CN109971841A - 通过lc-ms检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用 - Google Patents

通过lc-ms检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用 Download PDF

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佟洪梅
智慧芳
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Abstract

本发明公开了一种通过LC‑MS检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用，包括如下步骤：(1)针对目标基因序列的SNP位点设计特异性扩增引物；(2)利用单管多重PCR扩增出包含目标基因特定SNP位点的目的片段；(3)利用碱性磷酸酶消化去除PCR体系中的dNTP；(4)进行单碱基延伸反应；(5)进行脱盐纯化处理；(6)通过质谱仪检测的分子量分析特定SNP位点的基因型。本方法在检测效率上比其他目前常用的检测方法高，一针进样可以完成数十个SNP位点的基因分型；检测准确性高，可以与金标准Sanger测序法相媲美，同时可以检测出样本中的三等位SNP位点的存在，结果可重现性高。

Description

通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用
技术领域
本发明涉及生物检测技术领域，特别是涉及一种通过PCR-液相色谱-质谱联用(PCR-LC-MS)方法检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用。
背景技术
单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)主要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。它是人类可遗传的变异中最常见的一种。占所有已知多态性的80％以上。SNP在人类基因组中广泛存在，平均每500～1000个碱基对中就有1个，估计其总数可达300万个甚至更多。单核苷酸多态性在遗传性、感染性及肿瘤等疾病的辅助诊断、用药指导等多方面有着极其重要的作用。
目前常用的检测基因SNP位点的方法有PCR-直接测序法、PCR-限制性片段长度多态性分析法(PCR-RFLP)、PCR-基因芯片法、荧光定量PCR法、高通量测序法等，这些技术在基因分型和基因突变检测中有着广泛的应用。
PCR-直接测序法是公认的检测基因分型的金标准，但检测周期长、检测通量低、灵敏度低、成本较高、对试剂和仪器有特殊要求，不易普及。
PCR-限制性片段长度多态性分析法检测灵敏度同样不高、通量低、操作步骤繁琐、只适用于部分SNP位点分型，检测的结果仍需进行一代测序法的再次验证，尤其当样本量多时极易造成PCR产物的交叉污染，且容易出现酶切不充分或酶切过度，从而造成假阴性或假阳性结果。
PCR-基因芯片法通量高，但检测结果的准确性和重复性均较差，灵敏度低，成本高，需要特殊的仪器设备，并且操作复杂。
荧光定量PCR的检测方法虽然具有灵敏度高，分型准确，操作简便快捷，结果重复性好，所用仪器容易普及推广等优点，是检测SNP位点的一种非常好的手段，但该方法通量有限，无法方便快捷地满足临床对于多基因的数十个至数百个位点检测的需求，并且探针成本较高，所以主要适于对少量位点、大样本进行分型。高通量测序虽然通量极高，但其成本、耗时、人员需求等不适用于基因SNP位点的检测。
因此，急需找到一种简便易行、准确性高、成本低廉、自动化程度高的基因分型方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用，通过将PCR扩增技术、磷酸酶处理技术和液相色谱-质谱联用(LC-MS)技术相结合，可以灵敏、特异、简便的对目标基因的SNP位点进行基因分型。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：
一种通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法(基因分型方法)，包括如下步骤：
(1)针对目标基因序列的SNP位点设计特异性扩增引物；
(2)利用单管多重PCR扩增出包含目标基因特定SNP位点的目的片段；
(3)利用碱性磷酸酶消化去除PCR体系中的dNTP；
(4)进行单碱基延伸反应；
(5)进行脱盐纯化处理；
(6)通过质谱仪检测的分子量分析特定SNP位点的基因型。
该方法主要基于多重PCR和单碱基延伸PCR技术，其原理是通过能够特异性扩增包含SNP位点区域的目标基因片段的引物和DNA聚合酶系进行PCR扩增，PCR结束后加入碱性磷酸酶消化处理，去除反应液中的dNTP。之后，在反应液中加入SNP位点特异的延伸引物及ddNTP等相关组分并进行单碱基延伸反应，反应过程中，SNP位点特异的延伸引物能够与待测的SNP位点的5’端进行特异结合并根据碱基互补配对原则延伸出与目标SNP基因型互补的碱基，根据不同的基因型的DNA模板可得到不用的延伸产物。不同碱基的分子量不同，根据延伸产物的分子量能够确定所分析SNP位点的基因型。
所述步骤(1)中设计的特异性引物包括用于扩增一个或者多个目标基因的SNP位点的特异性引物对，所述每个扩增目标基因的SNP位点的特异性引物对包含一条正向引物和一条反向引物。
所述步骤(2)中单管多重PCR扩增的反应程序为：90-98℃热启动，30秒-10分钟；90-95℃变性，10秒-1分钟；50-60℃退火，10秒-1分钟；68-72℃延伸，30秒-10分钟；扩增25-45个循环；68-72℃终延伸，5分钟。
所述步骤(3)中的碱性磷酸酶进行消化处理的条件为：30-40℃消化处理10-60分钟，70-85℃加热变性5-30分钟，2-8℃终止。
所述步骤(3)中的碱性磷酸酶选自虾碱性磷酸酶、小牛肠碱性磷酸酶、大肠杆菌碱性磷酸酶、大鼠碱性磷酸酶等不同来源的碱性磷酸酶中的任意一种。
所述步骤(4)中单碱基延伸反应包括目标基因的SNP位点的单碱基延伸引物，所述单碱基延伸引物包含一条单碱基延伸正向引物或一条单碱基延伸反向引物。
所述步骤(4)中单碱基延伸反应程序为：90-98℃热启动，30秒-10分钟；90-98℃变性，5秒；50-58℃退火，5秒；65-85℃延伸，5秒；扩增40个循环；68-75℃终延伸，1-10分钟。
所述步骤(5)中的脱盐方式为树脂脱盐。还可包括层析、超滤等任意去除溶液中盐离子的方式。通过去除PCR反应体系中的K+、Na+、Mg2+等离子，防止其干扰质谱检测结果。
所述步骤(6)中的质谱仪器为液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)检测系统。还可包括基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪(MALDI-TOFMS)等其它类型的能够检测核酸分子量的质谱类仪器。
经过脱盐处理后的反应液上机进行液相分离、质谱检测并得到图谱。由于各延伸产物的分子量不同，因此在各自的分子量(质荷比)位置查看是否出现检测峰，然后判断该样本的SNP分型。LC-MS质谱平台特异性良好，最低检测下限为5ng基因组DNA，对比试验选择的金标准技术Sanger测序技术，符合性为100％。
本发明还提供了上述通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法在核苷酸多态性检测上的应用。
上述基于质谱方法检测单核苷酸多态性方法在SNP检测上的应用可以特异、简便、高通量的对目标基因的SNP位点进行分型，大大的提高基因分型检测效率，降低检测成本。
同现有技术相比，本发明的突出效果在于：
(1)本发明方法在检测效率上比其他目前常用的检测方法高，一针进样可以完成数十个SNP位点的基因分型，是基因分型的理想工具。
(2)本发明方法检测准确性高，可以与金标准Sanger测序法相媲美，同时可以检测出样本中的三等位SNP位点的存在，结果可重现性高。
(3)本发明方法对于数十个SNP位点的检测性价比高，适合多种用户批量检测的要求。
(4)本发明方法实验流程简单、人员操作时间短，实验自动化程度高，是进行单核苷酸多态性基因分型的理想工具。
下面结合附图说明和具体实施例对本发明所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用作进一步说明。
附图说明
图1-图4为LC-MS色谱-质谱分析图。
具体实施方式
实施例1利用LC-MS检测基因单核苷酸多态性的基因分型方法检测药物基因CYP1A2和UGT1A9的基因多态性
(1)人类基因组DNA提取
用口腔拭子收集的口腔脱落细胞或收集的新鲜外周血样本采用天根口腔拭子基因组DNA提取试剂盒(DP322)或血液/细胞/组织基因组DNA提取试剂盒(DP304)提取基因组DNA，并采用NP80-touch(德国IMPLEN)测定DNA的浓度及纯度，然后保存基因组DNA。
(2)引物设计
针对CYP1A2基因的rs2069514位点和UGT1A9基因的rs2741049位点进行SNP位点的引物设计。针对以上两个基因的两个位点设计特异的PCR扩增引物和单碱基延伸引物。所设计的PCR引物序列见表1，如序列表SEQ ID：1-6所示。
表1引物序列
编号 引物名称 引物序列5’-3’
1 Primer 1 acgttggatgcctaaatgtctgctttgccg
2 Primer 2 acgttggatgctagaggtgaccctatgaac
3 Primer 3 ccatgacaattgcttgaatc
4 Primer 4 acgttggatgtgtgccaatgcgtgtactcg
5 Primer 5 acgttggatgtgtccagcccaatactaga
6 Primer 6 ctttaggtatatacaatatctaatg
(3)单管多重PCR反应
利用单管多重PCR技术扩增出包含两个基因位点的目的片段，按照表2的反应体系配制扩增反应，反应体系配制完成后按照表3的反应程序进行扩增。
表2单管多重PCR扩增体系
表3单管多重PCR扩增程序
(4)碱性磷酸酶消化处理
利用碱性磷酸酶对多重PCR反应产物进行消化，去除体系内多余的dNTP。每个反应中加入1U的碱性磷酸酶，并加入配套的碱性磷酸酶缓冲液，调节缓冲液浓度，然后放入PCR仪中进行37℃消化处理30分钟，然后75℃加热变性10分钟，最后4℃保存。
(5)进行单碱基延伸反应
配置单碱基延伸PCR反应体系，按照表4的反应体系进行配制。取2μl的配制好的单碱基延伸反应液加入到碱性磷酸酶处理完的体系内，然后按照表5的反应程序进行单碱基延伸反应。
表4单碱基延伸反应体系
水 0.619μl
10*PCR buffer 0.2μl
ddNTP Mix 0.2μl
延伸引物混合物 0.94μl
DNA聚合酶 0.041μl
表5单碱基延伸反应程序
(6)产物脱盐纯化
在上述反应中加入15-25mg的树脂，再加入40μl蒸馏水。将PCR管固定到旋转混匀以上，慢速旋转20分钟。取上清至新的PCR管中，准备上机。
(7)质谱上机：
液相条件：色谱柱：Acquity UPLC Oligo BEH C18,1.7μm,2.1x 50mm；流速0.2ml/min；柱温40℃；进样量10μl；流动相：A相：水；B相：甲醇，色谱梯度为：0-1min，5％-20％B；1-3.5min，20％-40％B；3.5-5.5min，40％-95％B；5.5-6min，95％-5％B；6-10min，5％B；
质谱条件：喷雾电压3500V；鞘气25Arb；辅气20Arb；离子传输管温度320℃；离子源雾化温度380℃；离子源温度380℃；分辨率为140000。
(8)数据分析
LC-MS色谱-质谱分析图如图1-4所示：
对于CYP1A2-rs2069514G>A位点，如图1、2所示：若样本的只检测到6320±1Da的延伸产物，则该样本基因型为GG型；若样本的只检测到6400±1Da的延伸产物，则该样本基因型为AA型；若该样本同时检测到6320±1Da和6400±1Da的延伸产物，则样本的基因型为GA型。
对于UGT1A9-rs1741049T>C位点，如图3、4所示：若样本的只检测到7977±1Da的延伸产物，则该样本基因型为TT型；若样本的只检测到7897±1Da的延伸产物，则该样本基因型为CC型；若该样本同时检测到7977±1Da和7897±1Da的延伸产物，则样本的基因型为TC型。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
序列表
<110> 北京和合医学诊断技术股份有限公司
<120> 通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法及其应用
<160> 6
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
acgttggatg cctaaatgtc tgctttgccg 30
<210> 2
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 2
acgttggatg ctagaggtga ccctatgaac 30
<210> 3
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 3
ccatgacaat tgcttgaatc 20
<210> 4
<211> 30
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 4
acgttggatg tgtgccaatg cgtgtactcg 30
<210> 5
<211> 29
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 5
acgttggatg tgtccagccc aatactaga 29
<210> 6
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 6
ctttaggtat atacaatatc taatg 25

Claims (14)

1.一种通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)针对目标基因序列的SNP位点设计特异性扩增引物；
(2)利用单管多重PCR扩增出包含目标基因特定SNP位点的目的片段；
(3)利用碱性磷酸酶消化去除PCR体系中的dNTP；
(4)进行单碱基延伸反应；
(5)进行脱盐纯化处理；
(6)通过质谱仪检测的分子量分析特定SNP位点的基因型。
2.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中设计的特异性引物包括用于扩增一个或者多个目标基因的SNP位点的特异性引物对，所述每个扩增目标基因的SNP位点的特异性引物对包含一条正向引物和一条反向引物。
3.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中单管多重PCR扩增的反应程序为：90-98℃热启动，30秒-10分钟；90-95℃变性，10秒-1分钟；50-60℃退火，10秒-1分钟；68-72℃延伸，30秒-10分钟；扩增25-45个循环；68-72℃终延伸，5分钟。
4.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的碱性磷酸酶进行消化处理的条件为：30-40℃消化处理10-60分钟，70-85℃加热变性5-30分钟，2-8℃终止。
5.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的碱性磷酸酶选自虾碱性磷酸酶、小牛肠碱性磷酸酶、大肠杆菌碱性磷酸酶、大鼠碱性磷酸酶中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(4)中单碱基延伸反应包括目标基因的SNP位点的单碱基延伸引物，所述单碱基延伸引物包含一条单碱基延伸正向引物或一条单碱基延伸反向引物。
7.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(4)中单碱基延伸反应程序为：90-98℃热启动，30秒-10分钟；90-98℃变性，5秒；50-58℃退火，5秒；65-85℃延伸，5秒；扩增40个循环；68-75℃终延伸，1-10分钟。
8.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的脱盐方式为树脂脱盐。
9.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的脱盐方式还包括层析、超滤去除溶液中盐离子的方式。
10.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的质谱仪器为液相色谱-质谱联用仪LC-MS检测系统。
11.根据权利要求1所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性的方法，其特征在于，所述步骤(6)中的质谱仪器还包括基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪MALDI-TOFMS。
12.权利要求1-11任一所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性方法的应用。
13.权利要求12所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性方法的应用，其特征在于：针对CYP1A2基因的rs2069514位点和UGT1A9基因的rs2741049位点进行SNP位点基因检测，其方法包括用于扩增对CYP1A2基因的rs2069514位点和UGT1A9基因的rs2741049位点的特异性引物对Primer1和Primer2、Primer4和Primer5，所述特异性引物对包括一条正向引物和一条反向引物；
Primer1引物序列为5’-ACGTTGGATGCCTAAATGTCTGCTTTGCCG-3’，
Primer2引物序列为5’-ACGTTGGATGCTAGAGGTGACCCTATGAAC-3’，
Primer4引物序列为5’-ACGTTGGATGTGTGCCAATGCGTGTACTCG-3’，
Primer5引物序列为5’-ACGTTGGATGTGTCCAGCCCAATACTAGA-3’；
如序列表SEQ ID：1、2、4、5所示。
14.根据权利要求13所述的通过LC-MS检测基因单核苷酸多态性方法的应用，其特征在于，所述针对CYP1A2基因的rs2069514位点和UGT1A9基因的rs2741049位点进行SNP位点基因检测方法还包括用于单碱基延伸反应的单碱基延伸引物Primer3和Primer6；
Primer3引物序列为5’-CCATGACAATTGCTTGAATC-3’，
Primer6引物序列为5’-CTTTAGGTATATACAATATCTAATG-3’；
如序列表SEQ ID：3、6所示。
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