RU2746100C1 - Method of multiplex detection of toxin genes - Google Patents

Method of multiplex detection of toxin genes Download PDF

Info

Publication number
RU2746100C1
RU2746100C1 RU2019141798A RU2019141798A RU2746100C1 RU 2746100 C1 RU2746100 C1 RU 2746100C1 RU 2019141798 A RU2019141798 A RU 2019141798A RU 2019141798 A RU2019141798 A RU 2019141798A RU 2746100 C1 RU2746100 C1 RU 2746100C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dna
libraries
carry out
hybridization
dna libraries
Prior art date
Application number
RU2019141798A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Глеб Игоревич Спешилов
Андрей Андреевич Почтовый
Надежда Анатольевна Кузнецова
Алексей Михайлович Щетинин
Тимофей Андреевич Ремизов
Виктор Александрович Мануйлов
Александр Леонидович Гинцбург
Артем Петрович Ткачук
Владимир Алексеевич Гущин
Original Assignee
Российская Федерация, в лице Министерства здравоохранения Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, в лице Министерства здравоохранения Российской Федерации filed Critical Российская Федерация, в лице Министерства здравоохранения Российской Федерации
Priority to RU2019141798A priority Critical patent/RU2746100C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2746100C1 publication Critical patent/RU2746100C1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/10Processes for the isolation, preparation or purification of DNA or RNA
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C40COMBINATORIAL TECHNOLOGY
    • C40BCOMBINATORIAL CHEMISTRY; LIBRARIES, e.g. CHEMICAL LIBRARIES
    • C40B50/00Methods of creating libraries, e.g. combinatorial synthesis
    • C40B50/06Biochemical methods, e.g. using enzymes or whole viable microorganisms

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: medicine; microbiology.SUBSTANCE: method of multiplex detection of toxin genes is proposed. At the first stage, DNA-libraries synthesis is carried out. At the second stage, the targeted enrichment of DNA-libraries molecules carrying sections of the analyzed toxin genes is carried out using method of liquid hybridization of DNA-probes. Quantification of the amplified DNA-libraries is carried out for the following NGS sequencing using fluorimetric method.EFFECT: invention provides increase in relative representation of target sections of the toxin genes in the final DNA mix analyzed with high-performance sequencing methods in compare with incoming DNA.1 cl, 1 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение относится к области исследований в медицине, микробиологии. Данное изобретение может быть применено для выявления генов токсинов для защиты человека или животных, с целью поиска бактерий, входящих в список, определенный санитарными правилами в отношении 3-4 групп патогенности, и выяснения профиля их опасности по содержанию генов токсинов, генов антибиотикорезистентности и генно-инженерных векторов для использования в составе сети Национального интеграционного центра мониторинга биологических угроз.The invention relates to the field of research in medicine, microbiology. This invention can be used to identify genes of toxins for the protection of humans or animals, in order to search for bacteria included in the list determined by sanitary rules in relation to 3-4 groups of pathogenicity, and to clarify the profile of their danger by the content of genes of toxins, genes of antibiotic resistance and genetic engineering vectors for use as part of the network of the National Integration Center for Monitoring Biological Threats.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известен способ видовой и штаммовой идентификации бифидобактерий филотипа Bifidobacterium longum, отличающийся тем, что основан на комбинации и полиморфизме генов токсин-антитоксин суперсемейства RelBE и характеризующийся тем, что для идентификации проводят амплификацию с геномной ДНК с использованием набора видо- и штаммоспецифических олигонуклеотидов, ПЦР продукты анализируют в агарозном геле, а размер полученного фрагмента определяют с помощью ДНК-маркера, видовую идентификацию проводят с использованием специфичных олигонуклеотидов, причем исследуемые штаммы относят к виду В. longum в случае наработки целевого фрагмента размером 275 п. н.; штаммовую идентификацию проводят с использованием олигонуклеотидов, исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.infantis АТСС 15697 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB1N-ReB1C, ReB2N-ReB2C и ReB3.1N-ReB3.2C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.infantis АТСС 55813 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.1C и ReB9.1N-ReB9.1C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.infantis CCUG 52486 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.1C, ReB3.4N-ReB3.4C и ReB9.1N-ReB9.2C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum DJO10A в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.1C; исследуемый штамм признают идентичным штамму Bifidobacterium sp.(В. longum) 12_1_47BFAA в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.1C и ReB4N-ReB4C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.longum F8 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB2N-ReB2C и ReB3.3N-ReBC; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum NCC2705 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.2C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.longum JDM301 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB8N-ReB8C, ReB2N-ReB2C и ReB3.1N-ReB3.1C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.longum BBMN68 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.1C и ReB3.4N-ReB3.4C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.infantis 157F в случае наработки фрагментов только при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.1C, ReB4N-ReB4C и ReB5N-ReB5C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.longum JCM 1217 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB3.1N-ReB3.1C и ReB3.5N-ReB3.4C; исследуемый штамм признают идентичным штамму В. longum subsp.longum КАСС 91563 в случае наработки фрагментов при использовании олигонуклеотидов ReB10N-ReB10C и ReB3.1N-ReB3.4C (RU 2527069 С2, 27.08.2014).A method of species and strain identification of bifidobacteria of the phylotype Bifidobacterium longum is known from the prior art, characterized in that it is based on a combination and polymorphism of the toxin-antitoxin genes of the RelBE superfamily and is characterized in that for identification, amplification is carried out with genomic DNA using a set of species- and strain-specific oligon PCR products are analyzed in an agarose gel, and the size of the resulting fragment is determined using a DNA marker, species identification is carried out using specific oligonucleotides, and the studied strains are classified as B. longum in the case of a target fragment of 275 bp; strain identification is carried out using oligonucleotides, the investigated strain is recognized as identical to the strain B. longum subsp.infantis ATCC 15697 in the case of the production of fragments when using oligonucleotides ReB1N-ReB1C, ReB2N-ReB2C and ReB3.1N-ReB3.2C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.infantis ATCC 55813 strain in the case of the accumulation of fragments when using the oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.1C and ReB9.1N-ReB9.1C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.infantis CCUG 52486 strain in the case of the accumulation of fragments when using the oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.1C, ReB3.4N-ReB3.4C and ReB9.1N-ReB9.2C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum DJO10A strain in the case of the accumulation of fragments when using oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.1C; the investigated strain is recognized as identical to the Bifidobacterium sp. (B. longum) 12_1_47BFAA strain in the case of the accumulation of fragments when using the oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.1C and ReB4N-ReB4C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.longum F8 strain in the case of the accumulation of fragments when using the oligonucleotides ReB2N-ReB2C and ReB3.3N-ReBC; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum NCC2705 strain in the case of the accumulation of fragments when using oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.2C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.longum JDM301 strain in the case of the accumulation of fragments when using oligonucleotides ReB8N-ReB8C, ReB2N-ReB2C and ReB3.1N-ReB3.1C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.longum BBMN68 strain in the case of the accumulation of fragments when using the oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.1C and ReB3.4N-ReB3.4C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.infantis 157F strain in the case of the accumulation of fragments only when using the oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.1C, ReB4N-ReB4C and ReB5N-ReB5C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.longum JCM 1217 strain in the case of the accumulation of fragments when using the oligonucleotides ReB3.1N-ReB3.1C and ReB3.5N-ReB3.4C; the investigated strain is recognized as identical to the B. longum subsp.longum strain KASS 91563 in the case of the accumulation of fragments when using oligonucleotides ReB10N-ReB10C and ReB3.1N-ReB3.4C (RU 2527069 C2, 27.08.2014).

Из уровня техники известно создание и скрининг библиотек генов http://www.bio.bsu.by/molbiol/files/lections/Razdel4.pdf. Указанный источник информации раскрывает получение библиотек ДНК: геномная библиотека - это совокупность всех нуклеотидных последовательностей геномной ДНК организма, клонированная в виде фрагментов в векторах. С последующим скринингом с помощью метода гибридизации колоний, иммуннодетекции продуктов генов. Кроме того раскрыто получение связанных библиотек - метод "прогулки по хромосоме". А также раскрыто и секвенирование - определение первичной структуры (последовательности нуклеотидов) молекулы ДНК. Данный источник информации выбран в качестве прототипа.It is known in the art to create and screen gene libraries http://www.bio.bsu.by/molbiol/files/lections/Razdel4.pdf. The specified source of information discloses the receipt of DNA libraries: a genomic library is a collection of all nucleotide sequences of the genomic DNA of an organism, cloned as fragments in vectors. With subsequent screening using the method of colony hybridization, immunodetection of gene products. In addition, obtaining linked libraries is disclosed - the chromosome walk method. And also disclosed and sequencing - the definition of the primary structure (sequence of nucleotides) of the DNA molecule. This information source was chosen as a prototype.

Недостатками ранее известных способов является их низкая производительность, сложность проведения анализа и избирательность. Например, при использовании указанных олигонуклеотидов для выявления одного штамма Bifidobacterium longum может потребоваться проведение более 10 специфических амплификаций.The disadvantages of the previously known methods are their low productivity, the complexity of the analysis and selectivity. For example, when using these oligonucleotides, more than 10 specific amplifications may be required to detect one strain of Bifidobacterium longum.

Эра открытия новых патогенных микроорганизмов, не только не закончилась, а напротив, благодаря новым возможностям приобрела возможность изучать эволюционные и эпидемически значимые механизмы изменчивости, позволяющие патогенам более изощренно и с большей динамикой угрожать человечеству биологической катастрофой. Каждое новое инфекционное заболевание в 21 веке как никогда раньше может быть серьезным вызовом для современной медицины и ставит под угрозу безопасность населения отдельных территорий и суверенных государств. Изменение окружающей среды, вырубка тропических лесов, таяние льдов в Антарктике, увеличение плотности населения и повсеместное использование антибиотиков - все это не полный перечень актуальных факторов, провоцирующих появление новых патогенов и придание патогенам новых, эпидемически значимых свойств. Эпидемии гриппа, вызываемые новыми штаммами вируса; респираторные синдромы, вызываемые новыми короновирусами; вспышки инфекций, причиной которых является гемолитическая кишечная палочка; возникновение резистентных к антибиотикам супербактерий - примеры того, какие опасности могут поджидать человечество. В число первоочередных мер, которые необходимо предпринять для противодействия новым патогенам, входит разработка способов их быстрой и точной идентификации. Классические методы, широко используемые для типирования микроорганизмов в лабораториях, такие как ПЦР, ИФА и МАПДИ имеют ограничения по объему и качеству данных, которые можно получить о свойствах инфекционных агентов, содержащихся в интересуемом образце. Таким образом, остро стоит необходимость разработки методов, позволяющих осуществлять выявление и идентификацию новых патогенов методами секвенирования следующего поколения (next generation sequencing или NGS).The era of the discovery of new pathogenic microorganisms, not only has not ended, but on the contrary, thanks to new opportunities, it has acquired the opportunity to study evolutionary and epidemically significant mechanisms of variability, which allow pathogens to threaten humanity with a biological catastrophe more sophisticatedly and with greater dynamics. Each new infectious disease in the 21st century, like never before, can be a serious challenge for modern medicine and jeopardize the safety of the population of certain territories and sovereign states. Environmental change, deforestation of tropical forests, ice melting in Antarctica, an increase in population density and the widespread use of antibiotics - all this is not a complete list of relevant factors provoking the emergence of new pathogens and giving pathogens new, epidemically significant properties. Influenza epidemics caused by new strains of the virus; respiratory syndromes caused by new coronaviruses; outbreaks of infections caused by hemolytic Escherichia coli; the emergence of antibiotic-resistant superbugs are examples of the dangers that may await humankind. Developing ways to quickly and accurately identify them is a priority to address emerging pathogens. Classical methods widely used for typing microorganisms in laboratories, such as PCR, ELISA and MAPDI, have limitations in the volume and quality of data that can be obtained on the properties of infectious agents contained in the sample of interest. Thus, there is an urgent need to develop methods that allow the detection and identification of new pathogens using next generation sequencing (NGS) methods.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Заявленный способ включает следующие приемы:The claimed method includes the following techniques:

1) на первом этапе выполняют создание ДНК-библиотек их выделенной геномной ДНК бактерий для последующего секвенирования на платформах высокопроизводительного секвенирования. Данный этап включает следующие стадии:1) at the first stage, DNA libraries are created from the isolated genomic DNA of bacteria for subsequent sequencing on high-throughput sequencing platforms. This stage includes the following stages:

• ферментативной фрагментации ДНК;• enzymatic fragmentation of DNA;

• восстановления концов с целью получения двухцепочечной 5'-фосфорилированной ДНК с выступающим 3'-аденозином;• end repair to obtain double-stranded 5'-phosphorylated DNA with protruding 3'-adenosine;

• лигирования специфических адаптеров по технологии быстрого ТА-лигирования;• ligation of specific adapters using fast TA-ligation technology;

• амплификации полученных ДНК-библиотек с внешних универсальных адаптерных последовательностей;• amplification of the obtained DNA libraries from external universal adapter sequences;

• отбор ДНК-библиотек целевой длины с применением силикатных парамагнитных частиц.• selection of DNA libraries of target length using silicate paramagnetic particles.

Применение различных специфических адаптеров для лигирования позволяет мультиплексировать образы для совместного секвенирования в рамках одного запуска платформы. Вариации методики отбора с использованием магнитных частиц позволяет варьировать длину получаемых ДНК-библиотек для анализа с помощью высокопроизводительного секвенирования на различных NGS и TGS платформах (в том числе Illumina, Ion Torrent, BGI, Oxford Nanopore и др.).The use of various specific ligation adapters allows multiplexing of images for co-sequencing within a single platform run. Variations in the selection method using magnetic particles allows varying the length of the obtained DNA libraries for analysis using high-throughput sequencing on various NGS and TGS platforms (including Illumina, Ion Torrent, BGI, Oxford Nanopore, etc.).

2) второй этап включает целевое обогащение (отбора) молекул ДНК-библиотек, несущих участки анализируемых генов токсинов с использованием метода жидкостной гибридизации ДНК-зонд. В качестве зондов используются оптимизированные по структуре синтетические одноцепочечные молекулы ДНК (олигонуклеотиды), несущие на 5' или 3' конце модификацию, позволяющую им обратимо связываться со специализированными парамагнитными силикатными частицами (например, в виде модификации биотина, алкиновой группы, азидной группы и аналогичных групп клик-химии). Олигонуклеотидные зонды в соответствующих буферных и температурных условиях образуют совместно с целевыми молекулами ДНК устойчивые комплементарные пары (дуплексы). Данные целевые дуплексы впоследствии связываются с суперпарамагнитными частицами, содержащие группы, реакционно активные относительно модификаций синтетических зондов. Например, молекулы биотина зондов образует ковалентную связь со стрептавидином на поверхности магнитных частиц, в результате чего молекулы ДНК, образовавшие дуплексы ДНК-зонд, оказываются связанными с магнитными частицами. Далее производится отмывка несвязавшихся нецелевых молекул ДНК. Целые молекулы ДНК впоследствии освобождаются с поверхности магнитных частиц и могут быть проанализированы методами NGS секвенирования.2) the second stage includes the targeted enrichment (selection) of DNA library molecules carrying regions of the analyzed toxin genes using the DNA probe liquid hybridization method. Structurally optimized synthetic single-stranded DNA molecules (oligonucleotides) are used as probes, carrying a modification at the 5 'or 3' end that allows them to reversibly bind to specialized paramagnetic silicate particles (for example, in the form of a modification of biotin, an alkyne group, an azide group, and similar groups click chemistry). Oligonucleotide probes in appropriate buffer and temperature conditions form, together with target DNA molecules, stable complementary pairs (duplexes). These target duplexes are subsequently associated with superparamagnetic particles containing groups that are reactive with respect to modifications of synthetic probes. For example, the biotin molecules of the probes form a covalent bond with streptavidin on the surface of the magnetic particles, as a result of which the DNA molecules that formed the DNA probe duplexes are bound to the magnetic particles. Next, the unbound non-target DNA molecules are washed. Whole DNA molecules are subsequently released from the surface of the magnetic particles and can be analyzed by NGS sequencing methods.

Указанный этап включает следующие стадии:This stage includes the following stages:

• жидкостная гибридизация синтезированных ДНК-библиотек с зондами;• liquid hybridization of synthesized DNA libraries with probes;

• захват гибридных дуплексов с помощью суперпарамагнитных частиц;• capture of hybrid duplexes using superparamagnetic particles;

• отмывка несвязавшихся нецелевых молекул ДНК;• washing of unbound non-target DNA molecules;

• освобождение связавшихся ДНК-библиотек с поверхности магнитных частиц;• release of bound DNA libraries from the surface of magnetic particles;

• ПЦР амлификация обогащенных ДНК-библиотек;• PCR amplification of enriched DNA libraries;

• квантификация амплифицированных ДНК-библиотек для последующего NGS секвенования.• quantification of amplified DNA libraries for subsequent NGS sequencing.

Задачей настоящего изобретения является высокоэффективное выделение целевых групп генов токсинов из сложных смесей разнородной входящей ДНК (смеси геномной ДНК различного состава и видового происхождения) с последующим целевым высокопроизводительным секвенированием на различных NGS и TGS платформах (в том числе Illumina, Ion Torrent, BGI, Oxford Nanopore и др.), для выявления фрагментов генов токсинов, присутствующих в исходной смеси.The objective of the present invention is the highly efficient isolation of target groups of toxin genes from complex mixtures of heterogeneous input DNA (mixtures of genomic DNA of various composition and species origin) with subsequent targeted high-throughput sequencing on various NGS and TGS platforms (including Illumina, Ion Torrent, BGI, Oxford Nanopore and others) to identify fragments of genes of toxins present in the initial mixture.

Технический результат заключается в существенном увеличении относительной представленности целевых фрагментов генов токсинов в итоговой смеси ДНК, анализируемой методами высокопроизводительного секвенирования, по сравнению с входящей ДНК (т.н. обогащение целевыми фрагментами). Например, в результате применения метода на смеси геномной ДНК токсигенных штаммов бактерий происходит увеличение представленности целевых фрагментов с 0,001% в исходной смеси, до 50% и более в итоговой анализируемой пробе.The technical result consists in a significant increase in the relative representation of target fragments of toxin genes in the final mixture of DNA, analyzed by high-throughput sequencing methods, in comparison with the incoming DNA (the so-called enrichment of target fragments). For example, as a result of applying the method to a mixture of genomic DNA of toxigenic bacterial strains, the representation of target fragments increases from 0.001% in the initial mixture to 50% or more in the final analyzed sample.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Указанный технический результат реализуется за счет следующих приемов на примере пробоподготовки для платформы Illumina.The indicated technical result is realized through the following methods using the example of sample preparation for the Illumina platform.

Способ мультиплексного выявления генов токсинов, реализуется следующим образом: на первом этапе выполняют подготовку ДНК-библиотек, при этом данный этап включает следующие приемы:The method for multiplex detection of toxin genes is implemented as follows: at the first stage, DNA libraries are prepared, while this stage includes the following techniques:

• выполняют ферментативную фрагментацию ДНК с применением неспецифических экзонуклеаз;• perform enzymatic fragmentation of DNA using non-specific exonucleases;

• выполняют восстановление концов с целью получения двухцепочечной 5'-фосфорилированной ДНК с выступающим 3'-аденозином;• carry out the restoration of the ends in order to obtain double-stranded 5'-phosphorylated DNA with protruding 3'-adenosine;

• осуществляют лигирование специфических Y-образных адаптеров по технологии быстрого ТА-лигирования с применением Т4-ДНК л и газы, или аналогичных;• carry out ligation of specific Y-shaped adapters using fast TA-ligation technology using T4-DNA l and gases, or similar;

• осуществляют амплификации полученных ДНК-библиотек с применением праймеров, комплементарных внешним последовательностям специфических Y-образных адаптеров;• carry out amplification of the obtained DNA libraries using primers complementary to the external sequences of specific Y-shaped adapters;

• выполняют отбор ДНК-библиотек целевой длины с применением силикатных парамагнитных частиц;• selection of DNA libraries of target length using silicate paramagnetic particles;

на втором этапе выполняют целевое обогащение молекул ДНК-библиотек, несущих участки анализируемых генов токсинов с использованием метода жидкостной гибридизации ДНК-зонд, при этом указанный второй этап содержит следующие приемы:at the second stage, the targeted enrichment of DNA library molecules carrying portions of the analyzed toxin genes is performed using the DNA probe liquid hybridization method, while this second stage contains the following techniques:

• осуществляют жидкостную гибридизацию синтезированных ДНК-библиотек с зондами, при этом смешивают ДНК-библиотеки со специфическими зондами для обогащения фрагментами целевых генов токсинов с применением коммерчески доступных буферов для гибридизации (например, HybBuf, Roche). Смесь для гибридизации инкубируют в твердотельном термостате, или амплификаторе при температуре от 35°С до 60°С в течение 10-50 часов;• carry out liquid hybridization of the synthesized DNA libraries with probes, while mixing DNA libraries with specific probes to enrich fragments of target toxin genes using commercially available buffers for hybridization (for example, HybBuf, Roche). The mixture for hybridization is incubated in a solid-state thermostat or amplifier at a temperature of 35 ° C to 60 ° C for 10-50 hours;

• осуществляют захват гибридных дуплексов с помощью суперпарамагнитных частиц, связывающих дуплексы ДНК-зонд, при этом происходит смешивание раствора после гибридизации с суперпарамагнитными частицами;• carry out the capture of hybrid duplexes using superparamagnetic particles that bind the duplexes of the DNA probe, while mixing the solution after hybridization with superparamagnetic particles;

• выполняют отмывку несвязавшихся нецелевых молекул ДНК, при этом выполняют серию промывок суперпарамагнитных частиц, несущих на себе связавшиеся дуплексы ДНК-зонд, с применением растворов для удаления несвязавшихся нецелевых молекул ДНК;• perform washing of unbound non-target DNA molecules, while performing a series of washes of superparamagnetic particles carrying bound DNA probe duplexes, using solutions to remove unbound non-target DNA molecules;

• выполняют освобождение связавшихся ДНК-библиотек с поверхности магнитных частиц, для чего отделяют обогащенные целевые фракции ДНК с суперпарамагнитных частиц, путем прогревания смеси при 95°С в течение 10-15 минут;• carry out the release of bound DNA libraries from the surface of magnetic particles, for which enriched target DNA fractions are separated from superparamagnetic particles by heating the mixture at 95 ° C for 10-15 minutes;

• затем осуществляю ПЦР амлификацию обогащенных ДНК-библиотек с внешних универсальных праймеров, комплементарных внешним последовательностям специфических Y-образных адаптеров;• then carry out PCR amplification of enriched DNA libraries from external universal primers complementary to external sequences of specific Y-shaped adapters;

• после чего выполняют квантификацию амплифицированных ДНК-библиотек для последующего NGS секвенирования флуориметрическим и/или спектрофотометрическим методами.• after that, the amplified DNA libraries are quantified for subsequent NGS sequencing by fluorimetric and / or spectrophotometric methods.

Подробное раскрытие осуществления изобретенияDetailed disclosure of the implementation of the invention

На первом этапе выполняют создание ДНК-библиотек. Для этого выделенная из исследуемого образца ДНК фрагментируется, проводится очистка фрагментированной ДНК, восстановление концов и лигирование адаптеров, амплификация с фланкирующих праймеров с последующей очисткой на магнитных частицах. В дальнейшем приготовленные библиотеки нормализуются и объединяются для последующего обогащения.At the first stage, DNA libraries are created. For this, the DNA isolated from the test sample is fragmented, the fragmented DNA is purified, the ends are reconstructed and the adapters are ligated, amplified from flanking primers, followed by purification on magnetic particles. Subsequently, the prepared libraries are normalized and combined for subsequent enrichment.

При этом данный этап включает следующие стадии:Moreover, this stage includes the following stages:

• ферментативной фрагментации ДНК с применением неспецифических экзонуклеаз;• enzymatic fragmentation of DNA using nonspecific exonucleases;

• восстановления концов с целью получения двухцепочечной 5'-фосфорилированной ДНК с выступающим 3'-аденозином;• restoration of the ends in order to obtain double-stranded 5'-phosphorylated DNA with protruding 3'-adenosine;

• лигирования специфических адаптеров (для выбранной платформы секвенирования) по технологии быстрого ТА-лигирования с применением Т4-ДНК лигазы, или аналогичных;• ligation of specific adapters (for the selected sequencing platform) using rapid TA ligation technology using T4-DNA ligase, or similar;

• амплификации полученных ДНК-библиотек с внешних универсальных адаптерных последовательностей;• amplification of the obtained DNA libraries from external universal adapter sequences;

• отбор ДНК-библиотек целевой длины с применением силикатных парамагнитных частиц.• selection of DNA libraries of target length using silicate paramagnetic particles.

Применение различных адаптеров для лигирования позволяет мультиплексировать образы для совместного обогащения и секвенирования в рамках одного запуска платформы. На этапе после лигирования адаптеров (до ПЦР) может проводиться процедура отбора ДНК-библиотек по длине (двухсторонний size-select) с применением магнитных частиц (AMPure ХР, Beckman Coulter, или аналогичных) с получением библиотек со вставкой необходимой длины. Например, возможен отбор фракции библиотек со средней длиной вставки 450-500 п. о., что соответствует суммарной длине библиотеки 570-620 п.о. с учетом длины адаптерных последовательностей. Такая длина ДНК-библиотек оптимальна для последующего секвенирования на платформе Illumina MiSeq или HiSeq с длиной прочтения 2×250 п.о. Вариации методики отбора с использованием магнитных частиц позволяет варьировать длину получаемых ДНК-библиотек для анализа с помощью высокопроизводительного секвенирования на различных NGS и TGS платформах (в том числе Illumina, Ion Torrent, BGI, Oxford Nanopore и др.).The use of different ligation adapters allows images to be multiplexed for co-enrichment and sequencing within a single platform run. At the stage after ligation of adapters (before PCR), DNA libraries can be selected by length (two-sided size-select) using magnetic particles (AMPure XP, Beckman Coulter, or similar) to obtain libraries with an insert of the required length. For example, it is possible to select a fraction of libraries with an average insert length of 450-500 bp, which corresponds to a total library length of 570-620 bp. taking into account the length of the adapter sequences. This length of DNA libraries is optimal for subsequent sequencing on the Illumina MiSeq or HiSeq platform with a read length of 2 × 250 bp. Variations in the selection method using magnetic particles allows varying the length of the obtained DNA libraries for analysis using high-throughput sequencing on various NGS and TGS platforms (including Illumina, Ion Torrent, BGI, Oxford Nanopore, etc.).

На втором этапе выполняют целевое обогащения (отбора) молекул ДНК-библиотек, несущих участки анализируемых генов токсинов с использованием метода жидкостной гибридизации «ДНК-зонд». В качестве зондов используются оптимизированные по структуре синтетические одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры) несущие на 5' или 3' конце модификацию в виде молекулы биотина. ДНК зонды в соответствующих буферных и температурных условиях образуют совместно с целевыми молекулами ДНК устойчивые комплементарные пары (дуплексы). Данные целевые дуплексы впоследствии связываются с покрытыми стрептавидином суперпарамагнитными частицами. Молекулы биотина зондов образует ковалентную связь со стрептавидином на поверхности магнитных частиц, в результате чего молекулы ДНК, образовавшие дуплексы ДНК-зонд, оказываются связанными с магнитными частицами. Далее производится отмывка несвязавшихся нецелевых молекул ДНК. Целые молекулы ДНК впоследствии освобождаются с поверхности магнитных частиц и могут быть проанализированы методами NGS секвенирования. Панель зондов синтезирована в виде 5'-биотинилированных олигонуклеотидов (см. таблицу 1) методом твердофазного синтеза на автоматическом синтезаторе ABI 3900. Данная панель использована для отработки методики обогащения.At the second stage, a targeted enrichment (selection) of DNA library molecules carrying portions of the analyzed toxin genes is performed using the “DNA probe” liquid hybridization method. Structurally optimized synthetic single-stranded DNA molecules (primers) carrying a modification in the form of a biotin molecule at the 5 'or 3' ends are used as probes. DNA probes in appropriate buffer and temperature conditions form, together with target DNA molecules, stable complementary pairs (duplexes). These target duplexes subsequently bind to streptavidin-coated superparamagnetic particles. The biotin molecules of the probes form a covalent bond with streptavidin on the surface of the magnetic particles, as a result of which the DNA molecules that formed the DNA-probe duplexes are bound to the magnetic particles. Next, the unbound non-target DNA molecules are washed. Whole DNA molecules are subsequently released from the surface of the magnetic particles and can be analyzed by NGS sequencing methods. The probe panel was synthesized in the form of 5'-biotinylated oligonucleotides (see Table 1) by solid-phase synthesis on an ABI 3900 automatic synthesizer. This panel was used to test the enrichment technique.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Указанный второй этап включает следующие стадии:This second stage includes the following stages:

• жидкостная гибридизация синтезированных ДНК-библиотек с зондами. В рамках стадии происходит смешивание ДНК-библиотек со специфическими зондами для гибридизации в присутствии необходимых буферных условий. Смесь для гибридизации инкубируется в твердотельном термостате, или амплификаторе при выбранной температуре в течение 10-50 часов.• liquid hybridization of synthesized DNA libraries with probes. Within the framework of this stage, DNA libraries are mixed with specific probes for hybridization in the presence of the necessary buffer conditions. The hybridization mixture is incubated in a solid-state thermostat or thermostat at a selected temperature for 10-50 hours.

• захват гибридных дуплексов с помощью специфических суперпарамагнитных частиц, связывающих дуплексы ДНК-зонд. В рамках стадии происходит смешивание раствора после гибридизации со специфическими суперпарамагнитными частицами• capture of hybrid duplexes using specific superparamagnetic particles that bind DNA probe duplexes. Within the framework of this stage, the solution is mixed with specific superparamagnetic particles after hybridization.

• отмывка несвязавшихся нецелевых молекул ДНК. В рамках стадии происходит серия промывок суперпарамагнитных частиц, несущих на себе связавшиеся дуплексы ДНК-зонд, с применением растворов для удаления несвязавшихся нецелевых молекул ДНК.• washing of unbound non-target DNA molecules. As part of this stage, a series of washes of superparamagnetic particles carrying the bound DNA probe duplexes takes place, using solutions to remove unbound non-target DNA molecules.

• освобождение связавшихся ДНК-библиотек с поверхности магнитных частиц. В рамках стадии происходит отделение обогащенной целевой фракции ДНК с суперпарамагнитных частиц. Например, путем прогревания смеси при 95°С в течение 10-15 минут.• release of bound DNA libraries from the surface of magnetic particles. Within the framework of this stage, the enriched target DNA fraction is separated from the superparamagnetic particles. For example, by heating the mixture at 95 ° C for 10-15 minutes.

• ПЦР амлификация обогащенных ДНК-библиотек с внешних универсальных адаптерных последовательностей;• PCR amplification of enriched DNA libraries from external universal adapter sequences;

• квантификация амплифицированных ДНК-библиотек для последующего NGS секвенирования флуориметрическим и/или спектрофотометрическим методами.• quantification of amplified DNA libraries for subsequent NGS sequencing by fluorometric and / or spectrophotometric methods.

Готовые ДНК-библиотеки подвергались процедуре гибридизации с применением разработанной панели зондов и набора для гибридизации SeqCap EZ Hybridization and Wash Kit (Roche). Образцы подвергались следующей процедуре: гибридизация ДНК-библиотек с зондами при 40°С в течение 24-48 часов, отмывку несвязавшейся ДНК, пост-гибридизацонную амплификацию с внешних фланкирующих праймеров. Набор реактивов SeqCap EZ Hybridization and Wash Kit включает буферы, блокирующие олигонуклеотиды, праймеры и полимеразу для проведения всех этапов гибридизации и ПЦР.The finished DNA libraries were hybridized using the developed probe panel and SeqCap EZ Hybridization and Wash Kit (Roche). The samples were subjected to the following procedure: hybridization of DNA libraries with probes at 40 ° C for 24-48 hours, washing of unbound DNA, post-hybridization amplification from external flanking primers. The SeqCap EZ Hybridization and Wash Kit includes oligonucleotide blocking buffers, primers and polymerase for all hybridization and PCR steps.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Заявленный способ может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления на практике следует из того, что для каждого признака, включенного в формулу изобретения на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения и критерию «полнота раскрытия» для изобретения.The claimed method can be carried out by a specialist in practice and, when implemented, ensures the implementation of the declared purpose. The possibility of implementation in practice follows from the fact that for each feature included in the claims based on the description, a material equivalent is known, which allows us to conclude that the criterion "industrial applicability" for the invention and the criterion "completeness of disclosure" for the invention are met.

СПОСОБ МУЛЬТИПЛЕКСНОГО ВЫЯВЛЕНИЯ ГЕНОВ ТОКСИНОВMETHOD FOR MULTIPLEX DETECTION OF TOXIN GENES

ПЕРЕЧЕНЬ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙLIST OF SEQUENCES

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Claims (13)

Способ мультиплексного выявления генов токсинов реализуется следующим образом: на первом этапе синтез ДНК-библиотек, при этом данный этап включает следующие приемы:The method for multiplex detection of toxin genes is implemented as follows: at the first stage, the synthesis of DNA libraries, while this stage includes the following techniques: - выполняют ферментативную фрагментацию ДНК с применением экзонуклеаз;- perform enzymatic fragmentation of DNA using exonucleases; - выполняют восстановление концов с целью получения двухцепочечной 5'-фосфорилированной ДНК с выступающим 3'-аденозином;- carry out the restoration of the ends in order to obtain double-stranded 5'-phosphorylated DNA with protruding 3'-adenosine; - осуществляют лигирование Y-образных адаптеров по технологии быстрого ТА-лигирования с применением Т4-ДНК лигазы;- carry out ligation of Y-shaped adapters using the technology of rapid TA-ligation using T4-DNA ligase; - осуществляют амплификацию полученных ДНК-библиотек с применением праймеров, комплементарных внешним последовательностям Y-образных адаптеров;- carry out the amplification of the obtained DNA libraries using primers complementary to the external sequences of the Y-shaped adapters; - выполняют отбор ДНК-библиотек целевой длины с применением силикатных парамагнитных частиц;- perform selection of DNA libraries of target length using silicate paramagnetic particles; на втором этапе выполняют целевое обогащение молекул ДНК-библиотек, несущих участки анализируемых генов токсинов с использованием метода жидкостной гибридизации ДНК-зонд, при этом указанный второй этап включает следующие приемы:at the second stage, the targeted enrichment of DNA library molecules carrying portions of the analyzed toxin genes is performed using the DNA probe liquid hybridization method, while the specified second stage includes the following techniques: - осуществляют жидкостную гибридизацию синтезированных ДНК-библиотек с зондами, при этом смешивают ДНК-библиотеки с зондами для гибридизации, при этом смесь для гибридизации инкубируют в амплификаторе при температуре от 35°С до 60°С в течение 10-50 часов;- carry out liquid hybridization of the synthesized DNA libraries with probes, while mixing DNA libraries with probes for hybridization, while the mixture for hybridization is incubated in an amplifier at a temperature of 35 ° C to 60 ° C for 10-50 hours; - осуществляют захват гибридных дуплексов с помощью суперпарамагнитных частиц, связывающих дуплексы ДНК-зонд, при этом смешивают раствор после гибридизации с суперпарамагнитными частицами;- carry out the capture of hybrid duplexes using superparamagnetic particles that bind duplexes of the DNA probe, while mixing the solution after hybridization with superparamagnetic particles; - выполняют отмывку несвязавшихся нецелевых молекул ДНК, при этом выполняют серию промывок суперпарамагнитных частиц, несущих на себе связавшиеся дуплексы ДНК-зонд, с применением растворов для удаления несвязавшихся нецелевых молекул ДНК;- perform washing of unbound non-target DNA molecules, while performing a series of washes of superparamagnetic particles carrying bound DNA probe duplexes, using solutions to remove unbound non-target DNA molecules; - выполняют освобождение связавшихся ДНК-библиотек с поверхности магнитных частиц, для чего отделяют обогащенные целевые фракции ДНК с суперпарамагнитных частиц путем прогревания смеси при 95°С в течение 10-15 минут;- carry out the release of bound DNA libraries from the surface of magnetic particles, for which enriched target DNA fractions are separated from superparamagnetic particles by heating the mixture at 95 ° C for 10-15 minutes; - затем осуществляют ПЦР амлификацию обогащенных ДНК-библиотек с применением праймеров, комплементарных внешним последовательностям Y-образных адаптеров;- then carry out PCR amplification of the enriched DNA libraries using primers complementary to the external sequences of the Y-shaped adapters; - выполняют квантификацию амплифицированных ДНК-библиотек для последующего NGS секвенирования флуориметрическим методом.- perform quantification of amplified DNA libraries for subsequent NGS sequencing by fluorometric method.
RU2019141798A 2019-12-17 2019-12-17 Method of multiplex detection of toxin genes RU2746100C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141798A RU2746100C1 (en) 2019-12-17 2019-12-17 Method of multiplex detection of toxin genes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141798A RU2746100C1 (en) 2019-12-17 2019-12-17 Method of multiplex detection of toxin genes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2746100C1 true RU2746100C1 (en) 2021-04-07

Family

ID=75353190

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141798A RU2746100C1 (en) 2019-12-17 2019-12-17 Method of multiplex detection of toxin genes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2746100C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3130673A1 (en) * 2015-08-13 2017-02-15 Centrillion Technology Holdings Corporation Library construction using y-adapters and vanishing restriction sites
US20180030435A1 (en) * 2016-08-01 2018-02-01 The Regents Of The University Of California Multiplex characterization of microbial traits using dual barcoded nucleic acid fragment expression library

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3130673A1 (en) * 2015-08-13 2017-02-15 Centrillion Technology Holdings Corporation Library construction using y-adapters and vanishing restriction sites
US20180030435A1 (en) * 2016-08-01 2018-02-01 The Regents Of The University Of California Multiplex characterization of microbial traits using dual barcoded nucleic acid fragment expression library

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHANDRA P.K. et al. Analyzing ligation mixtures using a PCR based method. Biol Proced Online. 2005; 7: 93-100. *
CHARBONNEAU A.R.L. et al. Defining the ABC of gene essentiality in streptococci. BMC Genomics. 2017; 18: 426. *
ОГУРЦОВ А.Н. Молекулярная биотехнология микробиологических систем: учеб. пособие. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2012. - Стр.96-97. *
ОГУРЦОВ А.Н. Молекулярная биотехнология микробиологических систем: учеб. пособие. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2012. - Стр.96-97. CHARBONNEAU A.R.L. et al. Defining the ABC of gene essentiality in streptococci. BMC Genomics. 2017; 18: 426. CHANDRA P.K. et al. Analyzing ligation mixtures using a PCR based method. Biol Proced Online. 2005; 7: 93-100. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113166797B (en) Nuclease-based RNA depletion
Shkoporov et al. Reproducible protocols for metagenomic analysis of human faecal phageomes
JP2005504508A5 (en)
US20140127752A1 (en) Method, composition, and reagent kit for targeted genomic enrichment
WO2012159564A1 (en) High throughput methylation detection method
TW201321518A (en) Method of micro-scale nucleic acid library construction and application thereof
AU2016324473B2 (en) Virome capture sequencing platform, methods of designing and constructing and methods of using
US20140038241A1 (en) Genomic enrichment method, composition, and reagent kit
CA3168144A1 (en) Methods of targeted sequencing
Zhang et al. A novel termini analysis theory using HTS data alone for the identification of Enterococcus phage EF4-like genome termini
JP2020535121A (en) Normalization for sequencing libraries
WO2012083832A1 (en) Method for enriching prokaryotic mrna and use thereof
JP2019176859A (en) Methods for amplifying nucleic acids utilizing clamp oligonucleotides
Poulsen et al. RNA‐Seq for bacterial gene expression
CN113201586B (en) Cas protein-based detection method
JP6522511B2 (en) Probability-directed isolation (PINS) of nucleotide sequences
Moon et al. Bacterial single-cell transcriptomics: Recent technical advances and future applications in dentistry
JP2016500276A5 (en)
RU2746100C1 (en) Method of multiplex detection of toxin genes
WO2012083845A1 (en) Methods for removal of vector fragments in sequencing library and uses thereof
Matteau et al. Precise identification of genome-wide transcription start sites in bacteria by 5′-rapid amplification of cDNA ends (5′-RACE)
Yigit et al. A Microbiome DNA Enrichment Method for Next‐Generation Sequencing Sample Preparation
JP2005218385A (en) Method for preparing single-stranded dna
US20220235404A1 (en) Methods for detection of rare dna sequences in fecal samples
Redder Mapping 5′-ends and their phosphorylation state with EMOTE, TSS-EMOTE, and nEMOTE