一种FMR1基因CGG重复序列的检测方法及其应用
技术领域
本发明涉及分子生物学诊断领域,具体涉及一种FMR1基因PCR扩增方法与脆性X综合症相关基因FMR1基因核酸检测试剂盒及其应用。
背景技术
脆性X综合症是仅次于唐氏症,造成智能障碍的第二原因,然而大部分的唐氏症不会遗传,但脆性X综合症是一种性联遗传性疾病。脆性X综合症具有范围广泛的病征,从轻微的学习障碍到严重智能障碍都有可能发生。除了智能障碍外,其他可能的现象包括:情绪问题、语言迟缓、注意力不集中、过动、自闭、不善与人接触等。根据统计,此症男性发生率约1/4,000,女性的发生率约 1/5,000-1/8,000。
致病的原因是FMR1基因内5’端非转录区发生CGG重复次数异常增加,导致FMRP基因产物的缺失或减少,FMRP是一种重要的脑部物质,为RNA结合蛋白,可调节许多突触蛋白的合成,缺乏时会会影响大脑发育和功能异常。美国医学遗传学会(ACMG)依据FMR1 CGG重复次数,定义出CGG重复次数小于45为“正常型”、CGG重复次数45-54为“中间型”、CGG重复次55-200为“前突变型”及CGG重复次数大于200为“全突变型”等,“正常型”和“中间型”不会有临床症状,“前突变型”称之为携带者,“全突变型”就会成为患者。当CGG重复中出现AGG能帮助预测对于CGG重复次数遗传至下一代时,CGG重复是否有扩展的风险。80% 脆性X综合症病人有家族病史,家族成员是此症的高风险族群,遗传机率高达二分之一。在脆性症的患者中,20%并没有家族史,是由为没有症状的“前突变型”的母亲所生下。当带因者的CGG重复次数越多,下一代的就有越高的风险生下患者。一旦超过200次就会发病,因此女性带因者最多会有50%的机会生下脆性症宝宝;男性带因者的FMR1基因变异会遗传给女儿,而不会传给儿子。带因父亲所生的女儿也是携带者,她的智力虽然正常,但她所生的小孩却有生下脆性症宝宝的风险。
目前脆性X综合症常见的分子检测方法为印迹杂交法(Southern Blot)、聚合酶链式反应扩增法(Polymerase Chain Reaction, PCR)。印迹杂交法能确定较大CGG重复序列的数目,并能评估FMR1基因的甲基化程度,但DNA需要量大,且对CGG重复较少的前突变型或者嵌合型样本,可能漏检或误诊,无法准确定值CGG重复数,同时因为操作繁琐,费时费力,对实验设备和人员培训要求较高,一般实验室难于实现。基于PCR扩增FMR1基因,毛细管电泳检测扩增片段比传统的琼脂糖凝胶电泳分辨率更高,但由于扩增片段CG比例太高,难度随着重复数次数的增加,通常大部分的PCR引物的设计,因为PCR反应体系未能调整至最佳条件,当遇到前突变型和全突变型,或者正常型和全突变型,这类嵌合型的样本,通常未能检测出全突变型的片段,可能导致检测结果误判。
较新的检测方法是重复引物 PCR 技术,又称为三引物 PCR 法 (Tripletrepeat-primed PCR, TP-PCR)。1996 年Warner等发明此种方法用以诊断 DM1 超大片段(CAG重复异常)动态突变患者。TP-PCR法有别于传统 PCR扩增,其反应中加入 3 个引物。FMR1基因的TP-PCR法在一般的PCR扩增基础下,新增了CGG序列引物,可以作为全突变型的辅助诊断,确认是否含有全突变的片段,解决了一般PCR在大片段扩增效率较差而误判的问题,但CGG的扩增效率太高,会抑制大片段的反应,同时定量的校准品跨度不够宽,对于较大重复数不能进行精确定量分析,可能还是有误判的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种FMR1基因PCR扩增方法与脆性X综合症相关基因FMR1基因核酸检测试剂盒及其应用,对于高CGG重复数样本的检测更为灵敏,同时能准确定量,更快速的完成检测,有效地减少操作人员的工作量,降低检测成本。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种FMR1基因CGG重复数的PCR扩增反应检测方法,利用四种不同引物进行PCR反应,第一引物与第二引物位于FMR1基因5’端非转录区中CGG重复序列外的上游与下游,第三引物含CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC序列重复序列与非人源性基因组序列,第四引物包含第三引物的非人源性基因组序列。
一种FMR1基因CGG重复数的PCR扩增反应检测方法,利用四种不同引物进行PCR反应,第一引物与第二引物为包含FMR1基因5’端非转录区中CGG重复序列以外的序列与非人源性基因组序列组成的上游与下游引物,第三引物含CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC序列重复序列与非人源性基因组序列,第四引物包含第一引物、第二引物和第三引物的非人源性基因组序列。
第三引物在PCR扩增反应中的终浓度低于第一引物、第二引物与第四引物在PCR扩增反应中的终浓度至少1000倍。
第三引物的CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC重复序列,包含4到7个CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC重复序列。
所述四种引物中至少一种引物包含荧光修饰。
所述的第一引物与第二引物包括以下序列:
第一引物P1:5’- CGCTCAGCTCCGTTTCGGTTTCACTTCC -3’;
第二引物P2:5’- GTAGAAAGCGCCATTGGAGCCCCGCACT-3’;
所述的第三引物与第四引物包括以下序列:
第三引物P3:
5’- CTCGACGCACGCTCCTGCACAGCCTCCGGCGGCGGCGGCGG -3’;
第四引物P4:5’- CTCGACGCACGCTCCTGCACAGCCTC -3’;
其中划单线部分为非人源性基因组序列,加粗部分为CGG重复序列。
所述的第三引物与第四引物包括以下序列:
第三引物P5:
5’- TGACCGTCTGCGCCTCGTTCCGGCT CGGCGGCGGCGGCGG -3’;
第四引物P6:5’- TGACCGTCTGCGCCTCGTTCCGGCT-3’;
其中划单线部分为非人源性基因组序列,加粗部分为CGG重复序列。
所述的第一引物与第二引物包括以下序列:
第一引物P7:5’- GCACGCTCCTGCACAGCCTCCTCAGCTCCGTTTCGGTTTCACTTCC -3’;
第二引物P8:5’- GCACGCTCCTGCACAGCCTCAGCGCCATTGGAGCCCCGCACTTCCA -3’;
其中划单线部分为非人源性基因组序列。
所述的第一引物与第二引物包括以下序列:
第一引物P9:
5’- ACCGTCTGCGCCTCGTTCCGGCTCAGCTCCGTTTCGGTTTCACTTCC -3’;
第二引物P10:
5’-ACCGTCTGCGCCTCGTTCCGGCTAGCGCCATTGGAGCCCCGCACTTCC -3’;
其中划单线部分为非人源性基因组序列。
所述PCR扩增反应所使用的PCR反应液包含增强剂,所述增强剂包括甜菜碱、二甲基亚砜、甘油或乙二醇中的一种或多种;PCR反应液中甜菜碱的浓度为1.5~2M、二甲基亚砜的浓度为0.5~6.0% v/v、甘油的浓度为2.5~8.0% v/v、乙二醇的浓度为0.3~1.2M。
将上述检测方法应用于制备脆性X综合症相关基因FMR1基因核酸检测试剂盒中,所述脆性X综合症相关基因FMR1基因核酸检测试剂盒,组成成分包括FMR1反应液、DNA聚合酶、FMR1阳性对照、FMR1阴性对照;
所述FMR1反应液中包含引物组合物,所述的引物组合物为权利要求6、7、8 、9或10中的引物组合中的一种或多种;
所述FMR1反应液中包含增强剂,所述增强剂包括甜菜碱、二甲基亚砜、甘油或乙二醇中的一种或多种;
所述FMR1阳性对照包含FMR1基因中的10、29、36、54、85、120、142与大于200 个CGG重复数的质粒。
本发明的优点在于:
(1)本发明第一引物与第二引物可以特异性的扩增FMR1基因5’端非转录区中包含CGG重复序列的片段。第三引物含CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC序列与非人源性基因组序列,第四引物为第三引物的非人源性基因组序列,第二引物、第三引物与第四引物可以特异性的黏合CGG区域,扩增CGG区域的序列,形成影子峰(stutter peaks),若影子峰(stutterpeaks)延伸超过第一引物与第二引物所扩增的特异性片段,代表有更大片段的FMR1基因扩增产物。透过第四引物,能增强影子峰(stutter peaks)高度,明显扩增出高重复数CGG序列片段,同时依据扩增的产物大小及影子峰(Stutter peaks)的分布,区分CGG区域里是否有AGG或其他可能中断序列。。
(2)本发明试剂盒中第三引物与第一引物、第二引物、第四引物在反应液的终浓度有明显的差异,通过四种引物浓度的差异调整,降低扩增时的竞争抑制,增加扩增效率,能同时产生具有较高强度的CGG 重复片段的影子峰(stutter peaks)以及高强度的FMR1基因5端非转录区的特异性序列片段,更能明显区分全突变型的长片段样本。
(3)本发明在脆性X综合症相关基因FMR1基因核酸检测试剂盒的应用上,因FMR1基因高CGG重复的片段(CG比例可达80%以上),在进行毛细管电泳时,实际片段会与预测片段大小有很大的落差,若以片段大小计算CGG重复数,此结果会与实际CGG重复有误差,导致结果误判。本试剂盒中设计包含10、29、36、54、85、120、142与大于200重复数的FMR1阳性对照,除了确定试剂性能对照外,利用10、29、36、54、85、120、142重复数的FMR1阳性对照建立标准曲线,计算出检测样本CGG重复数,因为高跨度重复数的对照,及均匀分布的重复数点位,显着提高脆性X综合症基因检测的准确度,使脆性X综合症的检测方法更为完善且准确。
(4)本发明试剂的灵敏度高,DNA样本需求量低,DNA样本浓度低至2.5ng/uL,依旧能准确检出。
(5)本发明所示脆性X综合症相关基因FMR1基因核酸检测试剂盒的应用能对高CGG重复序列进行精确定量分析,是FMR1分子诊断中目前较简单、快速、准确的检测方法,只需要一次PCR实验即可检测出CGG重复数的变异情况,从DNA样本开始,6小时内可以出结果,检测技术流程简单,容易实现标准化。
附图说明
图1为引物设计示意图。
图2为引物设计示意图。
图3为FMR1阳性对照样本结果图。
图4为FMR1阳性对照标准曲线。
图5为FMR1基因正常型(29/30)样本结果图。
图6为FMR1基因中间型(51/53)样本结果图。
图7为FMR1基因前突变型(36/142)样本结果图。
图8为FMR1基因全突变型(>200/Y)样本结果图。
图9为FMR1基因全突变型(29/>200)样本结果图。
具体实施方式
实施例1
1、引物有以下组合设计:
(1)第一引物序列为P1、第二引物序列为P2、第三引物序列为P3、第四引物序列为P4,引物序列见表1,引物设计图见图1。第一引物与第二引物可以特异性的扩增FMR1基因5端非转录区的序列片段,其中第二引物含有荧光基团。第三引物含CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC序列重复序列与非人源性基因组序列,第四引物包含第三引物的非人源性基因组序列,第二引物、第三引物与第四引物可以特异性的黏合CGG区域,放大CGG区域的序列,形成影子峰(stutter peaks)。若影子峰(stutter peaks)延伸超过第一引物与第二引物所扩增的特异性片段,代表有更大片段的FMR1基因扩增产物。
表1 引物序列表。
(2)第一引物序列为P1、第二引物序列为P2、第三引物序列为P5、第四引物序列为P6,引物序列见表2,引物设计图见图1。第一引物与第二引物可以特异性的扩增FMR1基因5端非转录区的序列片段,其中第二引物含有荧光基团。第三引物含CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC序列重复序列与非人源性基因组序列,第四引物包含第三引物的非人源性基因组序列,第二引物、第三引物与第四引物可以特异性的黏合CGG区域,放大CGG区域的序列,形成影子峰(stutter peaks)。若影子峰(stutter peaks)延伸超过第一引物与第二引物所扩增的特异性片段,代表有更大片段的FMR1基因扩增产物。
表2 引物序列表
(3)第一引物序列为P7、第二引物序列为P8、第三引物序列为P3、第四引物序列为P4,引物序列见表3,引物设计图见图2。第一引物与第二引物包含FMR1基因5’端非转录区中CGG重复序列以外的序列与非人源性基因组序列,可以特异性的扩增FMR1基因5端非转录区的序列片段,其中第二引物含有荧光基团。第三引物含CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC序列重复序列与非人源性基因组序列,第四引物包含第一引物、第二引物和第三引物的非人源性基因组序列,第二引物、第三引物与第四引物可以特异性的黏合CGG区域,放大CGG区域的序列,形成影子峰(stutter peaks),同时又能特异性扩增FMR1基因5端非转录区的序列片段。
表3 引物序列表
(4)第一引物序列为P9、第二引物序列为P10、第三引物序列为P5、第四引物序列为P6,引物序列见表4,引物设计图见图2。第一引物与第二引物包含FMR1基因5’端非转录区中CGG重复序列以外的序列与非人源性基因组序列,可以特异性的扩增FMR1基因5端非转录区的序列片段,其中第二引物含有荧光基团。第三引物含CGG、GGC、GCG、CCG、GCC或CGC序列重复序列与非人源性基因组序列,第四引物包含第一引物、第二引物和第三引物的非人源性基因组序列,第二引物、第三引物与第四引物可以特异性的黏合CGG区域,放大CGG区域的序列,形成影子峰(stutter peaks),同时又能特异性扩增FMR1基因5端非转录区的序列片段。
表4 引物序列表
2、配制FMR1反应液
FMR1反应液组份如下:
实施例2 PCR扩增与结果分析
1、样本处理:核酸提取仪(MagCore)以及核酸提取试剂盒(MagCore Genomic DNAWholeBlood Kit) 提取人类基因组DNA用于后续的PCR反应,DNA浓度为2.5ng/uL~50ng/uL,OD260nm/OD280nm的比值在1.6-2.0之间。
2、扩增试剂配制:
(1)从试剂盒取出FMR1反应液,于室温解冻,上下颠倒混匀后,用微量离心机短暂离心,使所有液体沉降于管底。
(2)扩增试剂配制:按下表5配制扩增试剂
表5 扩增试剂配制表
* 为了减少分液误差,建议在配制扩增试剂时根据样本数量(n)分别取(n+1)人份的反应液和混合酶。n=待测样本数+ FMR1阴性对照1份 + FMR1阳性1份。
(3)将配制好的试剂用震荡器震荡均匀,用微量离心机短暂离心,使液体沉降于管底。
(4)在PCR反应管中分别加入13μL配制好的扩增试剂,转移到样本处理区加样。
3、加样:在对应的含有13μL 的扩增试剂的PCR反应管中分别加入2μL待测样本基因组DNA、FMR1阴性对照及FMR1阳性对照,盖上PCR反应管盖后,短暂离心。
4、PCR扩增:
(1)将PCR反应管放入PCR仪按表6方法设定反应程序,反应体积设定:15μL;
表6 扩增反应程序
(2)毛细管电泳分析PCR扩增产物:采用ABI3130、ABI3730、ABI3500Dx、或ABISeqStudio Genetic Analyzer毛细管基因分析仪进行检测,取0.5uL PCR扩增产物、0.5uL1200 LIZ Size Standard、9uL Hi-Di Formamide,混匀后95℃变性 5min,立即放冰上2min,上机检测。
5、检测结果分析:
(1)使用GeneMapper软件进行结果分析,根据已知FMR1阳性对照CGG重复数10、29、36、54、85、120、142和所得检测片段长度结果建立标准曲线,可得公式为y=ax+b,其中y代表检测得到的片段长度,x代表CGG重复数,相关系数R2应大于0.98。
(2)FMR1阳性对照应有>200重复的片段长度。
(3)FMR1阴性对照,应无任何长度片段。
(4)同一实验应同时满足以上三个要求,此次实验视为有效,才能进行待测样本的CGG重复数计算。
6、结果判读:
(1)FMR1基因波峰的选择:若毛细管电泳片段小于350bp,选择最高的波峰,进行计算;若毛细管电泳片段于350~800bp,于一丛波峰中,选择中间最高的波峰,进行计算;若毛细管电泳片段大于800bp,选择最高的波峰,进行计算。
(2)CGG重复数计算:使用GeneMapper软件进行结果分析,根据已知FMR1阳性对照CGG重复数10、29、36、54、85、120、142和检测片段长度结果建立标准曲线,可得公式为y=ax+b,其中y代表检测得到的片段长度,x代表CGG重复数,取得a值与b值。将待测样本经GeneMapper软件所得片段大小,与a值、b值,套入公式可得CGG重复数。如图3,计算公式为y= 2.9238x + 232.4(图4),将待测样本所得片段大小为y,带入公式,即得CGG重复数x。
(3)若计算结果,重复数≤200,以计算结果判定重复数。
(4)若计算结果,重复数大于200,结果判为>200。
(5)CGG重复扩增产物形成stutter peaks,若延伸超过第一个FMR1基因波峰,代表有更大片段的FMR1基因扩增产物,可作为FMR1基因大片段的辅助确认。
实施例3 试剂性能验证
1、FMR1阳性对照制备
(1)质粒建构:以CGG重复数为10/32、29/29、36/142、54/Y、29/85、118/Y、与>200的临床样本,进行FMR1基因引物进行特异性扩增,胶回收需要的片段大小,进行TA clone,所得质粒进行定序,确认重复数。
(2)FMR1阳性对照制备,将10、29、36、54、85、120、142、>200的CGG重复质粒混合配制,阳性对照中各重复数质粒的终浓度分别为0.025pg/uL、0.025pg/uL、0.025pg/uL、0.04pg/uL、0.04pg/uL、0.05pg/uL、0.05pg/uL、0.07pg/uL。
2、阳性参考品符合率
检测12份参考品,包括脆性X综合症FMR1基因中间型样本CGG重复数为46/Y、54/Y,脆性X综合症FMR1基因前突变型样本CGG重复数为29/85、36/142、57/Y、118/Y,脆性X综合症FMR1基因全突变型样本CGG重复数为30/>200、29/>200、>200/Y、>200/Y,脆性X综合症FMR1基因前突变和全突变嵌合型样本CGG重复数为86,>200/Y,脆性X综合症FMR1基因野生型和全突变嵌合型样本CGG重复数为10,>200/Y,分别检测高、中、低浓度,浓度分别为50 ng/uL、25ng/uL、5 ng/uL,各浓度进行三重复测试,检测三批试剂,检测结果阳性符合率为100%。
3、阴性参考品符合率
检测7份参考品,包括脆性X综合症FMR1基因正常型样本CGG重复数分别为29/29、30/36、29/30、19/30、30/Y、36/Y,与非人源性基因组DNA样本,分别检测高、中、低浓度浓度分别为50 ng/uL、25ng/uL、5 ng/uL,,各浓度进行三重复测试,检测三批试剂,检测结果阴性符合率为100%。
4、重复性
以3份阳性参考品,包含脆性X综合症FMR1基因中间型样本CGG重复数为54/Y、脆性X综合症FMR1基因前突变型样本CGG重复数为29/85、脆性X综合症FMR1基因全突变型样本CGG重复数为30/>200,分别检测高、中、低浓度,浓度分别为50 ng/uL、25ng/uL、5 ng/uL,各浓度进行十重复检测,检测三批试剂,重复数判断皆正确,检测结果皆符合。
5、最低检测限
将阳性参考品稀释至10ng/µL、5ng/µL、2.5ng/µL,各进行20重复测试,检测三批试剂,检测结果重复数皆符合要求。
6、嵌合型测试
(1)以50ng投入量,分别以不同比例的正常型与前突变样本进行混合测试,在1%前突变型与39%正常型混合样本,依旧能准确判读前突变型。
(2)以50ng投入量,分别以不同比例的正常型与全突变样本进行混合测试,在1%全突变型与39%正常型混合样本,依旧能准确判读前突变型。
(3)以50ng投入量,分别以不同比例的正常型、前突变型与全突变样本进行混合测试,在1%前突变型、1%全突变型与38%正常型混合样本,依旧能准确判读前突变型。
7、WHO国际标准品测试
测试WHO International Standard , Fragile X Syndrome, Human gDNA , 1stInternational Genetic Reference Panel ,NIBSC code: 08/158,进行三批试剂测试,检测结果皆符合,见表7。
表7 WHO国际标准品测试结果
实施例4
1.收集120例脆性X综合症产前筛查的EDTA抗凝全血样本,采用核酸提取仪(MagCore)以及核酸提取试剂盒(MagCore Genomic DNA WholeBlood Kit)提取人类基因组DNA,用微量分光亮度计检测DNA的浓度与纯度,120例样本浓度为2.5ng/uL-50ng/uL,OD260nm/OD280nm的比值在1.6-2.0之间。
2.按照实施例2的步骤,进行DNA加样,以PCR仪进行反应,
3.按实施例2的步骤,进行结果分析,结果如下表,皆符合重复数要求,其中正常型检测56例样本、中间型检测14例样本、前突变型检测41例样本、全突变型检测9例样本,共检测120例样本(表8)。其中,FMR1基因正常型(29/30)、FMR1基因中间型(51/53)、FMR1基因前突变型(36/142)、FMR1基因全突变型(>200/Y)、FMR1基因全突变型(29/>200)样本结果图见(图5-9)。
表8 120例样本检测结果
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
SEQUENCE LISTING
<110> 胜亚生物科技(厦门)有限公司
<120> 一种FMR1基因CGG重复序列的检测方法及其应用
<130> 10
<160> 10
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 28
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 1
cgctcagctc cgtttcggtt tcacttcc 28
<210> 2
<211> 28
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 2
gtagaaagcg ccattggagc cccgcact 28
<210> 3
<211> 41
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 3
ctcgacgcac gctcctgcac agcctccggc ggcggcggcg g 41
<210> 4
<211> 26
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 4
ctcgacgcac gctcctgcac agcctc 26
<210> 5
<211> 40
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 5
tgaccgtctg cgcctcgttc cggctcggcg gcggcggcgg 40
<210> 6
<211> 25
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 6
tgaccgtctg cgcctcgttc cggct 25
<210> 7
<211> 46
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 7
gcacgctcct gcacagcctc ctcagctccg tttcggtttc acttcc 46
<210> 8
<211> 46
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 8
gcacgctcct gcacagcctc agcgccattg gagccccgca cttcca 46
<210> 9
<211> 47
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 9
accgtctgcg cctcgttccg gctcagctcc gtttcggttt cacttcc 47
<210> 10
<211> 48
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 10
accgtctgcg cctcgttccg gctagcgcca ttggagcccc gcacttcc 48