高通量测序技术及其在肿瘤研究中的应用全解

1、高通量测序技术及其在肿瘤研究中的应用高通量测序技术及其在肿瘤研究中的应用 汇报人：汇报人： C o m p a n y L o g o 目录目录 背景介绍 1 测序的流程 2 对肿瘤研究的方法 3 总结 4 C o m p a n y L o g o 一、背景介绍一、背景介绍 ? 高通量测序技术（High-throughput sequencing）又称“下一 代”测序技术（“Next-generation” sequencing technology），以能一次并行对几十万到几百万条DNA分子进 行序列测定和一般读长较短等为标志。 ? 高通量测序技术是对传统测序一次革命性的改变，一次对几十

2、万到几百万条DNA分子进行序列测定，因此在有些文献中称其 为下一代测序技术(next generation sequencing)足见其划时 代的改变，同时高通量测序使得对一个物种的转录组和基因组 进行细致全貌的分析成为可能，所以又被称为深度测序 (deepsequencing)。 什么是高通量测序什么是高通量测序? ? C o m p a n y L o g o 第二代测序 第三代测序 第一代测序 传统的化学降解法、 双脱氧链终止法以及在 它们的基础上发展来的 测序技术统称为第一代 测序。它在分子生物学 研究中发挥过重要的作 用，如人类基因组计划 主要包括罗氏454公 司的454测序技术 、

3、 Illumina公司的Solexa测 序技术和ABI公司的 SOLiD测序技术 。第二 代测序技术最显著的特 征是高通量，一次能对 几十万到几百万条DNA 分子进行序列测序 第三代DNA测序技术 是以单分子测序为特点 ，如生物科学公司的单 分子测序仪，以及正在 研制的太平洋生物科学 公司的单分子实时DNA 测序技术和牛津纳米孔 技术公司的纳米孔单分 子测序技术等 20052005年开始 20世纪80年代中期 正在研发 测序的发展历程测序的发展历程 C o m p a n y L o g o 目前常说的 高通量测序是 指用第二代测 序技术来进行 测序，第三代 测序技术还不 是很成熟，有 的刚刚

4、出现， 有的则正在研 制 公司平台名称测序方 法 检测 方法 大约读 长 优点相对局限性 Roche/454 基因组测 序仪FLX 系统 焦磷酸 测序法 光学230-400 在第二代中 最高读长； 比第一代的 测序通量大 样品制备较难； 难于处理重复和 同种碱基多聚区 域；试剂冲洗带 来错误累积；仪 器昂贵 Illumina HiSeq200 0,HiSeq2 500/MiSe q 可逆链 终止物 和合成 测序法 荧光/ 光学 2x150 很高测序通 量 仪器昂贵；用于 数据删节和分析 的费用较高 ABI/Solid 5500 xlSo lid系统 连接测 序法 荧光/ 光学 25-35 很高

5、测序通 量；在广为 接受的几种 第二代平台 中，试剂成 本最低 测序运行时间长； 读长短，造成成 本高，数据分析 困难和基因组拼 接困难；仪器昂 贵 第二代主要的测序平台第二代主要的测序平台 主要的测序平台主要的测序平台 C o m p a n y L o g o 数据分析 样品的制备 文库的构建 二、测序流程二、测序流程 测序的流程测序的流程 上机测序 1.Description of the companys products 2.Description of the companys business 3.Description of the companys technology 4.

6、Description of the companys contents 1. 对测序后生成的数 据进行分析 2. 普通的分析：去除 低质量数据，进行 序列组装，评估测 序质量等 3. 高级分析：对基因 进行注释，分析表 达情况、构建互做 网络等 1. 在第二代测序仪上 进行测序，设定程 序 1. DNA序列打断、 RNA序列要反转录 为DNA序列再打断 （超声破碎）200- 300bp 2. 加接头，电泳选择 片段大小 3. PCR扩增，转到 Flowcell上 4. 文库质检（QPCR) 1. 组织样品的培养 或病理样品的收 集 2. 样品总DAN、 RNA的提取 3. 质检（总量、纯 度

7、、完整性、有 没有降解等） C o m p a n y L o g o 三、对肿瘤研究的方法 DNA 1. 实体肿瘤基因 组学研究 2.血液肿瘤基因组 学研究 3.表观遗传学研究 4.免疫组学研究 高通量测序在肿瘤 研究的应用研究的应用 RNA 1.实体肿瘤转录组 学研究 2.血液肿瘤转录组 学研究 3.Exosome 研究肿 瘤细胞通讯、扩散 机制 C o m p a n y L o g o DNADNA方向方向1.实体肿瘤基因组学研究 一.研究目的和意义 寻找适用于肿瘤早期诊断、肿瘤分型、病程发展（恶化和转移）和预后的基因组分子标记，筛选药物的 靶标。 二.研究对象 实体肿瘤的鉴别，按照临

8、床病理分类，例如：肺癌、胃癌、肝癌、结肠癌、乳腺癌、宫颈癌、胰腺癌、 膀胱癌、食道癌、肾癌等。 三.测序方案 Exome capture seq（外显组捕获测序）描绘基因组外显子区域的SNV（单核苷酸变异），Indel（插入 缺失）、CNV（拷贝数变异），分析基因变异和癌症的相关性。 Target capture seq（目标捕获测序）对一些功能富集的基因或研究人员感兴趣的基因组的部分区域进 行捕获，分析基因变异对癌症的影响。例如：癌症相关基因（508个）、免疫（883个）、凋亡（1536个）、 细胞周期（1005个）、p53通路（162个）等。 Whole genome seq （全基因组测

9、序）对基因组上所有的基因进行测序分析，找到大量的SNV、CNV、 Indel、SV（结构变异）等基因变异信息，更为全面的解析癌症发生发展的分子机制。 四.案例解析 1.外显组测序鉴定体细胞突变 2.外显组测序分析拷贝数和基因融合 3.全基因组重测序展示人类首个癌基因组图谱 4.全基因组测序解析基因组拷贝数变异 C o m p a n y L o g o DNADNA方向方向2.血液肿瘤基因组学研究 一.研究目的和意义 寻找适用于白血病早期诊断、疾病分期或分级、预后的分子标记，药物筛选的靶标，指导个体化用药的 分子依据。 二.研究对象 血液病类型：骨髓增生异常综合症（MDS），多发性骨髓瘤，非霍

10、奇金淋巴瘤，霍奇金淋巴瘤，慢性淋 巴细胞白血病，慢性髓细胞白血病，急性淋巴细胞白血病，急性髓细胞白血病（急性粒细胞白血病）。 三.测序方案 Exome capture seq（外显组捕获测序）描绘基因组外显子区域的SNV（单核苷酸变异），Indel（插入 缺失）、CNV（拷贝数变异），分析基因变异和癌症的相关性。 Target capture seq（目标捕获测序）对一些功能富集的基因或研究人员感兴趣的基因组的部分区域进 行捕获，分析基因变异对癌症的影响。例如：癌症相关基因（508个）、免疫（883个）、凋亡（1536个）、 细胞周期（1005个）、p53通路（162个）等。 Whole ge

11、nome seq （全基因组测序）对基因组上所有的基因进行测序分析，找到大量的SNV、CNV、 Indel、SV（结构变异）等基因变异信息，更为全面的解析癌症发生发展的分子机制。 四.案例解析 1.对4个慢性淋巴细胞性白血病（CLL）进行全基因组测序分析，在染色体13q14上有3位患者出现了基 因组大片段的缺失。 2.研究者选取22个FLT3-ITD突变阳性患者及29个FLT3-ITD 阴性患者进行目标区域捕获测序研究，能够检测 到FLT3不同位臵的ITD，并在FLT3-ITD阴性患者基因组上发现了比较低频的ITD，为白血病的分子诊断提供 了更为准确的信息。 C o m p a n y L o

12、 g o DNADNA方向方向3.表观遗传学研究 一.研究目的和意义 DNA甲基化是表观遗传学研究的重点，是基因调控的手段之一，在维持细胞正常功能、传递基因组印记、 胚胎发育和肿瘤发生等方面起着至关重要的作用。检测表观遗传学变异尤其是基因组的甲基化，探讨甲基 化对于生物学功能的影响，并筛选可应用作为疾病早期诊断、分级和分型的分子标记。 二.研究对象 研究对象：各类肿瘤、发育、干细胞分化的不同阶段。 三.测序方案 RRBS（Reduced Representation Bisulfite Sequencing） 基于Msp|酶切消化和bisulfite处理的高性价比方法，可对基因组promote

13、r区及CpG岛区域的DNA甲基化状态 进行样品之间的比较分析。 MBD-Seq（Methylated DNA Binding Domain Sequencing） 由于在哺乳动物中甲基化一般发生在CpG的胞嘧啶5位碳原子上，所以可通过特异性结合甲基化DNA的蛋白 MBD2b富集高甲基化的DNA片段，并结合第二代高通量测序，对富集到的DNA片段进行测序，从而检测全 基因组范围内的甲基化位点。 MeDIP-Seq（Methylated DNA Immunoprecipitation Sequencing ） 通过使用5 -甲基胞嘧啶抗体富集高甲基化的DNA片段，然后将富集后的DNA进行高通量测序。

14、 BS（Bisulfite Sequsencing） Bisulfite处理能够将基因组中未甲基化的C碱基与甲基化的C碱基区分开来，因此成为表观遗传学研究的经 典实验方法。将Bisulfite处理与高通量测序技术的结合的Bisulfite Sequencing能够绘制单碱基分辨率的 DNA甲基化图谱，可用于研究特定DNA区域甲基化与特定表型之间的关联。 C o m p a n y L o g o DNADNA方向方向4.免疫组学研究 一.研究的背景 T细胞受体（T cell receptor，TCR）是T细胞表面特异性识别抗原和介导免疫应答的分子，是人类基因 组中多态性最高的区域之一，决定着人

15、的免疫系统如何适应环境的变化。T细胞受体库的多样性（包括基因 重组以及选择性表达）直接反映了机体免疫应答的状态。 二.适用范围 肿瘤免疫、自身免疫性疾病、器官移植免疫监测、疫苗注射免监测 三.案例解析目的 ： 目的：干细胞移植（HSCT）后，通过对TCR（T细胞受体）的CDR3（VDJ基因重组区域）区域进行重组分 析获得移植后病人的CD4+和CD8+T细胞的多样性，从而检测移植受体免疫重建的结果。通过比较不同来源的 干细胞（造血干细胞、去除T细胞的造血干细胞、脐血干细胞）移植后的TCR的多样性进行移植效果的判断， 并阐述TCR多样性与细菌感染的关系。 方法：选取干细胞移植的病人作为研究对象，时

16、间点为移植后6个月和12个月，以健康人作为对照。从 8ml外周血中分理CD4+和CD8+T细胞处利用高通量测序技术结合生物信息学分析检测TCR的CDR3区域重组的多 样性。 结果：1.对去除T细胞（TCD）的干细胞移植病人的测序结果分析发现移植病人的TCR的多样性比健康人要低。 2. 对不同来源的干细胞进行TCR多样性分析，发现脐血干细胞移植后，TCR的多样性最高，且CD4+来 源的TCR比CD8+来源的TCR多样性高。 3.年龄和供体对干细胞移植后TCR的多样性影响不大，但是出现急性移植物抗宿主病及全身类固醇治 疗的病人有着较高的TCR多样性，相反，出现巨细胞病毒（CMV）疱疹病毒（EBV）

17、感染的病人TCR多样性比 较低。 C o m p a n y L o g o RNARNA方向方向1.实体肿瘤转录组学研究 一.研究目的和意义 寻找适用于肿瘤早期诊断、肿瘤分型（在分子水平对疾病能够准确分型）、病程发展（恶化和转移）和 预后的转录组分子标记，筛选药物的靶标，用药的分子依据。 二.研究对象 实体肿瘤的鉴别，按照临床病理分类，例如：肺癌、胃癌、肝癌、结肠癌、乳腺癌、宫颈癌、胰腺癌、膀 胱癌、食管癌、鼻咽癌、肾癌、淋巴瘤等。 三.测序方案 RNA-seq（PolyA法mRNA测序）发现癌症发生或转移相关的mRNA的变异（几乎所有基因的表 达量差异、基因融合和选择性剪切等事件）。 Sm

18、allRNA-seq（小RNA测序）分析miRNA的表达量差异，预测miRNA作用的靶基因，筛选可用 于疾病诊断和预后的分子标记。 lncRNA-seq（长链非编码RNA测序）通过PolyA尾抓取或核糖体RNA去除的方法，富集mRNA和 lncRNA，可以发现样品中的新lncRNA，并同时检测样本中的mRNA和lncRNA，进行共表达分析，以 mRNA的功能富集分析挖掘lncRNA的功能和潜在作用机制，探讨lncRNA和疾病的关系。 四.案例解析 C o m p a n y L o g o RNARNA方向方向2.血液肿瘤转录组学研究 一.研究目的和意义 寻找适用于白血病早期诊断、疾病分期或分

19、级、预后的分子标记，药物筛选的靶标，指导个体化用药的 分子依据。 二.研究对象 血液病类型：骨髓增生异常综合症（MDS），多发性骨髓瘤，非霍奇金淋巴瘤，霍奇金淋巴瘤，慢性淋巴 细胞白血病，慢性髓细胞白血病，急性淋巴细胞白血病，急性髓细胞白血病（急性粒细胞白血病）。 三.测序方案 RNA-seq（PolyA法mRNA测序）发现癌症发生或转移相关的mRNA的变异（几乎所有基因的表 达量差异、基因融合和选择性剪切等事件）。 SmallRNA-seq（小RNA测序）分析miRNA的表达量差异，预测miRNA作用的靶基因，筛选可用 于疾病诊断和预后的分子标记。 lncRNA-seq（长链非编码RNA测序）通过PolyA尾抓取或核糖体RNA去除的方法，富集mRNA和 lncRNA，可以发现样品中的新lncRNA，并同时检测样本中的mRNA和lncRNA，进行共表达分析，以 mRNA的功能富集分析挖掘lncRNA的功能和潜在作用机制，探讨lncRNA和疾病的关系。 四.案例解析 C o m p a n y L o g o RNARNA方向方向 3.Exosome