小片段法進(jìn)行基因分型

用高分辨率熔解數(shù)據(jù)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)校正雜合子檢測

摘要：

      背景：用于基因分型的高分辨率熔解曲線技術(shù)既簡單又有效。在以熔解為基礎(chǔ)的方法中，探針法是基因分型的黃金標(biāo)準(zhǔn)，可以將等位基因與目標(biāo)的匹配完全區(qū)分開。小片段基因分型法是代替探針的基因分型法。異源雙鏈核酸分子的存在使得檢測純合子變得容易，其熔解峰的形狀有明顯的改變。純合子G/C或A/T的基因分型比較困難，因為其等位基因的Tm值相似。這些堿基對改變的純合子用小片段法很難區(qū)分。樣品間的溫度、buffer和體積的變化限制純合子的分離。不管儀器是多么精確，用戶操作的變化是需要注意的，減少這種變化的方法可以改進(jìn)小片段基因分型。利用內(nèi)部特定反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可以克服這些限制。
      方法：合成校準(zhǔn)的核苷酸，與其互補鏈的濃度相同。用普通PCR儀進(jìn)行PCR反應(yīng)，反應(yīng)時有LC Green和內(nèi)標(biāo)的存在。PCR反應(yīng)之后，將其放入LightSanner中，掃描55℃-97℃范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)品熔解的特征是成一條線的，用于轉(zhuǎn)換每個樣品的熒光數(shù)據(jù)。測序之后確認(rèn)基因型。我們通過測量每個樣品的峰形與基因型一致的平均Tm值的距離，評估較正之前和之后純合子基因分型的錯誤率。 當(dāng)樣品的Tm值與不正確分組平均Tm值相近時，可以觀測到錯誤。
      結(jié)果：通過掃描大量的樣品板及PCR目標(biāo)校準(zhǔn)，使得堿基對SNP突變的基因分型敏感性從90%增至99%。校準(zhǔn)之后，Tm標(biāo)準(zhǔn)差從0.056降至0.027℃。
      結(jié)論：在小擴增子內(nèi)用溫度內(nèi)標(biāo)可以改進(jìn)G/C和T/A的堿基改變的基因分型。此工作由美國國立衛(wèi)生研究院的R44DK069106和R44HD053215到SFD和R42GM072419和R42GM073396到CTW資助。

背景：
      由于核苷酸的遺傳性能，變性或熔解，基因型之間的特征是多樣性的。以探針為基礎(chǔ)的基因分型有相當(dāng)大的特定等位基因溫度偏移——幾攝氏度的優(yōu)勢。高分辨率提供全部雙鏈轉(zhuǎn)換的詳細(xì)的圖，使排除探針法變得可能。另外，檢測全部擴增時，可以獲得每個實驗堿基數(shù)目的密度達(dá)到20倍的。盡管如此，因為潛在的相似的熔解溫度和熔解形狀，探針系統(tǒng)檢測純合子是比較困難的。小片段法提供一種簡單的基因分型解決方案。

方法：
       PCR反應(yīng)體系為10ul，包括1×Lightsanner高敏感性基因分型的matermix（Idaho Technology），包括熱啟動酶，Mg2+，buffer及其它組分，核酸內(nèi)標(biāo)提供獨立于PCR的大約在62℃和92℃的熔解曲線。引物包括0.10或0.15um， 人類基因組DNA10-15ng。 PCR反應(yīng)條件如下：95℃變性2min， 1個循環(huán)；94℃ 30s， 63℃-67℃（取決于實驗） 30s， 45個循環(huán)，結(jié)合了退火和延伸。最終的退火步驟是28℃,30s。用探針法分析所有的DNA樣品進(jìn)行基因分型。
      在LightScanner96(Idaho Technology)上進(jìn)行掃描，收集數(shù)據(jù)，溫度范圍為：55℃-97℃。熔解數(shù)據(jù)通過平滑曲線尺校準(zhǔn)之后接近熒光數(shù)據(jù)。其次，每一個內(nèi)標(biāo)存在的Tm值是通過樣條數(shù)據(jù)代數(shù)的差值頂點來計算的，應(yīng)用偏移和直線標(biāo)尺因素排列每個校準(zhǔn)。這個移動過程排列擴增子的熔解曲線，使最小化變小。數(shù)據(jù)用三次仿樣函數(shù)曲線尺重新取樣，用Lightsanner軟件進(jìn)行分析。分析擴增子Tm值周圍的溫度范圍（用/不用提前校準(zhǔn)好的內(nèi)標(biāo)），顯示派生峰。

結(jié)果：
        圖1顯示的是校正之前的完整的熔解峰顯示。 從低溫和高溫內(nèi)標(biāo)及擴增子熔解的中部區(qū)分熔解信號。

圖1：派生熔解曲線顯示校準(zhǔn)和擴增子的熔解峰。左邊和右邊的峰是校準(zhǔn)內(nèi)標(biāo)的峰。94的熔解剖面圖，接近76℃，從獨立的PCR反應(yīng)中生成。校準(zhǔn)分子沒有對其，純合子的擴增峰沒有清楚的分開。中部最窄且高的峰是CPS1A/T多態(tài)的A/A（藍(lán)色）和T/T（紅色）純合子基因型。添加的顏色以以前探針基因分型為基礎(chǔ)，并不是以小片段基因分型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。較寬的中間峰形成A/T雜合子。在這個插圖，顯示放大峰的頂端。

圖2： 用內(nèi)標(biāo)改進(jìn)的派生熔解峰。在板子上顯示熒光信號，板子包括了94個獨立的關(guān)于CPS1、OTC、MSH2和PAH變化的PCR反應(yīng)。CPS1雙峰雜合子在校準(zhǔn)之前就很容易區(qū)分（圖2a）。相反，OTC雜合子（圖2c）只顯示了一個明顯的峰，在校準(zhǔn)之前很難決定。分析內(nèi)標(biāo)數(shù)據(jù)可以容易的確定基因型，在復(fù)制反應(yīng)中可以清楚的觀察到不同的基因型。  

表1：從4塊板中的1塊復(fù)制板對比每個目的基因校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后的Tm值分離。就一切情況而論，校準(zhǔn)后Tm值變低�？梢詮男�準(zhǔn)后低的標(biāo)準(zhǔn)差和非交叉范圍看出。
表1： 每個擴增板包括同樣集合的47個基因組DNA樣本（94個獨立的PCR反應(yīng)）。以臨近參數(shù)為基礎(chǔ)，列出所有純合子的預(yù)測的Tm值。雜合子的Tm值沒有包括在內(nèi)，因為他們是，一般而言，在我們系統(tǒng)中可以不用內(nèi)標(biāo)就可以基因分型。觀察值的Tm值比理論值高于5-7℃。 在某種程度上，LC Green染料可以使DNA:DNA雜合更穩(wěn)定。雖然，沒有內(nèi)標(biāo)的基因型分類是比較粗糙的，未校準(zhǔn)的和校準(zhǔn)之后的平均Tm值明顯不同（p<0.001，非參數(shù)，U檢驗法）。
      CPS1和OTC PCR產(chǎn)物，臨近分析預(yù)測純合T/T和A/A擴增子的Tm相同。但是，對于兩個目的基因，兩個純合子組之間的平均Tms是不同的，即使沒有經(jīng)過校正。盡管如此，校正T/T和A/A純合子之間的重疊之前，如圖示Tm值的范圍。校正之后，T/T和A/A純合子之間無重疊，顯示基因型分離。MSH2和PAH小片段產(chǎn)物，臨近分析預(yù)測包括純合子之一的擴增子之間Tm值有微小的不同。在校準(zhǔn)之前分析兩種變化顯示粗糙的基因分型。校正之后，確定純合子的類型。表2顯示的是純合基因型的錯誤稱呼。

表2：經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示校正敏感性的效果。敏感性本質(zhì)的改進(jìn)可以在校正數(shù)據(jù)中顯示。錯誤稱呼以相近的Tm值為基礎(chǔ)，不是文章中解釋的Lightsanner軟件稱呼。圖示每個小的目的片段擴增子生成的誤稱預(yù)測。
*沒有指定OTC T/A的rs數(shù)目。

軟件自動稱呼
      隨后的工作考慮到Lightsanner商業(yè)軟件之內(nèi)運算法則發(fā)展，自動分配樣品到相似形狀的組，這種以形狀為基礎(chǔ)的基因分型不需要已知Tm值。在一個喜歡的方式以Tm值為基礎(chǔ)證實基因型之前，這種以形狀為基礎(chǔ)的稱呼得益于校正。圖3顯示的是改進(jìn)掃描CPS1小擴增子產(chǎn)物的板的結(jié)果。

圖3：校準(zhǔn)改善Lightsanner商業(yè)軟件自動化軟件稱呼。每個屏幕截圖在上部顯示校正熔解曲線，在下部顯示不同的平面圖。此外，可以看到分組情況。屏幕截圖左上部圖中的紅色、藍(lán)色和灰色應(yīng)該重復(fù)模仿1-6列與7-12列的對比。在這個資料組中，我們在校準(zhǔn)之前獲得敏感性是92%，校準(zhǔn)之后的敏感性是100%。

校準(zhǔn)減少Tm值反應(yīng)體積的依賴
      預(yù)期Tm值依賴反應(yīng)體積，因為96孔板的孔中更多的熱質(zhì)量，包含了更多的mastermix或礦物油阻擋熱量轉(zhuǎn)移。這對升高表面Tm值有影響。我們用OTC 小擴增子檢測在mastermix體積之上的Tm依賴性，體積在7.0-12.5ul之間以0.5ul增量增加（儀器廠商推薦10ul），Tm值的依賴性在校正之前是牢固的（slope=+0.069,R2=0.798），但是校正之后就不一樣了（slope=-0.001,R2=0.066）（如圖4）。體積不同Tm值不同的效果用校準(zhǔn)器有效的排除。

圖4： 在校準(zhǔn)之前和之后Mastermix體積變化對Tm值的影響。擴增47個樣本，評估OTC基因c.299-8T>A變化。準(zhǔn)備好的PCR反應(yīng)液包括1ul模板DNA，體積變化的Mastermix，從7.5至12.5ul，每步增加0.5ul。 板A顯示的是校正之前的熔解，有明顯的變化。板B顯示的校正之后的熔解，減少了變化。板C顯示的是校正之前Tm值對Mastermix體積的的依賴性，掃描了反應(yīng)的35個T/T純合子樣品。校正之后，可以觀察到兩件事情：1）壓縮誤差線，指示減少變化。2）斜率和R2值明顯減少，顯示Tm值與Mastermix之間的小的關(guān)系。與每個反應(yīng)體積相對應(yīng)的樣品分布在板的一些地方，清除了依賴于板的位置的依賴性。

結(jié)論
      小片段熔解是一種簡單的基因分型方法，不需要后續(xù)PCR操作。因為一些原因，小的擴增子適合基因分型。但是，沒有校正也可以成功區(qū)分純合子基因型，這不僅取決于采集的高分辨率熔解數(shù)據(jù)，也與樣品之間的buffer、體積和抽提的一致性有關(guān)。校準(zhǔn)器有效的去除了很多混雜變量。授給較好的，相對穩(wěn)定的可以測量的、附隨的更好的純合子基因分型。