CN108165620A - 标签及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制备标签的方法，标签，标签接头及基于DNA标签文库的基因测序方法。本发明提供的标签制备方法可以快速获得标签序列，标签筛选试验周期短；基于该方法获得的384个标签及标签接头可应用于DNA标签文库构建及基因测序，从而实现384个样品的并行测序，稳定性好，标签识别率高，准确性高，尤其适用于Ion torrent平台。

Description

标签及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于基因测序领域，具体涉及制备标签的方法，标签，标签接头及基于DNA标签文库的基因测序方法。
背景技术
高通量测序技术是对传统一代测序革命性的改变，能实现一次对几十万到几百万条核酸分子进行序列测定。高通量测序相对于一代测序的优势之一在于：大规模平行测序。实现大规模平行测序的关键在于标签的应用，利用标签标记不同样品来源的核酸，从而实现大量样品的平行检测，这大大的缩短了总测序时长。
对于标签的使用，必须考虑测序错误，如果测序错误正好落在标签区域，那么将会导致标签序列的改变，从而无法分辨样品来源，或者误判为另一个标签；此外，随着标签使用数量越多，标签识别错误概率将越高。对于Ion Torrent平台而言，其测序错误率相对较高，因此适用于Ion Torrent平台的标签则要求更低的容错率，这将加大标签设计及筛选的难度。基于这一问题，本发明将提供一种快速制备标签的方法，并提供适于Ion Torrent平台的标签及标签接头，能够实现高达384个样品的平行检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速制备标签的方法，本发明还提供该方法获得的标签、标签接头及其在基因测序中的应用。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
基于标签区分样品来源的特性，发明人根据Life Technologies公司生产的IonTorrent半导体测序平台，研发出一种制备标签的方法，其识别率高、零错配率，可准确实现高通量测序。
本发明提供制备标签的方法，包括以下步骤：
(1)生成长度阈值范围内的所有核苷酸序列，构成候选标签池；
长度阈值范围用于确定制备标签序列长度，作为优选的，步骤(1)中，长度阈值范围为6～12bp，更优选的，长度阈值范围为8～10bp。
(2)对候选标签池内的核苷酸序列进行筛选，筛选标准如下：
去除3’末端不为C的核苷酸序列；
去除5’首端为C的核苷酸序列；
去除包含AGC、GCC、AAG、CTGC、CCG、CAA、AAA、TTT、CCC、GGG的核苷酸序列；
去除5’端是AGG起始的核苷酸序列；
去除3’端是CC终止的核苷酸序列；
以上筛选标准是发明人经过长期研究总结获得，可以有效剔除不适于Iontorrent平台的标签，减少试验筛选步骤的人力物力。
(3)对筛选后的候选标签池内的核苷酸序列进行两两序列比对，去除差异位置小于3的任一序列；该步骤保证了碱基测错时，当前标签不会被错识为另一标签，从而影响识别准确性。
(4)将候选标签池内的核苷酸序列插入标签接头3’末端“GAT”的上游，去除使标签接头出现二聚体和发夹结构的核苷酸序列。
(5)任选候选标签池内的核苷酸序列进行试验筛选，筛选测序数据量占平均数据量的比例大于比例阈值的核苷酸序列，作为标签；
作为优选的，步骤(5)中，比例阈值为20％～30％。
本发明还提供基于上述方法获得的标签组，至少包括核苷酸序列如SEQ ID NO：004～SEQ ID NO：387所示标签中的两个。
本发明还提供上述标签组用于构建Ion torrent测序文库的用途，所述标签插入标签接头3’末端“GAT”的上游。
作为优选的，所述标签接头3’末端“GAT”下游还插入通用序列，所述通用序列为：5’-AAATGGGCGGTAGGCTTG-3’。
本发明还提供标签接头组，其中标签接头包含上述标签组的任一标签，所述标签插入标签接头3’末端“GAT”的上游，所述标签接头组至少包括两种所含标签序列不同的标签接头。
作为优选的，所述标签接头3’末端“GAT”下游还插入通用序列，所述通用序列为：5’-AAATGGGCGGTAGGCTTG-3’。
本发明基于高通量测序技术，本领域技术人员应该知晓，标签接头是指用于连接标签的接头，测序接头是指能与测序起始端结合并携带测序引物的接头；通用序列是为实现PCR连接扩增子、标签接头及测序接头的适应性选择。
本发明还提供基于DNA标签文库的基因测序方法，包括：
(1)提取样品基因组DNA；
(2)不同样品来源的基因组DNA利用包含不同标签序列的标签接头进行DNA标签文库
构建；
(3)将不同样品来源的DNA标签文库混合、磁珠纯化、质控，获得混合DNA标签文库；
(4)使用Ion torrent平台对混合DNA标签文库进行测序；
所述标签至少包括核苷酸序列如SEQ ID NO：004～SEQ ID NO：387所示标签中的两个。
本领域技术人员在构建标签文库过程中，还需利用测序接头及靶向目标区域的引物和/或探针，不同测序平台所用测序接头不同，引物或探针可根据目标区域利用现有技术设计获得。
发明人经过长期实验，上述基于DNA标签文库的基因测序方法适用于耳聋基因测序、叶酸代谢能力基因测序、肺癌靶向用药基因测序、苯丙酮尿症致病基因测序，但不限于此，基于Ion torrent平台的基因测序都应适用。
本发明的有益效果是：
本发明提供的标签制备方法可以快速获得标签序列，标签筛选试验周期短；基于该方法获得的384个标签及标签接头可应用于DNA标签文库构建及基因测序，从而实现384个样品的并行测序，稳定性好，标签识别率高，准确性高，尤其适用于Ion torrent平台。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步解释本发明，本发明的保护范围并不限于此。
本发明实施例中未特别说明的试剂和仪器均可市购获得，实施例中未特别说明的操作方法和条件按产商说明书或本领域常规技术实施。
实施例1、制备标签的方法
针对Ion torrent测序平台，发明人提供了一种制备标签的方法，包括如下步骤：
(1)生成8bp和10bp的所有核苷酸序列，构成候选标签池。
(2)对候选标签池内的核苷酸序列进行筛选，筛选标准如下：
去除3’端末端不为C的核苷酸序列；
去除5’首端为C的核苷酸序列；
去除包含AGC、GCC、AAG、CTGC、CCG、CAA、AAA、TTT、CCC、GGG的核苷酸序列；
去除5’端是AGG起始的核苷酸序列；
去除3’端是CC终止的核苷酸序列。
(3)对筛选后的候选标签池内的核苷酸序列进行两两序列比对，去除差异位置小于3的任一序列；采用Needleman-Wunsch算法进行两两序列比对。
(4)将候选标签池内的核苷酸序列插入标签接头3’末端“GAT”的上游，使用Oligo软件进行分析，去除使标签接头出现二聚体和发夹结构的核苷酸序列。
(5)任选候选标签池内的核苷酸序列进行试验筛选，筛选测序数据量占平均数据量的比例大于25％的核苷酸序列，作为标签。
实施例2、标签筛选
任选实施例1步骤(4)获得的候选标签池内415条标签，进行试验筛选，采用人基因组为模板，结合耳聋基因测序方法(具体方法参考实施例3)，进行文库构建，将415个文库在一张PI芯片上进行高通量测序，根据测序所得的数据量(reads数)衡量标签序列的扩增效率，以测序数据量占平均数据量的比例大于25％为标准，共筛选得到384个标签序列，将测序数据量按从大到小排列，如表1所示。
表1、标签筛选
实施例3、基于DNA标签文库的耳聋基因测序方法
1、标签接头
利用表1所示的SEQ ID NO：004～SEQ ID NO：387所示的384个标签(以下简称index)，将标签插入标签接头3’末端“GAT”的上游，标签接头3’末端“GAT”下游插入通用序列，其中，原标签接头序列为5’-CCATCTCATCCCTGCGTGTCTCCGACTCAGGAT-3’(SEQ ID NO:001)，通用序列为：5’-AAATGGGCGGTAGGCTTG-3’(SEQ ID NO:002)；由此构成新的384个标签接头，其结构形式如下：5’-CCATCTCATCCCTGCGTGTCTCCGACTCAG-index-GAT-AAATGGGCGGTAGGCTTG-3’。
2、DNA提取
选取1152例干血斑样本(400例阳性样本、752例阴性样本，样本为合作单位提供的科研样本，使用HiPure Blood DNA Mini Kit(Magen公司)提取，对提取的基因组用Nanodrop 2000进行纯度检测。
3、DNA标签文库构建
以上样本以384个为一组，共3组，每组均利用靶向耳聋基因的特异性引物组、384个标签接头和测序接头构建DNA标签文库，25μL反应体系为：PCR反应液mix 12.5μL、特异性引物组0.2μL，标签接头0.5μL、测序接头0.5μL、基因组DNA 20ng，无核酸酶补水至25μL；其中，特异性引物组是针对耳聋基因(GJB2，GJB3，SLC26A4，12S rRNA，MT-TL1)利用本领域常规技术设计获得，测序接头为：5’-CCTCTCTATGGGCAGTCGGTGATGATAAATGGGCGGTAGGCTTG-3'(SEQ ID NO:003)，每组不同样品来源的反应体系添加不同的标签接头；运行PCR反应程序：95℃预变性3min；35个循环扩增(95℃变性15s，60℃退火90s，72℃延伸30s)；72℃延伸1min，16℃forever。
4、DNA文库纯化及质控
对以上3组DNA标签文库分别纯化，每组纯化方式如下：384个DNA标签文库每96个等体积混合，将混合后的4个DNA标签文库取100μL纯化，按照Beckman纯化磁珠的标准纯化步骤进行片段筛选纯化；纯化后的DNA标签文库使用Qubit定量，本实施例3组共12个混合DNA标签文库的浓度如表2所示。
表2、实施例3混合DNA标签文库Qubit定量结果
5、半导体测序
对以上3组纯化后的混合DNA标签文库分别进行半导体测序，方法如下：将同一组的4个混合DNA文库等分子量混合，使用Ion Torrent平台测序，测序模板制备和富集详见Ion PITMHi QTMOT2 200Kit(A26434)操作使用说明书，将带有模板分子的微珠加载到IonProtonTM测序仪的半导体芯片上进行测序，详细步骤参见Ion PITMHi QSequence 200Kit操作使用说明书。
6、标签识别及生信分析
测序数据下机前进行标签识别，以区分不同样品的测序数据。标签识别结果显示：本实施例的3组标签的识别率100％。
对测序下机数据进行生物信息分析，本实施例3组文库的平均数据量占比都大于25％，满足生物信息分析数据量要求，且1152例样本的检测结果均与一代测序结果一致，准确率100％。
实施例4、基于DNA标签文库的叶酸代谢能力基因测序方法
选取384例样本(100例全血样本、50例白细胞样本、234例口腔拭子样本，样本为合作单位提供的科研样本，使用HiPure Blood DNA Mini Kit(Magen公司)提取，对提取的基因组用Nanodrop 2000进行纯度检测。
利用靶向叶酸代谢能力基因的特异性引物组、标签接头和测序接头构建DNA标签文库，10μL反应体系为：PCR反应液mix 5.0μL、特异性引物组0.8μL，标签接头0.1μL、测序接头0.1μL、基因组DNA 80ng，无核酸酶补水至10μL，其中，标签接头和测序接头具体序列同实施例3，特异性引物组是针对与叶酸代谢相关的基因(MTHFR、MTRR)利用本领域常规技术设计获得，不同样品来源的反应体系添加不同的标签接头；运行PCR反应程序：95℃预变性3min；35个循环扩增(95℃变性15s，60℃退火90s，72℃延伸30s)；72℃延伸1min，16℃forever。
DNA标签文库纯化、质控、半导体测序、标签识别及生信分析方法同实施例3。
混合DNA标签文库Qubit定量结果如表3所示。
表3、实施例4混合DNA标签文库Qubit定量结果
混合DNA标签文库 Tag001-096 Tag097-192 Tag193-288 Tag289-384
Qubit定量浓度(ng/ul) 13.8 19.7 15.8 17.0
本实施例同样显示标签识别率100％，生物信息分析显示文库的平均数据量占比都大于25％，满足生物信息分析数据量要求，且384例样本的检测结果均与一代测序结果一致，准确率100％。
SEQUENCE LISTING
<110> 东莞博奥木华基因科技有限公司
<120> 标签及其制备方法和应用
<130>
<160> 3
<170> PatentIn version 3.5
<210> 1
<211> 33
<212> DNA
<213> 原标签接头
<400> 1
ccatctcatc cctgcgtgtc tccgactcag gat 33
<210> 2
<211> 18
<212> DNA
<213> 通用序列
<400> 2
aaatgggcgg taggcttg 18
<210> 3
<211> 44
<212> DNA
<213> 测序接头
<400> 3
cctctctatg ggcagtcggt gatgataaat gggcggtagg cttg 44

Claims (10)

1.制备标签的方法，包括以下步骤：
(1)生成长度阈值范围内的所有核苷酸序列，构成候选标签池；
(2)对候选标签池内的核苷酸序列进行筛选，筛选标准如下：
去除3’末端不为C的核苷酸序列；
去除5’首端为C的核苷酸序列；
去除包含AGC、GCC、AAG、CTGC、CCG、CAA、AAA、TTT、CCC、GGG的核苷酸序列；
去除5’端是AGG起始的核苷酸序列；
去除3’端是CC终止的核苷酸序列；
(3)对筛选后的候选标签池内的核苷酸序列进行两两序列比对，去除差异位置小于3的任一序列；
(4)将候选标签池内的核苷酸序列插入标签接头3’末端“GAT”的上游，去除使标签接头出现二聚体和发夹结构的核苷酸序列；
(5)任选候选标签池内的核苷酸序列进行试验筛选，筛选测序数据量占平均数据量的比例大于比例阈值的核苷酸序列，作为标签。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，任选地，长度阈值范围为6～12bp。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(5)中，任选地，比例阈值为20％～30％。
4.标签组，至少包括核苷酸序列如SEQ ID NO：004～SEQ ID NO：387所示标签中的两个。
5.权利要求4所述的标签组用于构建Ion torrent测序文库的用途，其特征在于：所述标签插入标签接头3’末端“GAT”的上游。
6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于：所述标签接头3’末端“GAT”下游还插入通用序列，所述通用序列为5’-AAATGGGCGGTAGGCTTG-3’。
7.标签接头组，其中标签接头包含权利要求4所述的任一标签，所述标签插入标签接头3’末端“GAT”的上游；所述标签接头组至少包括两种所含标签序列不同的标签接头。
8.根据权利要求7所述的标签接头，其特征在于：所述标签接头3’末端“GAT”下游还插入通用序列，所述通用序列为5’-AAATGGGCGGTAGGCTTG-3’。
9.基于DNA标签文库的基因测序方法，包括：
(1)提取样品基因组DNA；
(2)不同样品来源的基因组DNA利用包含不同标签序列的标签接头进行DNA标签文库构建；
(3)将不同样品来源的DNA标签文库混合、磁珠纯化、质控，获得混合DNA标签文库；
(4)使用Ion torrent平台对混合DNA标签文库进行测序；
所述标签至少包括核苷酸序列如SEQ ID NO：004～SEQ ID NO：387所示标签中的两个。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述方法适用于耳聋基因测序、叶酸代谢能力基因测序、肺癌靶向用药基因测序、苯丙酮尿症致病基因测序。
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