剂：100单位/μl的DNA连接酶，3.5mM的ATP，55mM的Tris缓冲液，30mM的二硫苏糖醇及DNA接头组成。反应条件是20℃20分钟，反应结束后直接由硅胶柱或磁性颗粒纯化即可直接上高通量测序仪检测。
5、文库可用于illuminaHiSeq、NextSeq、MiSeq、MiniSeq测序仪检测。
6、每个样本测序三百万条在染色体上唯一对应的DNA序列，每条序列通过BWA软件进行染色体比对，从而得到每条染色体的测序所得序列的比值。
7、按照卢煜明教授2008年发表的胎儿染色体非整倍体算法，得到每个染色体的Z值，Z值在-3和3之间的属于正常样本，超出范围的都为染色体非整倍体。
实施例3
本实施例用于说明本方法构建肿瘤病人血浆游离DNA，可检测循环肿瘤DNA突变。(结果见图5)
1、肿瘤病人血浆1ml，经由QIAamp Circμlating Nucleic Acid Kit抽提血浆游离DNA。
2、加入2单位/μl末端补平酶(T4 DNA聚合酶或和Klenowexo-)、490uM的dNTPs，55mM的Tris缓冲液组成，反应条件是37℃20分钟。
3、直接在试管中加入1μl CAP，37℃1分钟，75℃5分钟变性。
4、直接在试管中加入DNA连接试剂：100单位/μl的DNA连接酶，3.5mM的ATP，55mM的Tris缓冲液，30mM的二硫苏糖醇及DNA接头组成。反应条件是20℃20分钟，反应结束后直接由硅胶柱或磁性颗粒纯化即可直接上高通量测序仪检测。
5、文库可用于illuminaHiSeq、NextSeq、MiSeq、MiniSeq测序仪检测。
6、每个样本测序三亿条在染色体上唯一对应的DNA序列，每条序列通过BWA软件进行染色体比对，从而得到全基因组相应碱基的突变情况。

Claims (12)

1.一种游离DNA文库构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)抽提血浆中游离DNA，加入游离DNA末端补平酶和dNTP，补平游离DNA末端并在游离DNA的3’端增加碱基A；
2)直接往步骤1反应体系中加入磷酸化酶去除多余的dNTP；
3)直接往步骤2反应体系中加入DNA连接试剂，使目标待测DNA与DNA接头连接。
2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述构建方法还包括步骤4)：将步骤3)的产物用硅胶柱或磁性颗粒纯化。
3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述游离DNA末端补平酶为T4 DNA聚合酶、Klenowexo-、T4 DNA磷酸激酶(T4 DNA PNK)、Taq聚合酶或Klenow酶中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于，步骤1反应条件是37℃20分钟，反应后无需纯化。
5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述磷酸化酶为细菌碱性磷酸酶(BAP)或虾源磷酸酶(SAP)。
6.根据权利要求5所述的构建方法，其特征在于，步骤2反应条件是37℃1分钟，75℃变性，反应后无需纯化。
7.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述DNA连接试剂主要由T4DNA连接酶和DNA接头组成。
8.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于，步骤3反应条件是20℃15～20分钟，反应后无需纯化。
9.一种构建游离DNA文库的试剂盒，其特征在于，所述试剂盒主要包括游离DNA末端补平酶、dNTP、ATP、磷酸化酶、DNA连接试剂、Tris、二硫苏糖醇。
10.根据权利要求9所述的试剂盒，其特征在于，所述游离DNA末端补平酶为T4 DNA聚合酶、Klenowexo-、T4 DNA磷酸激酶(T4 DNA PNK)、Taq聚合酶或Klenow酶中的一种或多种。
11.根据权利要求9所述的试剂盒，其特征在于，所述磷酸化酶为细菌碱性磷酸酶(BAP)或虾源磷酸酶(SAP)。
12.根据权利要求9所述的试剂盒，其特征在于，所述DNA连接试剂主要由T4 DNA连接酶和DNA接头组成。
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